褐煤煙氣預干燥發電系統變工況特性的仿真研究

韓小渠,嚴俊杰,穆祺偉,劉明,種道彤,肖峰

(1.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安;2.東北電力設計院,130021,長春)

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褐煤煙氣預干燥發電系統變工況特性的仿真研究

韓小渠1,嚴俊杰1,穆祺偉1,劉明1,種道彤1,肖峰2

(1.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安;2.東北電力設計院,130021,長春)

針對褐煤煙氣預干燥發電系統的變工況特性建立了全廠機爐耦合仿真模型,在設計工況下校核了模型的精度。對比發現:煙氣預干燥可使600 MW機組的發電效率絕對值提高1.56%,發電標準煤耗率降低9.58 g·(kW·h)-1。在不同的發電功率和褐煤預干燥程度下仿真了系統的變工況特性,分析了鍋爐主要運行參數和機組發電標準煤耗率的變化規律,結果表明:發電標準煤耗率隨發電功率的下降而上升;在不同的發電功率下,預干燥程度對鍋爐運行參數和發電標準煤耗率影響顯著,隨著預干燥程度的減小,理論燃燒溫度下降,高溫爐煙抽取率下降,鍋爐排煙溫度上升,鍋爐效率下降,發電標準煤耗率上升。

褐煤;煙氣預干燥;變工況;發電功率;預干燥程度

褐煤是煤化程度最低的礦產煤[1],其顯著特點是水分、灰分、揮發分較高,熱值、灰熔點較低。褐煤的高水分、低熱值使得常規褐煤發電系統的鍋爐煙氣量大、排煙溫度高、鍋爐效率低。預干燥是實現褐煤高效發電的有效手段之一[2-3]。針對褐煤干燥技術,國內外學者進行了大量的實驗、理論研究,開發出了包括滾筒煙氣干燥[4]、蒸汽管干燥[5]、流化床干燥[6]、機械/熱壓脫水[7]、熱力脫水[8]等多種干燥工藝。將褐煤干燥系統與燃煤發電系統相耦合可形成褐煤預干燥發電系統,針對褐煤預干燥發電系統的經濟性,國內外學者主要采用計算機仿真[9-10]和理論模型分析[11-12]等手段進行了研究。按照干燥系統的熱源種類,可以將褐煤預干燥發電系統分為煙氣預干燥、抽汽預干燥等[13-14]。相比于蒸汽干燥技術,煙氣干燥技術更為成熟,在煙氣干燥機中煙氣與煤粉顆粒直接接觸,使得換熱效率更高,煙氣中氧含量較低,可有效防止褐煤在干燥過程中發生著火、爆炸。李勤道等人建立了鍋爐煙氣預干燥燃褐煤發電系統的熱經濟性分析模型,計算和分析了該模型對某600 MW超臨界凝汽機組的節能情況[15]。馬有福等人對鍋爐煙氣預干燥發電系統的安全性、節能性及水回收效益進行了計算比較和討論分析[16]。目前,褐煤煙氣預干燥系統的研究主要集中于系統的設計、參數的選擇和方案的對比方面,缺乏系統變工況特性的研究。然而,系統變工況特性的研究對于發電系統的優化設計和安全運行具有十分重要的參考價值。

較常規發電系統,褐煤煙氣預干燥發電系統的結構更為復雜,其變工況特性除受電網負荷等外部因素影響外,干燥設備運行狀態可能造成的褐煤干燥程度的變化也會影響系統性能,可見電網負荷和干燥程度是變工況運行的主要因素。為此,本文利用仿真模擬軟件GSE建立了系統各主要設備的仿真模型,通過主要子系統的耦合實現了褐煤煙氣預干燥發電系統的全廠變工況仿真,獲得了熱力系統中主要環節的運行參數變化,分析了煙氣預干燥對系統熱經濟性的影響,以期為進一步分析新型褐煤發電系統的能耗特性和優化控制奠定基礎。

1 褐煤煙氣預干燥發電系統

褐煤煙氣預干燥發電系統鍋爐原理如圖1所示。褐煤原煤在干燥管中經與干燥劑混合完成初步干燥,再在風扇磨煤機中進一步干燥的同時破碎成煤粉。干燥劑由鍋爐爐膛上部抽取的高溫爐煙和引風機出口煙道的低溫爐煙混合而成。干燥乏氣與煤粉的混合物經過粗粉分離器、細粉分離器和煤粉收集器進行氣固分離,較粗的煤粉顆粒送回磨煤機繼續磨制,合格的煤粉落入煤粉倉且由給粉機在風粉混合物中與一次風混合后通過粉管道送入鍋爐燃燒。干燥乏氣在乏氣空氣換熱器中對送風進行加熱,低溫含濕的乏氣與鍋爐除塵器出口煙氣混合后進入脫硫裝置脫硫、通過煙囪排放。

圖1 褐煤煙氣預干燥發電系統鍋爐原理圖

發電系統設計工況的主要參數如表1所示。該系統采用了600 MW超臨界直流塔式鍋爐、一次中間再熱、濕冷凝汽式汽輪機。設計燃燒煤種為伊敏褐煤,煤中水的質量分數w(Mar)及各元素的質量分數如表2所示。

表1 發電系統設計工況的主要參數

表2 伊敏褐煤煤質分析結果

2 褐煤煙氣預干燥發電系統仿真模型

2.1 鍋爐系統模型

按照鍋爐系統煙氣、空氣的流動將鍋爐系統模型劃分為干燥機模型、爐膛模型、過熱器模型、再熱器模型、空預器模型、乏氣空氣換熱模型等子系統模型,按照圖2流程進行建模。

根據仿真軟件GSE的建模方法,用具有一定體積的節點代表換熱介質存在的空間,用流線將各個節點連接形成流動,用換熱板代表管壁實現換熱,鍋爐系統仿真模型如圖3所示。按照上述建模流程建立各換熱器的仿真模型;按照給水流動的方向,將省煤器換熱模型、水冷壁(爐膛)換熱模型和各級過熱器換熱模型進行連接,在各級過熱器模型之間通過加入流量邊界實現噴水降溫;按照再熱蒸汽的流動方向,將低溫再熱器模型和高溫再熱器模型進行連接,在兩級再熱器模型之間通過加入流量邊界實現噴水降溫;按照空氣的流動方向,將乏氣空氣換熱器模型和三分倉空氣預熱器換熱模型進行連接,其中一次風流經代表磨煤機的節點,用于計算一次風的壓頭,二次風直接進入爐膛;按照煙氣的流動方向,布置與工質側對應的模型節點。將各設備參數輸入模型,即可進行鍋爐仿真模型的變工況仿真。由高、低溫爐煙組成的干燥劑在代表干燥機的節點中釋放出干燥所需熱量。干燥后,部分水分與入爐煤粉氣流分離,并與干燥劑組成干燥乏氣。環境空氣經乏氣空氣換熱器加熱、冷卻后的干燥乏氣與鍋爐排煙混合。褐煤煙氣預干燥過程的熱平衡模型由用戶程序自定義,褐煤預干燥后煤粉中水的質量分數按文獻[17]公式計算,即

圖2 鍋爐系統仿真模型流程

圖3 鍋爐系統仿真模型

w(Mpc)=0.048w(Mar)R90tm2-0.46

(1)

式中:w(Mar)為原煤中水的質量分數;R90為煤粉細度;tm2為干燥乏氣溫度。

褐煤預干燥程度定義為1 kg褐煤干燥后水分的減少量,即

Δw=(w(Mar)-w(Mpc))/(100-w(Mpc))

(2)

參照文獻[18]中的不同基準換算方法,由原煤的煤質參數可換算得到預干燥褐煤的煤質參數。預干燥褐煤的低位發熱量的換算公式為

(3)

式中:Qnet,ar為原煤的低位發熱量。

2.2 汽輪機系統模型

根據汽輪機系統的本體結構、凝汽系統和回熱系統特點建立的汽輪機系統仿真模型如圖4所示。

仿真軟件提供了泵、加熱器、汽缸等設備模型,按照系統的實際布置,汽機本體模型包括高壓缸、中壓缸和低壓缸模型。凝汽系統由換熱器代替,循環水作為冷卻介質,回熱系統包括三級高壓加熱器、除氧器、四級低壓加熱器、凝結水泵和給水泵。按照蒸汽和給水的流動方向連接上述設備模型,并在各模型中輸入設備的結構數據和設計工況下的熱力數據,即可進行變工況仿真模擬。

圖4 汽輪機系統仿真模型

3 仿真結果及分析

3.1 仿真模型校核

本文在設計工況下對上述褐煤煙氣預干燥發電系統進行了仿真模擬,并將主要參數的仿真值與設計值進行了對比,結果如表3所示。由表3顯示,系統主要參數的仿真結果與設計數據的偏差在1%以內,說明所建仿真模型具有較高的精度。

表3 參數的仿真結果與設計值對比表

3.2 設計工況參數分析

本文系統設計參數與某常規600 MW超臨界褐煤濕冷發電系統參數對比如表4所示。本文系統為三介質干燥直吹式制粉系統,設計煤種為伊敏褐煤。相比于常規系統,褐煤煙氣預干燥系統為風扇磨倉儲式制粉系統,其干燥乏氣不會進入爐膛,這樣爐內的煙氣量減少,水分含量降低,排煙溫度下降,鍋爐效率提高。由于干燥乏氣在用于干燥鍋爐送風時又回收了部分能量,鍋爐的效率得到進一步提高,使得褐煤煙氣預干燥系統的發電效率比常規褐煤發電系統提高了1.56%,系統發電標準煤耗率降低了9.58 g·(kW·h)-1。

表4 褐煤煙氣預干燥發電系統與常規系統的 參數對比

參數常規系統本文系統燃煤量/t·h-14236240935入爐煙氣量/t·h-130892290鍋爐排煙煙氣量/t·h-129422045干燥乏氣溫度/℃150110干燥后煤粉中水分的質量分數/%666982空預器入口風溫/℃2355理論燃燒溫度/℃14411997高溫爐煙溫度/℃10601022鍋爐排煙溫度/℃144108鍋爐排煙中水分的質量分數/%1546737鍋爐排煙水露點/℃53303852干燥乏氣中水分的質量分數/%27033054干燥乏氣水露點/℃65916732鍋爐效率/%92099573全廠發電效率/%43214477發電標準煤耗率/g·(kW·h)-12842927471

3.3 變工況參數分析

利用上述仿真模型進行變工況仿真計算,獲得了不同發電功率和預干燥程度下系統主要運行參數以及熱經濟性參數的變化。

3.3.1 系統主要參數的變化規律 在不同預干燥程度下伊敏褐煤干燥煤的元素及發熱量如表5所示。由表5顯示,隨著預干燥程度的下降,入爐煤中水的質量分數增大,發熱量減小。

表5 干燥煤的元素及發熱量

圖5 理論燃燒溫度的變化規律

不同預干燥程度下理論燃燒溫度隨發電功率的變化如圖5所示。由圖5顯示,褐煤煙氣預干燥使得入爐煤粉中水的質量分數減小,理論燃燒溫度顯著提高。 在一定的預干燥程度下,隨著發電功率的下降,熱風溫度降低,理論燃燒溫度降低。由于熱風提供的能量僅占入爐煙氣的1/10左右,因此負荷從600 MW下降至420 MW時的理論燃燒溫度只下降了20 ℃左右。當發電功率下降至420 MW以下時,由于過量空氣系數的增大使得燃燒溫度下降幅度較大。在一定的發電功率下,隨著預干燥程度的下降,入爐煙氣中水的質量分數增大,理論燃燒溫度不斷下降;發電功率為600 MW時,預干燥程度每下降0.05 kg·kg-1,理論燃燒溫度下降約80 ℃。

不同預干燥程度下高溫爐煙溫度隨發電功率的變化如圖6所示。由圖6顯示,當發電功率下降時,高溫爐煙溫度逐漸降低。隨著預干燥程度的減小,爐內煙溫水平降低,高溫爐煙溫度降低。

圖6 高溫爐煙溫度的變化規律

圖7 高溫爐煙抽取率的變化規律

不同發電功率下高溫爐煙抽取率隨預干燥程度的變化如圖7所示。由圖7顯示,在一定的預干燥程度下,當發電功率從600 MW降至420 MW時,高溫爐煙溫度下降,單位原煤干燥所需的能量幾乎不變。為了保證干燥過程的能量需求,高溫爐煙抽取率上升,在預干燥程度為0.33 kg·kg-1(設計值)時,高溫爐煙抽取率從滿負荷(600 MW)時的15.3%增加至70%負荷(420 MW)時的16.0%。當發電功率降至420 MW以下時,過量空氣系數增加,單位原煤產生的入爐煙氣量增加,高溫爐煙抽取率減小。在一定的發電功率下,隨著預干燥程度的下降,干燥過程所需的能量減小,高溫爐煙抽取率減小。在發電功率為600 MW時,預干燥程度每下降0.05 kg·kg-1,高溫爐煙抽取率的絕對值下降2%。

不同預干燥程度下排煙溫度隨發電功率的變化如圖8所示。由圖8顯示,隨著發電功率的下降,鍋爐排煙溫度逐漸下降。在預干燥程度為0.33 kg·kg-1時,鍋爐排煙溫度從滿負荷(600 MW)時的108 ℃下降至50%負荷(300 MW)時的97 ℃。在一定的發電功率下,隨著預干燥程度的下降,排煙量和排煙中水的質量分數均不斷增加,鍋爐排煙溫度上升。在發電功率為600 MW時,預干燥程度每下降0.05 kg·kg-1,排煙溫度上升5.5 ℃。

圖8 鍋爐排煙溫度的變化規律

3.3.2 發電標準煤耗率的變化 不同預干燥程度下發電標準煤耗率隨發電功率的變化如圖9所示。由圖9顯示,褐煤煙氣預干燥發電系統的發電標準煤耗率隨著發電功率和預干燥程度的下降而上升。當發電功率為600 MW、預干燥程度從0.33 kg·kg-1下降至0.15 kg·kg-1時,發電標準煤耗率增加約2 g·(kW·h)-1。由圖9還發現,各個發電功率下褐煤煙氣預干燥系統均有顯著的節煤效果。

圖9 發電標準煤耗率的變化規律

4 結 論

本文利用仿真軟件GSE建立了褐煤煙氣預干燥發電系統全廠變工況仿真模型,獲得了系統主要參數的變化規律,分析了發電功率和預干燥程度對系統運行的影響,仿真結果如下。

(1)與常規褐煤系統相比,煙氣預干燥發電系統具有明顯的節能優勢,在設計工況下發電效率可提高1.56%,節煤量達到9.58 g·(kW·h)-1。

(2)在一定的預干燥程度下,隨著發電功率減小,高溫爐煙抽取率上升(低負荷時受過量空氣系數增大的影響,高溫爐煙抽取率減小)。在一定的發電功率下,隨著預干燥程度減小,理論燃燒溫度降低,高溫爐煙抽取率減小,排煙溫度上升。

(3)褐煤煙氣預干燥系統發電標準煤耗率隨著發電功率和預干燥程度的減小而增大。發電功率和預干燥程度對機組熱經濟性具有顯著的影響。在不同的發電功率下,褐煤煙氣預干燥系統均有顯著的節能潛力。

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(編輯 苗凌)

Simulation for Off-Design Performances of Flue Gas Pre-Dried Lignite-Fired Power System

HAN Xiaoqu1,YAN Junjie1,MU Qiwei1,LIU Ming1,CHONG Daotong1,XIAO Feng2

(1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Northeast Electric Power Design Institute, Changchun 130021, China)

To investigate off-design characteristics of the lignite-fired power system integrated with flue gas drying, a whole-system boiler-turbine coupling simulation model is developed. The model is verified with the parameters under design conditions. It is found that flue gas pre-dried lignite-fired power system is endowed with remarkable energy-saving potential compared with the conventional lignite-fired power system. The plant thermal efficiency of a 600 MW unit increases by 1.56% (absolute variation) under design condition, and the standard coal consumption rate decreases by 9.58 g·(kW·h)-1accordingly. The off-design characteristics are simulated with variable power loads and lignite pre-drying degrees. The variation tendencies of the boiler operating parameters and system standard coal consumption rate are analyzed. The simulation shows that with the decreasing power load, the standard coal consumption rate increases; with the decreasing pre-drying degree, the theoretical combustion temperature and hot flue gas extracting ratio decrease, and the boiler exhaust temperature increases, which lead to a decreasing boiler thermal efficiency and an increasing coal consumption rate.

lignite; flue gas pre-drying; off-design condition; power load; pre-drying degree

2014-04-09。

韓小渠(1989—),男,博士生;嚴俊杰(通信作者),男,教授,博士生導師。

國家自然科學基金資助項目(51125027,U1261201);教育部高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20120201110048)。

時間:2014-10-31

10.7652/xjtuxb201501005

TK11

A

0253-987X(2015)01-0027-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141031.1642.008.html