井新經(jīng)，陳 運(yùn)，張海龍，劉圣冠，楊 利

生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)及發(fā)電量計(jì)算方法

井新經(jīng)1，陳 運(yùn)2，張海龍3，劉圣冠1，楊 利1

（1.西安西熱節(jié)能技術(shù)有限公司，陜西 西安 710054；2.廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223；3.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

生物質(zhì)耦合發(fā)電是提高我國非化石能源發(fā)電量比例、降低供電CO2排放量的重要發(fā)展方向之一。根據(jù)國內(nèi)外生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，本文總結(jié)了直接混燃、間接混燃、并聯(lián)混燃生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和影響，并基于生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)3種方式的特點(diǎn)提出了相應(yīng)的生物質(zhì)發(fā)電量計(jì)算方法。結(jié)果表明：在混燃比不大時(shí)生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)的3種方式在安全性上均能夠滿足工程應(yīng)用要求，其中直接混燃、間接混燃的能源利用效率高于并聯(lián)混燃方式；生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)的3種方式均能準(zhǔn)確計(jì)算其生物質(zhì)發(fā)電量，生物質(zhì)發(fā)電量的準(zhǔn)確計(jì)算有助于國內(nèi)生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用。

生物質(zhì)；燃煤機(jī)組；耦合發(fā)電；發(fā)電量計(jì)量；直接混燃；間接混燃；并聯(lián)混燃

我國自2016年以來逐漸提高非化石能源及可再生能源占總能源消耗量的比例，積極推動(dòng)碳減排工作，《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016—2030）》要求至2030年國內(nèi)非化石能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的比例力爭達(dá)到50%?！丁笆濉笨刂茰厥覛怏w排放工作方案》要求至2020年，大型發(fā)電集團(tuán)供電CO2排放控制在550 g/(kW·h)以下。但即使新建的先進(jìn)超超臨界1 000 MW燃煤機(jī)組的供電煤耗都在282 g/(kW·h)，對應(yīng)碳排放超過760 g/(kW·h)[1]，距離國家要求的排放限值差距巨大，而目前發(fā)電技術(shù)進(jìn)一步大幅度降低煤耗的難度很大。

基于生物質(zhì)燃料在碳排放上的天然優(yōu)勢，生物質(zhì)和煤耦合發(fā)電技術(shù)已經(jīng)在國外普遍應(yīng)用，在國內(nèi)個(gè)別機(jī)組也已進(jìn)行了嘗試和示范性改造。本文主要闡述了國內(nèi)外生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀和問題，對生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)中生物質(zhì)發(fā)電量的計(jì)量方法進(jìn)行了分析，為推進(jìn)生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)在國內(nèi)實(shí)際應(yīng)用中發(fā)電量的準(zhǔn)確計(jì)量提供參考。

1 常規(guī)生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)

燃煤電站生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)主要分為3種方式[2]：1）直接混燃，即在燃燒側(cè)實(shí)現(xiàn)混燃，將生物質(zhì)燃料處理成可以和煤粉混燒的狀態(tài)送入爐膛實(shí)現(xiàn)混燃；2）間接混燃，生物質(zhì)預(yù)先在氣化爐中進(jìn)行氣化，氣化產(chǎn)生的生物質(zhì)氣噴入煤粉爐中燃燒； 3）并聯(lián)混燃，生物質(zhì)通過單純?nèi)紵镔|(zhì)的鍋爐產(chǎn)生蒸汽，將蒸汽送入煤粉爐的蒸汽管網(wǎng)，在蒸汽側(cè)實(shí)現(xiàn)“混燒”，進(jìn)入汽輪機(jī)系統(tǒng)發(fā)電。

圖1為生物質(zhì)直接混燃技術(shù)示意。由圖1可見，該技術(shù)共包括生物質(zhì)直接混燃的5種實(shí)現(xiàn)方式。第1種為磨煤機(jī)對單純生物質(zhì)進(jìn)行碾磨，并將碾磨好的生物質(zhì)輸送至點(diǎn)火系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)靈活，磨制系統(tǒng)可以有更高出力，同時(shí)可適當(dāng)提高生物質(zhì)的混燒比例；第2種為生物質(zhì)與煤粉按照一定比例混合，然后送入制粉系統(tǒng)進(jìn)行混合燃料的碾磨，碾磨后的混合燃料送至點(diǎn)火系統(tǒng)，此方式會降低磨煤機(jī)的性能，增大磨煤機(jī)著火風(fēng)險(xiǎn)；第3、4、5種方式通過專用磨煤機(jī)對生物質(zhì)燃料進(jìn)行碾磨，然后將碾磨好的燃料噴入煤粉管道、改造后的燃燒器或者新型專用生物質(zhì)燃燒器。

第1、2種方式改造工程量和投資較小，并且適合當(dāng)前國內(nèi)生物質(zhì)燃料供應(yīng)不穩(wěn)定的現(xiàn)狀，生物質(zhì)混燃比例可靈活調(diào)整，目前在北歐一些小型鍋爐和國內(nèi)個(gè)別煤粉爐上應(yīng)用；第3、4、5種方式改造工程量和投資均相對較大，但生物質(zhì)的混燃比例也較高，在英國和北歐的燃煤機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。

圖2為生物質(zhì)間接混燃技術(shù)示意。由圖2可見，生物質(zhì)通過氣化爐進(jìn)行不完全分級燃燒生成合成氣和燃料氣，然后經(jīng)過燃?xì)庥酂峄厥者M(jìn)行燃?xì)鉁囟瓤刂疲詈笸ㄟ^專用燃燒器送入燃煤鍋爐。間接混燃技術(shù)在歐洲大型商業(yè)煤粉爐有較多應(yīng)用。國內(nèi)目前處于起步階段，僅在大唐長山熱電廠1號及湖北華電襄陽發(fā)電有限公司6號等少數(shù)燃煤機(jī)組上進(jìn)行了示范。哈爾濱鍋爐廠有限公司、上海鍋爐廠有限公司、東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司在解決氣化中受熱面焦油、結(jié)渣、堵塞等問題上均形成了自己的技術(shù)路線，但應(yīng)用實(shí)踐還較少。生物質(zhì)氣化耦合可通過在線測量合成氣的氣量、成分、熱值等對生物質(zhì)發(fā)電量進(jìn)行計(jì)量，便于政府監(jiān)管，因此成為當(dāng)前國內(nèi)燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點(diǎn)的主流技術(shù)，也是三大鍋爐廠主要力推的技術(shù)方案。

圖2 生物質(zhì)間接混燃技術(shù)示意

圖3為生物質(zhì)并聯(lián)混燃技術(shù)示意。由圖3可見，生物質(zhì)通過與煤燃燒系統(tǒng)完全分離的生物質(zhì)燃燒鍋爐加熱主燃煤鍋爐的給水或產(chǎn)生蒸汽，其產(chǎn)生的蒸汽輸送至主燃煤系統(tǒng)。此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可利用主燃煤鍋爐的高效發(fā)電系統(tǒng)達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化效率，可燃用部分難以使用的生物質(zhì)燃料、生物質(zhì)灰對煤灰無影響，但生物質(zhì)鍋爐效率偏低，蒸汽系統(tǒng)復(fù)雜，投資造價(jià)偏高，在國內(nèi)應(yīng)用極少。

圖3 生物質(zhì)并聯(lián)混燃技術(shù)示意

2 生物質(zhì)耦合發(fā)電機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀

目前，商用生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)以直接耦合和間接耦合混燃方式為主，這2種混燃方式均有20年左右的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。表1為國內(nèi)外典型生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用情況，其中混燃比指生物質(zhì)燃料熱量占鍋爐總輸入熱量的百分比。實(shí)踐效果表明，生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)在降低CO2和其他污染物的排放方面起到非常明顯的效果。

表1 國內(nèi)外典型生物質(zhì)耦合發(fā)電機(jī)組應(yīng)用情況匯總

Tab.1 Summary of typical domestic and foreign applications of biomass coupled power generation units

2.1 國外生物質(zhì)耦合發(fā)電機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀

2007年荷蘭的燃煤電廠生物質(zhì)耦合燃煤的混燃比達(dá)到10%，2010年以后在600 MW機(jī)組上生物質(zhì)混燃比提高至10%~15%，600 MW以下機(jī)組提高至15%~35%[1-3]。2015年荷蘭設(shè)計(jì)建造的鹿特丹MPP3電廠2×1 100 MW機(jī)組是目前世界上最新的節(jié)能和CO2深度減排示范火電機(jī)組，生物質(zhì)混燒比設(shè)計(jì)為30%，采用超超臨界參數(shù)，機(jī)組發(fā)電效率超過47%，計(jì)劃于2019年投產(chǎn)。

芬蘭Kymijarvi電廠、Vaskiluoto電廠采用的均為CFB氣化技術(shù)，生物質(zhì)混燃燃料均為林業(yè)剩余物，在入爐前經(jīng)過干燥劑干燥，混燃比最高可達(dá)30%，2個(gè)電廠的生物質(zhì)耦合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)基本達(dá)到設(shè)計(jì)值。芬蘭Alholmens Kraft 550 MW熱電廠為當(dāng)前世界上最大的混燃生物質(zhì)的CFB鍋爐，生物質(zhì)可以自由比例與煤燃燒，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行多年[4]。

目前，英國燃煤機(jī)組均進(jìn)行了生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)改造，可實(shí)現(xiàn)自由比例的生物質(zhì)混燃比（0~100%），并自2017年起可在改造后的鍋爐系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)燃用100%生物質(zhì)燃料，不再需要耦合燃 煤[3]。英國Fiddlers Ferry電廠采用生物質(zhì)直接混燃方式利用磨煤機(jī)對壓制的成型生物質(zhì)燃料進(jìn)行碾磨后送入爐膛燃燒，滿負(fù)荷工況下混燃比可達(dá)20%，長期運(yùn)行結(jié)果表明鍋爐可用率達(dá)95%，鍋爐效率僅降低0.4%，煙氣SO2質(zhì)量濃度下降10%，NO和飛灰含碳量不變，未出現(xiàn)積灰和結(jié)渣的情況。英國Tilbury電廠通過對真空卸載機(jī)、磨煤機(jī)、皮帶輸送機(jī)、灰斗、燃燒器等實(shí)施改造，可實(shí)現(xiàn)自由比例的生物質(zhì)直接混燃，但在2012年發(fā)生料倉木材顆粒自燃，因此在設(shè)計(jì)階段需考慮撲滅料倉內(nèi)木材顆粒自燃的措施，控制料倉內(nèi)含氧量水平[4]。

2.2 國內(nèi)生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)起步較晚，目前僅有個(gè)別燃煤機(jī)組實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)耦合發(fā)電，同樣以間接混燃和直接混燃方式為主。

1）國電寶雞第二發(fā)電有限責(zé)任公司2010年在300 MW燃煤機(jī)組上進(jìn)行了成型生物質(zhì)燃料直接混燃的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用現(xiàn)有中速磨煤機(jī)對成型生物質(zhì)單獨(dú)碾磨，并通過現(xiàn)有燃燒系統(tǒng)送入爐膛，可以實(shí)現(xiàn)小比例的生物質(zhì)直接混燃，對鍋爐運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響在可控范圍內(nèi)[5]。

2）華電國際十里泉發(fā)電廠5號機(jī)組是國內(nèi)首臺進(jìn)行生物質(zhì)直接混燃改造的現(xiàn)役機(jī)組，采用丹麥BWE公司的秸稈發(fā)電技術(shù)，實(shí)際摻燒的生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~8%。在混燃過程中未出現(xiàn)結(jié)焦、腐蝕、催化劑中毒、灰渣可燃物升高等問題[6]。

3）國電長源荊門熱電廠7號機(jī)組是國內(nèi)首臺采用生物質(zhì)間接混燃技術(shù)的超臨界600 MW等級燃煤機(jī)組，設(shè)計(jì)生物質(zhì)發(fā)電量為10.8 MW，設(shè)計(jì)生物質(zhì)額定消耗量為8 t/h。該機(jī)組在生物發(fā)電部分上網(wǎng)電價(jià)享受國家補(bǔ)貼的政策下每年均可實(shí)現(xiàn)盈利，表明在生物質(zhì)發(fā)電電價(jià)補(bǔ)貼的基礎(chǔ)上生物質(zhì)間接混燃技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上是可行的[6-7]。

4）湖北華電襄陽發(fā)電有限公司6號機(jī)組是國內(nèi)第一個(gè)利用農(nóng)林秸稈為主要原料的間接混燃生物質(zhì)耦合發(fā)電機(jī)組，采用循環(huán)流化床（CFB）負(fù)壓運(yùn)行制氣送入鍋爐，燃?xì)鉄嶂当O(jiān)測裝置采用國產(chǎn)化設(shè)備。該機(jī)組2018年7月投產(chǎn)，各項(xiàng)參數(shù)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對鍋爐安全性和經(jīng)濟(jì)性影響較小[4]。

5）大唐長山熱電廠1號機(jī)組是最大國家級燃煤耦合生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)示范機(jī)組，其采用CFB微正壓氣化爐系統(tǒng)產(chǎn)生生物質(zhì)燃?xì)?，并送入超臨界660 MW燃煤鍋爐燃燒，對鍋爐運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響均較小。通過電子皮帶秤計(jì)量入爐料、燃?xì)庠诰€分析儀以及流量計(jì)檢測燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)，來確保生物質(zhì)發(fā)電量檢測計(jì)量的可靠性[4]。

國內(nèi)外生物質(zhì)直接混燃發(fā)電技術(shù)的改造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：直接混燃技術(shù)是一種可大規(guī)模實(shí)施、性價(jià)比高、投資周期短的利用方式；在混燃比不高時(shí)直接混燃方式中燃用生物質(zhì)帶來的燃料處理、存儲、沉積、流動(dòng)均勻性及其對鍋爐安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生的影響都已在技術(shù)上得到解決或控制；間接混燃技術(shù)同樣可實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；烊忌镔|(zhì)，能夠分開處理煤和生物質(zhì)，從而避免了鍋爐結(jié)渣等問題。在相同混燃比時(shí)，間接混燃方式造價(jià)較直接混燃方式高，國外以直接混燃方式為主；國內(nèi)生物質(zhì)耦合發(fā)電量計(jì)算以間接混燃方式較為可靠，因此目前國內(nèi)以間接混燃方式為主。2018年國內(nèi)共有79個(gè)農(nóng)林生物質(zhì)耦合發(fā)電項(xiàng)目參加了國家能源局和環(huán)保部燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點(diǎn)的評審，其中8個(gè)項(xiàng)目采用生物直接混燃技術(shù)路線，69個(gè)采用間接混燃技術(shù)路線，2個(gè)采用并聯(lián)混燃技術(shù)路線，最終58個(gè)通過技改試點(diǎn)評審，其中有55個(gè)項(xiàng)目采用間接混燃方式[4]。

3 生物質(zhì)耦合發(fā)電對燃煤鍋爐影響

由于生物質(zhì)并聯(lián)混燃技術(shù)是通過新建單純?nèi)紵镔|(zhì)的鍋爐產(chǎn)生蒸汽，因此對于煤粉爐的運(yùn)行無影響，下面僅分析生物質(zhì)直接混燃和間接混燃方式對鍋爐的影響。生物質(zhì)耦合燃煤發(fā)電對燃煤鍋爐的影響主要關(guān)注鍋爐效率、污染物排放和運(yùn)行安全性[8-10]。

1）生物質(zhì)耦合發(fā)電會導(dǎo)致鍋爐效率降低。直接混燃方式下鍋爐效率降低主要是由于飛灰含碳量升高，間接混燃方式是由于排煙溫度有所升高。且隨著混燃比增大，鍋爐效率降低的幅度增大，但混燃比較小時(shí)，鍋爐效率下降幅度不大[2,5]。M. Sami等[9]認(rèn)為燃煤鍋爐效率與生物質(zhì)摻混的質(zhì)量分?jǐn)?shù)成線性關(guān)系（式(1)），生物質(zhì)混燃比越大，混燃生物質(zhì)后鍋爐效率下降幅度越大。

式中：blend為混燃生物質(zhì)時(shí)的鍋爐效率，%；coal為不混燃生物質(zhì)時(shí)燃煤鍋爐效率，%；b為生物質(zhì)的混燃比，%；為小于0的常數(shù)。

2）生物質(zhì)耦合發(fā)電實(shí)踐表明，間接混燃、直接混燃方式均會降低NO和SO2生成量，其中NO降低幅度最為明顯[4-6]。某300 MW燃煤機(jī)組鍋爐成型秸稈直接摻燒試驗(yàn)結(jié)果表明，生物質(zhì)混燃比達(dá)到12.87%時(shí)，爐膛出口NO質(zhì)量濃度下降10%~15%，SO2略有下降[5]；某CFB鍋爐混燒木材的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著生物質(zhì)混燃比增加，SO2排放量略有降低，但木材顆粒度對于NO排放幾乎無影響[11]。

3）生物質(zhì)混燃對鍋爐運(yùn)行安全性的影響主要表現(xiàn)在生物質(zhì)燃料處理、存儲、流動(dòng)均勻性、受熱面腐蝕等方面。根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，可通過控制燃料倉內(nèi)氧氣水平防止自燃，通過對生物質(zhì)燃料進(jìn)行預(yù)處理來提高生物質(zhì)的可磨性，通過控制生物質(zhì)燃料給料量和風(fēng)量來保證燃燒的穩(wěn)定性。生物質(zhì)間接混燃時(shí)生物質(zhì)原料中堿金屬通過定排，解決了堿金屬在系統(tǒng)內(nèi)的積累問題；通過生物質(zhì)分級氣化和燃?xì)忸A(yù)熱回收降溫基本解決了換熱面焦油析出問題[4-5]。有研究表明在混燃比為5%~15%時(shí)，生物質(zhì)混燃帶來的受熱面積灰和腐蝕等的影響與煤燃燒并無明顯區(qū)別，且?guī)缀鯚oCl元素引起的腐蝕[2]。

4 生物質(zhì)發(fā)電量計(jì)算

4.1 計(jì)算方法

生物質(zhì)耦合發(fā)電需要在國家特定電價(jià)政策下才可以取得經(jīng)濟(jì)效益。2006年起執(zhí)行的《可再生能源發(fā)電價(jià)格和費(fèi)用分?jǐn)偣芾碓囆修k法》認(rèn)定發(fā)電消耗熱量中常規(guī)能源超過20%的混燃發(fā)電項(xiàng)目不享受補(bǔ)貼價(jià)格，雖然目前華電國際十里泉發(fā)電廠和國電長源荊門熱電廠混燒項(xiàng)目均享受發(fā)改委補(bǔ)貼，但不具有普遍意義。財(cái)政部、國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《關(guān)于公布可再生能源電價(jià)附加資金補(bǔ)助目錄（第七批）的通知》（財(cái)建〔2018〕250號）中明確燃煤生物質(zhì)耦合發(fā)電項(xiàng)目不再享受國家發(fā)電補(bǔ)貼，主要是由于燃煤生物質(zhì)耦合發(fā)電機(jī)組的生物質(zhì)對應(yīng)的發(fā)電量無法精確計(jì)量，因此生物質(zhì)發(fā)電計(jì)量就成為生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)發(fā)展的重要影響因素。

生物質(zhì)發(fā)電量計(jì)量可根據(jù)進(jìn)入鍋爐的熱量折算發(fā)電量。目前國內(nèi)關(guān)于生物質(zhì)耦合發(fā)電機(jī)組折算發(fā)電量的公開報(bào)道較少，本文基于生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)，提出計(jì)算生物質(zhì)發(fā)電量的方法。

燃煤生物質(zhì)耦合發(fā)電中生物質(zhì)發(fā)電量可以采用耗差分析的方法進(jìn)行，

式中：1為機(jī)組發(fā)電量，kW·h；2為生物質(zhì)對應(yīng)的發(fā)電量，kW·h；Δ1為生物質(zhì)對燃煤機(jī)組標(biāo)煤耗率的影響量，g/(kW·h)；2為燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)后的標(biāo)煤耗率，g/(kW·h)。

火電機(jī)組標(biāo)煤耗率2可采用正平衡或者反平衡的方法得到。但根據(jù)對燃煤機(jī)組標(biāo)煤耗率評定經(jīng)驗(yàn)[12-13]，正平衡受燃料采樣、制樣和稱重的影響較大，如在某300 MW機(jī)組上進(jìn)行正平衡計(jì)量準(zhǔn)確性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于機(jī)械采樣的問題導(dǎo)致發(fā)電標(biāo)煤耗率偏高，達(dá)14.5 g/(kW·h)[14]，因此火電機(jī)組標(biāo)煤耗率采用正平衡方法不滿足精度要求。反平衡標(biāo)煤耗率準(zhǔn)確性較高，能夠滿足火電機(jī)組能耗核算要求，具體如式(3)所示。當(dāng)前大型火電機(jī)組汽輪機(jī)可通過在省煤器入口安裝ASME推薦的低值喉部取壓噴嘴，并結(jié)合在線蒸汽壓力、溫度等部分參數(shù)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度計(jì)算，能夠滿足實(shí)時(shí)反平衡煤耗精度計(jì)算要求[15-16]。

式中：2為燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)后的標(biāo)煤耗率，g/(kW·h)；1為汽輪機(jī)熱耗率，kJ/(kW?h)；1為鍋爐熱效率，%；2為管道效率，一般在0.98~0.99之間。

由式(2)可知，混燃生物質(zhì)折算發(fā)電量都需要核算出對應(yīng)的標(biāo)煤影響量Δ1，下面分別介紹3種生物質(zhì)混燃方式的折算煤耗計(jì)算方法。

生物質(zhì)直接混燃方式是生物質(zhì)在燃煤鍋爐內(nèi)燃燒，可通過類似正平衡得到混燃的生物質(zhì)熱量。清華大學(xué)孟慶慧等[17]提出一種基于14C同位素在線檢測的生物質(zhì)混燃比檢測系統(tǒng)及方法，具體為

式中：為混燃燃料收到基中生物質(zhì)的摻混比例；c、s分別為混燃燃料收到基碳和硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)；c為混燃燃料收到基中生物質(zhì)的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，14為混燃生物質(zhì)中14C占碳元素總量的比；14為煙氣中14CO2濃度，(CO)為煙氣分析儀采集到的煙氣中CO濃度，(RO2)為煙氣分析儀采集到的煙氣中CO2和SO2濃度。

燃料的低位發(fā)熱量主要與燃料收到基碳、氫、氧、硫元素等有關(guān)[18-19]。由此對于采用生物質(zhì)直接混燃技術(shù)的機(jī)組，在可接受的誤差范圍內(nèi)，燃煤機(jī)組標(biāo)煤耗率的影響量Δ1可以采用式(5)計(jì)算：

公式(5)表達(dá)的方法從理論上能夠滿足生物質(zhì)發(fā)電量監(jiān)測精度要求，但當(dāng)前國內(nèi)尚無實(shí)際應(yīng)用案例。類似基于同位素14C原理監(jiān)測燃煤耦合生物質(zhì)混燃的生物質(zhì)熱量計(jì)算已在芬蘭多個(gè)燃煤耦合生物質(zhì)機(jī)組上示范成功，表明此種技術(shù)能夠滿足工程應(yīng)用的需要。

生物質(zhì)間接混燃耦合方式是生物質(zhì)燃?xì)膺M(jìn)入燃煤鍋爐內(nèi)燃燒，與14C同位素原理的監(jiān)測方法相比，通過對進(jìn)入鍋爐前燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)上設(shè)置燃?xì)庠诰€分析儀和流量計(jì)對生物質(zhì)燃?xì)鉄崃窟M(jìn)行監(jiān)測更為簡便和易于監(jiān)管。通過燃?xì)饬髁?、溫度、壓力、主要成分等?jì)算出進(jìn)入鍋爐的燃?xì)鉄崃?，進(jìn)而折算出對燃煤機(jī)組標(biāo)煤耗率的影響量Δ1，具體計(jì)算為

式中1為進(jìn)入燃煤鍋爐的燃?xì)鉄崃?。國?nèi)荊門6號機(jī)組、大唐長山1號機(jī)組燃煤耦合生物質(zhì)氣化等示范項(xiàng)目均采用類似在線監(jiān)測系統(tǒng)，可靠性較高，能夠滿足生物質(zhì)發(fā)電量計(jì)量要求[1]。

生物質(zhì)并聯(lián)混燃技術(shù)需要通過生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入燃煤機(jī)組汽輪機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)或其他匹配系統(tǒng)，此時(shí)可通過在線監(jiān)測蒸汽的壓力、溫度、流量等獲得進(jìn)入燃煤機(jī)組的熱量，然后根據(jù)等效焓降法計(jì)算外部熱量進(jìn)入系統(tǒng)對機(jī)組標(biāo)煤耗率的影響。等效焓降法能快速準(zhǔn)確反映汽輪機(jī)系統(tǒng)局部參數(shù)變化[20-22]，滿足生物質(zhì)發(fā)電量計(jì)量要求。外部蒸汽進(jìn)入再熱蒸汽系統(tǒng)等效焓降的計(jì)算過程為：

式中：為燃煤鍋爐蒸汽的等效焓降，kJ/kg；0、gs分別為主蒸汽焓和省煤器進(jìn)口給水焓，kJ/kg；zr為相對于1 kg主蒸汽的再熱蒸汽的份額，%；為再熱蒸汽在再熱器中的吸熱量，kJ/kg；i為機(jī)組熱效率，%；Δ為生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入燃煤機(jī)組系統(tǒng)做功產(chǎn)生的等效焓降；1、n分別為生物質(zhì)鍋爐出口蒸汽焓值和燃煤機(jī)組主汽輪機(jī)排汽焓值，kJ/kg；i為生物質(zhì)鍋爐出口蒸汽流量，kg/s；0為主蒸汽流量，kg/s；為任意抽汽級的編號；為對應(yīng)抽汽級的抽汽份額，%；為總的抽汽級數(shù)；h為對應(yīng)抽汽級的蒸汽焓值。

根據(jù)式(7)和式(8)，生物質(zhì)并聯(lián)混燃對燃煤機(jī)組標(biāo)煤耗率的影響量可計(jì)算為

4.2 計(jì)算方法綜合對比

生物質(zhì)混燃發(fā)電量的3種計(jì)算方法根據(jù)混燃方式的特點(diǎn)均可以科學(xué)地測定生物質(zhì)發(fā)電量。表2為生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)3種混燃方式對應(yīng)生物質(zhì)發(fā)電量計(jì)算方法的綜合對比。由表2可見：直接混燃和間接混燃生物質(zhì)發(fā)電量計(jì)算方法均需對氣體成分進(jìn)行監(jiān)測，并聯(lián)混燃是對蒸汽參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，相比而言，并聯(lián)混燃在監(jiān)測系統(tǒng)上要相對簡單，直接混燃生物發(fā)電量監(jiān)測系統(tǒng)最復(fù)雜；間接混燃、并聯(lián)混燃監(jiān)測系統(tǒng)均需要對介質(zhì)的流量進(jìn)行計(jì)量，因此監(jiān)測系統(tǒng)需要配備高精度流量計(jì)才能滿足精度要求。目前，國內(nèi)只有間接混燃生物質(zhì)發(fā)電計(jì)算的應(yīng)用示范，另外2種混燃生物質(zhì)發(fā)電量計(jì)算方法公開報(bào)道較少，其中直接混燃生物質(zhì)發(fā)電量計(jì)算方法在芬蘭幾個(gè)燃煤電站中有類似應(yīng)用，并聯(lián)混燃生物質(zhì)發(fā)電量計(jì)算方法在供熱工程中有類似應(yīng)用。

綜上所述，燃煤生物質(zhì)耦合發(fā)電的3種方式的生物質(zhì)發(fā)電量通過現(xiàn)有的技術(shù)手段均能得到有效的計(jì)量，能夠滿足政府監(jiān)管部門精度要求，但每種計(jì)算方法的適用性均取決于生物質(zhì)耦合方式。

表2 生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)3種混燃方式對應(yīng)生物質(zhì)發(fā)電量計(jì)算方法綜合對比

Tab.2 Comprehensive comparison of calculation methods for biomass power generation of three biomass coupled power generation technologies

5 結(jié) 論

1）在生物質(zhì)混燃比較小時(shí)，直接混燃、間接混燃對燃煤鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性影響均較小。

2）直接混燃、間接混燃生物質(zhì)均會使得燃煤鍋爐效率降低，但仍明顯高于純生物質(zhì)鍋爐，因此在混燃比較小時(shí)，直接混燃、間接混燃生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)更有利提高能源利用效率，同時(shí)可利用現(xiàn)役燃煤鍋爐超凈排放環(huán)保系統(tǒng)，有利于降低污染物排放。

3）本文針對3種不同技術(shù)路線生物質(zhì)耦合發(fā)電技術(shù)均提出了對應(yīng)的生物質(zhì)發(fā)電量計(jì)算方法，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Biomass coupled power generation technology and power generation calculation methods

JING Xinjing1, CHEN Yun2, ZHANG Hailong3, LIU Shengguan1, YANG Li1

(1. Xi’an TPRI Energy Conservation Technology Co., Ltd., Xi’an 710054, China;2. Guangdong Yudean Jinghai Power Generation Co., Ltd., Jieyang 515223, China;3. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

Biomass coupled power generation is one of the important development directions for improving the proportion of non-fossil energy generation in China and reducing CO2emissions from power supply. According to the development and application status of biomass coupled power generation technology in China and abroad, this paper summarizes the characteristics, operation experience and influence of direct co-firing, indirect co-firing and parallel co-firing biomass coupled power generation technology. Moreover, based on the characteristics of three ways of biomass coupled power generation technology, the corresponding calculation methods of biomass power generation are proposed. When the co-firing ratio is small, all the above three biomass coupled power generation technologies can meet the engineering application requirements in terms of safety, and the energy utilization efficiency of the direct co-firing and indirect co-firing is higher than that of the parallel co-firing. All the three technologies can accurately calculate the biomass power generation, which contributes to the promotion and application of the domestic biomass coupled power generation technology.

biomass, coal-fired unit, coupled power generation, electricity production calculation, direct co-firing, indirect co-firing, parallel co-firing

TK222；TK267；TM619

A

10.19666/j.rlfd.201904115

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2019-04-28

井新經(jīng)(1990)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槿济簷C(jī)組節(jié)能診斷及節(jié)能新技術(shù)，jingxinjing@tpri.com.cn。

（責(zé)任編輯 杜亞勤）