中小型燃氣鍋爐電廠凈效率優化分析

楊 麗

上海電氣工程設計有限公司 上海 201612

1 研究背景

隨著國內外鋼鐵行業的不斷發展，節能減排并提高電廠經濟性已成為主流。一些大型鋼鐵廠計劃建設中小型自備電廠來消化生產過程中產生的高爐煤氣、焦爐煤氣等副產品，這樣可以在提高余能利用的同時解決部分廠用電的需求[1-2]。

高爐煤氣和焦爐煤氣成分不同，常規情況下高爐煤氣的熱值遠低于焦爐煤氣的熱值。某工程為了提高鍋爐的燃燒效率，計劃將高爐煤氣和焦爐煤氣摻燒[3]，兩者成分體積分數、熱值、氣體溫度等參數見表1、表2。高爐煤氣與焦爐煤氣的摻燒比例對鍋爐效率和排煙溫度有很大影響，從70∶30變化到77∶23，排煙溫度上升19℃，效率下降1.4%。可見，焦爐煤氣比例越高，鍋爐效率就越高，空氣預熱器出口排煙溫度則越低。

2 電廠性能關鍵指標

在電廠中，燃料消耗能量QB.Fuel是電廠的外部輸入，汽輪機凈出力Pnet是電廠的對外能量輸出，其它能量傳遞均發生在電廠內部的鍋爐島和汽輪機島范圍內。

表1 高爐煤氣參數

電廠能量傳遞如圖1所示。圖1中QB.Credit為鍋

表2 焦爐煤氣參數

爐增益能量，QB.Loss為鍋爐損失能量，QTG為鍋爐與汽輪機間的傳遞能量，ηB為鍋爐效率，ηTG為汽輪機效率；PGross為汽輪機毛出力，PAux為廠用負荷消耗功率。

圖1 電廠能量傳遞示意圖

可將電廠凈效率ηnet.plant分為三個部分： 鍋爐效率ηB、汽輪機效率ηTG、廠用電耗率ηE。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：QHRTG為汽輪機熱耗。

一般燃氣鍋爐機組容量不大，但還需優化電廠凈效率。根據式(1)～式(4)，優化電廠凈效率可分解為優化三個關鍵指標，即鍋爐效率、汽輪機熱耗、廠用電耗率。實際工程中，為了提高性能的精度，需要確定三者所對應的性能試驗考核依據，具體見表3。

表3 電廠凈效率考核依據

以下從煙氣余熱利用和廠用電優化兩個方面介紹電廠凈效率優化的具體措施。

3 煙氣余熱利用

由于高爐煤氣熱值低，燃料消耗量大，成分中含有大量氮氣不參與燃燒，所需的空氣量小，且燃燒生成的煙氣量大，因此僅考慮增大空氣預熱器受熱面積來降低鍋爐排煙溫度是不可行的[8-9]。根據本項目鍋爐熱力計算，合理的空氣預熱器出口溫度為185℃。可見，隨煙氣帶走的熱損失很大。

根據前文論述，燃氣鍋爐的主要熱損失之一是干煙氣損失，即排煙損失，所以，提高鍋爐熱效率的主要途徑是降低鍋爐的排煙溫度。常規利用煙氣余熱來降低排煙溫度，具體有兩種方法——采用煤氣加熱器或低溫省煤器，兩種方法在原理和影響電廠凈效率計算上有較大不同。

3.1 煤氣加熱器

空氣預熱器后串聯煤氣加熱器，電廠能量傳遞如圖2所示。煤氣加熱器是一種使煙氣與煤氣進行換熱的設備，可以在降低鍋爐出口排煙溫度的同時提高煤氣進入鍋爐的溫度[8]。采用這一方法，電廠凈效率計算較為清晰，僅影響鍋爐效率，即僅需考慮余熱利用的增益對鍋爐效率的影響，由空氣預熱器出口溫度調整為煤氣加熱器出口溫度來計算鍋爐效率。

圖2 采用煤氣加熱器后電廠能量傳遞示意圖

根據上述煙氣成分，鍋爐空氣預熱器出口溫度為185℃。采用煤氣加熱器后，煤氣加熱器出口溫度鎖定在140℃，鍋爐效率大致提升2%。

3.2 低壓省煤器

空氣預熱器后串聯低壓省煤器，電廠能量傳遞如圖3所示。圖3中，QTG.H為鍋爐與汽輪機間的傳遞能量，QTG.L為低壓省煤器與輪汽機間的傳遞能量。低壓省煤器利用低品位的煙氣余熱，選擇合適的輸入點，加熱凝結水。采用這一方法，電廠凈效率計算較為復雜，一方面出口溫度降低對應鍋爐效率提高，另一方面凝結水溫度提高，從汽輪機熱平衡系統內減少相應的低壓回熱抽汽，影響汽輪機熱耗[9-10]。

圖3 采用低壓省煤器后電廠能量傳遞示意圖

針對這一方法，電廠凈效率有兩種計算方法，一種是將增益算在鍋爐側，另一種是將增益算在汽輪機側，最終電廠凈效率是一致的。

現介紹第一種方法。汽輪機采用八級回熱抽汽系統，經過能量計算評估[11]，余熱資源總量為 12.65MJ/s，考慮從二級低壓加熱器輸入。汽輪機效率計算時，若僅從單獨的汽輪機本體考慮，則熱平衡圖汽輪機熱耗為：

QHRTG=QTG.H/PGross

(5)

對電廠凈效率進行計算時，式(5)不準確，需要對汽輪機側效率進行修正。根據能量平衡原則，有：

QB.Fuel-QB.Loss+QB.Credit=QTG.H+QTG.L

(6)

可見，從鍋爐側傳遞至汽輪機側的能量需同時考慮鍋爐與汽輪機間的傳遞能量、低壓省煤器與汽輪機間的傳遞能量。式(2)、式(3)需相應調整為：

(7)

(8)

式中：QHRTG.HL為汽輪機修正熱耗。

由式(7)可見，鍋爐效率計算僅需考慮余熱利用的增益對鍋爐效率的影響，由空氣預熱器出口溫度調整為低壓省煤器出口溫度來計算鍋爐效率。

由式(8)可見，輸入能量相對增加，汽輪機熱耗相對增加，對應的汽輪機效率則相對降低。

4 廠用電優化

對廠用電進行優化，主要在于高壓電動機軸功率的計算。高壓電動機有電動給水泵、送風機、引風機、凝結水泵等，這些高壓電動機在電廠廠用電占比高達90%以上，其中電動給水泵占比約50%，因此以電動給水泵廠用電計算優化作為主要研究對象。

工程共配3×50%電動給水泵，帶液力耦合器。根據業主提供的給水泵選擇要求，最終電動給水泵的參數見表4。

表4 電動給水泵參數

需要確定項目的考核工況點，因為不同的工況軸功率不同。常規情況下，考核工況點為100%最大連續工況。對比DL/T 5153—2014《火力發電廠廠用電設計技術規程》中兩種不同的廠用電負荷計算方法[7]，結果見表5。

表5 廠用電計算對比 kW

兩種計算方法的差值是245kW。可見，軸功率法計算結果更小，更為貼近實際運行值。

后續，可通過優化輸入選型參數，進一步降低軸功率。具體而言，熱平衡圖給水泵的進水量為544.3t/h，液體密度為878.7kg/m3，計算得單臺50%給水泵的進水流量為309.7m3/h。表4中選型考慮了1.1的裕度，選定為340m3/h。優化該流量參數，不考慮1.1的裕度，從而使軸功率從 2091kW 降低至1905kW，減小了186kW。

5 結束語

對比兩種余熱利用的方法，可得出如下結論。

(1) 鍋爐均基于出口溫度140℃的情況，因此兩種方法鍋爐效率一樣。而采用低壓省煤器，汽輪機效率相對是下降的。因此，采用煤氣加熱器在全廠性能方面比采用低壓省煤器更優。根據項目實際，計算得電廠凈效率大約相差0.8%。

(2) 考慮到采用煤氣加熱器造價高于采用低溫省煤器，而針對每個項目汽輪機熱耗收益不同，因此最終工程采用何種方法，還需要綜合分析全廠性能和造價。

(3) 如需進一步提升全廠性能，可考慮煤氣加熱器和低溫省煤器配合使用，前者使出口溫度從185℃下降至140℃，后者使出口溫度從140℃下降至100℃。

針對廠用電耗率指標的優化，可得出如下結論。

(1) 確定廠用電耗率考核工況點，從而確定每個負荷的選型點。

(2) 高壓電動機采用軸功率法計算廠用電耗率，這樣更為貼近實際運行值。

(3) 優化輸入選型參數可進一步減小廠用電耗率。

(4) 由于各個項目針對廠用電耗率指標有所不同，因此需根據實際情況合理優化廠用電耗，適當考慮余量。

[1] 劉彤，張鑫，黃圣偉，等.鋼鐵工業自備電廠余熱資源的回收利用[J].鋼鐵研究學報，2014，26(11)： 29-33.

[2] 李洪福，溫燕明，孫德民.鋼鐵企業用電自給可行性探討[J].鋼鐵，2010，45(1)： 99-103.

[3] 朱宇翔，秦小東.全燃高爐煤氣高溫高壓鍋爐的運行特性[J].鍋爐技術，2010，41(1)： 23-26.

[4] 城鎮燃氣熱值和相對密度測定方法： GB/T 12206—2006[S].

[5] Fired Steam Generators Performance Test Codes： ASME PTC 4—2008[S].

[6] Steam Turbines Performance Test Codes： ASME PTC 6—2004[S].

[7] 火力發電廠廠用電設計技術規程： DL/T 5153—2014[S].

[8] 黃科義，王冬.淺談高爐煤氣鍋爐提高熱效率的兩種方式[J].技術與市場，2017，24(8)： 208-209.

[9] 張鵬.煤氣鍋爐低壓省煤器與煤氣加熱器比較[J].能源與節能，2014(6)： 171-173.

[10] 李偉.低壓省煤器在鍋爐中的應用研究[D].上海： 上海交通大學，2007.

[11] 林萬超.火電廠熱系統節能理論[M].西安： 西安交通大學出版社，1994.