游駿杰，何自立

(浙江城建煤氣熱電設(shè)計(jì)院股份有限公司，浙江 杭州 310030)

火力發(fā)電廠是我國電力資源產(chǎn)生的重要單位，其承擔(dān)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿呢?zé)任，通過燃燒煤炭獲得電力資源。煤炭屬于不可再生資源，為契合我國資源友好型社會構(gòu)建理念，火力發(fā)電廠鍋爐燃煤應(yīng)提升節(jié)能水平，如此才可在提升燃料利用率基礎(chǔ)上，降低污染物排放，充分對接節(jié)能減排目標(biāo)。因此，研究火力發(fā)電廠鍋爐燃煤的節(jié)能對策十分必要。

1 火力發(fā)電廠鍋爐燃煤節(jié)能的現(xiàn)實(shí)價值

火力發(fā)電廠通過燃煤提供電能，燃料為煤炭，其屬于化石能源，燃燒中會產(chǎn)生多種有害氧化物，例如：二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮等。此類有害物質(zhì)直接排放于空氣中會帶來大氣污染問題，這與我國目前所提出的資源友好型社會構(gòu)建理念不符。通過設(shè)計(jì)火力發(fā)電廠鍋爐燃煤節(jié)能路徑可確保煤炭完全燃燒，提升利用率，并且在鍋爐系統(tǒng)中加入處理污染物裝置可維持良好大氣環(huán)境，契合節(jié)能減排要求。

2 火力發(fā)電廠鍋爐燃煤節(jié)能的對策

2.1 升級設(shè)備

表1 低溫省煤器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1.1 使用低溫省煤器。使用低溫省煤器前需要開展設(shè)計(jì)工作，計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過查閱資料以及結(jié)合實(shí)踐案例，發(fā)現(xiàn)省煤器的管子直徑處于Φ28～Φ42的范圍內(nèi)，無縫鋼管的直徑多為Φ32、Φ38，厚度設(shè)置為4 mm。利用錯列水平布置的辦法，提高緊湊度，選用H型翅片，能夠提高耐磨度，長時間使用可抗積灰、拓展受熱面，保障安全性能[1]。對比不同厚度的翅片，最終選擇2 mm厚的翅片，同時將縱向節(jié)距、橫向節(jié)距和H翅片節(jié)距設(shè)定為92 mm、115 mm、18 mm，借助橫縱向分布方式，為支撐結(jié)構(gòu)安放提供空間。文中所設(shè)計(jì)的低溫省煤器換熱面積為：7 769.00 m2，橫縱排數(shù)分別為40和10。經(jīng)過計(jì)算得出表1所示結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(1)

(2)

式(1)、(2)中，Z2、Z1、σ2、σ1、L3和L1分別表示縱向排數(shù)、橫向排數(shù)、縱向節(jié)距、橫向節(jié)距、煙道縱向長度和橫向高度，借助公式可得出縱向長度和橫向高度[2]。

H1={(L1-0.005×2)×[L2-(0.276+0.05×(n-2))×2]

×2×Z2}×N

(3)

(4)

(5)

式(3)、(4)、(5)中，n、δ′、δ、d、H、H2、H1分別表示管頭數(shù)、基管厚度、翅片厚度、基管外徑、換熱面積、凝結(jié)水流通面積和煙氣流通面積[3]。經(jīng)過計(jì)算，可得到表2所示結(jié)果。

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果可設(shè)計(jì)低溫省煤器，從而將其應(yīng)用于鍋爐系統(tǒng)中，節(jié)約煤炭資源，達(dá)到節(jié)能目標(biāo)[4]。

2.1.2 使用循環(huán)流化床鍋爐。循環(huán)流化床鍋爐主要由安全附件、爐墻、構(gòu)架、平臺扶梯、燃燒系統(tǒng)、空氣預(yù)熱器、省煤器、過熱器、水冷系統(tǒng)、分離器和鍋筒組成，多種結(jié)構(gòu)共同作用，可在煤粉燃燒時產(chǎn)生高溫?zé)煔?，加熱水冷壁中的冷水，使其轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卣羝?，以此達(dá)到節(jié)能的目的。為保證循環(huán)流化床鍋爐可發(fā)揮作用，應(yīng)當(dāng)從以下幾個方面予以設(shè)計(jì)。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

首先，要在旋風(fēng)分離器內(nèi)管外壁增加螺旋翼片，形成如圖1所示結(jié)構(gòu)[5]。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，保證軸向型分離管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定發(fā)揮作用需根據(jù)旋流式分離裝置工作原理，利用增加氣體旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的辦法，使得含固體氣體停留時間足夠長，以此保障分離效率的提高。借助增設(shè)螺旋翼片的辦法，降低壓力降偏大問題發(fā)生的可能性，精簡連接安裝過程，防止出現(xiàn)串聯(lián)多臺分離器影響其他設(shè)備正常運(yùn)行的情況。

圖1 氣體排出管外螺旋翼片結(jié)構(gòu)示意

其次，要控制過熱器造價，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。過熱器采用逆流布置的形式，所使用的金屬材料造價過高，需要在優(yōu)化過熱器布置方案的基礎(chǔ)上，選用較為合理的基礎(chǔ)材料。本文所布置的方案如圖2所示，煤炭蒸汽依次經(jīng)過鍋筒、包墻過熱器、對流過熱器、噴水減溫器和屏式過熱器，屏式過熱器、對流過熱器Ⅰ上下部和對流過熱器Ⅱ的材料分別為：SA213-TP304H或者SA213-T91、12Cr1MoVR和15CrMoR、20。利用此種布置形式縮減連接管道數(shù)量，保障壓力降水平。并且減少受熱面，使其更為適合尾部煙道的設(shè)置需要。經(jīng)過計(jì)算按照圖2所示連接方式作用于系統(tǒng)中相較傳統(tǒng)方案能夠降低造價約6%，適合在節(jié)能鍋爐燃煤體系中發(fā)揮價值[6]。

圖2 過熱器布置方案示意

最后，要保證省煤器效率。省煤器加入的目的是提升熱量吸收程度，為滿足此要求需采取降低漏風(fēng)、清除積灰和拓展傳熱面積的辦法。合理安裝灰斗，避免出現(xiàn)漏風(fēng)問題，并采取定期清灰和吹灰方案，將省煤器積灰清理干凈，以此控制露點(diǎn)溫度。除此以外，要保證煙氣與省煤器間實(shí)現(xiàn)熱交換，使用蛇形管加大傳熱面積，提高省煤器工作效能。

2.2 優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)備

2.2.1 優(yōu)化鍋爐燃燒。優(yōu)化鍋爐燃燒契合我國鍋爐運(yùn)行安全性要求，通過多種措施并舉，確保低負(fù)荷穩(wěn)燃，保證所排放NOx的符合規(guī)范要求。結(jié)合目前我國火力發(fā)電廠燃煤情況來看，存在著煤種質(zhì)量不達(dá)標(biāo)和變化大的問題，熱力試驗(yàn)、變負(fù)荷運(yùn)行和設(shè)備改造間隔長等多方面因素造成燃燒不到位，因此為達(dá)到高效運(yùn)行水平，要從以下幾個方面入手：①開展風(fēng)煤配比試驗(yàn)。聯(lián)合技術(shù)人員開展配比試驗(yàn)，形成控制曲線和運(yùn)行參數(shù)曲線，基于曲線信息數(shù)據(jù)尋找最優(yōu)方案，并通過多次試驗(yàn)，適當(dāng)調(diào)整風(fēng)煤配比，滿足不同要求。②改造燃燒設(shè)備。燃燒器優(yōu)化是鍋爐系統(tǒng)改造的重點(diǎn)項(xiàng)目，要求技術(shù)人員結(jié)合理論研究成果對燃燒器加以改造，突破煤種和制粉系統(tǒng)限制。檢測燃燒重要參數(shù)，例如，測量風(fēng)煤、鍋爐排放物和爐膛火焰，分析檢測結(jié)果，提出完善意見[7]。實(shí)時檢測并生成火焰圖像、飛灰含碳量、煤質(zhì)分析表、煤粉濃度細(xì)度表、煙氣含氧量和一次風(fēng)量結(jié)果，動態(tài)考量各參數(shù)值和變化規(guī)律，按照經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)出要求改造燃燒設(shè)備。③加入智能化控制系統(tǒng)。鍋爐燃燒過程具備復(fù)雜化和多變性的特征，依照傳統(tǒng)辦法難以有效控制燃燒過程，因此在智能技術(shù)的支持下，優(yōu)化鍋爐燃燒過程可運(yùn)用多目標(biāo)控制技術(shù)路徑，引入支持向量機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，針對非線性對象和多變量開展建模工作，根據(jù)預(yù)測控制技術(shù)和智能尋優(yōu)算法強(qiáng)化閉環(huán)管控水平。建立排放模型，運(yùn)用預(yù)測控制技術(shù)精準(zhǔn)管控空冷風(fēng)機(jī)和噴氮量，選取機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本，同時應(yīng)用在線測量技術(shù)測定煤質(zhì)，由此得出預(yù)測高溫受熱面金屬壁溫度和污染物排放數(shù)學(xué)模型。筆者使用最小二乘法，以660 MW亞臨界四角切圓鍋爐為例。在分析影響飛灰含碳量和排放量要素基礎(chǔ)上，將爐膛出口氧量、爐膛出口溫度、鍋爐負(fù)荷、SOFA風(fēng)門開度、燃盡風(fēng)門開度、每層二次風(fēng)門開度、每臺磨煤機(jī)的給煤率及一次風(fēng)量和煤質(zhì)信息作為特性模型輸入?yún)?shù)，借助DCS歷史數(shù)據(jù)庫選取20 035組數(shù)據(jù)(代表連續(xù)運(yùn)行15 d的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息)。剔除不穩(wěn)定工況數(shù)據(jù)，最終篩選出符合條件的1 170組數(shù)據(jù)。利用ANFIS和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建飛灰含碳量和排放模型，對比以上模型與使用最小二乘法所設(shè)置模型預(yù)測精度的差異，說明運(yùn)用最小二乘法構(gòu)建模型更為精準(zhǔn)，由此得出噴氨量、減溫水、氧量、風(fēng)壓、風(fēng)量等參數(shù)的最佳控制辦法[8]。

2.2.2 改造輔機(jī)。鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)是火力發(fā)電廠鍋爐的重要輔機(jī)，利用變速技術(shù)，優(yōu)化工作參數(shù)。通過調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷，加大鼓引風(fēng)量，使得主機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。此種方式更為適合應(yīng)用于中小型鍋爐中，能夠降低耗電量，防止出現(xiàn)燃煤過量問題，滿足節(jié)能降耗需要。

2.2.3 強(qiáng)化運(yùn)維管理。①要定期開展吹灰工作。經(jīng)過實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)鍋爐受熱面積灰和結(jié)渣是排煙溫度上升的關(guān)鍵要素，當(dāng)存在沉積物，會降低介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，抑制熱傳導(dǎo)作業(yè)，使得由積灰引起的附加熱阻占比較大，不利于鍋爐正常運(yùn)行。結(jié)合資料數(shù)據(jù)可知，當(dāng)積灰厚度增加1 mm時，傳熱值會相應(yīng)降低29%，并且當(dāng)積灰厚度達(dá)到3 mm時，傳熱值降低大約45%。因此要采取及時清灰的辦法，設(shè)計(jì)定期清理計(jì)劃。開展清灰檢查工作，就沒能及時清灰人員的行為計(jì)入考核，適當(dāng)給予懲罰。②要使用高品質(zhì)材料。鍋爐熱效率與蒸汽和軟化除氧水水質(zhì)間存在密切聯(lián)系，為保證熱效率提升，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)水處理程序，將用水中的雜質(zhì)和溶解氧予以處理，避免在高溫環(huán)境下鹽類和溶解氧轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，增大鍋爐爆炸概率。除此以外，要合理選擇煤料，結(jié)合市場調(diào)研結(jié)果，選定供應(yīng)商。③要做好查漏、堵漏工作。爐膛和煙道漏風(fēng)會降低傳熱溫差和煙氣溫度，導(dǎo)致設(shè)備吸熱量銳減，促使排煙溫度驟增，不符合節(jié)能要求。因此，要做好查漏和堵漏工作，檢查是否存在漏風(fēng)問題，一旦發(fā)現(xiàn)漏眼及時封堵。使用密封性優(yōu)良的孔結(jié)構(gòu)與門結(jié)構(gòu)，置于爐頂和爐底封鎖槽上。使用完畢后，將看火孔和看火門關(guān)緊，降低排煙溫度。

2.3 引入降耗設(shè)備

設(shè)計(jì)余熱利用裝置，其尾部受熱面布置細(xì)節(jié)見圖3。根據(jù)圖3可以看出，在此結(jié)構(gòu)中包含空氣預(yù)熱器、低溫省煤器、除塵器、低壓缸、中壓缸、高壓缸、高低壓回?zé)峒訜崞骱湍鳎鄠€設(shè)備共同作業(yè)可提升余熱利用率。尾部受熱面系統(tǒng)中空氣預(yù)熱器出口煙氣若直接與大氣接觸，將損失大量熱能。經(jīng)過測量，鍋爐排煙溫度處于120 ℃～140 ℃的范圍內(nèi)，說明溫度較高，直接排放難以充分利用熱能，增加能耗。通過設(shè)計(jì)余熱利用系統(tǒng)，將所產(chǎn)生的熱量用于冷凝水加熱，并完成在汽輪機(jī)內(nèi)做功任務(wù)。借助此種形式，在保持主蒸汽熱量不變的前提下，增大總輸出功率，提高系統(tǒng)運(yùn)行效能。

結(jié)合大量國內(nèi)外案例來看，德國使用余熱利用系統(tǒng)將排煙溫度降低60 ℃，國內(nèi)使用余熱利用系統(tǒng)將溫度降低85 ℃，都展現(xiàn)出余熱利用的巨大可能性。我國目前所使用的余熱系統(tǒng)受到煙氣腐蝕和入口溫度限制，造成效率提升水平難以大幅提升的現(xiàn)實(shí)問題[9]。為解決這一問題，本文提出優(yōu)化方案：設(shè)置兩組空氣預(yù)熱裝置，分別進(jìn)行編號，低溫省煤器收集Ⅰ級空氣預(yù)熱器排放煙氣，此部分熱量作用于凝結(jié)水加熱作業(yè)中。隨后低溫省煤器繼續(xù)與Ⅱ級空氣預(yù)熱器聯(lián)合，形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)煙氣在兩級空氣預(yù)熱裝置流動的目標(biāo)。Ⅱ級空氣預(yù)熱器首先接收空氣，將其加熱到預(yù)設(shè)溫度后排放至Ⅰ級空氣預(yù)熱器中，整個過程均能對空氣進(jìn)行加熱。布置空氣-煙氣分級系統(tǒng)，將溫度較高處加設(shè)低溫省煤器，區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)置蒸汽抽氣的形式，可大幅吸收尾部煙氣熱量，強(qiáng)化節(jié)能效果[10]。

為保障節(jié)能效益充分凸顯，應(yīng)當(dāng)結(jié)合進(jìn)出口煙氣參數(shù)變化量，將加熱裝置串聯(lián)在系統(tǒng)中，充分利用不同級別給水或者凝結(jié)水?；?zé)嵯到y(tǒng)、預(yù)熱器參數(shù)和低溫省煤器參數(shù)間具備耦合關(guān)系，需要在確定最佳熱力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，分析參數(shù)變化特點(diǎn)，說明受熱面變化規(guī)律，優(yōu)化熱力學(xué)參數(shù)。

圖3 余熱利用電站尾部受熱面布置示意

3 結(jié)束語

火力發(fā)電廠鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量與煤炭資源利用率息息相關(guān)，為滿足國家所提出的節(jié)能降耗要求，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化管理工作，做好培訓(xùn)工作，從鍋爐燃煤系統(tǒng)優(yōu)化角度給出提升資源利用率和降低能耗的具體辦法，在提高技術(shù)水平基礎(chǔ)上，刺激創(chuàng)新行為產(chǎn)出。