范仁東

(江蘇省電力設(shè)計院,江蘇 南京 211102）

風(fēng)冷干排渣系統(tǒng)對鍋爐效率影響分析計算

范仁東

(江蘇省電力設(shè)計院,江蘇 南京 211102）

結(jié)合國內(nèi)干式排渣系統(tǒng)的實際運行情況,從熱平衡計算的角度著手,定量分析了運行干式排渣系統(tǒng)對鍋爐效率的影響。事實上,對于排渣量較小的鍋爐,干式排渣機運行時本體的漏風(fēng)現(xiàn)象非常嚴重,以簡化后的熱平衡模型對效率進行估算,可知運行現(xiàn)有的干式排渣系統(tǒng),會使鍋爐效率降低0.34個百分點,或更多。目前,對部分電廠的實測數(shù)據(jù)也證明了這一點。

風(fēng)冷;干式;排渣系統(tǒng);鍋爐;效率 ;熱平衡;分析;計算

1 概 述

風(fēng)冷干排渣系統(tǒng)是20世紀80年代,由意大利公司研制開發(fā)的。河北三河電廠2×350MW機組是我國首次引進國外風(fēng)冷干式除渣設(shè)備及系統(tǒng)的項目,于1999年12月投人運行,在此基礎(chǔ)上,國內(nèi)部分研究制造單位也自主研制開發(fā)了風(fēng)冷干排渣系統(tǒng),且在極短的時間內(nèi)獲得到了大規(guī)模應(yīng)用,至2007年,國內(nèi)已有50多座電廠,共計100多臺燃煤鍋爐發(fā)電機組采用了干式排渣系統(tǒng),總裝機容量近50GW。2001年7月,風(fēng)冷干排渣系統(tǒng)被首批列入“國家鼓勵發(fā)展的節(jié)水設(shè)備(產(chǎn)品）目錄”。

目前,據(jù)不完全統(tǒng)計,國外的煤電裝機容量超過1000GW,風(fēng)冷干排渣系統(tǒng)在發(fā)明后近30年的時間內(nèi),國外大約有50臺燃煤鍋爐采用了風(fēng)冷干排渣系統(tǒng),總裝機容量約10GW,占煤電裝機容量的1%左右,顯然干式排渣系統(tǒng)在國外電廠不是主流系統(tǒng)和主流產(chǎn)品。

同樣的風(fēng)冷干排渣系統(tǒng),由意大利公司發(fā)明并研制開發(fā)成功,但在應(yīng)用上,國內(nèi)外的應(yīng)用為何出現(xiàn)如此大的反差,該項技術(shù)是否真的具有節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保綜合效益好的特點?是否真的符合國家的產(chǎn)業(yè)政策?

現(xiàn)結(jié)合國內(nèi)干式排渣系統(tǒng)的實際運行情況,從熱平衡計算著手,定量分析干式排渣系統(tǒng)運行時對鍋爐效率的影響。

2 干排渣系統(tǒng)的熱平衡分析

干排渣系統(tǒng)運行時,向大氣中散熱量的比例很低,可忽略不計,考慮到渣在運轉(zhuǎn)的干式排渣機上不具備再燃燒的能力,通過簡化的熱平衡模型進行估算:

渣的顯熱+爐膛排渣口對除渣裝置產(chǎn)生的輻射熱量=加熱冷卻風(fēng)的熱量。

2.1 輻射熱量

爐膛排渣口對除渣裝置產(chǎn)生的輻射熱量,可將其簡化為“兩個物體組成的輻射換熱系統(tǒng)”,如圖1所示,排渣口的表面溫度 t1、黑度ε1、面積 F1,除渣裝置的表面溫度t2、黑度ε2、面積 F2。

圖1 兩個物體組成的輻射換熱系統(tǒng)

爐膛瞠排渣口對除渣裝置產(chǎn)生的輻射熱量Qr為[1]:

式中:C0—— 黑體輻射系數(shù),C0=5.67W/(m2·k4）。

F1—— 鍋爐排渣口面積(m2）。

t1——鍋爐爐膛排渣口區(qū)域溫度,℃,對于固態(tài)排渣爐,該區(qū)域煙氣溫度通常按750～800℃考慮,比落入除渣裝置中渣溫低一些。

ε1—— 排渣口的黑度,鍋爐爐膛容積大,可以將爐膛排渣口假定為:等溫大空腔表面的小孔(洞）,即爐膛排渣口可近似認為是黑體,根據(jù)黑體的性質(zhì),爐膛排渣口的黑度ε1=1.0。t2—— 除渣裝置內(nèi)表面溫度,℃,近似取冷卻風(fēng)進爐膛溫度。

2.2 排渣的顯熱

排渣落入除渣裝置所帶入的熱量Qb

式中 Gz——鍋爐的排渣量,(kg/s）

Cz——渣的比熱容,J/(kg·℃）

排渣的渣比熱見表1中的數(shù)據(jù)所示。

表 1 渣比熱 J/(kg·℃）

tz——落入除渣裝置中渣的平均溫度,對于固態(tài)排渣爐,可取815℃。

t0——干排渣系統(tǒng)的排渣溫度,℃。

2.3 冷卻風(fēng)量和冷卻風(fēng)進爐膛溫度

冷卻風(fēng)吸收的熱量Qa:

由式(7）,可計算得冷卻風(fēng)量Ga和冷卻風(fēng)進爐膛溫度t2。

3 對鍋爐效率影響分析

3.1 冷卻風(fēng)量

為了保證在所有工況下(鍋爐負荷變化、鍋爐吹掃、煤質(zhì)變化等）,干式排渣機的排渣溫度不至過高,以滿足后續(xù)設(shè)備的運行要求,冷卻風(fēng)量應(yīng)滿足最大排渣量要求。按《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》要求:當采用風(fēng)冷式排渣機方案時,設(shè)備的最大出力宜不小于鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量時燃用設(shè)計煤種排渣量的250%。此時干排渣系統(tǒng)的排渣溫度t0可取150℃。

假設(shè)鍋爐排渣口至干式排渣裝置進風(fēng)口之間的流程足夠長,熱渣與冷卻風(fēng)能充分換熱,結(jié)合目前電廠干排渣系統(tǒng)的實際運行情況,進爐膛的冷卻風(fēng)溫度達到二次風(fēng)的熱風(fēng)溫度(340～360℃）。

按Gz=鍋爐燃用設(shè)計煤種MCR正常排渣量×2.5、t0=150℃、t2=340～360℃,應(yīng)用式(2）、(4）、(7）,可得到滿足鍋爐最大排渣量要求的冷卻風(fēng)量Ga0。

3.2 冷卻風(fēng)進爐膛溫度

鍋爐實際運行時,由于鍋爐負荷的變化、煤質(zhì)變化、鍋爐是否吹掃等的影響,在大部分時段內(nèi),鍋爐的排渣量會遠少于最大排渣量。按鍋爐年平均運行330d,折算成MCR工況為5000h計,鍋爐的實際排渣量平均為:Gz=鍋爐燃用設(shè)計煤種MCR正常排渣量×0.63。

現(xiàn)場實際運行時,運行人員更多的是關(guān)注干排渣系統(tǒng)的排渣是否超溫,否則后續(xù)設(shè)備難以運行;同時,目前的干式排渣機缺乏有效的實時進風(fēng)量調(diào)節(jié)手段,盡管目前部分設(shè)備理論上有一定的進風(fēng)量調(diào)節(jié)手段,但調(diào)節(jié)機構(gòu)的可調(diào)性差,調(diào)節(jié)范圍窄,干式排渣機本體的漏風(fēng)又非常嚴重,基本上不能做到有效的調(diào)節(jié)進風(fēng)量;因此,按目前電廠干排渣系統(tǒng)的實際運行情況,干排渣系統(tǒng)長期運行的冷卻風(fēng)量,基本上就是滿足鍋爐最大排渣量要求的冷卻風(fēng)量Ga0,但此時干排渣系統(tǒng)的平均排渣溫度較低,t0可取50℃。

按照上述條件,應(yīng)用式(2）、(4）、(7）,可得到干排渣系統(tǒng)的冷卻風(fēng)進爐膛平均溫度t20,該溫度會遠低于鍋爐二次風(fēng)的熱風(fēng)溫度。

3.3 對鍋爐效率的影響分析

在入爐總?cè)紵諝饬?氧量）保持不變的情況下,干排渣系統(tǒng)冷卻風(fēng)作為燃燒所需空氣從爐底送入,經(jīng)過空氣預(yù)熱器的空氣量會相應(yīng)減少,鍋爐的排煙溫度會略有上升。

經(jīng)空預(yù)器后進入爐膛的二次風(fēng)的熱風(fēng)溫度通常為340～360℃,為便于分析,假定干排渣系統(tǒng)冷卻風(fēng)從爐底進入爐膛,不會對鍋爐燃燒產(chǎn)生不利影響,因此,只有在保證由鍋爐底部進入爐膛的風(fēng)溫不低于340～360℃時,才不會影響鍋爐效率。由于干排渣系統(tǒng)的冷卻風(fēng)進爐膛平均溫度t20遠低于鍋爐二次風(fēng)的熱風(fēng)溫度,會降低鍋爐效率,其降低值可近似認為等于將冷卻風(fēng)由t20加熱至鍋爐二次風(fēng)的熱風(fēng)溫度所消耗的能量QS:

式中:Ga0——滿足鍋爐最大排渣量要求的冷卻風(fēng)量,(kg/s）。

t22——鍋爐二次風(fēng)的熱風(fēng)溫度,t22=340～360℃。

t20——干排渣系統(tǒng)的冷卻風(fēng)進爐膛平均溫度,℃。

為便于定量的判斷干排渣系統(tǒng)對鍋爐效率的影響程度,按正常情況下的機組運行數(shù)據(jù),分析其對1臺600MW和1臺1000MW機組鍋爐效率的影響,機組運行數(shù)據(jù)見表2。

表2 600MW機組和1000MW機組的運行數(shù)據(jù)

4 幾點看法

(1）結(jié)合國內(nèi)干式排渣系統(tǒng)的實際運行情況,理論計算表明,通常情況下,干式排渣系統(tǒng)會使鍋爐效率降低約0.34個百分點。

事實上,對于排渣量較小的鍋爐,實際運行表明干式排渣機本體的漏風(fēng)現(xiàn)象非常嚴重,冷卻風(fēng)進爐膛溫度會遠低于上述假定值和計算值,因此,對鍋爐效率的影響會更嚴重。

對于排渣量較大的鍋爐,由于鍋爐排渣口至干式排渣裝置進風(fēng)口之間的冷卻空氣流程長度不足,熱渣與冷卻風(fēng)難以充分換熱,為確保干排渣系統(tǒng)的排渣不超溫,以滿足后續(xù)設(shè)備運行要求,實際運行時只有加大冷卻風(fēng)量,造成冷卻風(fēng)進爐膛溫度同樣會遠低于上述假定值和計算值。

因此,現(xiàn)有的干式排渣系統(tǒng)使鍋爐效率降低會比0.34個百分點更多,目前部分電廠的實際測試數(shù)據(jù)也證明了這一點。

(2）20世紀80年代中期之前的電站鍋爐,普遍采用漏風(fēng)嚴重的水力排渣槽,此后,普遍采用水封排渣槽和刮板撈渣機等水封式除渣裝置,解決了漏風(fēng)問題,提高了鍋爐效率。干式排渣系統(tǒng)體積龐大、運轉(zhuǎn)部件多,從結(jié)構(gòu)和原理上解決不了漏風(fēng)問題,目前部分電廠的實際測試數(shù)據(jù)表明,干式排渣系統(tǒng)引起的爐底漏風(fēng)非常嚴重,而回收渣的熱量非常有限,勢必對鍋爐效率產(chǎn)生較大的負面影響。

(3）關(guān)于干式排渣系統(tǒng)節(jié)水

目前,電廠普遍采用刮板撈渣機除渣系統(tǒng),用水系統(tǒng)全部采用閉式循環(huán),不對外排放,這與20世紀80年代的開式水力排渣系統(tǒng)完全不是一個概念。

刮板撈渣機除渣系統(tǒng)的耗水主要體現(xiàn)在兩方面:鍋爐排渣裝置的蒸發(fā)損失和濕渣帶走的水。

風(fēng)冷干式排渣系統(tǒng),盡管除渣裝置基本上不耗水,但渣的外運需加水調(diào)濕,同樣需要水,其水量與刮板撈渣機除渣系統(tǒng)的濕渣帶走的水相當,因此干式排渣系統(tǒng)的節(jié)水主要體現(xiàn)在減少鍋爐排渣裝置的蒸發(fā)損失方面。

鍋爐排渣裝置的蒸發(fā)損失可按下式估算〔2〕:

式中:A——鍋爐排渣口面積(m2）。

E——水封排渣槽的蒸發(fā)量,

對于1臺600MW機組,Q=2.3 t/h;1臺1000 MW機組,Q=3.2 t/h。可見干式排渣系統(tǒng)的節(jié)水量非常小,此水量完全可采用廠區(qū)復(fù)用水滿足要求,而不會額外增加全廠的耗水,干式排渣系統(tǒng)節(jié)水只能做為一個概念,并沒有太多的實用價值。

5 結(jié)束語

從各方面的綜合分析可知,干式排渣系統(tǒng)是一種難以滿足節(jié)能減排政策的設(shè)備,應(yīng)用在工程中宜慎重考慮。

[1]楊世銘.傳熱學(xué)[M].高等教育出版社,1992.

[2]美國A-S-H公司工程標準[S].1987.

Analysis&Calculation of Boiler Efficiency in fluenced by A ir-cooled Slag Flow System

FAN Rendong(Jiangsu Provincial Electric Power Design Institute,Nanjing,Jiangsu,211102,China）

Combined with the actual operation of the domestic air-cooled slag flow system,a quantitative analysis on the air-cooled slag flow system has beenmade with the influence on the boiler starting in calculation of heat balance.A ctually,air leakage is alw ays seriously with the air-cooled slag device against the boiler with small slag flow.The evaluation of the efficiency ismade w ith a simp le heat balancemodel,w hich show s that the existing air-coo led slag flow system would reduce the boiler efficiency at least 0.34%ormore which has been verified with actualdata from partof power p lants.

air-cooled;dry;slag flow system;boiler;efficiency;heat balance;analysis;calculation

TK227.3

A

1672-0210(2010）01-0034-04

2009-11-19

2010-02-09

范仁東(1962-）,男,高級工程師,主要從事火力發(fā)電廠輸煤和灰渣處理系統(tǒng)的設(shè)計。