600MW直接空冷機組抽汽預(yù)干燥褐煤的熱經(jīng)濟性分析

張利，張義江

（神華國能蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾　021000）

600MW直接空冷機組抽汽預(yù)干燥褐煤的熱經(jīng)濟性分析

張利，張義江

（神華國能蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021000）

褐煤水分高、熱值低，對褐煤進(jìn)行預(yù)干燥可以提升煤質(zhì)，進(jìn)而可提高電站鍋爐熱效率、降低發(fā)電煤耗。以某超臨界600MW燃燒褐煤的直接空冷發(fā)電機組為例，建立了抽汽預(yù)干燥褐煤發(fā)電系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性分析模型。主蒸汽流量一定，褐煤收到基水分由38.4％干燥至15.0％時，鍋爐的熱效率由91.5％提升至92.9％，節(jié)約濕褐煤22g/（kW·h）。

燃煤電站；直接空冷機組；褐煤預(yù)干燥；熱經(jīng)濟性

0　引言

我國褐煤儲量豐富，目前已探明儲量多達(dá)1300億t，主要分布在內(nèi)蒙古、東北、四川和云南東部等地區(qū)［1］。褐煤是煤化程度最低的礦產(chǎn)煤，水分大（15％～60％）、熱穩(wěn)定性差、易自燃、易風(fēng)化，難以洗選和儲存，也不宜長途運輸。隨著我國電力消費的不斷增長，優(yōu)質(zhì)煤炭資源緊缺，近年來在內(nèi)蒙古、東北等地區(qū)新建了一批燃用褐煤的坑口電廠［2］。

我國東北和內(nèi)蒙古地區(qū)的褐煤熱值低，含水量普遍在30％左右，水分氣化吸收大量煙氣熱量，導(dǎo)致褐煤直接燃燒熱效率較低、排煙溫度較高，燃用褐煤的電站鍋爐熱效率普遍較低，而且輔機容量大、能耗高，導(dǎo)致供電煤耗比較高。對褐煤進(jìn)行預(yù)干燥，降低褐煤中的水分，可提高鍋爐效率，進(jìn)而降低機組發(fā)電煤耗［3］。

褐煤預(yù)干燥技術(shù)主要有煙氣干燥技術(shù)、蒸汽干燥技術(shù)、水熱脫水技術(shù)、機械熱力脫水技術(shù)和熱油干燥技術(shù)等［4］，目前，國內(nèi)對煙氣干燥技術(shù)和蒸汽干燥技術(shù)研究較多。李勤道等［5］利用滾筒煙氣預(yù)干燥技術(shù)，分析了某600MW凝汽式機組進(jìn)行鍋爐煙氣干燥后的熱經(jīng)濟性，結(jié)果表明機組效率相對提高1.12％，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗下降3.18g/（kW·h）；從1kg褐煤中每多干燥出0.1kg的水分，可多節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.60g/（kW·h）。韓小渠等［6］研究發(fā)現(xiàn)，某600MW機組采用煙氣預(yù)干燥技術(shù)，機組熱耗保證（THA）工況標(biāo)準(zhǔn)煤耗下降9.91g/（kW·h），當(dāng)負(fù)荷降低至50％THA工況時，節(jié)煤量下降9.30 g/（kW·h）。蔣斌等［7］探討了褐煤過熱蒸汽預(yù)干燥技術(shù)，指出該技術(shù)較為成熟，有極大的應(yīng)用潛力。嚴(yán)俊杰等［8］基于等效焓降法研究了回?zé)岢槠A(yù)干燥褐煤發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性，給出了褐煤預(yù)干燥的節(jié)能條件，研究發(fā)現(xiàn)，某600MW機組額定工況采用抽汽預(yù)干燥可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤11.21g/（kW·h）。郭曉克等［9-10］系統(tǒng)地分析了超臨界600MW機組采用褐煤預(yù)干燥的技術(shù)經(jīng)濟性，理論分析表明，該基準(zhǔn)工況可降低發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗12.00g/（kW·h），提高鍋爐效率2.00％以上，降低廠用電率0.56％，減少冷端損失6％以上，如果對預(yù)干燥尾氣的廢熱進(jìn)行回收，節(jié)煤量可達(dá)14.65g/（kW·h）［10］。吳威等［11］研究了某300MW機組采用抽汽干燥褐煤對電廠熱經(jīng)濟性的影響，得出了可提升電廠經(jīng)濟效益的結(jié)論。許誠等［12］提出了一種新型低溫?zé)峒珊置焊稍锵到y(tǒng)，并針對某1000MW燃煤電站進(jìn)行了熱力學(xué)和經(jīng)濟性評價，新型褐煤干燥系統(tǒng)能夠使電站效率提高3.6百分點，降低發(fā)電成本1.83美元/（MW·h）。方亞雄等［13］在抽汽褐煤預(yù)干燥系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種機爐熱集成優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)每年可減少標(biāo)煤量1.29萬t。

已有研究表明，回?zé)岢槠稍锖置嚎捎行岣唠姀S的經(jīng)濟效益，并且蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥技術(shù)是最成熟的一種褐煤干燥技術(shù)，得到了廣泛應(yīng)用［1，9，11-12，14］。蒙東能源有限公司鄂溫克電廠超臨界600MW直接空冷機組燃用伊敏河?xùn)|煤礦的褐煤，水分高、熱值低，鍋爐效率低，因此，本文建立了回?zé)岢槠A(yù)干燥褐煤發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了褐煤干燥后的鍋爐效率和發(fā)電煤耗率，為機組節(jié)能改造提供參考。

1　抽汽預(yù)干燥褐煤系統(tǒng)模型

回?zé)岢槠A(yù)干燥褐煤系統(tǒng)如圖1所示，由第5級抽汽口分流部分蒸汽（圖1中A所示），經(jīng)蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機的汽室進(jìn)入換熱管；濕褐煤經(jīng)原煤倉進(jìn)入干燥機的筒側(cè)，與換熱管充分接觸被加熱，褐煤中的水分不斷吸熱蒸發(fā)。干燥機的筒體有一定傾斜度，隨著筒體的轉(zhuǎn)動，濕褐煤一邊被加熱一邊朝出口流動，當(dāng)煤的水分達(dá)到要求時從出料箱排出，預(yù)干燥的褐煤送往制粉系統(tǒng)［15］；而蒸汽冷凝后的疏水經(jīng)疏水泵加壓后送往除氧器。蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機間接干燥濕褐煤，不會攜帶走褐煤揮發(fā)分，考慮到長時間干燥褐煤會導(dǎo)致?lián)]發(fā)分流失，溫度過高導(dǎo)致褐煤自燃，因此，干燥機采用順流式，即由汽輪機抽取的蒸汽與濕褐煤的流動方向相同。

圖1　回?zé)岢槠A(yù)干燥褐煤發(fā)電系統(tǒng)

通過利用部分低壓抽汽的熱量干燥褐煤，提升了煤質(zhì)，增加了干燥煤的低位發(fā)熱量，降低了鍋爐排煙中水蒸氣攜帶走的熱量，可提高鍋爐效率；高溫?zé)煔獾哪芰科肺桓?，因此回?zé)岢槠A(yù)干燥褐煤相當(dāng)于利用抽汽的低品位能量替代被煤中水分利用的高品位能量，從熱力學(xué)第二定律的角度分析也是節(jié)能的。抽取蒸汽干燥褐煤，降低了單位質(zhì)量蒸汽的做功量；干燥褐煤抽汽的疏水注入回?zé)嵯到y(tǒng)，以及抽取該蒸汽引起的低壓級抽汽壓力變化，亦會對回?zé)嵯到y(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。因此，本文將分別建立蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機、鍋爐、汽輪機及回?zé)嵯到y(tǒng)的計算模型，分析抽汽預(yù)干燥褐煤對機組熱力性能的影響。

1.1蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機

圖2示意了干燥機的熱平衡，根據(jù)能量守恒定律有［10］

式中：qmd為干燥褐煤的抽汽量，kg/s；h5和hs分別為干燥褐煤的抽汽比焓及其疏水的比焓，kJ/kg；ηd為干燥機效率，％；qm為鍋爐消耗的濕褐煤量，kg/s；w為1kg濕褐煤被干燥去的水分，kg/kg；hw和hv分別為煤中水分干燥前和干燥后的比焓，kJ/kg；qm′=（1-w）qm為預(yù)干燥褐煤量，kg/s；hL和hL′分別為預(yù)干燥煤進(jìn)入和排出干燥機的比焓，kJ/kg。

圖2　干燥機熱平衡圖

預(yù)干燥煤相比濕褐煤顯熱增加，計算煤的顯熱一般采用下式［16］：

式中：ir為煤的物理顯熱，kJ/kg；cp，ar為煤的收到基比定壓熱容，kJ/（kg·℃）；tr為煤的溫度，℃；cdr為褐煤干燥基比熱容，根據(jù)文獻(xiàn)［16］的數(shù)據(jù)插值計算，kJ/（kg·℃）；Mar為煤中水分，％。

假設(shè)濕褐煤中水分為Mar，則干燥煤中水分Mar′與Mar的關(guān)系為

干燥煤的收到基Car′，Har′，Sar′，Oar′，Nar′和Aar′則分別是濕褐煤收到基Car，Har，Sar，Oar，Nar和Aar的1/（1-w）。

1.2鍋爐

鍋爐的熱平衡方程為

式中：Qr為鍋爐輸入熱量，kW；Q1為鍋爐有效利用的熱量，kW；Q2為排煙熱損失，kW；Q3為可燃?xì)怏w不完全燃燒熱損失，kW；Q4為固體不完全燃燒熱損失，kW；Q5為鍋爐散熱損失，kW；Q6為其他熱損失，kW。

式（5）兩邊同除以Qr，即用方程右邊各項熱量占鍋爐輸入熱量的百分比來表示為

鍋爐效率為

因此結(jié)合式（6）可得反平衡法表示的鍋爐效率

排煙熱損失為［16］

鍋爐輸入熱量為

式中：Qar，net為煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg。

在計算鍋爐煙氣量和煙氣比焓時，一般都是以1kg燃料收到基為基礎(chǔ)，所以排煙熱損失可表示為

式中：hpy為排煙比焓，kJ/kg；αpy為排煙處的過量空氣系數(shù)；h01k為進(jìn)入鍋爐的冷空氣比焓，kJ/kg。

排煙比焓為

式中：Vgy為每kg收到基燃料燃燒生成的干煙氣量，m3/kg；VH2O為煙氣中所含水蒸氣的容積，m3/kg；cgy和cH2O分別為干煙氣和水蒸氣平均比熱容，kJ/（m3·℃）；t為煙氣溫度，℃；hfh為煙氣中的飛灰比焓，kJ/kg。

彰武是三北防護林重點建設(shè)縣。在與風(fēng)沙的長期抗?fàn)幹校梦溆楷F(xiàn)出楊海清、董福財、馬輝、李東魁、侯貴等一批治沙先進(jìn)人物。彰武縣有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)說：“四十年來，彰武累計完成三北治沙造林一百二十三萬畝，封山育林二十四萬畝，飛播造林十八萬畝，一百六十六萬畝農(nóng)田得到保護，糧食產(chǎn)量由新中國成立初期一億公斤增長到現(xiàn)在的十四億公斤?！?/p>

干煙氣量為

水蒸氣容積為

式中：V0為理論煙氣量。

干煙氣平均比熱容采用下式近似計算

式中：RO2′是指CO2和SO2在干煙氣中的比例，％；cCO2，cN2和cH2O采用文獻(xiàn)［16］所列數(shù)據(jù)。

濕褐煤經(jīng)干燥后，水分減少，低位發(fā)熱量Qar，net增大，干燥煤的顯熱ir也高于濕褐煤；1kg干燥煤的干煙氣量相比濕褐煤增加，雖然水分減少導(dǎo)致水蒸氣容積VH2O下降，但是排煙比焓相比濕褐煤的變化不大。綜上所述，由于干燥煤低位發(fā)熱量和顯熱的顯著上升，排煙熱損失q2下降，提高了鍋爐效率。q3，q4，q5和q6可視為定值，因此，確定排煙熱損失即可確定鍋爐熱效率，進(jìn)而由式（7）和式（10）得燃煤消耗量為

其中，鍋爐有效利用熱量

本文分析定流量工況，即汽輪機主蒸汽流量不變，鍋爐沒有汽水損失，主蒸汽參數(shù)、鍋爐給水參數(shù)為定值，機組燃用濕褐煤或預(yù)干燥煤Q1相同。

1.3汽輪機

主蒸汽流量不變，抽取部分蒸汽用于干燥褐煤，則單位質(zhì)量蒸汽的做功量降低，并且會影響該級抽汽后的各級抽汽參數(shù)，進(jìn)而影響相應(yīng)低壓加熱器的運行參數(shù)。抽汽壓力隨流量的改變根據(jù)弗留格爾公式可表示為

式中：下標(biāo)A和B分別表示兩種工況；qm表示通過該級組的流量；p為該級組的級前壓力。

通過迭代重新求得抽取干燥褐煤蒸汽后的各級抽汽壓力和抽汽流量，進(jìn)而計算汽輪機組的發(fā)電功率為

式中：qm0為主蒸汽流量，為1 kg凝汽流在汽輪機中的比焓降，kJ/kg；h0為主蒸汽比焓，kJ/kg；hc為排汽比焓，kJ/kg；σ為再熱吸熱焓升，kJ/kg；qm為第i級抽汽量kJ/kg；hi為第i級抽汽比焓，kJ/kg；qmzf為各股軸封漏汽量為各股軸封漏汽的比焓，kJ/kg；ηm和ηg分別為機械效率和發(fā)電機效率，％；qmd為抽取的用于褐煤干燥的蒸汽流量，kg/s；Pe為汽輪機組的發(fā)電功率，kW。

2　算例分析

某超臨界600MW直接空冷機組，鍋爐為一次中間再熱、墻式切圓燃燒、平衡通風(fēng)、緊身封閉、干排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)П型布置、帶啟動循環(huán)泵的變壓運行的直流鍋爐。THA工況鍋爐過熱器出口蒸汽溫度為571℃，再熱器出口蒸汽溫度為569℃，鍋爐燃用褐煤的元素分析結(jié)果見表1，濕褐煤的低位發(fā)熱量為13.487MJ/kg，鍋爐效率為91.53％。汽輪機型號為600-24.2/566/566，THA工況主蒸汽壓力為24.2MPa，主蒸汽溫度為566℃，主蒸汽流量為1700t/h，再熱蒸汽溫度為566℃，排汽壓力為10kPa，發(fā)電功率為600MW?，F(xiàn)由第5級抽汽口抽取蒸汽通往褐煤干燥機，對褐煤進(jìn)行干燥，假設(shè)每kg濕褐煤蒸發(fā)209.7g水分，預(yù)干燥煤的煤質(zhì)見表1，低位發(fā)熱量為17.731MJ/kg，干燥機效率假設(shè)為96％，運行參數(shù)見表2。假設(shè)對褐煤預(yù)干燥后，排煙溫度由139.4℃下降至130.0℃，機組燃燒預(yù)干燥褐煤的熱經(jīng)濟性指標(biāo)見表3。

對濕褐煤預(yù)干燥至含水率只有15.0％，需抽取第5級抽汽80.4t/h，主蒸汽流量不變，則發(fā)電功率由600MW下降至588MW，雖然汽輪機的絕對內(nèi)效率由47.4％下降至46.6％，汽輪機組的熱耗率由7689kJ/（kW·h）上升至7830kJ/（kW·h），但是鍋爐熱效率由原來燃燒濕褐煤的91.53％上升至燃燒預(yù)干燥煤的92.90％，每小時消耗原煤量下降，每kW·h發(fā)電量相比燃用濕褐煤，可節(jié)約原煤22g。假設(shè)1臺機組年發(fā)電量為24億kW·h，則采用抽汽預(yù)干燥，可每年節(jié)約褐煤52800t，假設(shè)褐煤價格為180元/t，則每年可節(jié)約950萬元燃料費用，所以采用抽汽預(yù)干燥褐煤具有顯著的節(jié)能效果。

表1　煤質(zhì)分析結(jié)果％

表2　干燥機的熱力參數(shù)［10］

表3　機組燃用褐煤和預(yù)干燥煤的熱經(jīng)濟性指標(biāo)

3　結(jié)論

針對某超臨界600MW燃燒褐煤的直接空冷發(fā)電機組，建立了THA工況褐煤干燥機、鍋爐和汽輪機的能量平衡方程，分析了采用回?zé)岢槠A(yù)干燥褐煤的熱經(jīng)濟性。如果將褐煤收到基水分38.4％降低至15.0％，其低位發(fā)熱量則可從13.487MJ/kg提升至17.731MJ/kg，主蒸汽流量不變，燃燒預(yù)干燥褐煤鍋爐的熱效率可提升至92.9％，雖然機組的絕對內(nèi)效率有所降低，但是采用預(yù)干燥褐煤，發(fā)電煤耗可降低22g/（kW·h）。

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（本文責(zé)編：白銀雷）

TK212

B

1674-1951（2016）09-0048-04

2016-06-15；

2016-08-12

張利（1983—），男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，助理工程師，從事火力發(fā)電廠熱工自動化方面的工作（E-mail：zl18518@ 126.com）。