全廠熱平衡試驗(yàn)鍋爐部分的研究

陳曉龍，宋大勇，薛永鋒，劉思彤

(國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 清潔高效燃煤發(fā)電與污染物控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210046)

0 引 言

近幾年,國(guó)家對(duì)燃煤電廠節(jié)能工作的要求越來(lái)越高，電廠迫于政策要求，加之各機(jī)構(gòu)節(jié)能量計(jì)算方法也不統(tǒng)一，導(dǎo)致相同的機(jī)組煤耗在行業(yè)生產(chǎn)、管理、經(jīng)營(yíng)、機(jī)組改造、招投標(biāo)時(shí)采用的計(jì)算方法、分析手段、結(jié)論不盡相同，給項(xiàng)目的評(píng)估、管理造成一定程度的混亂，給節(jié)能改造的決策造成一定的難度[1]。

研究電站鍋爐熱平衡的目的和意義，就在于更準(zhǔn)確、更規(guī)范地弄清燃料中的熱量，有多少被鍋爐有效利用，有多少變成熱損失，以及熱損失分別表現(xiàn)在哪些方面，以便判斷鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行水平，進(jìn)而尋求提高鍋爐經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。同時(shí)，鍋爐熱平衡試驗(yàn)也是全廠熱平衡的組成部分，可以作為機(jī)組節(jié)能改造工作的重要依據(jù)[2]。

1 鍋爐熱平衡試驗(yàn)要求

1.1 全廠鍋爐熱平衡試驗(yàn)的定義

以火力發(fā)電廠為對(duì)象，按照熱力學(xué)第一定律，在規(guī)定的平衡期內(nèi)和火力發(fā)電廠鍋爐熱平衡系統(tǒng)的邊界內(nèi)，對(duì)全廠鍋爐熱力系統(tǒng)總的熱量輸入、輸出及損失之間的數(shù)量關(guān)系進(jìn)行平衡。

1.2 鍋爐熱平衡邊界

電站鍋爐機(jī)組熱平衡系統(tǒng)邊界內(nèi)設(shè)備包括帶循環(huán)泵的汽水系統(tǒng)、帶磨煤機(jī)的制粉系統(tǒng)、燃燒設(shè)備、脫硝裝置、空氣預(yù)熱器、煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)及冷渣器(冷渣水熱量有效利用)等。暖風(fēng)器、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、冷一次風(fēng)機(jī)、高壓流化風(fēng)機(jī)、密封風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)、冷卻水泵、油加熱器、脫硫劑供給系統(tǒng)、供氨系統(tǒng)等為系統(tǒng)外設(shè)備。

在特殊情況下，經(jīng)協(xié)商也可更改上述系統(tǒng)界限，但應(yīng)修改相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目和計(jì)算方法。

1.3 試驗(yàn)要求

電站鍋爐熱平衡試驗(yàn)主要根據(jù)GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》[3]的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。在此基礎(chǔ)之上，鍋爐熱平衡試驗(yàn)要求：有分爐的電廠應(yīng)先分爐測(cè)試，后統(tǒng)計(jì)全廠；各類數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)DL/T 606—2014《火力發(fā)電廠能量平衡導(dǎo)則第3部分：熱平衡》[4]的要求整理成平衡期的累計(jì)量和平衡期的加權(quán)平均值；在機(jī)組滿負(fù)荷和最低運(yùn)行負(fù)荷之間，應(yīng)選擇不少于3個(gè)典型負(fù)荷點(diǎn)，在平衡期內(nèi)完成機(jī)組的鍋爐熱平衡試驗(yàn)。

2 全廠鍋爐熱平衡試驗(yàn)方法

2.1 鍋爐熱效率計(jì)算

在平衡期內(nèi)單臺(tái)鍋爐熱效率可分為鍋爐正平衡熱效率和鍋爐反平衡熱效率。鍋爐正平衡熱效率可以通過(guò)在測(cè)試過(guò)程中直接測(cè)量和計(jì)算鍋爐有效利用熱、燃料消耗量以及燃料低位發(fā)熱量等方面確定。鍋爐反平衡熱效率可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)出鍋爐的各項(xiàng)熱損失得出。鍋爐熱效率測(cè)定試驗(yàn)依據(jù)GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》中有關(guān)規(guī)定及說(shuō)明進(jìn)行。通常采用反平衡方法測(cè)定鍋爐熱效率。鍋爐反平衡熱效率計(jì)算式為

η=100-(q2+q3+q4+q5+q6+qoth)

(1)

式中：η為鍋爐熱效率，%；q2為熱效率計(jì)算排煙熱損失，%；q3為熱效率計(jì)算可燃?xì)怏w未完全燃燒熱損失，%；q4為熱效率計(jì)算固體未完全燃燒熱損失，%；q5為熱效率計(jì)算鍋爐散熱損失，%；q6為熱效率計(jì)算灰、渣物理顯熱損失，%；qoth為熱效率計(jì)算其他熱損失，%。

2.2 平衡期內(nèi)單臺(tái)鍋爐熱效率和熱損失的確定

根據(jù)單臺(tái)鍋爐在平衡期內(nèi)出現(xiàn)的各種負(fù)荷，查該鍋爐的特性曲線或根據(jù)鍋爐實(shí)際熱平衡測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果按式(2)和式(3)所示計(jì)算。

(2)

(3)

式中：qdl,i為平衡期單臺(tái)鍋爐i項(xiàng)熱損失，%；ql,i,n為對(duì)應(yīng)第n負(fù)荷級(jí)下的i項(xiàng)熱損失，%；Dfh,n為鍋爐第n負(fù)荷級(jí)下的累計(jì)蒸發(fā)量，t；N為平衡期內(nèi)出現(xiàn)的負(fù)荷級(jí)個(gè)數(shù)；ηgl為平衡期內(nèi)單臺(tái)鍋爐熱效率，%；ηl,n為對(duì)應(yīng)第n負(fù)荷級(jí)下的鍋爐熱損失，%。

2.3 計(jì)算全廠鍋爐熱效率及各項(xiàng)熱損失

以各臺(tái)鍋爐在平衡期內(nèi)的累計(jì)蒸發(fā)量為權(quán)數(shù)，根據(jù)式(4)和式(5)加權(quán)計(jì)算全廠鍋爐熱效率和各項(xiàng)熱損失。

(4)

(5)

式中：qcl,i為平衡期內(nèi)全廠鍋爐i項(xiàng)損失，%；qdl,i,m為平衡期第m臺(tái)鍋爐i項(xiàng)熱損失，%；Dsc,m為平衡期內(nèi)第m臺(tái)鍋爐的累計(jì)蒸發(fā)量，t；M為平衡期內(nèi)全廠運(yùn)行鍋爐臺(tái)數(shù)；ηcgl為平衡期內(nèi)全廠鍋爐熱效率，%；ηgl,m為平衡期第m臺(tái)鍋爐熱效率，%。

3 全廠鍋爐熱平衡試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

利用上述分析計(jì)算方法,選取2019年9月為某熱電廠試驗(yàn)熱平衡期。通過(guò)試驗(yàn)，得到1號(hào)鍋爐和2號(hào)鍋爐在162.5 MW負(fù)荷、187.5 MW負(fù)荷、225 MW負(fù)荷、275 MW負(fù)荷、325 MW負(fù)荷下鍋爐熱效率及各項(xiàng)熱損失,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 1號(hào)鍋爐熱效率及各項(xiàng)熱損失計(jì)算結(jié)果

表2 2號(hào)鍋爐熱效率及各項(xiàng)熱損失計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，在試驗(yàn)工況下，隨著機(jī)組負(fù)荷下降，排煙溫度下降，但受排煙氧量升高的影響，干煙氣熱損失隨負(fù)荷降低總體呈升高趨勢(shì);另外，表面輻射和對(duì)流的熱損失也隨著負(fù)荷降低，呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。綜合對(duì)比，實(shí)測(cè)鍋爐熱效率隨負(fù)荷下降總體呈下降趨勢(shì)。

3.2 鍋爐熱效率變化特性確定

根據(jù)2臺(tái)機(jī)組在162.5 MW負(fù)荷、187.5 MW負(fù)荷、225 MW負(fù)荷、275 MW負(fù)荷、325 MW負(fù)荷時(shí)得到的鍋爐熱效率，擬合得到鍋爐熱效率與功率變化關(guān)系曲線，見(jiàn)圖1。

圖1 鍋爐熱效率與功率的關(guān)系

通過(guò)圖1曲線(虛線)，擬合得到1號(hào)鍋爐熱效率與發(fā)電機(jī)端功率曲線方程式：

6.4073×10-3×Nt+92.65

(6)

式中：Nt為實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)功率，MW。

由式(6)計(jì)算得到1號(hào)鍋爐在194.73 MW負(fù)荷(2019年9月平均負(fù)荷)時(shí)，鍋爐熱效率為92.25%。

通過(guò)圖1曲線(實(shí)線)，擬合得到2號(hào)鍋爐熱效率與發(fā)電機(jī)端功率曲線方程式：

4.742×10-2×Nt+85.85

(7)

由式(7)計(jì)算得到2號(hào)鍋爐在188.06 MW負(fù)荷(2019年9月平均負(fù)荷)時(shí)，鍋爐熱效率為91.85%。

3.3 平衡期內(nèi)鍋爐各項(xiàng)指標(biāo)確定

經(jīng)2019年9月對(duì)某熱電廠2臺(tái)鍋爐的試驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)，分別得到各項(xiàng)損失及鍋爐熱效率。平衡期內(nèi)鍋爐熱效率見(jiàn)表3。

表3 平衡期內(nèi)鍋爐熱效率匯總表

通過(guò)試驗(yàn)得到平衡期內(nèi)1號(hào)鍋爐熱效率為92.29%，2號(hào)鍋爐熱效率為91.73%，全廠鍋爐熱效率為92.02%。

在計(jì)算鍋爐熱效率的過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整鍋爐主要參數(shù)來(lái)了解該參數(shù)變化對(duì)鍋爐熱效率的影響幅度[5]，從而為電廠提供參考。對(duì)鍋爐熱效率影響較大的因素包括排煙溫度、收到基低位發(fā)熱量、排煙處氧含量、基準(zhǔn)溫度、入爐煤質(zhì)(收到基發(fā)熱量、收到基碳含量等)和環(huán)境條件(基準(zhǔn)溫度、空氣含濕量和大氣壓力)等。在鍋爐運(yùn)行中，電廠比較注重通過(guò)燃燒優(yōu)化、設(shè)備檢修和改造等手段提高鍋爐熱效率、降低供電煤耗。因此，對(duì)鍋爐熱效率有一定影響的可控因素成為電廠重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象[6-10]。

3.4 全廠鍋爐熱平衡圖的制定

根據(jù)平衡期中對(duì)各單臺(tái)機(jī)組的效率試驗(yàn)及各項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，繪制全廠的鍋爐熱平衡圖，見(jiàn)圖2。

圖2 鍋爐熱平衡圖

4 結(jié) 語(yǔ)

以某熱電廠超臨界鍋爐典型試驗(yàn)為例，詳細(xì)介紹了全廠鍋爐熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和計(jì)算過(guò)程。通過(guò)2臺(tái)機(jī)組分別在162.5 MW、187.5 MW、225 MW、275 MW和325 MW負(fù)荷點(diǎn)下的熱力性能試驗(yàn)，得到機(jī)組鍋爐熱效率等機(jī)組特性參數(shù)，并擬合得到2臺(tái)機(jī)組鍋爐熱效率的特性曲線。通過(guò)2019年9月機(jī)組實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，最終得到全廠鍋爐熱效率，繪制出全廠鍋爐熱平衡圖。研究表明，鍋爐熱平衡試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確地掌握燃料中的熱量利用率和損失率，有助于對(duì)鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行水平的判斷，對(duì)火力發(fā)電廠節(jié)能改造工作有重要意義。