風冷干排渣系統(tǒng)對鍋爐效率影響分析計算

范仁東

(江蘇省電力設計院,江蘇 南京 211102）

風冷干排渣系統(tǒng)對鍋爐效率影響分析計算

范仁東

(江蘇省電力設計院,江蘇 南京 211102）

結合國內(nèi)干式排渣系統(tǒng)的實際運行情況,從熱平衡計算的角度著手,定量分析了運行干式排渣系統(tǒng)對鍋爐效率的影響。事實上,對于排渣量較小的鍋爐,干式排渣機運行時本體的漏風現(xiàn)象非常嚴重,以簡化后的熱平衡模型對效率進行估算,可知運行現(xiàn)有的干式排渣系統(tǒng),會使鍋爐效率降低0.34個百分點,或更多。目前,對部分電廠的實測數(shù)據(jù)也證明了這一點。

風冷;干式;排渣系統(tǒng);鍋爐;效率 ;熱平衡;分析;計算

1 概 述

風冷干排渣系統(tǒng)是20世紀80年代,由意大利公司研制開發(fā)的。河北三河電廠2×350MW機組是我國首次引進國外風冷干式除渣設備及系統(tǒng)的項目,于1999年12月投人運行,在此基礎上,國內(nèi)部分研究制造單位也自主研制開發(fā)了風冷干排渣系統(tǒng),且在極短的時間內(nèi)獲得到了大規(guī)模應用,至2007年,國內(nèi)已有50多座電廠,共計100多臺燃煤鍋爐發(fā)電機組采用了干式排渣系統(tǒng),總裝機容量近50GW。2001年7月,風冷干排渣系統(tǒng)被首批列入“國家鼓勵發(fā)展的節(jié)水設備(產(chǎn)品）目錄”。

目前,據(jù)不完全統(tǒng)計,國外的煤電裝機容量超過1000GW,風冷干排渣系統(tǒng)在發(fā)明后近30年的時間內(nèi),國外大約有50臺燃煤鍋爐采用了風冷干排渣系統(tǒng),總裝機容量約10GW,占煤電裝機容量的1%左右,顯然干式排渣系統(tǒng)在國外電廠不是主流系統(tǒng)和主流產(chǎn)品。

同樣的風冷干排渣系統(tǒng),由意大利公司發(fā)明并研制開發(fā)成功,但在應用上,國內(nèi)外的應用為何出現(xiàn)如此大的反差,該項技術是否真的具有節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保綜合效益好的特點?是否真的符合國家的產(chǎn)業(yè)政策?

現(xiàn)結合國內(nèi)干式排渣系統(tǒng)的實際運行情況,從熱平衡計算著手,定量分析干式排渣系統(tǒng)運行時對鍋爐效率的影響。

2 干排渣系統(tǒng)的熱平衡分析

干排渣系統(tǒng)運行時,向大氣中散熱量的比例很低,可忽略不計,考慮到渣在運轉(zhuǎn)的干式排渣機上不具備再燃燒的能力,通過簡化的熱平衡模型進行估算:

渣的顯熱+爐膛排渣口對除渣裝置產(chǎn)生的輻射熱量=加熱冷卻風的熱量。

2.1 輻射熱量

爐膛排渣口對除渣裝置產(chǎn)生的輻射熱量,可將其簡化為“兩個物體組成的輻射換熱系統(tǒng)”,如圖1所示,排渣口的表面溫度 t1、黑度ε1、面積 F1,除渣裝置的表面溫度t2、黑度ε2、面積 F2。

圖1 兩個物體組成的輻射換熱系統(tǒng)

爐膛瞠排渣口對除渣裝置產(chǎn)生的輻射熱量Qr為[1]:

式中:C0—— 黑體輻射系數(shù),C0=5.67W/(m2·k4）。

F1—— 鍋爐排渣口面積(m2）。

t1——鍋爐爐膛排渣口區(qū)域溫度,℃,對于固態(tài)排渣爐,該區(qū)域煙氣溫度通常按750～800℃考慮,比落入除渣裝置中渣溫低一些。

ε1—— 排渣口的黑度,鍋爐爐膛容積大,可以將爐膛排渣口假定為:等溫大空腔表面的小孔(洞）,即爐膛排渣口可近似認為是黑體,根據(jù)黑體的性質(zhì),爐膛排渣口的黑度ε1=1.0。t2—— 除渣裝置內(nèi)表面溫度,℃,近似取冷卻風進爐膛溫度。

2.2 排渣的顯熱

排渣落入除渣裝置所帶入的熱量Qb

式中 Gz——鍋爐的排渣量,(kg/s）

Cz——渣的比熱容,J/(kg·℃）

排渣的渣比熱見表1中的數(shù)據(jù)所示。

表 1 渣比熱 J/(kg·℃）

tz——落入除渣裝置中渣的平均溫度,對于固態(tài)排渣爐,可取815℃。

t0——干排渣系統(tǒng)的排渣溫度,℃。

2.3 冷卻風量和冷卻風進爐膛溫度

冷卻風吸收的熱量Qa:

由式(7）,可計算得冷卻風量Ga和冷卻風進爐膛溫度t2。

3 對鍋爐效率影響分析

3.1 冷卻風量

為了保證在所有工況下(鍋爐負荷變化、鍋爐吹掃、煤質(zhì)變化等）,干式排渣機的排渣溫度不至過高,以滿足后續(xù)設備的運行要求,冷卻風量應滿足最大排渣量要求。按《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范》要求:當采用風冷式排渣機方案時,設備的最大出力宜不小于鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量時燃用設計煤種排渣量的250%。此時干排渣系統(tǒng)的排渣溫度t0可取150℃。

假設鍋爐排渣口至干式排渣裝置進風口之間的流程足夠長,熱渣與冷卻風能充分換熱,結合目前電廠干排渣系統(tǒng)的實際運行情況,進爐膛的冷卻風溫度達到二次風的熱風溫度(340～360℃）。

按Gz=鍋爐燃用設計煤種MCR正常排渣量×2.5、t0=150℃、t2=340～360℃,應用式(2）、(4）、(7）,可得到滿足鍋爐最大排渣量要求的冷卻風量Ga0。

3.2 冷卻風進爐膛溫度

鍋爐實際運行時,由于鍋爐負荷的變化、煤質(zhì)變化、鍋爐是否吹掃等的影響,在大部分時段內(nèi),鍋爐的排渣量會遠少于最大排渣量。按鍋爐年平均運行330d,折算成MCR工況為5000h計,鍋爐的實際排渣量平均為:Gz=鍋爐燃用設計煤種MCR正常排渣量×0.63。

現(xiàn)場實際運行時,運行人員更多的是關注干排渣系統(tǒng)的排渣是否超溫,否則后續(xù)設備難以運行;同時,目前的干式排渣機缺乏有效的實時進風量調(diào)節(jié)手段,盡管目前部分設備理論上有一定的進風量調(diào)節(jié)手段,但調(diào)節(jié)機構的可調(diào)性差,調(diào)節(jié)范圍窄,干式排渣機本體的漏風又非常嚴重,基本上不能做到有效的調(diào)節(jié)進風量;因此,按目前電廠干排渣系統(tǒng)的實際運行情況,干排渣系統(tǒng)長期運行的冷卻風量,基本上就是滿足鍋爐最大排渣量要求的冷卻風量Ga0,但此時干排渣系統(tǒng)的平均排渣溫度較低,t0可取50℃。

按照上述條件,應用式(2）、(4）、(7）,可得到干排渣系統(tǒng)的冷卻風進爐膛平均溫度t20,該溫度會遠低于鍋爐二次風的熱風溫度。

3.3 對鍋爐效率的影響分析

在入爐總燃燒空氣量(氧量）保持不變的情況下,干排渣系統(tǒng)冷卻風作為燃燒所需空氣從爐底送入,經(jīng)過空氣預熱器的空氣量會相應減少,鍋爐的排煙溫度會略有上升。

經(jīng)空預器后進入爐膛的二次風的熱風溫度通常為340～360℃,為便于分析,假定干排渣系統(tǒng)冷卻風從爐底進入爐膛,不會對鍋爐燃燒產(chǎn)生不利影響,因此,只有在保證由鍋爐底部進入爐膛的風溫不低于340～360℃時,才不會影響鍋爐效率。由于干排渣系統(tǒng)的冷卻風進爐膛平均溫度t20遠低于鍋爐二次風的熱風溫度,會降低鍋爐效率,其降低值可近似認為等于將冷卻風由t20加熱至鍋爐二次風的熱風溫度所消耗的能量QS:

式中:Ga0——滿足鍋爐最大排渣量要求的冷卻風量,(kg/s）。

t22——鍋爐二次風的熱風溫度,t22=340～360℃。

t20——干排渣系統(tǒng)的冷卻風進爐膛平均溫度,℃。

為便于定量的判斷干排渣系統(tǒng)對鍋爐效率的影響程度,按正常情況下的機組運行數(shù)據(jù),分析其對1臺600MW和1臺1000MW機組鍋爐效率的影響,機組運行數(shù)據(jù)見表2。

表2 600MW機組和1000MW機組的運行數(shù)據(jù)

4 幾點看法

(1）結合國內(nèi)干式排渣系統(tǒng)的實際運行情況,理論計算表明,通常情況下,干式排渣系統(tǒng)會使鍋爐效率降低約0.34個百分點。

事實上,對于排渣量較小的鍋爐,實際運行表明干式排渣機本體的漏風現(xiàn)象非常嚴重,冷卻風進爐膛溫度會遠低于上述假定值和計算值,因此,對鍋爐效率的影響會更嚴重。

對于排渣量較大的鍋爐,由于鍋爐排渣口至干式排渣裝置進風口之間的冷卻空氣流程長度不足,熱渣與冷卻風難以充分換熱,為確保干排渣系統(tǒng)的排渣不超溫,以滿足后續(xù)設備運行要求,實際運行時只有加大冷卻風量,造成冷卻風進爐膛溫度同樣會遠低于上述假定值和計算值。

因此,現(xiàn)有的干式排渣系統(tǒng)使鍋爐效率降低會比0.34個百分點更多,目前部分電廠的實際測試數(shù)據(jù)也證明了這一點。

(2）20世紀80年代中期之前的電站鍋爐,普遍采用漏風嚴重的水力排渣槽,此后,普遍采用水封排渣槽和刮板撈渣機等水封式除渣裝置,解決了漏風問題,提高了鍋爐效率。干式排渣系統(tǒng)體積龐大、運轉(zhuǎn)部件多,從結構和原理上解決不了漏風問題,目前部分電廠的實際測試數(shù)據(jù)表明,干式排渣系統(tǒng)引起的爐底漏風非常嚴重,而回收渣的熱量非常有限,勢必對鍋爐效率產(chǎn)生較大的負面影響。

(3）關于干式排渣系統(tǒng)節(jié)水

目前,電廠普遍采用刮板撈渣機除渣系統(tǒng),用水系統(tǒng)全部采用閉式循環(huán),不對外排放,這與20世紀80年代的開式水力排渣系統(tǒng)完全不是一個概念。

刮板撈渣機除渣系統(tǒng)的耗水主要體現(xiàn)在兩方面:鍋爐排渣裝置的蒸發(fā)損失和濕渣帶走的水。

風冷干式排渣系統(tǒng),盡管除渣裝置基本上不耗水,但渣的外運需加水調(diào)濕,同樣需要水,其水量與刮板撈渣機除渣系統(tǒng)的濕渣帶走的水相當,因此干式排渣系統(tǒng)的節(jié)水主要體現(xiàn)在減少鍋爐排渣裝置的蒸發(fā)損失方面。

鍋爐排渣裝置的蒸發(fā)損失可按下式估算〔2〕:

式中:A——鍋爐排渣口面積(m2）。

E——水封排渣槽的蒸發(fā)量,

對于1臺600MW機組,Q=2.3 t/h;1臺1000 MW機組,Q=3.2 t/h?？梢姼墒脚旁到y(tǒng)的節(jié)水量非常小,此水量完全可采用廠區(qū)復用水滿足要求,而不會額外增加全廠的耗水,干式排渣系統(tǒng)節(jié)水只能做為一個概念,并沒有太多的實用價值。

5 結束語

從各方面的綜合分析可知,干式排渣系統(tǒng)是一種難以滿足節(jié)能減排政策的設備,應用在工程中宜慎重考慮。

[1]楊世銘.傳熱學[M].高等教育出版社,1992.

[2]美國A-S-H公司工程標準[S].1987.

Analysis&Calculation of Boiler Efficiency in fluenced by A ir-cooled Slag Flow System

FAN Rendong(Jiangsu Provincial Electric Power Design Institute,Nanjing,Jiangsu,211102,China）

Combined with the actual operation of the domestic air-cooled slag flow system,a quantitative analysis on the air-cooled slag flow system has beenmade with the influence on the boiler starting in calculation of heat balance.A ctually,air leakage is alw ays seriously with the air-cooled slag device against the boiler with small slag flow.The evaluation of the efficiency ismade w ith a simp le heat balancemodel,w hich show s that the existing air-coo led slag flow system would reduce the boiler efficiency at least 0.34%ormore which has been verified with actualdata from partof power p lants.

air-cooled;dry;slag flow system;boiler;efficiency;heat balance;analysis;calculation

TK227.3

A

1672-0210(2010）01-0034-04

2009-11-19

2010-02-09

范仁東(1962-）,男,高級工程師,主要從事火力發(fā)電廠輸煤和灰渣處理系統(tǒng)的設計。