全廠熱平衡試驗鍋爐部分的研究

陳曉龍，宋大勇，薛永鋒，劉思彤

(國電科學技術研究院有限公司 清潔高效燃煤發電與污染物控制國家重點實驗室，南京 210046)

0 引 言

近幾年,國家對燃煤電廠節能工作的要求越來越高，電廠迫于政策要求，加之各機構節能量計算方法也不統一，導致相同的機組煤耗在行業生產、管理、經營、機組改造、招投標時采用的計算方法、分析手段、結論不盡相同，給項目的評估、管理造成一定程度的混亂，給節能改造的決策造成一定的難度[1]。

研究電站鍋爐熱平衡的目的和意義，就在于更準確、更規范地弄清燃料中的熱量，有多少被鍋爐有效利用，有多少變成熱損失，以及熱損失分別表現在哪些方面，以便判斷鍋爐設計和運行水平，進而尋求提高鍋爐經濟性的有效途徑。同時，鍋爐熱平衡試驗也是全廠熱平衡的組成部分，可以作為機組節能改造工作的重要依據[2]。

1 鍋爐熱平衡試驗要求

1.1 全廠鍋爐熱平衡試驗的定義

以火力發電廠為對象，按照熱力學第一定律，在規定的平衡期內和火力發電廠鍋爐熱平衡系統的邊界內，對全廠鍋爐熱力系統總的熱量輸入、輸出及損失之間的數量關系進行平衡。

1.2 鍋爐熱平衡邊界

電站鍋爐機組熱平衡系統邊界內設備包括帶循環泵的汽水系統、帶磨煤機的制粉系統、燃燒設備、脫硝裝置、空氣預熱器、煙氣再循環風機及冷渣器(冷渣水熱量有效利用)等。暖風器、送風機、引風機、冷一次風機、高壓流化風機、密封風機、冷卻風機、冷卻水泵、油加熱器、脫硫劑供給系統、供氨系統等為系統外設備。

在特殊情況下，經協商也可更改上述系統界限，但應修改相應的測試項目和計算方法。

1.3 試驗要求

電站鍋爐熱平衡試驗主要根據GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗規程》[3]的規定進行測試。在此基礎之上，鍋爐熱平衡試驗要求：有分爐的電廠應先分爐測試，后統計全廠；各類數據按照標準DL/T 606—2014《火力發電廠能量平衡導則第3部分：熱平衡》[4]的要求整理成平衡期的累計量和平衡期的加權平均值；在機組滿負荷和最低運行負荷之間，應選擇不少于3個典型負荷點，在平衡期內完成機組的鍋爐熱平衡試驗。

2 全廠鍋爐熱平衡試驗方法

2.1 鍋爐熱效率計算

在平衡期內單臺鍋爐熱效率可分為鍋爐正平衡熱效率和鍋爐反平衡熱效率。鍋爐正平衡熱效率可以通過在測試過程中直接測量和計算鍋爐有效利用熱、燃料消耗量以及燃料低位發熱量等方面確定。鍋爐反平衡熱效率可以通過試驗測出鍋爐的各項熱損失得出。鍋爐熱效率測定試驗依據GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗規程》中有關規定及說明進行。通常采用反平衡方法測定鍋爐熱效率。鍋爐反平衡熱效率計算式為

η=100-(q2+q3+q4+q5+q6+qoth)

(1)

式中：η為鍋爐熱效率，%；q2為熱效率計算排煙熱損失，%；q3為熱效率計算可燃氣體未完全燃燒熱損失，%；q4為熱效率計算固體未完全燃燒熱損失，%；q5為熱效率計算鍋爐散熱損失，%；q6為熱效率計算灰、渣物理顯熱損失，%；qoth為熱效率計算其他熱損失，%。

2.2 平衡期內單臺鍋爐熱效率和熱損失的確定

根據單臺鍋爐在平衡期內出現的各種負荷，查該鍋爐的特性曲線或根據鍋爐實際熱平衡測試數據結果按式(2)和式(3)所示計算。

(2)

(3)

式中：qdl,i為平衡期單臺鍋爐i項熱損失，%；ql,i,n為對應第n負荷級下的i項熱損失，%；Dfh,n為鍋爐第n負荷級下的累計蒸發量，t；N為平衡期內出現的負荷級個數；ηgl為平衡期內單臺鍋爐熱效率，%；ηl,n為對應第n負荷級下的鍋爐熱損失，%。

2.3 計算全廠鍋爐熱效率及各項熱損失

以各臺鍋爐在平衡期內的累計蒸發量為權數，根據式(4)和式(5)加權計算全廠鍋爐熱效率和各項熱損失。

(4)

(5)

式中：qcl,i為平衡期內全廠鍋爐i項損失，%；qdl,i,m為平衡期第m臺鍋爐i項熱損失，%；Dsc,m為平衡期內第m臺鍋爐的累計蒸發量，t；M為平衡期內全廠運行鍋爐臺數；ηcgl為平衡期內全廠鍋爐熱效率，%；ηgl,m為平衡期第m臺鍋爐熱效率，%。

3 全廠鍋爐熱平衡試驗結果分析

3.1 試驗結果

利用上述分析計算方法,選取2019年9月為某熱電廠試驗熱平衡期。通過試驗，得到1號鍋爐和2號鍋爐在162.5 MW負荷、187.5 MW負荷、225 MW負荷、275 MW負荷、325 MW負荷下鍋爐熱效率及各項熱損失,計算結果見表1、表2。

表1 1號鍋爐熱效率及各項熱損失計算結果

表2 2號鍋爐熱效率及各項熱損失計算結果

試驗結果表明，在試驗工況下，隨著機組負荷下降，排煙溫度下降，但受排煙氧量升高的影響，干煙氣熱損失隨負荷降低總體呈升高趨勢;另外，表面輻射和對流的熱損失也隨著負荷降低，呈現增加趨勢。綜合對比，實測鍋爐熱效率隨負荷下降總體呈下降趨勢。

3.2 鍋爐熱效率變化特性確定

根據2臺機組在162.5 MW負荷、187.5 MW負荷、225 MW負荷、275 MW負荷、325 MW負荷時得到的鍋爐熱效率，擬合得到鍋爐熱效率與功率變化關系曲線，見圖1。

圖1 鍋爐熱效率與功率的關系

通過圖1曲線(虛線)，擬合得到1號鍋爐熱效率與發電機端功率曲線方程式：

6.4073×10-3×Nt+92.65

(6)

式中：Nt為實測發電機功率，MW。

由式(6)計算得到1號鍋爐在194.73 MW負荷(2019年9月平均負荷)時，鍋爐熱效率為92.25%。

通過圖1曲線(實線)，擬合得到2號鍋爐熱效率與發電機端功率曲線方程式：

4.742×10-2×Nt+85.85

(7)

由式(7)計算得到2號鍋爐在188.06 MW負荷(2019年9月平均負荷)時，鍋爐熱效率為91.85%。

3.3 平衡期內鍋爐各項指標確定

經2019年9月對某熱電廠2臺鍋爐的試驗及統計，分別得到各項損失及鍋爐熱效率。平衡期內鍋爐熱效率見表3。

表3 平衡期內鍋爐熱效率匯總表

通過試驗得到平衡期內1號鍋爐熱效率為92.29%，2號鍋爐熱效率為91.73%，全廠鍋爐熱效率為92.02%。

在計算鍋爐熱效率的過程中，可以通過調整鍋爐主要參數來了解該參數變化對鍋爐熱效率的影響幅度[5]，從而為電廠提供參考。對鍋爐熱效率影響較大的因素包括排煙溫度、收到基低位發熱量、排煙處氧含量、基準溫度、入爐煤質(收到基發熱量、收到基碳含量等)和環境條件(基準溫度、空氣含濕量和大氣壓力)等。在鍋爐運行中，電廠比較注重通過燃燒優化、設備檢修和改造等手段提高鍋爐熱效率、降低供電煤耗。因此，對鍋爐熱效率有一定影響的可控因素成為電廠重點監控對象[6-10]。

3.4 全廠鍋爐熱平衡圖的制定

根據平衡期中對各單臺機組的效率試驗及各項數據統計，繪制全廠的鍋爐熱平衡圖，見圖2。

圖2 鍋爐熱平衡圖

4 結 語

以某熱電廠超臨界鍋爐典型試驗為例，詳細介紹了全廠鍋爐熱平衡試驗數據的整理和計算過程。通過2臺機組分別在162.5 MW、187.5 MW、225 MW、275 MW和325 MW負荷點下的熱力性能試驗，得到機組鍋爐熱效率等機組特性參數，并擬合得到2臺機組鍋爐熱效率的特性曲線。通過2019年9月機組實際運行參數，最終得到全廠鍋爐熱效率，繪制出全廠鍋爐熱平衡圖。研究表明，鍋爐熱平衡試驗能夠準確地掌握燃料中的熱量利用率和損失率，有助于對鍋爐設計和運行水平的判斷，對火力發電廠節能改造工作有重要意義。