魏 來,葉振起,林茂盛
(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院,遼寧 沈陽 110006)
由于常規(guī)能源過量使用,全球能源供給局勢日益緊張,節(jié)能降耗越來越受到人們的重視。我國的能源資源結(jié)構(gòu)與消費結(jié)構(gòu)以煤炭為主,是我國能源使用的重要特點,通過文獻研究可知,造成工業(yè)燃煤效率低下的主要原因為粗放管理、自動化程度較差、資源浪費等[1-2]。對燃煤鍋爐運行能耗率開展調(diào)試,從某種意義來講,提高了工業(yè)燃煤鍋爐的效率,不僅可以提升經(jīng)濟效益,還可以減少污染物的生產(chǎn)與排放,對于環(huán)境保護與能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
文獻[3]構(gòu)建可供在線計算的燃煤熱效率虛擬煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫,通過數(shù)據(jù)計算與處理,控制燃煤鍋爐運行能耗率,此方法在計算方面得到一定提升,但對燃煤鍋爐的實際監(jiān)測能力較差。文獻[4]通過ANSYS FLUENT搭建純煤燃燒和煤粉摻燒生物質(zhì)模型,分析了燃煤鍋爐運行能耗率的影響因素,此模型對于數(shù)值模擬軟件的依賴性較強,適用性較低。本文根據(jù)燃煤鍋爐的運行特點,基于潔凈煤燃燒技術(shù)對燃煤鍋爐運行能耗率開展調(diào)試,強化鍋爐運行過程的運行管理與調(diào)節(jié)能力,從而達到提高能源使用質(zhì)量、節(jié)約能源的目的。
為彌補傳統(tǒng)燃煤鍋爐運行能耗率調(diào)試方法的不足,在潔凈煤調(diào)試方法設(shè)計的過程中,預先設(shè)定技術(shù)路線,為方法設(shè)計提供指導。具體技術(shù)路線如圖1所示。
圖1 燃煤鍋爐運行能耗率潔凈煤調(diào)試方法設(shè)計路線
為了分析燃煤鍋爐運行能耗率,需要設(shè)定燃煤鍋爐運行能耗率測試內(nèi)容及儀器,如表1所示。同時分析燃煤鍋爐運行能耗率損失,明確測試的任務(wù)、目的及要求,完成測試的布置。
表1 燃煤鍋爐運行能耗率測試內(nèi)容及儀器
根據(jù)表1內(nèi)容,選擇測量的儀器與位置,在檢驗和校準的有效期內(nèi),完成測試儀器的布置與安裝。根據(jù)文獻研究結(jié)果,將燃煤鍋爐能耗率損失分為以下4部分。
a.機械不完全運行能耗率損失
煤炭在燃燒過程中,常常有一部分固體煤炭與炭灰?guī)С鲥仩t外,還有一部分會與煤渣一起排走,這2部分造成運行中的能源消耗,稱之為機械不完全運行能耗率損失,其中飛灰消耗占較大比重。
b.散熱能耗率損失
鍋爐的金屬結(jié)構(gòu)煙道、風道、汽水管道向環(huán)境中排放的熱量叫做散熱能耗率損失[5],這種能耗率損失與鍋爐的外表面積有關(guān)。散熱能耗率損失為
(1)
式中:as為散熱能耗率損失,J;Bs為鍋爐整體能耗率,MJ/kWh;1650為煤炭能源;C為鍋爐外表面積,m2;Ain為煤炭投入,kg。
c.排煙能耗率損失
排煙能耗率損失是指隨煙氣帶出的能量,在鍋爐運行過程中其能耗率損失最大,大型鍋爐其能耗率損失約為5%。在鍋爐運行能耗率調(diào)節(jié)中,必須對此能耗率損失展開處理,以保證鍋爐運行效果。排煙能耗率損失為
(2)
d.其他能耗率損失
鍋爐運行過程中的其他能耗率損失主要由煤渣物理受熱造成;在大型鍋爐中,由于大量的零部件需要用水冷卻,則其他能耗率損失為
(3)
式中:Wex為水溫散熱系數(shù);Qin為散熱比重。
根據(jù)燃煤鍋爐運行能耗率損失分析結(jié)果,將潔凈煤燃燒技術(shù)中的清潔因子作為調(diào)節(jié)過程中的指導參數(shù)。清潔系數(shù)是指鍋爐傳熱系數(shù)與潔凈煤燃燒技術(shù)要求的適應度[6-7]。
(4)
式中:Ji為受熱面的實際傳熱系數(shù);J0為受熱面的理論傳熱系數(shù)。在理想狀態(tài)下,理論輻射換熱系數(shù)βf和理論對流換熱系數(shù)βl如下。
(5)
(6)
式中:uj與uy分別為鍋爐金屬管的黑度與排煙黑度;T為金屬管溫度,K;δ為夾層厚度;Mx與My分別為鍋爐受熱面結(jié)構(gòu)的橫向參數(shù)與縱向參數(shù);d為金屬管道外徑;η為煙氣導熱系數(shù);Re與Pr分別為雷諾數(shù)與普朗特數(shù)。
在燃煤鍋爐運行過程中,使用DCS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集鍋爐運行數(shù)據(jù)[8]。數(shù)據(jù)采集時,爐內(nèi)燃燒與能量分布等因素均會對其造成干擾,影響清潔因子與鍋爐運行能耗率的精度,因此對DCS數(shù)據(jù)進行預處理。針對潔凈煤燃燒技術(shù)的鍋爐運行狀態(tài),使用小波變換技術(shù)對DCS數(shù)據(jù)進行剔除與保留。設(shè)定原始數(shù)據(jù),在基本小波平移后得到數(shù)據(jù),在不同尺度下進行信號分析。處理過程可表示為
CWTf(e,f)=
(7)
式中:f為平移參數(shù),其取值范圍可正可負;v(t)為原始數(shù)據(jù)函數(shù);e為自然常數(shù);?e,f(t)為基本小波函數(shù)?(t)通過數(shù)據(jù)伸縮平移后得到的小波基函數(shù)。
(8)
通過式(8)處理DCS數(shù)據(jù),并將其代入式(5)—式(7),設(shè)定合適的清潔系數(shù),將其作為鍋爐運行能耗率目標之一。
在完成了基于潔凈煤燃燒技術(shù)的燃煤鍋爐運行能耗率調(diào)試方法的設(shè)計后,為了證實潔凈煤調(diào)試方法具有一定的使用價值與開發(fā)價值,對其展開試驗測試。為提升試驗結(jié)果的對比性與代表性,選取2種不同的調(diào)試方法與其展開對比試驗。鍋爐能耗率試驗測試儀器如表2所示。
表2 鍋爐能耗率試驗測試儀器
選取表2的儀器對鍋爐的相關(guān)參數(shù)進行測試,測試過程中保證鍋爐運行狀態(tài)穩(wěn)定,測試時間為5 h,測試開始前與結(jié)束后的鍋爐水位、壓力、燃料厚度相同,參數(shù)測量過程中的燃料供給、給水量以及排渣速度相同。
以某城市燃煤鍋爐為試驗對象。使用潔凈煤調(diào)試方法與傳統(tǒng)調(diào)試方法對鍋爐的能耗率進行調(diào)試并分析。為了使?jié)崈裘赫{(diào)試方法與傳統(tǒng)調(diào)試方法的使用效果更加細致化,將試驗對比指標設(shè)定為鍋爐熱效率比、鍋爐排煙口污染物比重以及鍋爐運行成本。試驗中包括了大量的數(shù)據(jù)運算過程,為保證試驗的一致性,將試驗數(shù)據(jù)保留至小數(shù)點后2位。成本計算過程中設(shè)定燃煤的成本為250元/t,以此提升試驗結(jié)果的可靠性與真實性。
a.鍋爐熱效率比試驗結(jié)果分析
鍋爐熱效率比試驗結(jié)果如圖2所示。
圖2 鍋爐熱效率比試驗結(jié)果
由圖2可知,傳統(tǒng)調(diào)試方法使用效果較差,無法實現(xiàn)對鍋爐能耗率損失的控制。潔凈煤調(diào)試方法使鍋爐熱效率得到一定提升,其增長幅度也較為統(tǒng)一。潔凈煤調(diào)試方法對于鍋爐運行過程中產(chǎn)生能耗率損失控制能力較好,在一定程度上可有效緩解鍋爐運行時的損耗率,降低鍋爐燃煤的供給量,提高燃煤的利用率,因此潔凈煤調(diào)試方法的能耗率損失控制能力較為優(yōu)秀。
b.鍋爐排煙口污染物比重試驗結(jié)果分析
在試驗過程中,每小時對鍋爐排煙口的污染物成分進行1次測試,根據(jù)污染物的比重對潔凈煤調(diào)試方法與傳統(tǒng)調(diào)試方法使用效果進行分析。鍋爐排煙口污染物比重試驗結(jié)果如圖3所示。
圖3 鍋爐排煙口污染物比重試驗結(jié)果
由圖3可知,使用潔凈煤調(diào)試方法或傳統(tǒng)調(diào)試方法均會造成相應的大氣污染,但潔凈煤調(diào)試方法在一定程度上控制了鍋爐的大氣污染情況。傳統(tǒng)調(diào)試方法產(chǎn)生的大氣污染物比重較大,無法實現(xiàn)燃煤徹底燃燒。此外對污染物的種類展開分析也可說明潔凈煤調(diào)試方法與傳統(tǒng)調(diào)試方法的差異性,如表3所示。
表3 排煙口污染物成分對比
由表3可知,潔凈煤調(diào)試方法比傳統(tǒng)調(diào)試方法更具備環(huán)保能力,可促進燃煤鍋爐持續(xù)發(fā)展。
c.鍋爐運行成本試驗結(jié)果分析
鍋爐運行成本試驗結(jié)果如表4所示。
表4 鍋爐運行成本試驗結(jié)果 單位:元
由表4可知,潔凈煤調(diào)試方法可以降低鍋爐運行成本,提高燃煤率。傳統(tǒng)調(diào)試方法對鍋爐能耗率的控制能力較低,使用效果較差,鍋爐運行成本高,成本最大值與最小值相差較大,造成燃煤大量浪費。
將鍋爐熱效率比、鍋爐排煙口污染物比重以及鍋爐運行成本的試驗結(jié)果綜合分析可知,潔凈煤調(diào)試方法與傳統(tǒng)調(diào)試方法相比,在日常使用過程中更具優(yōu)勢。
在經(jīng)濟進一步發(fā)展的過程中,能源問題成為影響經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。煤炭作為不可再生能源,成為能源問題解決的關(guān)鍵。本文基于潔凈煤燃燒技術(shù)的燃煤鍋爐運行能耗率調(diào)試方法對燃煤鍋爐運行開展管理,并取得了相應的效果。但由于技術(shù)與時間的限制,無法對此方法進行大規(guī)模的實際應用測試,今后還需要對此方法進行應用研究,以保證鍋爐的能耗率調(diào)試效果。