基于實時數據庫的電站鍋爐熱效率在線計算方法

應明良，呂洪坤，茅建波，徐小瓊，張曉龍

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

鍋爐熱效率是反映鍋爐運行經濟性的一項非常重要的技術經濟指標。 鍋爐熱效率在線計算可為優化調整鍋爐運行工況提供詳盡的技術數據，并在運行過程中實時計算出鍋爐的正平衡或反平衡效率，及時了解鍋爐的運行狀況及各項損失的大小，對于提高鍋爐運行的經濟性和運行調節水平具有重要的意義。

根據鍋爐性能試驗標準（國家標準和美國標準）進行鍋爐熱效率計算時，涉及的參數繁多且實時監測比較困難，在線計算具有一定的難度[1]。 無論是采用輸入-輸出熱量法（即正平衡法）或熱損失法（即反平衡法）進行計算時，都需要涉及入爐煤的煤質特性，包括煤的工業分析、元素分析、高位/低位發熱量等[2-3]。 有些發電廠安裝了煤質在線分析系統，測定煤中的灰分、水分和元素組成，進行鍋爐熱效率的在線計算[4]；大多數發電廠沒有安裝煤質在線分析系統，且發電廠現場煤質分析只有工業分析，無法依據標準進行實時計算。 因此，在鍋爐效率在線計算系統的處理過程中，往往是將前一工作日的采樣分析結果作為當前燃料的特性處理，并根據工業分析結果進行元素分析數據的近似推算，這種處理方式必然給在線計算結果帶來一定的誤差[5-7]。 文獻[8]提出不需要入爐煤煤質參數和灰渣可燃物含量進行鍋爐反平衡熱效率的計算，但根據煙氣成分進行固體未完全燃燒熱損失計算有一定的局限性。

本文提出一種利用機組實時運行數據進行鍋爐熱效率在線計算的方法。 該方法建立在機組運行監控參數（汽水系統、煙氣參數）的基礎上，利用在線飛灰含碳量測量裝置數據，能夠在不進行煤質測試的情況下，滿足鍋爐熱效率計算的要求。

1 實時數據平臺簡介

基于實時數據平臺的浙江省電力行業節能減排監管系統實現海量實時數據的自動采集、歷史數據的壓縮存儲、高效的查詢檢索和統計分析[9]，能夠在線存儲數百萬甚至上千萬采集點的數年歷史數據，數據涵蓋發電廠的鍋爐、汽機、環保等專業，目前數據采集分辨率達到15 s。

該系統實現了對在線數據的采集、傳輸、處理、計算、分析、發布、共享等全過程的數字化管理，用戶可根據數據統計模型和公式建立計算點[10]，由系統自動計算并存儲計算結果，實時監視火力發電機組的運行能耗、排放等情況，為電力行業的節能減排目標制定提供決策依據。

2 鍋爐熱效率計算模型

由于無法獲得鍋爐入爐煤的煤質特性實時數據，以鍋爐總輸出熱量代替鍋爐輸入熱量，根據鍋爐的有效輸出熱量和總輸出熱量計算鍋爐熱效率：

式中：ηgl為鍋爐熱效率；Qgq為過熱蒸汽吸收的能量；Qzq為再熱蒸汽吸收的熱量；Qpy為鍋爐熱力邊界出口煙氣輸出的能量；Qfh為鍋爐熱力邊界出口飛灰輸出的能量；Qlz為鍋爐熱力邊界出口爐渣輸出的熱量；Qsr為鍋爐的散熱損失；Qpw為鍋爐排污水輸出的能量；Qsm為磨煤機排出石子煤輸出的熱量；Qxl為鍋爐側泄漏汽、水輸出的能量。

2.1 過熱蒸汽吸收的能量

根據鍋爐末級過熱器出口蒸汽流量、蒸汽壓力和溫度、省煤器入口給水流量測點之前噴入鍋爐水側的各級減溫水流量、省煤器入口給水溫度和壓力、省煤器入口給水流量測點之前噴入鍋爐水側的各級減溫水溫度和壓力的實時數據進行過熱蒸汽吸收的熱量Qgq的計算。

式中：i 為當前級數；n 為省煤器入口給水流量測點之前噴入鍋爐水側的減溫水級數；Dgqc為鍋爐末級過熱器出口蒸汽流量；Dgiw-i為省煤器入口給水流量測點之前噴入鍋爐的各級減溫水流量；hgqc為鍋爐末級過熱器出口蒸汽的焓值；hfw為省煤器入口給水的焓值；hgiw-i為省煤器入口給水流量測點之前噴入鍋爐水側的各級減溫水的焓值。

2.2 再熱蒸汽吸收的熱量

根據再熱器進口的蒸汽流量、再熱器水側噴入的減溫水量、再熱器出口蒸汽壓力和溫度、再熱器進口蒸汽壓力和溫度，以及再熱器減溫水的壓力和溫度的實時數據，進行再熱蒸汽吸收的熱量Qzq的計算。

式中：Dzqj為再熱器進口的蒸汽流量；Dzjw為再熱器水側噴入的減溫水流量；hzqc，hzqj分別為再熱器出口、進口蒸汽的焓值；hzjw為再熱器減溫水的焓值。

2.3 鍋爐熱力邊界出口煙氣輸出的能量

鍋爐熱力邊界出口煙氣輸出能量的計算公式為：

鍋爐熱力邊界出口的煙氣量Vpy可根據CEMS（煙氣自動監控系統）數據（包括排放口煙氣流量、煙氣含氧量等）以及鍋爐熱力邊界出口處的煙氣含氧量進行相應計算得出。

式中：CCO2，CH2O，CO2，CCO，CSO2，CN2分別為CO2，H2O，O2，CO，SO2，N2從t0到tpy的平均定壓比熱；φ（Xi）′為扣除吹灰蒸汽對尾部煙氣稀釋影響之后煙氣中氣體Xi（i=1，2，3，4，5，6）的體積分數，X1—X6分別代表CO2，O2，CO，SO2，N2，H2O。

式中：φ（Xi）為鍋爐熱力邊界出口煙氣中氣體Xi的體積分數。

基于目前國家對溫室氣體排放量控制的要求，可以在機組排放口加裝CO2濃度測量元件，然后進行鍋爐熱力邊界出口煙氣CO2含量的計算。 另外，根據ASME（美國機械工程師協會）標準關于CO2含量計算方法可知，同一煤種在灰渣含碳量不變的情況下，鍋爐熱力邊界出口煙氣CO2含量與氧量基本成線性關系，故可根據燃煤情況推導出鍋爐熱力邊界出口煙氣CO2含量與氧量的擬合公式，根據氧量進行CO2含量的計算。

鍋爐熱力邊界出口煙氣水分含量可由鍋爐煙氣脫硝裝置進/出口煙氣含氧量（干態）、省煤器出口/空氣預熱器進口煙氣含氧量（濕態）進行計算。

鍋爐未完全燃燒產生的CO 濃度一般很小，可忽略不計。 但如果在脫硝反應器進/出口或煙囪排放口等煙道處安裝的CEMS（煙氣在線監測系統）中有CO 濃度測量元件，由于CO 含量受漏風的影響比氧量要小得多[11]，則可以根據CO 含量測量值進行鍋爐熱力邊界出口煙氣CO 含量的計算。

對于吹灰蒸汽流量，可安裝相關裝置進行測量，也可根據省煤器入口給水流量、鍋爐末級過熱器出口蒸汽流量、省煤器入口給水流量測點之前噴入鍋爐水側的各級減溫水流量進行計算。

2.4 鍋爐熱力邊界出口飛灰、爐渣輸出的熱量

根據鍋爐熱力邊界出口煙氣中的飛灰濃度、鍋爐熱力邊界出口煙氣溫度、鍋爐熱力邊界出口煙氣中飛灰可燃物含量等實時數據進行鍋爐熱力邊界出口飛灰和爐渣輸出熱量的計算。

式中：μ（ash）為鍋爐熱力邊界出口煙氣中的飛灰質量濃度；hfh為鍋爐熱力邊界出口煙氣中飛灰熱焓值；hfh0為磨煤機入口原煤溫度條件下的飛灰熱焓值；a 為鍋爐熱力邊界出口飛灰與爐渣的質量比，對于固態排渣煤粉鍋爐可取a=9：1；hlz為鍋爐熱力邊界出口爐渣熱焓值；hlz0為磨煤機入口原煤溫度條件下的爐渣熱焓值；cfh為鍋爐熱力邊界出口煙氣中飛灰可燃物含量，由于爐渣質量只占灰渣總量的10%，且沒有爐渣可燃物含量在線測量裝置，故爐渣可燃物含量取值為飛灰可燃物含量，對計算結果影響很小。

2.5 鍋爐排污水輸出的能量

根據鍋爐的排污水量等實時數據進行鍋爐排污水輸出能量的計算。

式中：Dpw為鍋爐的排污水量，對于非超（超）臨界機組鍋爐的連排、定排流量可安裝流量測量裝置，或根據機組實際情況設定鍋爐的連排流量數值；hpw為鍋爐排污水的焓值。

2.6 磨煤機排出石子煤輸出的熱量

根據磨煤機排出的石子煤量、石子煤發熱量、排出石子煤的顯熱焓值等實時數據進行磨煤機排出石子煤輸出熱量的計算。 如果石子煤量很少，此項可忽略不計。

式中：Msm為磨煤機排出的石子煤量；Qsmfr為石子煤發熱量；hsm為排出石子煤的顯熱焓值；hsm0為磨煤機入口原煤溫度條件下石子煤的顯熱焓值。

2.7 散熱損失

根據鍋爐末級過熱器出口額定蒸汽流量和鍋爐末級過熱器出口蒸汽流量等實時數據進行鍋爐散熱損失的計算。

式中：Dr，gqc為鍋爐末級過熱器出口額定蒸汽流量。

3 計算實例

一般情況下，鍋爐過熱蒸汽流量沒有專門測量裝置，可根據給水流量、過熱器減溫水流量進行計算，給水流量可在不同負荷下性能試驗時根據計算出來的主蒸汽流量進行修正得出。 再熱器進口蒸汽流量可根據汽輪機側相關熱平衡進行計算[12]。 由于磨煤機正常運行時石子煤排放量比較少，且石子煤發熱量也不大，磨煤機排出石子煤所輸出的熱量基本可忽略不計。

不同機組負荷下鍋爐熱效率實時計算結果與性能試驗工況結果對比如圖1 所示。 可以看出，某1 000 MW 超超臨界機組在某一天機組負荷470～1 000 MW 時，鍋爐熱效率在93.5%～94.5%，與不同負荷下鍋爐性能試驗結果基本吻合。

圖1 不同機組負荷下鍋爐熱效率實時計算結果與性能試驗工況結果對比

4 結語

本文提出了一種利用機組實時運行參數計算鍋爐熱效率的計算方法，在不進行煤質測試的情況下，根據鍋爐有效輸出熱量和總輸出熱量計算出鍋爐熱效率。 通過實時數據平臺實現鍋爐熱效率在線計算，可為技術人員及時調整運行操作提供參考。

某機組一天不同負荷下的鍋爐熱效率計算結果與不同負荷下鍋爐性能試驗結果基本吻合，驗證了本文計算方法的實時性和準確性。

同時，應根據需要進行給水流量、各級減溫水流量、氧量、在線飛灰含碳量測量裝置的修正、校核工作，以確保計算結果的準確性。