135 t/h循環(huán)流化床鍋爐的熱分析和分析

2020-07-28 12:06宋國輝王紅梅張思文崔曉波

發(fā)電設(shè)備 2020年4期

宋國輝，王紅梅，朱亮，張思文，崔曉波

(1. 南京工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 211167；2. 杭州汽輪機(jī)股份有限公司，杭州 310022；3. 無錫華光鍋爐股份有限公司，江蘇無錫 214028)

近年來我國各地著力推進(jìn)工業(yè)園區(qū)建設(shè)和產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展，將蒸汽的工業(yè)用戶集中在特定的工業(yè)園區(qū)內(nèi)。2016年3月頒發(fā)的《熱電聯(lián)產(chǎn)管理辦法》明確指出：在用熱需求增長、環(huán)境壓力加重的情況下，國家將鼓勵(lì)并優(yōu)先建設(shè)髙效的背壓式熱電機(jī)組[1]。背壓式汽輪機(jī)組的規(guī)模較小，熱力系統(tǒng)流程較為簡單；然而，對背壓式汽輪機(jī)組是否應(yīng)設(shè)置高壓加熱器(簡稱高加)常存有爭議。早期的研究認(rèn)為，設(shè)置高加雖能提高鍋爐熱效率，但全廠的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)下降。燕德國等[2]則認(rèn)為，背壓式汽輪機(jī)組是否投入高加不會(huì)改變其熱力循環(huán)特征，且不會(huì)對循環(huán)效率產(chǎn)生影響，當(dāng)熱網(wǎng)負(fù)荷小于機(jī)組供熱能力時(shí)，投入高加可提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。朱水興等[3]認(rèn)為，在鍋爐效率不變的前提下，設(shè)立高加會(huì)降低全廠綜合熱效率，但會(huì)提高發(fā)電量，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益。以上這些研究存在模型簡單、假設(shè)條件多，以及工程數(shù)據(jù)不充分等問題。在近幾年新建背壓式汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目上，不同主機(jī)廠和設(shè)計(jì)單位的意見也不相同，配置和未配置高加的項(xiàng)目均有實(shí)際案例。是否配置高加直接影響的是鍋爐給水溫度，進(jìn)而影響鍋爐多個(gè)換熱面的溫度及換熱效率。因此，是否配置高加可轉(zhuǎn)變?yōu)閷o水溫度的研究，故筆者使用給水溫度對鍋爐效率的影響規(guī)律來定量反映高加的作用。

1 熱力系統(tǒng)

1.1 工程背景及煤質(zhì)資料

該工程為某工業(yè)園的循環(huán)流化床背壓式汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目。循環(huán)流化床鍋爐主蒸汽參數(shù)為540 ℃、9.8 MPa，額定蒸汽質(zhì)量流量為135 t/h，最大蒸汽質(zhì)量流量為150 t/h。背壓式汽輪機(jī)為單缸單軸式。根據(jù)是否使用高加，鍋爐給水溫度分別為215 ℃(有高加)和158 ℃(無高加)。該工程所用的燃煤成分及能量參數(shù)見表1。

表1 燃煤成分化學(xué)分析

1.2 鍋爐關(guān)鍵參數(shù)

該循環(huán)流化床鍋爐主要工藝過程見圖1。

圖1 循環(huán)流化床鍋爐流程圖

煤粉與經(jīng)過空氣預(yù)熱器預(yù)熱后的一、二次風(fēng)發(fā)生燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)過多組換熱面后溫度逐步降低，同時(shí)將熱量傳遞給鍋爐給水和冷空氣，產(chǎn)生過熱蒸汽，并預(yù)熱給水和冷空氣。從空氣預(yù)熱器排出的煙氣首先進(jìn)入布袋除塵器進(jìn)行初步除塵(要求出口顆粒質(zhì)量濃度≤20mg/m3)，然后經(jīng)引風(fēng)機(jī)增壓后送至后續(xù)凈化處理(濕式除塵、脫硫等)。鍋爐的副產(chǎn)物還有高溫排渣和連續(xù)排污水(排污率為1%)。

對于定型的鍋爐，各個(gè)設(shè)備的參數(shù)如爐膛容積、換熱器受熱面積等參數(shù)已固定。當(dāng)給水溫度或流量改變后，鍋爐各個(gè)換熱面間的能量分配將發(fā)生變化，體現(xiàn)在各處煙氣溫度的改變。在主蒸汽質(zhì)量流量為75～150 t/h，有高加和無高加兩種工況下鍋爐的主要參數(shù)見表2(未完全燃燒率是指由于機(jī)械、化學(xué)等未完全燃燒因素造成的煤炭的質(zhì)量損失率；排煙溫升指經(jīng)過引風(fēng)機(jī)升壓后的出口煙溫相對于進(jìn)口煙溫的升高)。

表2 兩種工況下鍋爐的主要運(yùn)行參數(shù)

由表2可得：隨著主蒸汽質(zhì)量流量的增大，爐膛排渣溫度、一次風(fēng)溫、各處煙溫隨之升高；二次風(fēng)溫則先降低后保持平穩(wěn)。在相同主蒸汽質(zhì)量流量下，有高加時(shí)的燃煤量、排渣溫度、爐膛出口煙溫、省煤器進(jìn)口煙溫等參數(shù)都比無高加時(shí)低，而省煤器出口水溫、空氣預(yù)熱器出口煙溫等參數(shù)反之。

2 評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

2.1 鍋爐本體效率

(1)

(2)

2.2 鍋爐系統(tǒng)效率

經(jīng)過風(fēng)機(jī)增壓后，風(fēng)溫或煙溫有一定的升高(見表2)，其中引風(fēng)機(jī)所造成的溫升間接影響后續(xù)可回收的煙氣余熱量。在同一負(fù)荷下，當(dāng)給水溫度降低時(shí)，鍋爐的燃煤量、風(fēng)量等相應(yīng)增加，進(jìn)而引起給煤機(jī)、一二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)功耗的變化。因此，鍋爐系統(tǒng)的能量輸入應(yīng)考慮以上設(shè)備的功耗，特別是風(fēng)機(jī)功耗。

(3)

(4)

qm,C×eSCE=ΔEMSB+(EFG+ECB+ESG)+

(LCOM+LTHT+LINC)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 結(jié)果與分析

3.1 鍋爐本體熱效率和效率

按式(1)計(jì)算的鍋爐本體熱效率對比見圖2。

圖2 有高加和無高加工況下鍋爐本體的熱效率與效率

由圖2可得：鍋爐最大熱效率出現(xiàn)在135 t/h處，這是因?yàn)橄噍^于150 t/h工況，135 t/h工況時(shí)的未完全燃燒率基本保持不變(保持在1.86%)，但135 t/h工況的排煙溫度降低，排煙熱損失減少，從而熱效率較高。當(dāng)負(fù)荷低于135 t/h時(shí)，未完全燃燒率迅速增大至5.24%，造成熱效率相應(yīng)降低。任一負(fù)荷下，有高加工況的鍋爐本體熱效率(87.70%～91.42%)低于無高加工況的熱效率(89.63%～ 92.32%)。

從熱分析角度看，表2顯示：鍋爐的主要能量損失項(xiàng)是排煙熱損率和未完全燃燒熱損率。在同等負(fù)荷下，兩種給水溫度對應(yīng)的未完全燃燒率幾乎相同。因此，鍋爐熱效率主要由排煙熱損率決定。有高加和無高加工況的排煙熱損率分別為4.26%～4.77%和3.96%～4.61%。當(dāng)鍋爐換熱面設(shè)計(jì)已定，給水溫度低導(dǎo)致排煙溫度降低(見表2)，排煙熱損失相對較小，從而出現(xiàn)給水溫度低、鍋爐本體熱效率高的現(xiàn)象。