135 t/h循環流化床鍋爐的熱分析和分析

2020-07-28 12:06:40宋國輝王紅梅張思文崔曉波

發電設備 2020年4期

宋國輝，王紅梅，朱亮，張思文，崔曉波

(1. 南京工程學院能源與動力工程學院，南京 211167；2. 杭州汽輪機股份有限公司，杭州 310022；3. 無錫華光鍋爐股份有限公司，江蘇無錫 214028)

近年來我國各地著力推進工業園區建設和產業集聚發展，將蒸汽的工業用戶集中在特定的工業園區內。2016年3月頒發的《熱電聯產管理辦法》明確指出：在用熱需求增長、環境壓力加重的情況下，國家將鼓勵并優先建設髙效的背壓式熱電機組[1]。背壓式汽輪機組的規模較小，熱力系統流程較為簡單；然而，對背壓式汽輪機組是否應設置高壓加熱器(簡稱高加)常存有爭議。早期的研究認為，設置高加雖能提高鍋爐熱效率，但全廠的經濟效益會下降。燕德國等[2]則認為，背壓式汽輪機組是否投入高加不會改變其熱力循環特征，且不會對循環效率產生影響，當熱網負荷小于機組供熱能力時，投入高加可提高機組的熱經濟性。朱水興等[3]認為，在鍋爐效率不變的前提下，設立高加會降低全廠綜合熱效率，但會提高發電量，有利于提高經濟效益。以上這些研究存在模型簡單、假設條件多，以及工程數據不充分等問題。在近幾年新建背壓式汽輪機熱電聯產項目上，不同主機廠和設計單位的意見也不相同，配置和未配置高加的項目均有實際案例。是否配置高加直接影響的是鍋爐給水溫度，進而影響鍋爐多個換熱面的溫度及換熱效率。因此，是否配置高加可轉變為對給水溫度的研究，故筆者使用給水溫度對鍋爐效率的影響規律來定量反映高加的作用。

1 熱力系統

1.1 工程背景及煤質資料

該工程為某工業園的循環流化床背壓式汽輪機熱電聯產項目。循環流化床鍋爐主蒸汽參數為540 ℃、9.8 MPa，額定蒸汽質量流量為135 t/h，最大蒸汽質量流量為150 t/h。背壓式汽輪機為單缸單軸式。根據是否使用高加，鍋爐給水溫度分別為215 ℃(有高加)和158 ℃(無高加)。該工程所用的燃煤成分及能量參數見表1。

表1 燃煤成分化學分析

1.2 鍋爐關鍵參數

該循環流化床鍋爐主要工藝過程見圖1。

圖1 循環流化床鍋爐流程圖

煤粉與經過空氣預熱器預熱后的一、二次風發生燃燒反應，產生的高溫煙氣經過多組換熱面后溫度逐步降低，同時將熱量傳遞給鍋爐給水和冷空氣，產生過熱蒸汽，并預熱給水和冷空氣。從空氣預熱器排出的煙氣首先進入布袋除塵器進行初步除塵(要求出口顆粒質量濃度≤20mg/m3)，然后經引風機增壓后送至后續凈化處理(濕式除塵、脫硫等)。鍋爐的副產物還有高溫排渣和連續排污水(排污率為1%)。

對于定型的鍋爐，各個設備的參數如爐膛容積、換熱器受熱面積等參數已固定。當給水溫度或流量改變后，鍋爐各個換熱面間的能量分配將發生變化，體現在各處煙氣溫度的改變。在主蒸汽質量流量為75～150 t/h，有高加和無高加兩種工況下鍋爐的主要參數見表2(未完全燃燒率是指由于機械、化學等未完全燃燒因素造成的煤炭的質量損失率；排煙溫升指經過引風機升壓后的出口煙溫相對于進口煙溫的升高)。

表2 兩種工況下鍋爐的主要運行參數

由表2可得：隨著主蒸汽質量流量的增大，爐膛排渣溫度、一次風溫、各處煙溫隨之升高；二次風溫則先降低后保持平穩。在相同主蒸汽質量流量下，有高加時的燃煤量、排渣溫度、爐膛出口煙溫、省煤器進口煙溫等參數都比無高加時低，而省煤器出口水溫、空氣預熱器出口煙溫等參數反之。

2 評價方法及指標

2.1 鍋爐本體效率

(1)

(2)

2.2 鍋爐系統效率

經過風機增壓后，風溫或煙溫有一定的升高(見表2)，其中引風機所造成的溫升間接影響后續可回收的煙氣余熱量。在同一負荷下，當給水溫度降低時，鍋爐的燃煤量、風量等相應增加，進而引起給煤機、一二次風機、引風機功耗的變化。因此，鍋爐系統的能量輸入應考慮以上設備的功耗，特別是風機功耗。

(3)

(4)

qm,C×eSCE=ΔEMSB+(EFG+ECB+ESG)+

(LCOM+LTHT+LINC)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 結果與分析

3.1 鍋爐本體熱效率和效率

按式(1)計算的鍋爐本體熱效率對比見圖2。

圖2 有高加和無高加工況下鍋爐本體的熱效率與效率

由圖2可得：鍋爐最大熱效率出現在135 t/h處，這是因為相較于150 t/h工況，135 t/h工況時的未完全燃燒率基本保持不變(保持在1.86%)，但135 t/h工況的排煙溫度降低，排煙熱損失減少，從而熱效率較高。當負荷低于135 t/h時，未完全燃燒率迅速增大至5.24%，造成熱效率相應降低。任一負荷下，有高加工況的鍋爐本體熱效率(87.70%～91.42%)低于無高加工況的熱效率(89.63%～ 92.32%)。

從熱分析角度看，表2顯示：鍋爐的主要能量損失項是排煙熱損率和未完全燃燒熱損率。在同等負荷下，兩種給水溫度對應的未完全燃燒率幾乎相同。因此，鍋爐熱效率主要由排煙熱損率決定。有高加和無高加工況的排煙熱損率分別為4.26%～4.77%和3.96%～4.61%。當鍋爐換熱面設計已定，給水溫度低導致排煙溫度降低(見表2)，排煙熱損失相對較小，從而出現給水溫度低、鍋爐本體熱效率高的現象。