劉啟軍，趙興春

(1.中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021；2.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，西安 710075)

生物質(zhì)氣化與燃煤機組耦合發(fā)電技術是在現(xiàn)有大型燃煤機組基礎上，耦合了生物質(zhì)氣化模塊，將兩者有機地結(jié)合在一起[1]。生物質(zhì)經(jīng)破碎至合適粒徑和長度并經(jīng)預干燥后進入氣化爐，氣化爐產(chǎn)生的燃氣送至大型燃煤鍋爐燃燒產(chǎn)生高參數(shù)的蒸汽后送至高效的汽輪發(fā)電機組做功發(fā)電。由于利用了大型高效燃煤發(fā)電機組設備，與生物質(zhì)直燃發(fā)電相比該系統(tǒng)提高了生物質(zhì)發(fā)電效率、降低了生物質(zhì)綜合利用系統(tǒng)的投資、實現(xiàn)了生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的超低排放、減少了CO2溫室氣體排放量。在生物質(zhì)氣化與燃煤機組耦合發(fā)電系統(tǒng)中，由于兩種燃料的價格不同、政府對兩種能源利用的產(chǎn)業(yè)政策不同、耦合項目與常規(guī)煤電項目的投資方不同等原因，因此有必要分清生物質(zhì)能的發(fā)電量和供電量。

1 生物質(zhì)氣化與燃煤機組耦合發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

生物質(zhì)氣化與燃煤機組耦合發(fā)電系統(tǒng)主要包括生物質(zhì)物料輸送系統(tǒng)、氣化爐本體系統(tǒng)、生物質(zhì)氣化爐灰渣輸送系統(tǒng)、燃氣輸送及燃燒系統(tǒng)等(統(tǒng)稱為生物質(zhì)氣化島)，以及常規(guī)燃煤機組發(fā)電系統(tǒng)。耦合發(fā)電系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 生物質(zhì)氣化與燃煤機組耦合發(fā)電系統(tǒng)

2 生物質(zhì)氣化裝置輸入到燃煤鍋爐的熱量

生物質(zhì)燃料進入氣化爐后產(chǎn)生的生物質(zhì)燃氣經(jīng)過燃氣風機輸送至燃煤鍋爐內(nèi)燃燒放熱。生物質(zhì)氣化裝置輸入到燃煤鍋爐的熱量包括生物質(zhì)燃氣中可燃氣體完全燃燒提供的低位熱值和生物質(zhì)燃氣的物理顯熱。

2.1 生物質(zhì)燃氣中可燃氣體的低位熱值

生物質(zhì)燃氣中可燃氣體的低位熱值是指在標準狀態(tài)下，燃氣中可燃物熱值的總和。生物質(zhì)燃氣中可燃氣體的組成和熱值體現(xiàn)出燃氣的品質(zhì)。生物質(zhì)燃氣的組成通常采用容積分率表示，其中CO、H2、CH4，C2H4等為有效組分，N2為惰性組分，CO2、H2S等為雜質(zhì)。生物質(zhì)燃氣的低位熱值，可通過簡化公式(1)計算[2]：

QV=126φCO+108φH2+35φCH4+665φCnHm

(1)

式中：QV為生物質(zhì)燃氣的低位熱值；φCO，φH2，φCH4，φCnHm分別為CO，H2，CH4以及不飽和碳氫化合物總和的體積分數(shù)。

生物質(zhì)燃氣中可燃物的成分可以通過燃氣在線組份分析儀測量燃氣中各種成分含量，從而實時計算出生物質(zhì)燃氣的低位熱值。燃氣在線組分分析儀主要由預處理單元、氣體分析單元、反吹單元等組成，預處理單元對檢測的燃氣進行粉塵過濾、煤油清洗、水洗、活性炭吸附等后送至氣體分析單元，燃氣分析控制柜氣體分析單元對預處理合格的燃氣進行氣體在線分析檢測，同時測量并顯示燃氣中的CO、CO2、CH4、H2、O2、C2H2、C2H4組分的體積分數(shù)，自動計算并顯示燃氣熱值。反吹單元由壓縮空氣及蒸汽反吹裝置按照控制程序?qū)︻A處理單元進行定期反吹，保證系統(tǒng)清潔。

2.2 生物質(zhì)燃氣的物理顯熱

生物質(zhì)燃氣顯熱大小與燃氣的溫度、燃氣的組份等有關。燃氣的比定壓熱容是指標準狀態(tài)下1 m3燃氣溫度升高或降低1 ℃所吸收和釋放的熱量，用kJ/(m3·℃)表示。根據(jù)燃氣比定壓熱容數(shù)據(jù)可以計算燃氣溫度變化時所放出或吸收的熱量，混合氣體的平均比熱容可以按(2)式計算。

C=∑yiCi/100

(2)

式中：C為混合氣體的平均比熱容；Ci為單一氣體的比熱容；yi為單一氣體的容積成分，指混合氣體中單個組分的分容積(Vi)與混合氣體的總?cè)莘e(V)百分率，按式(3)計算。

(3)

生物質(zhì)燃氣的物理顯熱可以通過燃氣在線組分分析儀測得的生物質(zhì)燃氣組分、體積濃度，以及在生物質(zhì)燃氣輸送系統(tǒng)中裝設的熱電偶測得溫度值，計算出生物質(zhì)燃氣的物理顯熱。

2.3 生物質(zhì)燃氣輸入到鍋爐的熱量

生物質(zhì)氣化爐出口的生物質(zhì)燃氣可通過燃氣流量計測得其體積流量Dd，生物質(zhì)燃氣可燃成份輸入的熱量為Qd.v，生物質(zhì)燃氣的物理顯熱為Qd.xr。生物質(zhì)燃氣輸送至鍋爐的熱量Qd可按(4)式計算。

Qd=Qd.v+Qd.xr

(4)

式(4)中生物質(zhì)燃氣中可燃成分輸入熱量Qd.v和生物質(zhì)燃氣的物理顯熱Qd.xr分別按式(5)、式(6)計算。

Qd.v=QV×Dd

(5)

Qd.xr=C×(trk-thj) ×Dd

(6)

式中：Dd為生物質(zhì)燃氣的體積流量；C為生物質(zhì)燃氣進入燃煤鍋爐時的平均比熱容；trk為生物質(zhì)燃氣進入燃煤鍋爐時的溫度；thj為環(huán)境參比溫度，一般取25 ℃。

3 生物質(zhì)能在燃煤機組中分攤的發(fā)電量的計算方法

生物質(zhì)燃氣進入燃煤鍋爐后利用了常規(guī)燃煤機組發(fā)電設備，其發(fā)電量的多少與生物質(zhì)能量份額、燃煤機組發(fā)電效率、機組負荷率等因素有關。本文推薦的生物質(zhì)能在燃煤機組中分攤的發(fā)電量是按入爐的生物質(zhì)能與燃煤輸入能量的比例分攤機組的發(fā)電量。生物質(zhì)燃氣輸入鍋爐的熱量可以按式(4)方法計算，燃煤輸入到鍋爐的熱量按如下方法計量。

3.1 燃煤輸入到鍋爐的熱量計算方法

燃煤輸入到鍋爐的熱量等于燃煤進入鍋爐的質(zhì)量流量乘以燃煤的低位發(fā)熱量：

Qc=Dc×Qnet.ar×103

(7)

式中：Qc為燃煤輸入到鍋爐的熱量；Dc為燃煤進入鍋爐的質(zhì)量流量；Qnet.ar為燃煤的收到基低位發(fā)熱量。

燃煤進入鍋爐的質(zhì)量流量可以通過爐前的給煤機測得的給煤量確定。按照燃煤火力發(fā)電廠的燃料管理制度，廠內(nèi)每個運行班組都要對入爐原煤進行采樣和化驗，實際燃煤的收到基低位發(fā)熱量Qnet.ar可以采用上個工作日廠內(nèi)所有運行班組化驗的收到基低位發(fā)熱量的平均值。

3.2 與純凝汽式機組耦合時的發(fā)電量計算

統(tǒng)計計算周期dt時間段內(nèi)的機組平均發(fā)電功率為Pfd，按生物質(zhì)能占燃煤鍋爐總輸入熱量的比例進行發(fā)電量分攤，則計算周期內(nèi)生物質(zhì)能的平均發(fā)電功率為：

(8)

在計算周期dt時間段內(nèi)，生物質(zhì)燃氣進入鍋爐能量為Qd×dt，燃煤進入鍋爐的熱值為Qc×dt。生物質(zhì)能總的發(fā)電量為每個計算周期生物質(zhì)能發(fā)電量的累計之和。

3.3 與抽汽凝汽式供熱機組耦合時的發(fā)電量計算

燃煤抽汽凝汽式供熱機組的產(chǎn)品包括熱能和電能，由于每臺機組的熱電比不同、供熱參數(shù)不同、供熱方式不同、供熱價格不同，生物質(zhì)氣化與燃煤抽汽凝汽式供熱機組耦合時，本計算方法中生物質(zhì)能按全部用于發(fā)電計量。計算方法為生物質(zhì)能按機組負荷率所對應的發(fā)電標煤耗折算發(fā)電量：

(9)

表1 依托煤電機組負荷(出力)動態(tài)修正系數(shù)

動態(tài)負荷系數(shù)可按鍋爐的輸入熱量(包括生物質(zhì)燃氣熱量和燃煤熱量)與機組額定負荷時鍋爐輸入熱量的比值確定：

(10)

式中：Pe為煤電機組純凝汽式運行工況下的額定發(fā)電功率。

4 生物質(zhì)能在燃煤機組中分攤的供電量的計算方法

(11)

式中：Pcy為依托煤電機組實時廠用電功率，即發(fā)電機出口發(fā)電功率減去主變出口的供電功率；Pr1為依托煤電機組輸煤及燃料制備系統(tǒng)實時廠用電功率；Pgr為依托煤電機組供熱系統(tǒng)實時廠用電功率。

生物質(zhì)能在燃煤機組中分攤的供電量為生物質(zhì)能發(fā)電量減去生物質(zhì)能的廠用電量：

(12)

5 結(jié)束語

生物質(zhì)氣化與燃煤機組耦合發(fā)電是生物質(zhì)能綜合利用的重要方式，為了清晰界定生物質(zhì)氣化與燃煤機組耦合發(fā)電時生物質(zhì)能的發(fā)電量和供電量，本文做了上述分析和研究工作。計算的總體思路是生物質(zhì)能發(fā)電量按生物質(zhì)能占燃煤鍋爐總輸入熱量的比例進行分配。計算過程中需實時獲取生物質(zhì)燃氣的流量、組分、熱值、溫度等數(shù)據(jù)，從而計算生物質(zhì)能輸入到鍋爐的熱量；燃煤輸入到鍋爐的熱量可通過鍋爐實時燃煤量及燃煤低位發(fā)熱量計算。計算過程中所需的其他數(shù)據(jù)均可在燃煤發(fā)電機組的綜合管理系統(tǒng)中調(diào)取并應用。在此基礎上可以編制統(tǒng)計計算程序，自動計算生物質(zhì)能的發(fā)電量和供電量數(shù)值，從而為生物質(zhì)氣化與燃煤機組耦合發(fā)電項目的投資和運營方提供重要的數(shù)據(jù)支撐，促進生物質(zhì)氣化與燃煤機組耦合發(fā)電項目的大力發(fā)展。