淺談鍋爐熱力校核計算在火電機組經濟性定量分析中的應用

蔣歡春，黃新，卞韶帥，周鐵

（上海明華電力科技有限公司，上海 200082）

關健詞：鍋爐校核計算；煤質特性；經濟性定量分析

大型火力發電機組的鍋爐設備自設計階段到投運多年后往往會面臨各種問題，有些變化來源于結構改動，比如，經過技改項目后設備進行了改造、鍋爐系統發生漏風等現象，另外一些則來源于系統的邊界條件發生變化，比如煤種變化、環境條件改變等，在此情況下需要調整相關運行方式以適應新的情況。在電廠入爐煤不斷發生變化以及現場運行環境的錯綜復雜變化的情況下，通過特定條件下進行的機組燃燒優化調整試驗所得出的各項運行措施往往無法做到對相關操作手段量化及對措施調整后運行參數進行預測的效果，在電廠日常運行過程中當班人員對機組運行調整只能通過其個人積累的經驗及現場實際運行情況進行判斷，而無法量化各項運行操作對運行參數和供電煤耗的影響。

通過應用鍋爐熱力校核方法對鍋爐設備進行建模，一方面可以大大提高研究人員在煤質發生變化后對鍋爐變工況運行特性的認識，有助于及時預見主要參數的變化大小和趨勢，同時，也給電廠相關運行人員在實際生產過程中對煤種發生變化后對機組經濟性的影響有一個定量分析值，幫助其對機組運行進行正確判斷和必要的操作干預。

1 鍋爐熱力校核計算過程

鍋爐熱力校核計算的首要任務是確定原始數據，包括鍋爐設計蒸發量、過再熱汽溫、過再熱汽壓、煤質成分、排煙溫度和熱風溫度等，建立校核計算任務書。煤質是決定鍋爐燃燒狀況和運行參數的重要因素之一，對煤質進行元素分析數據校核和判別，計算該煤種的理論空氣量、水蒸氣容積、三原子氣體容積，并判別煤種的屬性。分析鍋爐主要受熱段的漏風情況，建立煙氣特性表，并根據單種氣體溫度焓值對應關系建立各受熱段的煙氣焓溫表。根據鍋爐設計參數和假定的冷熱風參數、排煙溫度，反平衡計算鍋爐各項熱損失，獲取鍋爐熱效率，并根據汽水系統吸熱量計算鍋爐有效利用熱，進而獲得鍋爐消耗燃料量和計算燃料量。結構計算是整個熱力校核計算的基礎。根據鍋爐的結構圖紙，查取鍋爐各受熱面的結構參數，包括管徑、管厚、橫向排數、縱向排數、單片受熱面連接管子數、橫向節距、縱向節距等數據，建立結構計算數據表。根據爐內紊流燃燒的特點，結合煤粉顆粒的燃燼模型計算爐內換熱，求出爐膛出口溫度，再用迭代計算法計算各受熱面的出口煙溫和出口工質溫度，誤差小于設定值迭代結束，按照煙氣流動方向計算。校核排煙溫度和熱風溫度計算值與假定值差異，差值不大時，鍋爐機組的換熱計算結束，否則重新假定排煙溫度和熱風溫度進行計算。比較煤低位發熱量與鍋爐各受熱面吸熱量之和的誤差，相對誤差不超過0.5%，全過程計算結束，將鍋爐機組的主要計算數據列出匯總表。熱力校核計算主要包括空氣及燃燒產物計算、熱平衡計算、爐內換熱計算、屏式受熱面熱力計算、對流受熱面熱力計算、過再熱減溫水量計算等。

2 試驗結果與討論

入爐煤的煤種不同，使得鍋爐各個受熱面吸熱量分配比例也會有所不同。最直接的影響就是煤種變化后煙氣量的變化，并由此帶來的對流受熱面的煙速、傳熱系數、吸熱量分配及排煙溫度的變化。為研究煤質的某一成分變化對鍋爐校核計算結果的影響，本課題借鑒耗差分析方法，研究某一成分變化下鍋爐煙氣溫度及蒸汽溫度的變化情況，該處理方式比較接近煤在通常情況下成分變化規律，具有較好的相似性。

2.1 不同負荷下折算水分、收到基碳、灰分對排煙溫度的影響

通過對不同負荷下（325MW、240MW、150MW）的不同煤種的折算水分（，Mar 為收到基水分，Qar為低位發熱量）的計算結果表明，隨著煤粉中折算水分的增加，該類型的鍋爐出口排煙溫度有所降低，并且大致存在對數關系；隨著收到基碳元素含量Car 的增加，排煙溫度也將有所上升，同時具有比較明顯的線性趨勢；收到基灰分含量Aar 增加排煙溫度也有所降低，原因在于灰分增加，煙氣中飛灰濃度增加，輻射換熱能力下降，爐膛吸熱量減少，爐膛出口溫度上升，爐膛煙氣溫度有所提高，尾部受熱面煙氣-工質溫差增大導致排煙溫度有所降低，其關系也大致以對數的形式進行呈現。綜上所述，各類煤質成分在對鍋爐主要經濟性指標——排煙溫度的影響上均具有一定的變化規律，進一步通過數學工具擬合得到通用條件下各類成分對鍋爐出口排煙溫度的影響程度的計算公式（圖1）。

圖1

2.2 折算水分、收到基碳、灰分對排煙溫度的影響

上文首先通過熱力校核計算方法確定煤質單因素數據與鍋爐排煙溫度相關的樣本數據，在此基礎上通過數學工具擬合得到函數關系,以325MW 工況為例如下：

式中：Tpy為排煙溫度，℃；Car 為收到基含碳量，%；Aar 為收到基灰分，%；Wz 為折算水分，%。

3 結語

鍋爐熱力校核計算是鍋爐水動力計算、受壓元件強度計算、通風阻力計算、爐墻熱力計算、管壁溫度計算、制粉系統熱力計算、空氣動力計算等的基礎，在入爐煤質發生變化的情況下，通過鍋爐熱力校核計算可以對變化后的火電機組運行參數影響程度及其經濟性變化進行相關的定量分析，具有一定的參考意義。另一方面，由于模型比較復雜、計算煩瑣，經驗系數多，同時考慮到實際求解的可行性，對其進行了一定程度的簡化。鍋爐內部煤粉燃燒過程是一個非常復雜的化學反應過程，其和具體的鍋爐結構也有關系，現有燃燒模型尚不能完全準確地模擬和預測燃燒結果，因此需要經過大量的現場試驗對照分析，以此修正熱力模型，這樣才能獲得更精確、更接近實際情況的運行特性數據。