燃煤鍋爐煤質(zhì)指標(biāo)耗差分析方法研究

方 超

(華能南通電廠，江蘇 南通 226003)

?

·發(fā)電技術(shù)·

燃煤鍋爐煤質(zhì)指標(biāo)耗差分析方法研究

方 超

(華能南通電廠，江蘇 南通 226003)

煤的成分與發(fā)熱量存在著復(fù)雜的關(guān)系?，F(xiàn)行的燃煤鍋爐煤質(zhì)指標(biāo)耗差分析沒(méi)有統(tǒng)一的方法,通常采用單項(xiàng)獨(dú)立的煤質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析，有一定的局限性。研究表明，煤的折算水分、折算灰分、折算氫含量既是煤的質(zhì)量指標(biāo)，又是煤的燃燒產(chǎn)物的數(shù)量指標(biāo)，與鍋爐熱損失密切相關(guān)。從鍋爐熱損失公式入手，推出了利用煤的折算成分進(jìn)行耗差分析的方法，舉例進(jìn)行了計(jì)算分析。方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可供兄弟電廠借鑒。

鍋爐；煤質(zhì)；折算成分；耗差分析

0 引言

火電廠燃煤鍋爐指標(biāo)耗差分析[1-12]分2類(lèi)，一類(lèi)是鍋爐運(yùn)行參數(shù)(排煙溫度、氧量、灰渣可燃物等)耗差分析，另一類(lèi)是煤質(zhì)指標(biāo)(水分、灰分、氫含量、發(fā)熱量等)耗差分析。煤質(zhì)對(duì)鍋爐效率影響較大。作為生產(chǎn)指標(biāo)管理手冊(cè)，文獻(xiàn)[13]在耗差分析中介紹了燃煤發(fā)熱量、水分變化對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響的計(jì)算方法，即先尋找燃料灰分、水分與發(fā)熱量的關(guān)系，然后代入公式計(jì)算灰分、水分變化對(duì)固體不完全燃燒熱損失和排煙熱損失影響。作為現(xiàn)場(chǎng)耗差分析，有些研究院在發(fā)電公司《耗差分析技術(shù)說(shuō)明書(shū)》中給出燃料發(fā)熱量對(duì)鍋爐效率偏差的計(jì)算公式，即對(duì)排煙熱損失和固體不完全燃燒熱損失公式中的發(fā)熱量求導(dǎo)，再乘以發(fā)熱量變化。眾所周知，煤質(zhì)成分與發(fā)熱量存在著復(fù)雜關(guān)系，即使同一煤種，發(fā)熱量相同時(shí)，其水分、灰分差別很大；同一水分或灰分的煤，其發(fā)熱量的變化范圍很大。因而單獨(dú)用水分、灰分、發(fā)熱量進(jìn)行煤質(zhì)指標(biāo)耗差分析，有其不足之處。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，鍋爐熱損失與煤的折算成分有關(guān)。煤的折算水分、折算灰分、折算氫含量，將煤質(zhì)成分與發(fā)熱量結(jié)合在一起，既是煤的質(zhì)量指標(biāo)，又是燃燒產(chǎn)物的數(shù)量指標(biāo)。由此，本文推出了采用煤質(zhì)折算成分來(lái)進(jìn)行煤質(zhì)指標(biāo)耗差分析的方法。

1 現(xiàn)行的鍋爐熱損失計(jì)算公式

1.1 排煙熱損失

鍋爐熱損失中，散熱損失與煤質(zhì)無(wú)關(guān)，對(duì)煤粉爐，一般可忽略氣體未完全燃燒熱損失，而排煙熱損失、固體未完全燃燒熱損失和灰渣物理熱損失都與煤質(zhì)有關(guān)。文獻(xiàn)[14]給出了如下熱損失公式：

(1)

將文獻(xiàn)[14]中提供的相關(guān)公式代入式(1)，經(jīng)整理得：

(2)

1.2 固體未完全燃燒熱損失

不考慮磨煤機(jī)排出的石子熱損失時(shí)，固體未完全燃燒熱損失可表示為:

(3)

式(3)中：q4為固體未完全燃燒熱損失。

1.3 灰渣物理熱損失

不考慮爐內(nèi)脫硫時(shí)，灰渣物理熱損失可表示為:

(4)

式(4)中：q6為灰渣物理熱損失；αlz,αfh分別為爐渣和飛灰占燃煤總灰量的質(zhì)量含量百分比；Clz，Cfh分別為爐渣和飛灰中碳的質(zhì)量百分比；tlz為爐膛排出的爐渣溫度(固態(tài)排渣可取800)，℃；clz為爐渣比熱(固態(tài)排渣可取0.96)，kJ/(kg·K)；cfh為飛灰比熱(可取0.82)，kJ/(kg·K)。

2 鍋爐熱損失公式轉(zhuǎn)換

2.1 燃煤折算成分

從上述熱損失公式中可發(fā)現(xiàn)，鍋爐熱損失與Mar/Qar,net,Har/Qar,net和Aar/Qar,net有關(guān)。

煤質(zhì)可以用所含成分和發(fā)熱量來(lái)表示，而傳統(tǒng)煤的折算成分就是把煤中的水分、灰分等成分折算到每4182kJ(即1000kcal)發(fā)熱量的百分?jǐn)?shù)。煤的折算水分、折算灰分、折算氫含量可分別表示為：Mar,zs=4182Mar/Qar,net,Aar,zs=4182Aar/Qar,net,Har,zs=4182Har/Qar,net?？梢?jiàn)，燃煤折算成分也是煤的質(zhì)量指標(biāo)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，煤的折算成分將煤的成分與發(fā)熱量結(jié)合在一起后，可以用作燃燒產(chǎn)物數(shù)量指標(biāo)，這是因?yàn)樵阱仩t所需熱量一定時(shí)，折算水分、折算含氫量增大就意味著鍋爐排出的水蒸氣量增加，折算灰分增大則意味著鍋爐排出的灰渣量增加，進(jìn)而引起鍋爐熱損失增加[15]。

2.2 熱損失公式轉(zhuǎn)換

引入煤的折算成分后，可將熱損失公式轉(zhuǎn)換為：

(5)

(6)

(7)

3 煤質(zhì)指標(biāo)耗差分析公式

3.1 煤質(zhì)變化與鍋爐熱效率變化的關(guān)系

嚴(yán)格地講，煤質(zhì)變化不但引起燃燒產(chǎn)物(主要是灰渣量和煙氣量)數(shù)量變化，還會(huì)引起鍋爐運(yùn)行參數(shù)變化。由于煤質(zhì)對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)的影響很復(fù)雜，不易量化(如煤的水分增加，可能會(huì)引起排煙溫度升高，但同時(shí)制粉系統(tǒng)所需的干燥熱量增加將使通過(guò)空預(yù)器的一次風(fēng)量增加，又會(huì)降低排煙溫度)，且可通過(guò)燃燒調(diào)整消化一部分，故當(dāng)試驗(yàn)所用燃料超過(guò)預(yù)先約定的范圍時(shí)，試驗(yàn)時(shí)熱損失不考慮煤質(zhì)對(duì)運(yùn)行參數(shù)的影響。如我國(guó)GB10184《鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的修正方法是將燃料中各組分及低位發(fā)熱量的設(shè)計(jì)值替代排煙熱損失計(jì)算有關(guān)公式中的試驗(yàn)值[16]；美國(guó)PTC4.1《鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的修正方法是將設(shè)計(jì)或保證煤的水分、氫含量代入相應(yīng)的燃料中水分和氫引起的熱損失計(jì)算公式中。可見(jiàn)國(guó)內(nèi)外鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程只考慮燃燒產(chǎn)物對(duì)熱損失的影響。

如前所述，鍋爐熱損失與Mar,zs,Har,zs和Aar,zs有關(guān)，令qmz=q2+q4+q6，則由于煤的折算成分偏離設(shè)計(jì)值引起的鍋爐熱損失變化值為：

(8)

(9)

(10)

(11)

式(9—11)中：Δηb，ΔηMar,zs，ΔηHar,zs，ΔηAar,zs分別為煤質(zhì)、折算水分、折算氫含量、折算灰分變化所引起的鍋爐熱效率變化值。

鍋爐運(yùn)行參數(shù)(排煙溫度、氧量、灰渣可燃物等)對(duì)鍋爐熱效率的耗差分析以煤質(zhì)不變?yōu)榍疤?；而煤質(zhì)指標(biāo)對(duì)鍋爐熱效率的耗差分析以鍋爐運(yùn)行參數(shù)不變?yōu)榍疤幔喈?dāng)于對(duì)燃燒產(chǎn)物的耗差分析，故只要將鍋爐設(shè)計(jì)的排煙溫度、灰渣可燃物、排煙過(guò)剩空氣系數(shù)代入式(9—11)即可。

式(9，10)的物理意義是燃煤折算水分變化、折算氫含量變化時(shí)所引起的水蒸氣顯熱損失變化；式(11)的物理意義是燃煤折算灰分變化時(shí)所引起的熱損失變化，其中包括未燃盡碳對(duì)排煙熱損失的修正變化、未燃盡碳損失變化和灰渣物理熱損失變化。

3.2 煤質(zhì)變化與發(fā)電煤耗變化的關(guān)系

煤質(zhì)變化，使鍋爐熱效率發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電煤耗變化。鍋爐熱效率變化引起的發(fā)電煤耗偏差[3]為：

(12)

式(12)中：bf，Δbf分別為基準(zhǔn)(如設(shè)計(jì))發(fā)電煤耗及其變化值，g/(kW·h)；ηb，Δηb分別為基準(zhǔn)(如設(shè)計(jì))鍋爐熱效率及其變化值。

4 應(yīng)用實(shí)例

某鍋爐為固態(tài)排渣爐，設(shè)計(jì)煤種是煙煤，Mar=12.02 %，Aar=18.17 %，Har=3.52 %，Vdaf=33.43%，Qar,net=21 201kJ/kg，Cfh=2.5 %，Clz=1%，αpy=1.28，θpy=129 ℃，t0=24 ℃。 設(shè)計(jì)工況下，ηb=93.50 %,bf=290.26g/(kW·h)。

某一時(shí)段，實(shí)際使用煤的指標(biāo)為Mar=22.10%，Aar=9.55%，Har=3.32%，Vdaf=35.55%，Qar,net=20 417 kJ/kg。求煤質(zhì)變化后對(duì)發(fā)電煤耗的影響(不考慮煤質(zhì)變化對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)的影響，運(yùn)行參數(shù)另有耗差分析)。

由θpy和t0得cp,py=1.356 0 kJ/(kg·K)，cp,H2O=1.502 6kJ/(kg·K)，將已知數(shù)據(jù)代入式(9—11)，則煤的折算成分變化與鍋爐效率變化的關(guān)系可表示為：

(13)

(14)

(15)

鍋爐效率變化驗(yàn)證。將設(shè)計(jì)煤質(zhì)等數(shù)據(jù)代入式(2—4)，則得設(shè)計(jì)工況下q2+q4+q6=5.064 3%+0.696 6%+0.135 9%=5.896 8%；將實(shí)際使用煤質(zhì)數(shù)據(jù)代入式(2—4)，則得實(shí)際工況下q2+q4+q6=5.174 0%+0.380 2%+0.074 2%=5.628 4%。因而，Δηb=-(5.628 4%-5.896 8%)=0.268 4%≈0.268%，與用式(9—11)或式(13—15)計(jì)算得到的Δηb=0.268%相符。

耗差分析結(jié)果。由設(shè)計(jì)煤質(zhì)變?yōu)閷?shí)際使用煤質(zhì)，由于折算水分增加、折算氫含量減少、折算灰分減少，使鍋爐熱效率增加0.268%(絕對(duì)值)，使發(fā)電煤耗減少0.83g/(kW·h)。

從本例可以看出：

(1) 實(shí)際使用煤種和設(shè)計(jì)煤種同屬煙煤，實(shí)際使用煤的發(fā)熱量低于設(shè)計(jì)值，如果只用煤的發(fā)熱量進(jìn)行耗差分析，則似乎對(duì)煤耗產(chǎn)生負(fù)面影響，但計(jì)算結(jié)果并非如此，表明僅用發(fā)熱量進(jìn)行耗差分析有點(diǎn)片面。

(2) 與設(shè)計(jì)煤相比，實(shí)際使用的煤的水分增加了10.08個(gè)百分點(diǎn)，灰分減少了8.62個(gè)百分點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果表明前者使鍋爐熱效率降低0.100%，后者使鍋爐熱效率增加0.362%，原因是灰分變化對(duì)鍋爐熱效率的影響大于水分變化。

(3) 折算氫含量變化對(duì)鍋爐熱效率變化影響相對(duì)較大，但由于同一種類(lèi)煤的氫含量變化相對(duì)較小，故對(duì)鍋爐熱效率的影響有限，只有跨越煤種時(shí)(如設(shè)計(jì)煤種是煙煤，而實(shí)際使用煤種是褐煤)才會(huì)顯現(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 煤的折算水分、折算氫含量、折算灰分既是煤的質(zhì)量指標(biāo)，也是鍋爐燃燒產(chǎn)物的數(shù)量指標(biāo)。

(2) 引入煤的折算成分，可使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，可將煤質(zhì)變化對(duì)鍋爐熱效率偏差的影響表示為煤的折算水分、折算氫含量、折算灰分的函數(shù)。

(3) 實(shí)例計(jì)算表明，僅用煤的發(fā)熱量作為煤質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行耗差分析有點(diǎn)片面；灰分變化對(duì)煤耗的影響大于水分；盡管氫含量變化對(duì)鍋爐效率的影響相對(duì)大一些，但由于同一種類(lèi)煤的氫含量變化相對(duì)較小，故對(duì)鍋爐熱效率的影響有限。

(4) 本文給出煤質(zhì)指標(biāo)對(duì)鍋爐熱效率的耗差分析公式，適用于同一煤種。當(dāng)燃用煤種跨越時(shí)(如設(shè)計(jì)煤種是煙煤，而實(shí)際使用褐煤)，其耗差分析誤差可能會(huì)大一些，因煤種跨越后，煤的揮發(fā)分、水分、發(fā)熱量會(huì)有較大變化，一方面會(huì)使K值略有變化(K為0.261 45±0.004 45，變化不大)，另一方面會(huì)引起飛灰含碳量、排煙溫度等運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化。但如果是同時(shí)進(jìn)行煤質(zhì)和鍋爐參數(shù)耗差分析，則本法可跨越煤種，因此時(shí)鍋爐運(yùn)行參數(shù)的變化中已包含了煤質(zhì)變化因素，未能單列而已。

應(yīng)該指出的是，煤質(zhì)變化較大時(shí)對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)(如排煙溫度、灰渣可燃物等)、廠用電率也有影響，當(dāng)另行研究。

[1] 胡文杰. 火電機(jī)組耗差分析及軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D]. 北京：華北電力大學(xué),2015. HU Wenjie. Research and development on energy-loss analysis system of thermal power unit[D]. Beijing：North China Electric Power University, 2015.

[2] 胡思科,邢姣嬌. 耗差分析法在電站機(jī)組能耗分析中的應(yīng)用[J]. 東北電力技術(shù),2014,35(4):46-49. HU Sike, XING Jiaojiao. Consumption difference analysis method used to power plant unit[J]. Northeast Electric Power Technology, 2014,35(4):46-49.

[3] 韓 琴,許曉斌,常 浩. 火電機(jī)組耗差分析中真空度基準(zhǔn)值的計(jì)算分析[J]. 華電技術(shù),2013,35(3):16-19. HAN Qin， XU Xiaobin， CHANG Hao. Calculation and analysis of vacuum base value of thermal power unit for energy-loss analysis[J]. Huadian Technology, 2013, 35(3):16-19.

[4] 白尊亮. 基于循環(huán)函數(shù)法的火電機(jī)組耗差分析模型及軟件的研究[D]. 上海：上海交通大學(xué),2010. BAI Zunliang. Research on energy-loss analysis model and software[D]. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University,2010.

[5] 方永平,胡念蘇,汪 靜,等. 600 MW超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組耗差分析[J]. 汽輪機(jī)技術(shù),2007,49(1):8-11. FANG Yongping, HU Niansu, WANG Jing, et al. Energy loss analysis on 600 MW super critical steam turbine generator unit[J]. Turbine Technology, 2007,49(1):8-11.

[6] 田紅景,謝 飛,張春發(fā),等. 基于小擾動(dòng)理論的火電廠機(jī)組耗差分析[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2006,33(3):51-53. TIAN Hongjing, XIE Fei, ZHANG Chunfa, et al. Energy-loss analysis of power plant units based on theory of small disturbance[J]. Journal of North China Electric Power University,2006,33(3):51-53.

[7] 李曉金, 曹洪濤, 張春發(fā). 火電機(jī)組耗差分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式和數(shù)學(xué)模型的分析研究[J]. 華北電力技術(shù),2003(8):4-8. LI Xiaojin, CAO Hongtao, ZHANG Chunfa. Research and development of energy-loss analysis system mode and math model for power plant thermodynamic[J]. North China Electric Power,2003(8):4-8.

[8] 張春發(fā),李曉金,曹洪濤,等. 電廠熱力系統(tǒng)耗差分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的研究與發(fā)展[J]. 汽輪機(jī)技術(shù),2003,45(3):129-131. ZHANG Chunfa, LI Xiaojin, CAO Hongtao, et al. Research and development of energy-loss analysis system for power plant thermodynamic[J]. Turbine Technology, 2003,45 (3): 129-131.

[9] 寇懷成,趙立軍,吳云杰. 基于統(tǒng)一模型及計(jì)算原則的汽輪機(jī)耗差分析[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2010,30(12):914-918. KOU Huaicheng, ZHAO Lijun, WU Yunjie. Energy-loss analysis of steam turbine based on unified models and calculation rules[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering,2010,30(12):914-918.

[10] 吳海姬,張 蕾,徐治皋. 鍋爐運(yùn)行氧量對(duì)鍋爐效率影響的定量分析[J]. 鍋爐技術(shù),2009,40(6):17-20. WU Haiji, ZHANG Lei, XU Zhigao. Quantitative analysis for influence of operation oxygen on boiler efficiency[J]. Boiler Technology, 2009,40(6):17-20.

[11] 劉振剛. 火電機(jī)組耗差分析模型研究[D]. 保定：華北電力大學(xué),2008. LIU Zhengang. Research on energy-loss analysis model for coal-fired power unit[D]. Baoding：North China Electric Power University,2008.

[12] 王 罡,張 光. 實(shí)時(shí)耗差分析方法的研究[J]. 東北電力技術(shù),2000,21(2):10-12. WANG Gang, ZHANG Guang. Research on real-time consumption difference analysis method[J]. Northeast Electric Power Technology,2000,21(2):10-12.

[13] 李 青，張興營(yíng)，徐光照. 火力發(fā)電廠生產(chǎn)指標(biāo)管理手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社,2007:283-288. LI Qing, ZHANG Xingying, XU Guangzhao. Production index management manual for fossil-fired power plants[M]. Beijing： China Electric Power Press, 2007:283-288.

[14] DL/T 904—2015 火力發(fā)電廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算方法[S]. DL/T 904—2015 Calculating method of economical and technical index for thermal power plant[S].

[15] 許振宇，陳鴻偉，高建強(qiáng). 火電廠鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)的耗差分析[J]. 熱力發(fā)電，2007,36(2)：16-18,30. XU Zhenyu, CHEN Hongwei, GAO Jianqiang. Analysis of consumption deviation for main operaton parameters of boilers in thermal power plant[J]. Thermal Power Generation, 2007,36(2)：16-18,30.

[16] GB 10184—1988 電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程[S]. GB 10184—1988 Performance test code for utility boiler[S].

方 超

方 超(1958 —)，男，江蘇通州人，高級(jí)工程師，從事電廠節(jié)能和設(shè)備可靠性管理工作。

(編輯 徐林菊)

A Method for Energy-loss Analysis in Coal-quality Index for Coal-fired Boilers

FANG Chao

(Huaneng Nantong Power Plant,Nantong 226003, China)

The relationship between the constituents and the heating value of the coal is complicated. Currently there is no unified method in the energy loss analysis in coal-quality index for coal-fired boilers. The generally adopted method, of which the limitations are apparent, is to analyze the individual index of the coal quality. Study shows that the converted moisture, converted ash and the converted hydrogen are at once the quality index of the coal and the quantitative index of the combustion products which are closely related to the heat loss of the boiler. Starting from a formula for boiler heat loss, this article proposes a method for energy-loss analysis using the converted constituents of the coal with examples of calculation and analysis. Simple and practical as it is, this method can be an alternative for colleagues of other power plants in energy-loss analysis.

boiler; coal quality; converted constituents; energy-loss analysis

2016-12-23；

2017-02-14

TK227

A

2096-3203(2017)03-0115-05