350 MW超臨界CFB機組廠用電率優(yōu)化分析

張文元

(山西國際能源集團(tuán)有限公司，山西 太原 030002)

350 MW超臨界循環(huán)流化床(CFB)機組是近幾年投產(chǎn)流化床機組中的主力機組，到2017年末在中國已經(jīng)投產(chǎn)十余臺。

山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司(以下簡稱河坡發(fā)電公司)2臺350 MW超臨界CFB機組采用變壓運行直流爐，單爐膛、半露天M 型布置、平衡通風(fēng)、一次中間再熱、固態(tài)排渣、水冷滾筒式冷渣器、循環(huán)流化床燃燒方式，通過高溫冷卻式旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離。

鍋爐設(shè)計煤種熱值為16 994 kJ/kg，由于設(shè)備選型和運行調(diào)整合理，自投產(chǎn)以來機組各項重要性能指標(biāo)達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。在燃用熱值為12 979 kJ/kg煤種時，全天平均負(fù)荷236 MW，負(fù)荷率67.4%，平均廠用電率5.15%，最低值3.85%，其超低廠用電率已成為國內(nèi)同型機組標(biāo)桿。以2號機組為例，平均負(fù)荷236 MW，負(fù)荷率67.42%工況下，從運行調(diào)整和設(shè)計優(yōu)化的角度計算分析超低廠用電率原因。

1 運行調(diào)整和設(shè)計優(yōu)化節(jié)電分析

1.1 運行調(diào)整和風(fēng)機變頻應(yīng)用節(jié)電分析

一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、引風(fēng)機等主輔機設(shè)備采用離心式風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)。按照原先常規(guī)設(shè)計，鍋爐的播煤風(fēng)應(yīng)由單獨播煤風(fēng)機來供風(fēng)，現(xiàn)設(shè)計播煤風(fēng)由一次風(fēng)機來供風(fēng)，取消播煤風(fēng)機、引風(fēng)機和脫硫增壓風(fēng)機，實現(xiàn)整體優(yōu)化[1]，降低了廠用電。各風(fēng)機主要參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)機主要參數(shù)

1.1.1 爐膛料層厚度運行優(yōu)化節(jié)電分析

爐膛料層厚度過高，一方面導(dǎo)致流化效果不良，另一方面還會導(dǎo)致風(fēng)室壓力、床層壓力、料層差壓等參數(shù)過高，一次風(fēng)機、二次風(fēng)機出口風(fēng)壓過高，風(fēng)機耗電增加，廠用電率增大，同時加劇水冷壁磨損。作為超臨界CFB機組，通過優(yōu)化爐膛料層厚度，在保持原工況一次流化風(fēng)量不變和爐膛差壓基本不變的前提下，確保帶負(fù)荷能力不降低，通過調(diào)整燃煤粒徑，保證流化效果，有選擇性地控制冷渣器運行方式，控制料層厚度，減少爐內(nèi)無效床料數(shù)量，實現(xiàn)降低風(fēng)室壓力和低床壓防磨節(jié)電運行。

表2為236 MW工況下，優(yōu)化料層厚度過程運行相關(guān)參數(shù)。

表2 料層優(yōu)化運行參數(shù)

由表2可知，鍋爐水冷風(fēng)室壓力從10.22 kPa降至8.44 kPa，而爐膛差壓基本保持不變。床層壓力由8.5 kPa降至5.5 kPa，料層厚度降低的同時，提高了二次風(fēng)和播煤風(fēng)的穿透度，提高了燃燒效率，降低了鍋爐內(nèi)部磨損，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

A一次風(fēng)機電流降低9 A，B一次風(fēng)機電流降低10 A，采用電壓電流法[2]計算電機所耗功率如下：

(1)

式中：U為電機電壓，kV；I為電機運行電流，A；μ為功率因數(shù)，%；θ為機械效率，%。

計算該工況下采用低床壓運行,實現(xiàn)降低一次風(fēng)機功率約170.6 kW，可降低廠用電率約0.072%。

1.1.2 降低煙道阻力運行優(yōu)化節(jié)電分析

a. 合理控制脫硫脫硝運行，減少煙道腐蝕。鍋爐采用爐內(nèi)與爐外兩級脫硫，爐內(nèi)脫硫采用石灰石輸送系統(tǒng)經(jīng)返料器進(jìn)入爐膛的干法脫硫方式。爐后采用石灰石—石膏濕法脫硫，合理分配爐內(nèi)與爐外脫硫率，在濕法脫硫過程中，優(yōu)化漿液循環(huán)泵與氧化風(fēng)機在滿負(fù)荷時投運臺數(shù)，合理控制脫硫漿液的pH值和密度，提高脫硫效率，減少漿液循環(huán)泵和噴淋層數(shù)量，降低脫硫塔的阻力。

b. 根據(jù)布袋除塵器的特性和運行要求，在保證安全的前提下，將布袋差壓控制在低限，降低布袋的差壓。

c. 對鍋爐本體、煙道和風(fēng)道加強巡檢和檢修，保證鍋爐嚴(yán)密性。在空預(yù)器前后安裝監(jiān)測孔，通過便攜式煙氣分析儀定期測量，確保換熱面安全穩(wěn)定運行。

d. 加強吹灰運行管理，根據(jù)煤質(zhì)和運行情況，靈活調(diào)整吹灰范圍和頻次，制定合理的吹灰制度并嚴(yán)格執(zhí)行。減少受熱面積灰，降低系統(tǒng)阻力，減小空預(yù)器壓差。

采集鍋爐滿負(fù)荷煙道壓降參數(shù)見表3。

表3 煙道壓降參數(shù) kPa

由表3可知，通過運行優(yōu)化，鍋爐滿負(fù)荷工況煙氣側(cè)總阻力比設(shè)計值低0.71 kPa,節(jié)電效果明顯。

1.1.3 離心式風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)節(jié)電分析

風(fēng)機流量調(diào)節(jié)方式直接影響其性能和管路特性，風(fēng)機的管路特性曲線由具體的管路系統(tǒng)自然形成，具有固定性。工頻調(diào)節(jié)通過改變擋板開度實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)整，實際上就是通過改變管路特性實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，方法簡單、易操作。減小擋板開度控制流量時，人為增加了風(fēng)機擋板及管網(wǎng)阻力，使風(fēng)機運行效率降低，大部分電能被用來克服管道阻力，存在嚴(yán)重的節(jié)流損失。采用變頻調(diào)節(jié)，隨著轉(zhuǎn)速、流量下降，風(fēng)壓也隨之下降，因此電機功率下降。采用變頻調(diào)速技術(shù)控制流量時，擋板可全開，管網(wǎng)阻力不變且保持最小，壓力損失降到最低。通過改變風(fēng)機的電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)，可有效降低風(fēng)機耗電量，節(jié)能效果顯著。

以2號鍋爐實際運行數(shù)據(jù)對引風(fēng)機、一次風(fēng)機、二次風(fēng)機進(jìn)行節(jié)電計算[3]，見表4。

表4 各風(fēng)機耗電量

由表4可知，離心式引風(fēng)機、一次風(fēng)機和二次風(fēng)機采用變頻調(diào)節(jié)相比工變頻耗電差值全天總計94 008 kWh，換算功率為3 917 kW，可降低廠用電率約1.66%。

采用爐內(nèi)噴鈣和濕法脫硫相結(jié)合方式，其三大風(fēng)機均選用離心式風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)，而某電廠選用同型號鍋爐、汽輪機，采用爐內(nèi)噴鈣和半干法脫硫，一次風(fēng)機和二次風(fēng)機選用離心式風(fēng)機，引風(fēng)機選用軸流式風(fēng)機。濕法脫硫反應(yīng)速率快、效率高，但投資較高；半干法脫硫效率較低，操作程序少，鈣硫比高，運行成本高，如脫硫達(dá)不到要求，仍需增加濕法脫硫[4]。兩電廠不同負(fù)荷下引風(fēng)機運行相關(guān)參數(shù)對比見表5。

表5 不同形式引風(fēng)機運行參數(shù)

1.2 除灰器底部大灰斗設(shè)計及空壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

布袋除塵器采用大灰斗方案，除塵器較常規(guī)提高10 m，每臺除塵器下部設(shè)計2個大灰斗，總有效容積不小于2 240 m3。為保證除塵器灰斗內(nèi)灰的流動性，單臺爐配置2臺風(fēng)量為17 m3/min、功率為37 kW氣化風(fēng)機，取消常規(guī)灰?guī)?，省去氣力輸灰環(huán)節(jié)，全廠鍋爐本體水冷螺桿式空壓機配置由原先9臺減至4臺，空壓機只用于空預(yù)器除灰，單臺空壓機功率為250 kW，單臺鍋爐可實現(xiàn)節(jié)電588 kWh，可降低廠用電率約0.249%。

1.3 單臺高流返料風(fēng)機運行

鍋爐并列布置3臺多級離心風(fēng)機，其特點為高壓頭、低流量。每臺高壓流化風(fēng)機容量為50%，正常運行兩運一備。高壓流化風(fēng)系統(tǒng)主要提供回料器流化風(fēng)和火檢冷卻風(fēng)，通過調(diào)節(jié)擋板保證各支路要求的風(fēng)量。

通過運行優(yōu)化調(diào)整實現(xiàn)高壓流化風(fēng)機兩備一運，停運1臺6 kV的高壓流化風(fēng)機，調(diào)整后運行參數(shù)對比見表6。

表6 高流風(fēng)機參數(shù)對比

經(jīng)計算，優(yōu)化后實現(xiàn)單臺高流風(fēng)機運行可節(jié)電約251 kWh，降低廠用電率約0.106%。

1.4 同軸驅(qū)動汽動給水泵組設(shè)計

采用35%電動給水泵組和100%汽動給水泵組，啟動完成后運行全過程采用汽動給水泵組供水。通過優(yōu)化汽動給水泵組標(biāo)高，實現(xiàn)了給水泵與前置泵同軸驅(qū)動，降低了給水泵組功耗，優(yōu)化了汽輪機排汽方式，取消了汽輪機排汽蝶閥，降低了排汽系統(tǒng)壓損，保證給水泵汽輪機組高效率運行。

汽動給水泵組通過汽輪機抽汽做功，輸出軸直接拖動給水泵，而采用電動給水泵組，需由廠高變壓器返送電做功，汽動給水泵耗汽，電泵耗電[5-6]。因此，汽動給水泵組相比電泵廠用電節(jié)電為同負(fù)荷電泵耗電與汽泵耗汽所需的輔機電耗差值。

根據(jù)經(jīng)驗值折算236 MW負(fù)荷下需給水泵功率5 492 kW。給水系統(tǒng)如果采用電泵給水泵組，236 MW工況下，電動機效率為96%，液力耦合器效率為85%，給水泵效率為78%，所需電泵電機功率為8 629 kW，占廠用電約3.66%。采用同軸驅(qū)動汽動給水泵組全天相應(yīng)系統(tǒng)所需耗電見表7。

表7 汽泵耗汽所需電量 kWh

由表7可知，采用同軸驅(qū)動汽動給水泵組全天所需輔機耗電量為7 370 kWh，換算相應(yīng)功率約307 kW，而采用電動給水泵組需廠用電8 629 kWh。因此，采用同軸驅(qū)動汽動給水泵組相比采用電動給水泵汽節(jié)電8 322 kWh，可降低廠用電率約3.526%。

1.5 采用間接空冷

汽輪機側(cè)采用間接空冷系統(tǒng)，每臺機組配備2臺變頻間冷循環(huán)泵，經(jīng)運行優(yōu)化，根據(jù)機組真空調(diào)整變頻，使機組保持在最佳真空方式下運行。隨著氣溫升高，單泵運行調(diào)整頻率超過33 Hz仍需提高轉(zhuǎn)速時，切換為雙泵運行，雙泵運行起始頻率為15 Hz，2臺泵轉(zhuǎn)速和頻率調(diào)平。

236 MW負(fù)荷下只運行1臺間冷循環(huán)水泵(6 kV)，實際運行電流為39 A。相比同行業(yè)同負(fù)荷直接空冷電廠冬季運行24臺空冷風(fēng)機(380 V)，實際運行電流為150 A，且滿出力運行1臺開式水泵，計算可節(jié)電1 697 kWh。 另外將主機間接空冷水和閉式冷卻水連通，冬季運行時，閉式水由主機間冷水代替，省去了開式水泵用電(355 kWh)，經(jīng)計算采用間接空冷相比直接空冷可降低廠用電率約0.869%。

2 超低廠用電率分析

350 MW CFB機組超低廠用電率是多方面合理調(diào)整、控制的結(jié)果，設(shè)備選型、風(fēng)機和變頻器合理控制、煙道阻力控制、間冷循環(huán)泵合理使用、低床壓運行等都起到降低廠用電率的作用。對2號機組負(fù)荷和廠用電率統(tǒng)計，得出平均廠用電率為5.15%，平均負(fù)荷為236 MW。

采用間接空冷可進(jìn)一步降低廠用電率，通過其他優(yōu)化調(diào)整，共降低廠用電率5.91%，增加上網(wǎng)電量33.47萬kWh，可顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。統(tǒng)計分析2號機組廠用電率構(gòu)成見表8。

表8 廠用電率構(gòu)成 %

3 結(jié)論

a. 采用低床壓優(yōu)化運行可降低一次風(fēng)機壓力1.78 kPa，降低一次風(fēng)機電流19 A，降低一次風(fēng)機功率170.6 kW，降低廠用電率約0.072%。

b. 通過運行優(yōu)化，鍋爐滿負(fù)荷工況煙氣側(cè)總阻力比設(shè)計值低0.71 kPa,離心式風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)相比軸流式風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)更節(jié)電。

c. 除灰器底部大灰斗設(shè)計及空壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，相比氣力輸灰可節(jié)電588 kWh，可降低廠用電率約0.249%。

d. 通過運行優(yōu)化，采用單臺高壓流化風(fēng)機運行，由原先兩運一備轉(zhuǎn)為一運兩備，節(jié)電251 kWh，可降低廠用電率約0.106%。

e. 采用汽動給水泵相比電泵節(jié)省電量8 322 kWh，可降低廠用電率約3.526%。

f. 采用間接空冷相比直接空冷節(jié)電1 697 kWh，冬季由間接空冷水直接帶閉式水，省去了開式水泵的用電，總計可降低廠用電率約0.869%。

g. 統(tǒng)計2號機組平均廠用電率為5.15%，平均負(fù)荷為236 MW。

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