楊 麗

上海電氣工程設(shè)計(jì)有限公司 上海 201612

1 研究背景

隨著國內(nèi)外鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展，節(jié)能減排并提高電廠經(jīng)濟(jì)性已成為主流。一些大型鋼鐵廠計(jì)劃建設(shè)中小型自備電廠來消化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣等副產(chǎn)品，這樣可以在提高余能利用的同時(shí)解決部分廠用電的需求[1-2]。

高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣成分不同，常規(guī)情況下高爐煤氣的熱值遠(yuǎn)低于焦?fàn)t煤氣的熱值。某工程為了提高鍋爐的燃燒效率，計(jì)劃將高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣摻燒[3]，兩者成分體積分?jǐn)?shù)、熱值、氣體溫度等參數(shù)見表1、表2。高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣的摻燒比例對(duì)鍋爐效率和排煙溫度有很大影響，從70∶30變化到77∶23，排煙溫度上升19℃，效率下降1.4%?？梢姡?fàn)t煤氣比例越高，鍋爐效率就越高，空氣預(yù)熱器出口排煙溫度則越低。

2 電廠性能關(guān)鍵指標(biāo)

在電廠中，燃料消耗能量QB.Fuel是電廠的外部輸入，汽輪機(jī)凈出力Pnet是電廠的對(duì)外能量輸出，其它能量傳遞均發(fā)生在電廠內(nèi)部的鍋爐島和汽輪機(jī)島范圍內(nèi)。

表1 高爐煤氣參數(shù)

電廠能量傳遞如圖1所示。圖1中QB.Credit為鍋

表2 焦?fàn)t煤氣參數(shù)

爐增益能量，QB.Loss為鍋爐損失能量，QTG為鍋爐與汽輪機(jī)間的傳遞能量，ηB為鍋爐效率，ηTG為汽輪機(jī)效率；PGross為汽輪機(jī)毛出力，PAux為廠用負(fù)荷消耗功率。

圖1 電廠能量傳遞示意圖

可將電廠凈效率ηnet.plant分為三個(gè)部分： 鍋爐效率ηB、汽輪機(jī)效率ηTG、廠用電耗率ηE。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：QHRTG為汽輪機(jī)熱耗。

一般燃?xì)忮仩t機(jī)組容量不大，但還需優(yōu)化電廠凈效率。根據(jù)式(1)～式(4)，優(yōu)化電廠凈效率可分解為優(yōu)化三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，即鍋爐效率、汽輪機(jī)熱耗、廠用電耗率。實(shí)際工程中，為了提高性能的精度，需要確定三者所對(duì)應(yīng)的性能試驗(yàn)考核依據(jù)，具體見表3。

表3 電廠凈效率考核依據(jù)

以下從煙氣余熱利用和廠用電優(yōu)化兩個(gè)方面介紹電廠凈效率優(yōu)化的具體措施。

3 煙氣余熱利用

由于高爐煤氣熱值低，燃料消耗量大，成分中含有大量氮?dú)獠粎⑴c燃燒，所需的空氣量小，且燃燒生成的煙氣量大，因此僅考慮增大空氣預(yù)熱器受熱面積來降低鍋爐排煙溫度是不可行的[8-9]。根據(jù)本項(xiàng)目鍋爐熱力計(jì)算，合理的空氣預(yù)熱器出口溫度為185℃?？梢?，隨煙氣帶走的熱損失很大。

根據(jù)前文論述，燃?xì)忮仩t的主要熱損失之一是干煙氣損失，即排煙損失，所以，提高鍋爐熱效率的主要途徑是降低鍋爐的排煙溫度。常規(guī)利用煙氣余熱來降低排煙溫度，具體有兩種方法——采用煤氣加熱器或低溫省煤器，兩種方法在原理和影響電廠凈效率計(jì)算上有較大不同。

3.1 煤氣加熱器

空氣預(yù)熱器后串聯(lián)煤氣加熱器，電廠能量傳遞如圖2所示。煤氣加熱器是一種使煙氣與煤氣進(jìn)行換熱的設(shè)備，可以在降低鍋爐出口排煙溫度的同時(shí)提高煤氣進(jìn)入鍋爐的溫度[8]。采用這一方法，電廠凈效率計(jì)算較為清晰，僅影響鍋爐效率，即僅需考慮余熱利用的增益對(duì)鍋爐效率的影響，由空氣預(yù)熱器出口溫度調(diào)整為煤氣加熱器出口溫度來計(jì)算鍋爐效率。

圖2 采用煤氣加熱器后電廠能量傳遞示意圖

根據(jù)上述煙氣成分，鍋爐空氣預(yù)熱器出口溫度為185℃。采用煤氣加熱器后，煤氣加熱器出口溫度鎖定在140℃，鍋爐效率大致提升2%。

3.2 低壓省煤器

空氣預(yù)熱器后串聯(lián)低壓省煤器，電廠能量傳遞如圖3所示。圖3中，QTG.H為鍋爐與汽輪機(jī)間的傳遞能量，QTG.L為低壓省煤器與輪汽機(jī)間的傳遞能量。低壓省煤器利用低品位的煙氣余熱，選擇合適的輸入點(diǎn)，加熱凝結(jié)水。采用這一方法，電廠凈效率計(jì)算較為復(fù)雜，一方面出口溫度降低對(duì)應(yīng)鍋爐效率提高，另一方面凝結(jié)水溫度提高，從汽輪機(jī)熱平衡系統(tǒng)內(nèi)減少相應(yīng)的低壓回?zé)岢槠?，影響汽輪機(jī)熱耗[9-10]。

圖3 采用低壓省煤器后電廠能量傳遞示意圖

針對(duì)這一方法，電廠凈效率有兩種計(jì)算方法，一種是將增益算在鍋爐側(cè)，另一種是將增益算在汽輪機(jī)側(cè)，最終電廠凈效率是一致的。

現(xiàn)介紹第一種方法。汽輪機(jī)采用八級(jí)回?zé)岢槠到y(tǒng)，經(jīng)過能量計(jì)算評(píng)估[11]，余熱資源總量為 12.65MJ/s，考慮從二級(jí)低壓加熱器輸入。汽輪機(jī)效率計(jì)算時(shí)，若僅從單獨(dú)的汽輪機(jī)本體考慮，則熱平衡圖汽輪機(jī)熱耗為：

QHRTG=QTG.H/PGross

(5)

對(duì)電廠凈效率進(jìn)行計(jì)算時(shí)，式(5)不準(zhǔn)確，需要對(duì)汽輪機(jī)側(cè)效率進(jìn)行修正。根據(jù)能量平衡原則，有：

QB.Fuel-QB.Loss+QB.Credit=QTG.H+QTG.L

(6)

可見，從鍋爐側(cè)傳遞至汽輪機(jī)側(cè)的能量需同時(shí)考慮鍋爐與汽輪機(jī)間的傳遞能量、低壓省煤器與汽輪機(jī)間的傳遞能量。式(2)、式(3)需相應(yīng)調(diào)整為：

(7)

(8)

式中：QHRTG.HL為汽輪機(jī)修正熱耗。

由式(7)可見，鍋爐效率計(jì)算僅需考慮余熱利用的增益對(duì)鍋爐效率的影響，由空氣預(yù)熱器出口溫度調(diào)整為低壓省煤器出口溫度來計(jì)算鍋爐效率。

由式(8)可見，輸入能量相對(duì)增加，汽輪機(jī)熱耗相對(duì)增加，對(duì)應(yīng)的汽輪機(jī)效率則相對(duì)降低。

4 廠用電優(yōu)化

對(duì)廠用電進(jìn)行優(yōu)化，主要在于高壓電動(dòng)機(jī)軸功率的計(jì)算。高壓電動(dòng)機(jī)有電動(dòng)給水泵、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵等，這些高壓電動(dòng)機(jī)在電廠廠用電占比高達(dá)90%以上，其中電動(dòng)給水泵占比約50%，因此以電動(dòng)給水泵廠用電計(jì)算優(yōu)化作為主要研究對(duì)象。

工程共配3×50%電動(dòng)給水泵，帶液力耦合器。根據(jù)業(yè)主提供的給水泵選擇要求，最終電動(dòng)給水泵的參數(shù)見表4。

表4 電動(dòng)給水泵參數(shù)

需要確定項(xiàng)目的考核工況點(diǎn)，因?yàn)椴煌墓r軸功率不同。常規(guī)情況下，考核工況點(diǎn)為100%最大連續(xù)工況。對(duì)比DL/T 5153—2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中兩種不同的廠用電負(fù)荷計(jì)算方法[7]，結(jié)果見表5。

表5 廠用電計(jì)算對(duì)比 kW

兩種計(jì)算方法的差值是245kW?？梢姡S功率法計(jì)算結(jié)果更小，更為貼近實(shí)際運(yùn)行值。

后續(xù)，可通過優(yōu)化輸入選型參數(shù)，進(jìn)一步降低軸功率。具體而言，熱平衡圖給水泵的進(jìn)水量為544.3t/h，液體密度為878.7kg/m3，計(jì)算得單臺(tái)50%給水泵的進(jìn)水流量為309.7m3/h。表4中選型考慮了1.1的裕度，選定為340m3/h。優(yōu)化該流量參數(shù)，不考慮1.1的裕度，從而使軸功率從 2091kW 降低至1905kW，減小了186kW。

5 結(jié)束語

對(duì)比兩種余熱利用的方法，可得出如下結(jié)論。

(1) 鍋爐均基于出口溫度140℃的情況，因此兩種方法鍋爐效率一樣。而采用低壓省煤器，汽輪機(jī)效率相對(duì)是下降的。因此，采用煤氣加熱器在全廠性能方面比采用低壓省煤器更優(yōu)。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際，計(jì)算得電廠凈效率大約相差0.8%。

(2) 考慮到采用煤氣加熱器造價(jià)高于采用低溫省煤器，而針對(duì)每個(gè)項(xiàng)目汽輪機(jī)熱耗收益不同，因此最終工程采用何種方法，還需要綜合分析全廠性能和造價(jià)。

(3) 如需進(jìn)一步提升全廠性能，可考慮煤氣加熱器和低溫省煤器配合使用，前者使出口溫度從185℃下降至140℃，后者使出口溫度從140℃下降至100℃。

針對(duì)廠用電耗率指標(biāo)的優(yōu)化，可得出如下結(jié)論。

(1) 確定廠用電耗率考核工況點(diǎn)，從而確定每個(gè)負(fù)荷的選型點(diǎn)。

(2) 高壓電動(dòng)機(jī)采用軸功率法計(jì)算廠用電耗率，這樣更為貼近實(shí)際運(yùn)行值。

(3) 優(yōu)化輸入選型參數(shù)可進(jìn)一步減小廠用電耗率。

(4) 由于各個(gè)項(xiàng)目針對(duì)廠用電耗率指標(biāo)有所不同，因此需根據(jù)實(shí)際情況合理優(yōu)化廠用電耗，適當(dāng)考慮余量。

[1] 劉彤，張?chǎng)?，黃圣偉，等.鋼鐵工業(yè)自備電廠余熱資源的回收利用[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2014，26(11)： 29-33.

[2] 李洪福，溫燕明，孫德民.鋼鐵企業(yè)用電自給可行性探討[J].鋼鐵，2010，45(1)： 99-103.

[3] 朱宇翔，秦小東.全燃高爐煤氣高溫高壓鍋爐的運(yùn)行特性[J].鍋爐技術(shù)，2010，41(1)： 23-26.

[4] 城鎮(zhèn)燃?xì)鉄嶂岛拖鄬?duì)密度測(cè)定方法： GB/T 12206—2006[S].

[5] Fired Steam Generators Performance Test Codes： ASME PTC 4—2008[S].

[6] Steam Turbines Performance Test Codes： ASME PTC 6—2004[S].

[7] 火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程： DL/T 5153—2014[S].

[8] 黃科義，王冬.淺談高爐煤氣鍋爐提高熱效率的兩種方式[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2017，24(8)： 208-209.

[9] 張鵬.煤氣鍋爐低壓省煤器與煤氣加熱器比較[J].能源與節(jié)能，2014(6)： 171-173.

[10] 李偉.低壓省煤器在鍋爐中的應(yīng)用研究[D].上海： 上海交通大學(xué)，2007.

[11] 林萬超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論[M].西安： 西安交通大學(xué)出版社，1994.