電廠鍋爐優(yōu)化改造試驗分析

陳軍華，章文杰，徐鵬志，何建樂，車方

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電廠鍋爐優(yōu)化改造試驗分析

陳軍華1，章文杰2，徐鵬志1，何建樂1，車方1

（1．華電電力科學研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030； 2．南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇省 南京市 210094）

為進一步提高鍋爐效率，減少鍋爐污染物排放，以某電廠鍋爐為研究對象，對鍋爐的空預器密封裝置、水平煙道吹灰系統(tǒng)以及高壓省煤器進行等進行整體優(yōu)化，對鍋爐進行化學清洗和保溫處理，通過試驗對優(yōu)化前后對鍋爐熱效率及污染物排放進行對比。結果表明：與改造前相比，不同負荷下鍋爐效率平均提高2.3%，同時供電煤耗降低；鍋爐排煙溫度降低，干煙氣熱損失減少；未燃盡率碳熱損失及空預器漏風率也大幅降低，鍋爐排放NOx濃度達到排放要求。此次優(yōu)化改造達到了預期效果。

鍋爐效率；排煙溫度；空預器；熱損失；優(yōu)化改造

0　引言

我國的發(fā)電形式以火電為主，火力發(fā)電量占總發(fā)電量比例超過80%，發(fā)電消耗煤炭量占我國煤炭消耗總量的50%左右。然而煤炭在燃燒過程中產(chǎn)生的塵粒、灰渣、煙氣等會對環(huán)境造成嚴重破壞。隨著國家政策對環(huán)境保護問題的日益重視，如何在提高發(fā)電機組鍋爐效率的同時降低灰渣、煙氣等污染物的排放，實現(xiàn)發(fā)電機組鍋爐的經(jīng)濟運行成為一個亟待解決問題。

應明良等[1]通過更換鍋爐燃燒器，合理布置燃盡風噴嘴位置等方法，以達到降低NOx排放的效果。高繼陸等[2]通過干式與濕式排渣對比試驗，進行干式排渣系統(tǒng)對鍋爐效率的影響的試驗，全面客觀分析和評價干排渣和濕排渣系統(tǒng)具有重要和深遠的意義。焦同帥等[3]以440 t/h CFB鍋爐為對象，通過布置大量測點詳細測量了鍋爐系統(tǒng)散熱損失，對測量結果進行不確定度分析，確定了估計方法造成的鍋爐效率的不確定度。張國光等[4]通過對鍋爐各項熱損失主要影響因素的分析，通過實驗研究各個參數(shù)對鍋爐各項熱損失和鍋爐熱效率的影響程度。王學棟等[5]通過改變輔助風配風方式、過量空氣系數(shù)、運行負荷等工況進行試驗，測定鍋爐尾部煙道NOx排放濃度，根據(jù)測試結果分析了鍋爐運行工況、運行方式對NOx排放的影響。

李建鋒等[6]以某600 MW超臨界火力發(fā)電機組的鍋爐設計參數(shù)為依據(jù)，對其進行了熱效率和擁效率分析，可以通過提高蒸汽參數(shù)、降低排煙溫度、降低蒸汽管道的長度等方法降低煙損失。韓義等[7]針對330 MW對沖燃煤鍋爐分別采用不同低氮改造方案，對改造后的環(huán)保指標、受熱面汽溫金屬壁溫指標、鍋爐能效指標、負荷響應能力進行綜合評價，并得出最優(yōu)方案。

本次研究對機組鍋爐進行了全面的診斷和評估試驗，根據(jù)診斷結果對鍋爐實施整體優(yōu)化改造，對改造前后鍋爐效率、排煙溫度、NOx排放濃度等進行對比分析。

1　項目概況及改造內(nèi)容

1.1　項目概況

該項目發(fā)電機組鍋爐為東方鍋爐廠制造的DG 2100/25.4-Ⅱ1型，超臨界參數(shù)變壓直流本生型鍋爐，一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道結構、采用平行擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構、平衡通風、露天布置。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)2101 t/h，額定蒸汽壓力為25.5 MPa，額定蒸汽溫度571℃，再熱蒸汽溫度569℃。燃煤實際消耗量244.36 t/h。

1.2　改造內(nèi)容

本次改造內(nèi)容主要包括空預器改造、水平煙道吹灰裝置改造、鍋爐化學清洗、省煤器改造以及鍋爐保溫改造等幾方面。具體方案如下：

1）增加暖風器對空預器進口一次風和二次風進行加熱，防止空預器冷端形成低溫腐蝕，造成空預器粘灰、堵灰，通過改造降低空預器的漏風率，提高風機和鍋爐的運行效率。

2）對鍋爐水平煙道吹灰裝置進行改造，防止水平煙道處積灰，造成水平煙道水冷壁承受額外負載，影響鍋爐的安全運行。

3）使用EDTA對鍋爐水垢進行清洗，防止水垢對鍋爐的傳熱造成影響，進而降低鍋爐的效率，確保鍋爐的穩(wěn)定運行。

4）在原省煤器受熱面基礎上增加高壓省煤器的換熱面積，以降低鍋爐排煙溫度，提高鍋爐效率。

5）對鍋爐側設備保溫表面超溫進行處理，對主、再熱蒸汽及下降管管道保溫層、爐墻及及二次熱進口風道等保溫設備進行更換，減少鍋爐的散熱損失。

本次改造還對遠程在線監(jiān)督、精細化調(diào)整進行了測試，主要改造項目如表1所示。

表1主要改造項目
Tab.1Major renovation projects

序號 項目 1 暖風器改造 2 爐底密封改造 3 水平煙道改造 4 保溫治理 5 精細化調(diào)整 6 化學清洗 7 遠程在線監(jiān)督 8 高壓省煤器改造 9 節(jié)能對標管理系統(tǒng) 10 空預器改造 11 引增合一改造

2　測量方法及計算

2.1　測量方法

采用網(wǎng)格法對空預器進出口煙氣中NOx等污染物濃度進行測量，取各測量點的算術平均作為進出口煙氣中NOx濃度值。測量儀器為Testo350煙氣分析儀，試驗期間每15 min測量一次。進出口煙氣溫度的測量一次儀表為E型熱電偶，二次儀表為FLUKE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

在空預器出口安裝的撞擊式取樣裝置進行飛灰取樣，試驗前清空取樣裝置里的余灰，試驗期間將所取飛灰樣均勻混合，進行飛灰可燃物含量分析。爐渣在排渣池出口取樣，每次取樣間隔為30 min，試驗結束后將所取渣樣均勻混合，進行爐渣可燃物含量分析。在未受到鍋爐熱輻射影響處用電子溫濕度計測量送風機入口溫度及環(huán)境濕度，空盒氣壓表測量大氣壓力，試驗期間每15 min測量記錄一次，取算術平均值。運行數(shù)據(jù)記錄由運行人員根據(jù)表盤主要運行數(shù)據(jù)記錄，每5 min記錄一次，數(shù)據(jù)記錄結果取各次記錄的算術平均值。

2.2　鍋爐效率的計算

鍋爐效率計算公式為

式中：為鍋爐熱效率，%；為燃料應用基低位發(fā)熱量，kJ/kg；B為對應每kg入爐燃料總的輸入物理熱，kJ/kg；L為鍋爐每kg入爐燃料總的熱損失，根據(jù)本鍋爐情況按下式計算：

式中：為灰渣中未燃盡碳熱損失，kJ/kg；為干煙氣熱損失，kJ/kg；為入爐燃料中水分引起的熱損失，kJ/kg；為氫燃燒生成水分引起的熱損失，kJ/kg；為空氣中水分引起的熱損失，kJ/kg；為生成一氧化碳而造成的熱損失，kJ/kg；為表面輻射和對流熱損失，kJ/kg；為不可測量熱損失(按鍋爐廠設計值取常數(shù))，kJ/kg。

2.3　空預器漏風率的計算

空氣預熱器漏風率為

式中：為空氣預熱器漏風率，%；為空氣預熱器煙道進口處煙氣質(zhì)量，kg/kg；為空氣 預熱器煙道出口處煙氣質(zhì)量，kg/kg。

2.4　NOx排放濃度的計算

根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標準》對NOx排放濃度進行修正。

氮氧化合物質(zhì)量濃度以二氧化氮計，將體積濃度換算成質(zhì)量濃度。實測的氮氧化合物排放濃度，必須按規(guī)定進行折算，燃煤鍋爐按O2含量為6%對應的過量空氣系數(shù)折算值α=1.4進行折算，其計算公式為

式中：C為折算后的氮氧化合物排放濃度，mg/m3；C￠為實測氮氧化合物排放濃度，mg/m3；a￠為實測的過量空氣系數(shù)；a為規(guī)定的過量空氣折算系數(shù)。

3　優(yōu)化前后結果分析

在對鍋爐進行整體優(yōu)化后，對鍋爐進行燃燒試驗，從排煙熱損失、未燃盡碳熱損失、空預器漏風率、鍋爐效率以及NOx排放濃度5個方面與優(yōu)化前鍋爐進行對比分析。

3.1　排煙熱損失

排煙熱損失是指煙氣排出鍋爐的焓值高于空氣進入鍋爐時的焓值所造成的熱量損失，排煙損失是鍋爐最主要的一項熱損失，排煙熱損失的大小取決于排煙溫度，鍋爐排煙溫度越高，熱損失越大，鍋爐效率降低。

不同負荷下鍋爐排煙溫度優(yōu)化前后變化如 圖1所示。由圖1可知，優(yōu)化后鍋爐排煙溫度與優(yōu)化前相比平均降低了22℃，降幅明顯。這是因為通過鍋爐尾部受熱面以及空預器的優(yōu)化改造，受熱面積灰、結渣和結垢得到清除，傳熱效果得到增強，輻射吸熱量增大，排煙溫度降低，排煙熱損失減小。干煙氣熱損失隨著排煙溫度的降低而降低，優(yōu)化前后干煙氣熱損失變化如圖2所示，優(yōu)化后干煙氣熱損失明顯降低。

圖1　不同工況下鍋爐排煙溫度變化 Fig.1　Change of boiler exhaust temperature under different working conditions

圖2　不同工況下鍋爐干煙氣熱損失變化 Fig.2　Change of heat loss of dry flue gas of boiler under different working conditions

3.2　未燃盡碳熱損失

未燃盡碳熱損失是指固體炭顆粒在爐內(nèi)未完全燃燒即隨飛灰和爐渣一同排出爐外而造成的熱損失。未燃盡碳熱損失反映了煤炭燃燒的完全程度，是判斷鍋爐效率的重要指標。

優(yōu)化前后未燃盡碳損失變化如圖3所示。優(yōu)化前鍋爐在機組電負荷為660、540、400和330 MW時的未燃盡碳損失分別為2.12%、1.47%、1.33%和1.24%。優(yōu)化改造后未燃盡碳損失分別為0.84%、1.04%、0.89%、1.73%。優(yōu)化后灰渣中未燃盡碳熱損失較優(yōu)化前大幅下降，通過優(yōu)化改造后，煤炭在鍋爐內(nèi)燃燒更加充分，鍋爐效率得到提高。

圖3　不同工況下灰渣中未燃盡碳熱損失變化 Fig.3　Change of unburned carbon heat loss in ash under different conditions

3.3　空預器漏風率

空預器漏風會導致鍋爐機組熱力工況發(fā)生改變，空預器漏風量增加會導致鍋爐的排煙溫度降低，進而加速冷端換熱元件的低溫腐蝕；漏風會影響機組運行的經(jīng)濟性，不僅使機組的熱效率降低，還增加送、引風機對能源的消耗。

空預器漏風率優(yōu)化改造前后變化如圖4所示。 由圖4可知，優(yōu)化改造后鍋爐空預器漏風率較修前平均下降6.8%。優(yōu)化改造前330 MW時鍋爐漏風率達到15.3%，改造后鍋爐漏風率降低至9.6%，660 MW工況下漏風率可以低至4.8%，改造效果明顯。

圖4　不同工況下空預器漏風率變化 Fig.4　Change of air leakage rate of air preheater under different working conditions

3.4　鍋爐效率

本文通過計算干煙氣熱損失、未燃盡碳熱損失、生成一氧化碳造成的熱損失以及其他熱損失對鍋爐的效率進行計算，詳細數(shù)據(jù)如表2所示。優(yōu)化前后不同工況下鍋爐效率如圖5所示。整體優(yōu)化改造后鍋爐在機組電負荷為660、540、400、330 MW時經(jīng)進風溫度與煤質(zhì)修正后的熱效率分別為92.93%、93.31%、93.59%、92.67%。與優(yōu)化改造前修正后的熱效率90.46%、90.99%、91.05%、90.95%相比，4種工況下鍋爐效率均得到較大的提高，平均提高2.3%，改造后鍋爐煤耗為277.8 g/(kW·h)，與改造前相比煤耗降低了6.5 g/(kW·h)。這是因為經(jīng)整體優(yōu)化改造后鍋爐性能得到較大改善，排煙溫度降低，干煙氣熱損失、未燃盡碳熱損失及空預器漏風率降低。本次優(yōu)化改造還對鍋爐重新進行綜合保溫處理，其保溫性能有所提升，降低了鍋爐散熱損耗。采用化學藥劑對鍋爐內(nèi)部水垢進行清除，增強鍋爐受熱面導熱性，也提升了鍋爐效率。

表2　鍋爐效率試驗數(shù)據(jù) Tab.2　Boiler efficiency test data

圖5　不同工況下鍋爐效率變化 Fig.5　Change of boiler efficiency under different working conditions

3.5　NOx排放濃度

試驗測定了不同負荷下NOx的排放量，測試結果如表3所示。由表3可知，鍋爐在660、540、400、330 MW負荷下，實測NOx體積排放濃度分別為27.25、23.13、29.83、22.08 mL/m3。過量空氣系數(shù)為1.4時，修正后NOx的質(zhì)量排放濃度分別為49、40、57、41 mg/Nm3，經(jīng)脫硝改造后鍋爐在空預器入口測得的NOx排放濃度污染物排放的要求，但在試驗中脫硝入口的NOx濃度較高，達到600 mg/m3以上，為保證較低的污染物排放水平，脫硝反應器必須保持較高的噴氨量。

4　結論

通過制定詳細的改造方案對某電廠的鍋爐進行優(yōu)化改造，通過測試和理論計算對優(yōu)化前后空預器漏風率、排煙溫度、未燃盡碳熱損失、鍋爐的效率、污染物排放濃度等參數(shù)進行對比分析，得出以下結論：

1）與優(yōu)化前相比，鍋爐效率平均提高2.3%，改造后鍋爐煤耗為277.8 g/(kW×h)，與改造前相比降低供電煤耗6.5 g/(kW·h)。

2）不同工況下鍋爐排煙溫度與優(yōu)化前相比平均降低了22℃，干煙氣熱損失減小，未燃盡碳熱損失與優(yōu)化前相比也顯著降低。

3）改造后不同工況下，鍋爐空預器的漏風率大幅降低；NOx排放濃度達到新國標對于污染物排放的要求。

通過對鍋爐整體優(yōu)化改造，鍋爐效率得到提高，污染物排放濃度降低，取得了預期的效果。

參考文獻

[1]應明良，戴成峰，胡偉鋒，等．600MW機組對沖燃燒鍋爐低氮燃燒改造及運行調(diào)整[J]．中國電力，2011，44(4)：55-58．

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[3]焦同帥，閻維平，曹穎，等．CFB鍋爐散熱損失測算及估算對鍋爐效率的影響研究[J]．熱力發(fā)電，2016，44(12)：45-49．

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[5]王學棟，欒濤，程林，等．鍋爐燃燒調(diào)整對NOx排放和鍋爐效率影響的試驗研究[J]．動力工程，2008，28(1)：19-23．

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[7]韓義，賈瑞婷，蔡斌，等．330 MW級對沖燃煤鍋爐不同低氮燃燒改造方案的效果分析[J]．電站系統(tǒng)工程，2016，32(6)：31-34．

Experimental and Analysis on Optimization of a Boiler in Power Plant

CHEN Junhua1, ZHANG Wenjie2, XU Pengzhi1, HE Jianle1, CHE Fang1
(1.Huadian Electric Power Research Institute Co., LTD., Hangzhou 310030, Zhejiang Province,China; 2.School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu Province, China)

In order to improve boiler efficiency and reduce the emission of boiler pollutants, this paper take a power plant as the research object, the overall optimization of the boiler’s air preheater seal device horizontal flue ash blower system and high-pressure economizer.were carried out, chemical cleaning and heat treatment were also carried out for bolier, and the thermal efficiency and pollutant discharge of the boiler ware tested before and after the optimization.Compared with that before the optimization, the efficiency of boiler is increased by 2.3% under different loads and the coal consumption is reduced at the same time.The unburned carbon heat loss and the air leakage rate of air preheater is also greatly reduced.The concentration of NOxdischarged from the boiler has reached the requirement.The optimized reform has achieved the expected effect.

boiler efficiency; fume exhaust temperature; air-preheater; heat loss; optimization and transformation

2018-08-08。

陳軍華(1983)，男，工程師，從事鍋爐技術研究，junhua-chen@chder.com；

陳軍華

章文杰(1986)，男，博士，講師，研究方向為熱能與動力工程，zhangwenjie001@139.com。

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0702203)。

Project Supported by National Key Research and Development Plan (2017YFC0702203).

10.12096/j.2096-4528.pgt.18153

(責任編輯楊陽)