燃煤鍋爐煤質指標耗差分析方法研究

方 超

(華能南通電廠，江蘇 南通 226003)

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燃煤鍋爐煤質指標耗差分析方法研究

方 超

(華能南通電廠，江蘇 南通 226003)

煤的成分與發熱量存在著復雜的關系。現行的燃煤鍋爐煤質指標耗差分析沒有統一的方法,通常采用單項獨立的煤質指標進行分析，有一定的局限性。研究表明，煤的折算水分、折算灰分、折算氫含量既是煤的質量指標，又是煤的燃燒產物的數量指標，與鍋爐熱損失密切相關。從鍋爐熱損失公式入手，推出了利用煤的折算成分進行耗差分析的方法，舉例進行了計算分析。方法簡單實用，可供兄弟電廠借鑒。

鍋爐；煤質；折算成分；耗差分析

0 引言

火電廠燃煤鍋爐指標耗差分析[1-12]分2類，一類是鍋爐運行參數(排煙溫度、氧量、灰渣可燃物等)耗差分析，另一類是煤質指標(水分、灰分、氫含量、發熱量等)耗差分析。煤質對鍋爐效率影響較大。作為生產指標管理手冊，文獻[13]在耗差分析中介紹了燃煤發熱量、水分變化對機組經濟性影響的計算方法，即先尋找燃料灰分、水分與發熱量的關系，然后代入公式計算灰分、水分變化對固體不完全燃燒熱損失和排煙熱損失影響。作為現場耗差分析，有些研究院在發電公司《耗差分析技術說明書》中給出燃料發熱量對鍋爐效率偏差的計算公式，即對排煙熱損失和固體不完全燃燒熱損失公式中的發熱量求導，再乘以發熱量變化。眾所周知，煤質成分與發熱量存在著復雜關系，即使同一煤種，發熱量相同時，其水分、灰分差別很大；同一水分或灰分的煤，其發熱量的變化范圍很大。因而單獨用水分、灰分、發熱量進行煤質指標耗差分析，有其不足之處。經研究發現，鍋爐熱損失與煤的折算成分有關。煤的折算水分、折算灰分、折算氫含量，將煤質成分與發熱量結合在一起，既是煤的質量指標，又是燃燒產物的數量指標。由此，本文推出了采用煤質折算成分來進行煤質指標耗差分析的方法。

1 現行的鍋爐熱損失計算公式

1.1 排煙熱損失

鍋爐熱損失中，散熱損失與煤質無關，對煤粉爐，一般可忽略氣體未完全燃燒熱損失，而排煙熱損失、固體未完全燃燒熱損失和灰渣物理熱損失都與煤質有關。文獻[14]給出了如下熱損失公式：

(1)

將文獻[14]中提供的相關公式代入式(1)，經整理得：

(2)

1.2 固體未完全燃燒熱損失

不考慮磨煤機排出的石子熱損失時，固體未完全燃燒熱損失可表示為:

(3)

式(3)中：q4為固體未完全燃燒熱損失。

1.3 灰渣物理熱損失

不考慮爐內脫硫時，灰渣物理熱損失可表示為:

(4)

式(4)中：q6為灰渣物理熱損失；αlz,αfh分別為爐渣和飛灰占燃煤總灰量的質量含量百分比；Clz，Cfh分別為爐渣和飛灰中碳的質量百分比；tlz為爐膛排出的爐渣溫度(固態排渣可取800)，℃；clz為爐渣比熱(固態排渣可取0.96)，kJ/(kg·K)；cfh為飛灰比熱(可取0.82)，kJ/(kg·K)。

2 鍋爐熱損失公式轉換

2.1 燃煤折算成分

從上述熱損失公式中可發現，鍋爐熱損失與Mar/Qar,net,Har/Qar,net和Aar/Qar,net有關。

煤質可以用所含成分和發熱量來表示，而傳統煤的折算成分就是把煤中的水分、灰分等成分折算到每4182kJ(即1000kcal)發熱量的百分數。煤的折算水分、折算灰分、折算氫含量可分別表示為：Mar,zs=4182Mar/Qar,net,Aar,zs=4182Aar/Qar,net,Har,zs=4182Har/Qar,net。可見，燃煤折算成分也是煤的質量指標。進一步研究發現，煤的折算成分將煤的成分與發熱量結合在一起后，可以用作燃燒產物數量指標，這是因為在鍋爐所需熱量一定時，折算水分、折算含氫量增大就意味著鍋爐排出的水蒸氣量增加，折算灰分增大則意味著鍋爐排出的灰渣量增加，進而引起鍋爐熱損失增加[15]。

2.2 熱損失公式轉換

引入煤的折算成分后，可將熱損失公式轉換為：

(5)

(6)

(7)

3 煤質指標耗差分析公式

3.1 煤質變化與鍋爐熱效率變化的關系

嚴格地講，煤質變化不但引起燃燒產物(主要是灰渣量和煙氣量)數量變化，還會引起鍋爐運行參數變化。由于煤質對鍋爐運行參數的影響很復雜，不易量化(如煤的水分增加，可能會引起排煙溫度升高，但同時制粉系統所需的干燥熱量增加將使通過空預器的一次風量增加，又會降低排煙溫度)，且可通過燃燒調整消化一部分，故當試驗所用燃料超過預先約定的范圍時，試驗時熱損失不考慮煤質對運行參數的影響。如我國GB10184《鍋爐性能試驗規程》規定的修正方法是將燃料中各組分及低位發熱量的設計值替代排煙熱損失計算有關公式中的試驗值[16]；美國PTC4.1《鍋爐性能試驗規程》規定的修正方法是將設計或保證煤的水分、氫含量代入相應的燃料中水分和氫引起的熱損失計算公式中。可見國內外鍋爐性能試驗規程只考慮燃燒產物對熱損失的影響。

如前所述，鍋爐熱損失與Mar,zs,Har,zs和Aar,zs有關，令qmz=q2+q4+q6，則由于煤的折算成分偏離設計值引起的鍋爐熱損失變化值為：

(8)

(9)

(10)

(11)

式(9—11)中：Δηb，ΔηMar,zs，ΔηHar,zs，ΔηAar,zs分別為煤質、折算水分、折算氫含量、折算灰分變化所引起的鍋爐熱效率變化值。

鍋爐運行參數(排煙溫度、氧量、灰渣可燃物等)對鍋爐熱效率的耗差分析以煤質不變為前提；而煤質指標對鍋爐熱效率的耗差分析以鍋爐運行參數不變為前提，相當于對燃燒產物的耗差分析，故只要將鍋爐設計的排煙溫度、灰渣可燃物、排煙過剩空氣系數代入式(9—11)即可。

式(9，10)的物理意義是燃煤折算水分變化、折算氫含量變化時所引起的水蒸氣顯熱損失變化；式(11)的物理意義是燃煤折算灰分變化時所引起的熱損失變化，其中包括未燃盡碳對排煙熱損失的修正變化、未燃盡碳損失變化和灰渣物理熱損失變化。

3.2 煤質變化與發電煤耗變化的關系

煤質變化，使鍋爐熱效率發生變化，進而導致發電煤耗變化。鍋爐熱效率變化引起的發電煤耗偏差[3]為：

(12)

式(12)中：bf，Δbf分別為基準(如設計)發電煤耗及其變化值，g/(kW·h)；ηb，Δηb分別為基準(如設計)鍋爐熱效率及其變化值。

4 應用實例

某鍋爐為固態排渣爐，設計煤種是煙煤，Mar=12.02 %，Aar=18.17 %，Har=3.52 %，Vdaf=33.43%，Qar,net=21 201kJ/kg，Cfh=2.5 %，Clz=1%，αpy=1.28，θpy=129 ℃，t0=24 ℃。 設計工況下，ηb=93.50 %,bf=290.26g/(kW·h)。

某一時段，實際使用煤的指標為Mar=22.10%，Aar=9.55%，Har=3.32%，Vdaf=35.55%，Qar,net=20 417 kJ/kg。求煤質變化后對發電煤耗的影響(不考慮煤質變化對鍋爐運行參數的影響，運行參數另有耗差分析)。

由θpy和t0得cp,py=1.356 0 kJ/(kg·K)，cp,H2O=1.502 6kJ/(kg·K)，將已知數據代入式(9—11)，則煤的折算成分變化與鍋爐效率變化的關系可表示為：

(13)

(14)

(15)

鍋爐效率變化驗證。將設計煤質等數據代入式(2—4)，則得設計工況下q2+q4+q6=5.064 3%+0.696 6%+0.135 9%=5.896 8%；將實際使用煤質數據代入式(2—4)，則得實際工況下q2+q4+q6=5.174 0%+0.380 2%+0.074 2%=5.628 4%。因而，Δηb=-(5.628 4%-5.896 8%)=0.268 4%≈0.268%，與用式(9—11)或式(13—15)計算得到的Δηb=0.268%相符。

耗差分析結果。由設計煤質變為實際使用煤質，由于折算水分增加、折算氫含量減少、折算灰分減少，使鍋爐熱效率增加0.268%(絕對值)，使發電煤耗減少0.83g/(kW·h)。

從本例可以看出：

(1) 實際使用煤種和設計煤種同屬煙煤，實際使用煤的發熱量低于設計值，如果只用煤的發熱量進行耗差分析，則似乎對煤耗產生負面影響，但計算結果并非如此，表明僅用發熱量進行耗差分析有點片面。

(2) 與設計煤相比，實際使用的煤的水分增加了10.08個百分點，灰分減少了8.62個百分點，計算結果表明前者使鍋爐熱效率降低0.100%，后者使鍋爐熱效率增加0.362%，原因是灰分變化對鍋爐熱效率的影響大于水分變化。

(3) 折算氫含量變化對鍋爐熱效率變化影響相對較大，但由于同一種類煤的氫含量變化相對較小，故對鍋爐熱效率的影響有限，只有跨越煤種時(如設計煤種是煙煤，而實際使用煤種是褐煤)才會顯現。

5 結語

(1) 煤的折算水分、折算氫含量、折算灰分既是煤的質量指標，也是鍋爐燃燒產物的數量指標。

(2) 引入煤的折算成分，可使復雜問題簡單化，可將煤質變化對鍋爐熱效率偏差的影響表示為煤的折算水分、折算氫含量、折算灰分的函數。

(3) 實例計算表明，僅用煤的發熱量作為煤質指標進行耗差分析有點片面；灰分變化對煤耗的影響大于水分；盡管氫含量變化對鍋爐效率的影響相對大一些，但由于同一種類煤的氫含量變化相對較小，故對鍋爐熱效率的影響有限。

(4) 本文給出煤質指標對鍋爐熱效率的耗差分析公式，適用于同一煤種。當燃用煤種跨越時(如設計煤種是煙煤，而實際使用褐煤)，其耗差分析誤差可能會大一些，因煤種跨越后，煤的揮發分、水分、發熱量會有較大變化，一方面會使K值略有變化(K為0.261 45±0.004 45，變化不大)，另一方面會引起飛灰含碳量、排煙溫度等運行參數發生變化。但如果是同時進行煤質和鍋爐參數耗差分析，則本法可跨越煤種，因此時鍋爐運行參數的變化中已包含了煤質變化因素，未能單列而已。

應該指出的是，煤質變化較大時對鍋爐運行參數(如排煙溫度、灰渣可燃物等)、廠用電率也有影響，當另行研究。

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方 超

方 超(1958 —)，男，江蘇通州人，高級工程師，從事電廠節能和設備可靠性管理工作。

(編輯 徐林菊)

A Method for Energy-loss Analysis in Coal-quality Index for Coal-fired Boilers

FANG Chao

(Huaneng Nantong Power Plant,Nantong 226003, China)

The relationship between the constituents and the heating value of the coal is complicated. Currently there is no unified method in the energy loss analysis in coal-quality index for coal-fired boilers. The generally adopted method, of which the limitations are apparent, is to analyze the individual index of the coal quality. Study shows that the converted moisture, converted ash and the converted hydrogen are at once the quality index of the coal and the quantitative index of the combustion products which are closely related to the heat loss of the boiler. Starting from a formula for boiler heat loss, this article proposes a method for energy-loss analysis using the converted constituents of the coal with examples of calculation and analysis. Simple and practical as it is, this method can be an alternative for colleagues of other power plants in energy-loss analysis.

boiler; coal quality; converted constituents; energy-loss analysis

2016-12-23；

2017-02-14

TK227

A

2096-3203(2017)03-0115-05