李其華, 馮偉忠

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090;2.上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司, 上海 200137)

當(dāng)前,節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)已是國際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。中國作為世界上最大的煤炭消費(fèi)國,火電廠消費(fèi)占其53%左右[1]。因此,充分挖掘火力發(fā)電廠節(jié)能降耗的潛力,對于促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展、推動(dòng)我國節(jié)能事業(yè)具有重要的意義。一般電站鍋爐的設(shè)計(jì)熱效率在92%～94%,且其熱效率計(jì)算中最大的損失項(xiàng)是排煙熱損失q1,因?yàn)榭諝忸A(yù)熱器出口段煙氣溫度范圍通常在120～140 ℃,相當(dāng)于損失總熱量的5%～6%[2]。如果采取合理措施降低排煙溫度,那么其經(jīng)濟(jì)效益將十分顯著。經(jīng)估算,300 MW的鍋爐排煙溫度降低10 ℃,鍋爐熱效率可提高0.5%～0.6%[3],進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)節(jié)約煤資源、降低煤耗的目標(biāo)。

眾所周知,減少排煙熱損失,行之有效的方法就是通過降低一次風(fēng)冷風(fēng)比率,提高磨煤機(jī)出口介質(zhì)溫度,即提高磨煤機(jī)入口風(fēng)溫。該措施不需要任何設(shè)備和運(yùn)行成本的投入,經(jīng)濟(jì)效益非常好。但磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)溫的提高,可能會(huì)降低制粉系統(tǒng)運(yùn)行的安全性[4]。雖然磨煤機(jī)出口介質(zhì)溫度較低能充分保證磨煤機(jī)的安全運(yùn)行,但經(jīng)濟(jì)性會(huì)比較差。尤其某些燃煤電廠在實(shí)際運(yùn)行中片面提高安全裕度,其冷風(fēng)率甚至高達(dá)50%,使熱風(fēng)的利用率下降,即空氣預(yù)熱器熱利用率會(huì)降低,進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐排煙溫度升高,影響電站鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

本文建立了中速磨煤機(jī)的熱平衡計(jì)算模型,并利用某燃煤電廠在某次性能試驗(yàn)中所得到的磨煤機(jī)和當(dāng)時(shí)所用燃煤煤種的相關(guān)參數(shù),驗(yàn)證了此模型的準(zhǔn)確性。進(jìn)而通過此熱平衡理論模型對中速磨煤機(jī)進(jìn)出口溫度之間的關(guān)系、水分變化對磨煤機(jī)進(jìn)出口溫度的影響等進(jìn)行了量化計(jì)算。這些計(jì)算結(jié)果不但可以指導(dǎo)鍋爐運(yùn)行人員對電廠制粉系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,而且對于電廠在進(jìn)行提高磨煤機(jī)出口介質(zhì)溫度的試驗(yàn)時(shí),制定出合適的試驗(yàn)參數(shù)具有重要的參考和指導(dǎo)意義。

1 中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)

中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)在我國的應(yīng)用非常廣泛。它能磨制煙煤、次煙煤甚至部分品種的褐煤等,一般分為正壓和負(fù)壓系統(tǒng)兩大類。正壓系統(tǒng)又可分為正壓熱風(fēng)機(jī)制粉系統(tǒng)、正壓冷風(fēng)機(jī)制粉系統(tǒng)。目前,我國多數(shù)電廠采用中速磨煤機(jī)正壓冷風(fēng)機(jī)直吹式制粉系統(tǒng),工作原理如圖1所示[5]。

經(jīng)過磨煤機(jī)的熱風(fēng)是通過空氣預(yù)熱器內(nèi)煙氣加熱的,因此若通過減少冷風(fēng)量來減少排煙損失,磨煤機(jī)進(jìn)口熱風(fēng)溫度會(huì)升高,磨煤機(jī)出口的溫度亦會(huì)隨之上升。但依據(jù)DL /T 5145—2012《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》,磨煤機(jī)出口介質(zhì)溫度的選取要根據(jù)揮發(fā)分大小來確定,因?yàn)槊褐锌扇細(xì)怏w的析出與揮發(fā)分之間有密切的關(guān)系[6]。

注:1—鍋爐;2—送風(fēng)機(jī);3—空氣預(yù)熱器;4—給煤機(jī);5—粗粉分離器;6—磨煤機(jī);7—二次風(fēng)箱;8—一次風(fēng)機(jī);9—燃燒器;10—隔絕門;11—煤粉分配器;12—密封風(fēng)機(jī);13—風(fēng)量測量裝置。

圖1中速磨煤機(jī)正壓冷風(fēng)機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)

如在中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)中,當(dāng)所用燃燒揮發(fā)分Vdaf小于40%時(shí),磨煤機(jī)出口最高允許溫度tM2=[(82-Vdaf)5/3]±5;當(dāng)所用燃煤揮發(fā)分大于等于40%時(shí),tM2=60～70。

煤中所含水分不同,磨煤機(jī)干燥出力就會(huì)不同,所需要磨煤機(jī)入口熱風(fēng)溫度亦會(huì)不同;這些水分在磨制及加熱過程中會(huì)首先汽化并吸收大量熱量,使得磨煤機(jī)出口風(fēng)溫迅速下降,煤粉顆粒所能達(dá)到的溫度一般會(huì)遠(yuǎn)小于磨煤機(jī)入口風(fēng)溫[2]。

因此,從安全性角度出發(fā),磨煤機(jī)的出口介質(zhì)溫度應(yīng)根據(jù)實(shí)際煤種水分和揮發(fā)分來綜合確定,只要磨煤機(jī)在磨制過程中的加熱風(fēng)溫不高于所磨煤中可燃?xì)怏w析出溫度,則可認(rèn)為磨煤機(jī)的運(yùn)行是安全的,并且還會(huì)有一定的安全余量。

2 中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)熱平衡計(jì)算模型

根據(jù)上述分析可知,中速磨煤機(jī)出口溫度這一參數(shù)關(guān)系著鍋爐系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。實(shí)際運(yùn)行中存在著過于考慮運(yùn)行安全性犧牲了經(jīng)濟(jì)性的問題,造成了不必要的浪費(fèi),尤其對于冷風(fēng)使用較多的燃煤電廠尚有很大的低成本高收益的節(jié)能空間。要充分挖掘這一節(jié)能潛力,磨煤機(jī)出口溫度和入口風(fēng)溫之間的關(guān)系,以及煤種水分對磨煤機(jī)入口風(fēng)溫的影響的量化計(jì)算十分必要。因此,須針對中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)建立熱平衡計(jì)算模型。

制粉系統(tǒng)熱平衡是指在磨煤機(jī)起始斷面輸入總熱量qin與終斷面消耗和輸出的總熱量qout相等,即

qin=qout

(1)

2.1 起始斷面輸入的總熱量

(1) 起始斷面輸入總熱量qin計(jì)算公式如下

qin=qag1+qs+qmac

(2)

式中:qag1——干燥劑的物理熱,kJ/kg;

qs——密封風(fēng)的物理熱,kJ/kg;

qmac——磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械熱量,kJ/kg。

(2) 干燥劑的物理熱qag1計(jì)算公式如下

qag1=cag1g1t1

(3)

式中:cag1——干燥劑定壓比熱容,按參考文獻(xiàn)[6]中表F.2選取,kJ/(kg·℃)。

g1——進(jìn)入磨煤機(jī)的干燥劑量,kg;

t1——干燥劑溫度,℃。

(3) 為防止制粉系統(tǒng)內(nèi)煤粉外泄,正壓系統(tǒng)中有關(guān)部位采用空氣密封,密封風(fēng)物理熱qs計(jì)算公式如下

(4)

Bm——磨煤機(jī)的出力,t/h;

cs——溫度ts對應(yīng)的濕空氣比熱容,按參考文獻(xiàn)[6]中表F.2選取,kJ/(kg·℃);ts——密封風(fēng)溫度,℃。

(4) 磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械熱qmac計(jì)算公式如下

qmac=3.6kjEm

(5)

式中:kj——機(jī)械熱轉(zhuǎn)化系數(shù),中速磨煤機(jī)取0.6;

Em——磨煤單耗,kWh/t。

2.2 終斷面輸出和消耗的總熱量

(1) 制粉系統(tǒng)磨制1 kg煤所消耗和輸出的總熱量qout計(jì)算公式如下

qout=qag2+qev+qf+q2

(6)

式中:qag2——乏氣干燥劑所帶出的熱量,kJ/kg;

qev——蒸發(fā)燃煤中的水分所消耗的熱量,kJ/kg;

qf——加熱燃煤所消耗的熱量,kJ/kg;

q2——磨煤機(jī)散熱損失,kJ/kg。

(2) 乏氣干燥劑所帶出的熱量qag2計(jì)算公式如下

(7)

式中:ca2——溫度為t2時(shí)濕空氣的比熱容,按參考文獻(xiàn)[6]中表F.2選取,kJ/(kg·℃);

t2——磨煤機(jī)出口介質(zhì)溫度,℃。

(3) 蒸發(fā)原煤中的水分所消耗的熱量qev計(jì)算公式如下

式中:ΔM——干燥每千克原煤所蒸發(fā)的水量;

trc——原煤溫度,℃;

Mar——原煤水分,%;

Mpc——煤粉水分,%。

煤粉水分Mpc與原煤水分Mar及磨煤機(jī)出口介質(zhì)溫度t2的關(guān)系如圖2所示[6]。

圖2 煤粉水分與原煤水分及磨煤機(jī)出口介質(zhì)溫度的關(guān)系

(4) 加熱燃料所消耗的熱量qf計(jì)算公式如下

(10)

式中:cdc——干燥煤比熱容的平均值,kJ/(kg·℃)。

(5) 磨煤機(jī)散熱損失q2計(jì)算公式如下

q2=0.02qin

(11)

3 某燃煤電廠中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)熱平衡實(shí)例計(jì)算及分析

3.1 某燃煤電廠制粉系統(tǒng)熱平衡實(shí)例計(jì)算

為了驗(yàn)證熱平衡計(jì)算模型的準(zhǔn)確性,本文從某燃煤電廠的某次性能試驗(yàn)中選取磨煤機(jī)和當(dāng)時(shí)所用燃煤煤種的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,如表2所示。通過MATLAB軟件編程計(jì)算,可以得出磨煤機(jī)起始斷面輸入的各項(xiàng)的熱量及總熱量、磨煤機(jī)終斷面輸出和消耗的各項(xiàng)的熱量及總熱量等數(shù)據(jù),如表3所示。此制粉系統(tǒng)中中速磨煤機(jī)熱平衡計(jì)算的相對誤差δ為3%。

表2 熱平衡計(jì)算所需相關(guān)參數(shù)

表3 熱平衡計(jì)算結(jié)果 (kJ·kg-1)

此熱平衡模型計(jì)算誤差很小,在誤差允許范圍內(nèi)可以用來作進(jìn)一步分析。由表3可知,蒸發(fā)原煤中水分消耗的熱量約占磨煤機(jī)終斷面輸出和消耗總熱量的40%,可見煤中水分含量對磨煤機(jī)進(jìn)出口溫度影響很大。

3.2 中速磨煤機(jī)進(jìn)出口溫度關(guān)系分析

根據(jù)上述熱平衡計(jì)算模型,分別調(diào)整磨煤機(jī)出口風(fēng)溫為80 ℃,90 ℃,100 ℃,110 ℃,并計(jì)算出其相應(yīng)的磨煤機(jī)入口風(fēng)溫,結(jié)果如圖3所示。

圖3 中速磨煤機(jī)進(jìn)出口溫度關(guān)系

從圖3可明顯看出,磨煤機(jī)進(jìn)出口溫度成線性正比關(guān)系,且其之間關(guān)系可近似模擬為

t1=2.003 4t2+ 31.167

(12)

即磨煤機(jī)出口溫度每升高10 K,磨煤機(jī)入口風(fēng)溫相應(yīng)增加約20 K。

3.3 煤中水分變化對磨煤機(jī)進(jìn)出口溫度的影響

假設(shè)磨煤機(jī)出口溫度一定,利用此磨煤機(jī)熱平衡計(jì)算模型,可以計(jì)算出磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)溫t進(jìn)隨原煤水分Mar變化的關(guān)系,具體如圖4所示。兩者之間關(guān)系可近似模擬為

t進(jìn)=11.938Mar+101.99

(13)

圖4 中速磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)溫隨煤中水分含量變化關(guān)系

相應(yīng)假設(shè)磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)溫一定,亦可得到磨煤機(jī)出口溫度t出隨煤中水分含量變化的關(guān)系,具體如圖5所示。

兩者之間關(guān)系可近似模擬為

t出=-5.958Mar+154.54

(14)

從圖4可以看出,當(dāng)磨煤機(jī)出口溫度一定時(shí),原煤水分Mar每增加1%,磨煤機(jī)入口熱風(fēng)溫度相應(yīng)增加約12 ℃。從圖5可以看出,當(dāng)磨煤機(jī)入口熱風(fēng)溫度一定時(shí),煤中水分Mar每增加1%,磨煤機(jī)出口溫度相應(yīng)降低約6 ℃。

圖5 中速磨煤機(jī)出口溫度隨煤中水分含量變化關(guān)系

4 制粉系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化建議

在實(shí)際運(yùn)行中,燃用低水分煤種的電廠一般都存在冷風(fēng)率偏高的現(xiàn)象,有的電廠冷風(fēng)率甚至高達(dá)50%,使得空氣預(yù)熱器熱利用率降低,導(dǎo)致鍋爐排煙溫度上升,影響鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。針對此問題,建議電廠首先要對所燃煤種進(jìn)行具體分析,以確定最佳的磨煤機(jī)出口介質(zhì)溫度,再運(yùn)用本文中建立的磨煤機(jī)熱平衡模型,算出磨煤機(jī)進(jìn)口熱風(fēng)溫度,進(jìn)而推算出可以降低的冷風(fēng)量,以指導(dǎo)鍋爐運(yùn)行人員對制粉系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

當(dāng)然,在實(shí)際運(yùn)行中,燃用高水分煤種的電廠也可能存在冷風(fēng)率調(diào)整為零時(shí)熱一次風(fēng)溫依然不夠的情況。針對此狀況,可采用外高橋第三發(fā)電廠(簡稱“外三”)已經(jīng)實(shí)施多年的廣義回?zé)嵯盗屑夹g(shù)中的送風(fēng)回?zé)峒夹g(shù)。其原理如圖6所示[7]。

該技術(shù)不僅可以解決熱風(fēng)溫度不夠問題,提高鍋爐燃燒效率,還可以降低機(jī)組的排汽損失。除此之外,也可以考察空氣預(yù)熱器的轉(zhuǎn)向,若空氣預(yù)熱器中經(jīng)煙氣加熱后的轉(zhuǎn)子先后分別經(jīng)過二次風(fēng)道、一次風(fēng)道,可以考慮實(shí)施空氣預(yù)熱器反轉(zhuǎn)的改造方案,亦可增加熱一次風(fēng)溫,但此方案會(huì)相應(yīng)使得熱二次風(fēng)溫有所降低。

圖6 送風(fēng)回?zé)峒夹g(shù)示意

5 結(jié) 語

本文建立的熱平衡理論可針對不同的運(yùn)行工況,計(jì)算出中速磨煤機(jī)進(jìn)出口溫度之間的關(guān)系、水分變化對磨煤機(jī)進(jìn)出口溫度的影響。對電廠實(shí)際試驗(yàn)時(shí)制定出合適的試驗(yàn)參數(shù)具有重要的參考和指導(dǎo)意義。

針對燃用高水分煤種的電廠,若存在熱風(fēng)溫度不夠的問題,采用外三已實(shí)施多年的廣義回?zé)嵯盗屑夹g(shù)中的送風(fēng)回?zé)峒夹g(shù),不僅可以解決熱風(fēng)溫度不夠問題,提高鍋爐燃燒效率,還可以降低機(jī)組的排汽損失。

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