大型火電廠燃煤量的簡便計算

崔 敏，陳 玉

(華北電力設計院有限公司，北京 100120)

大型火電廠燃煤量的簡便計算

崔 敏，陳 玉

(華北電力設計院有限公司，北京 100120)

本文從鍋爐燃煤量的基本計算公式出發(fā)，提出用發(fā)電標煤耗、汽輪機熱耗來進行鍋爐燃煤量的計算方法。文中對我國目前火電機組實際供電煤耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行了分析，提供了大型火電廠濕冷機組及空冷機組的發(fā)電煤耗參考數(shù)值，提出了不同工況燃煤量數(shù)據(jù)的修正方法。本文提出的兩種鍋爐燃煤量計算方法實用、簡便，可分別用于項目前期鍋爐燃煤量的估算和正式設計階段的準確計算。

燃煤量；熱耗；發(fā)電標煤耗。

1 概述

鍋爐燃煤量是火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)計算的重要數(shù)據(jù)，是熱機、輸煤、除灰等專業(yè)的設計人員進行系統(tǒng)設計和設備選型的依據(jù)和基礎。在工程的可行性研究階段、初步設計和施工圖設計階段，都需要計算燃煤量。利用常規(guī)方法計算燃煤量，由于計算所依據(jù)的原始數(shù)據(jù)太多，需要汽輪機廠、鍋爐廠提供的資料，在項目前期沒有主機廠資料時，往往不能很快地進行，通常參考同類工程的資料來計算。而利用發(fā)電標煤耗、汽輪機熱耗來計算燃煤量，依據(jù)數(shù)據(jù)可大大減少，燃煤量的計算得到了較大地簡化，既可以用于項目前期的初步估算，也可在獲得了主廠家資料后進行精確計算。

2 幾種燃煤量計算方法

鍋爐的燃煤量一般計算BMCR工況的燃煤量，即鍋爐最大連續(xù)運行時的燃煤量。根據(jù)機爐匹配原則，鍋爐BMCR工況與汽輪機VWO工況的參數(shù)相對應，VWO工況是機組在額定參數(shù)下汽輪機調(diào)節(jié)閥全開工況。

2.1 燃煤量常規(guī)計算方法

工程設計中通常采用以下公式進行燃煤量的計算。

式中：B為鍋爐燃煤量(t/h)；η為鍋爐效率；Dgr、Dzr、Djw為過熱蒸汽流量、再熱蒸汽流量、過熱器減溫水量(t/h)；hgr、hgs、hjw、hqb為過熱蒸汽焓、給水焓、減溫水焓、汽包水焓(kJ/kg)；hzr'、hzr''為分別為再熱器進、出口蒸汽焓(kJ/kg)；Dqb為汽包排污水量(t/h)，直流爐取值為0；Qnet.ar為燃煤收到基低位發(fā)熱量(kJ/kg)。

將汽輪機組不同工況熱平衡圖中的數(shù)據(jù)代入公式(1)，可以計算出鍋爐在不同工況下的耗煤量。取汽機VWO工況(即鍋爐BMCR工況)時的數(shù)據(jù)，可以計算得出鍋爐BMCR工況的燃煤量。

在不同汽輪機出力、不同進汽參數(shù)和不同背壓的條件下，熱平衡圖中的數(shù)據(jù)不同；即使上述外部條件相同，不同汽機廠家的汽機結構不盡相同，主蒸汽流量、再熱蒸汽流量、再熱器入口蒸汽參數(shù)會有差異，熱平衡圖中的數(shù)據(jù)也是不同的。

使用熱平衡圖需要注意，熱平衡圖上表示的是汽機側的數(shù)據(jù)，鍋爐和汽輪機之間存在著溫度、壓力損失，還要把汽機側的數(shù)據(jù)修正到鍋爐側數(shù)據(jù)，如主汽溫度加5℃，再熱汽溫加3℃，再根據(jù)鍋爐側的溫度、壓力查出相應的蒸汽、水的焓值，代入公式(1)算出。

由此可知，采用常規(guī)計算的計算結果較為精確，但有一定的局限性，必須要輸入許多原始數(shù)據(jù)。在工程項目前期(如可研設計階段)，主設備尚未定標，沒有針對項目的熱平衡數(shù)據(jù)，一般是找參考工程熱平衡進行計算，鍋爐效率也是根據(jù)煤質情況按經(jīng)驗估計。所以，準確的計算只有在確定了主設備廠家，有了針對項目的熱平衡圖才能得到真正精確的結果。

2.2 基于發(fā)電標煤耗的耗煤量計算

發(fā)電標煤耗是火力發(fā)電廠的一項重要的熱經(jīng)濟性指標，發(fā)電標煤耗由鍋爐效率、汽輪發(fā)電機組熱耗、管道效率確定，發(fā)電標煤耗和廠用電率最終確定了供電標煤耗。

雖然每個火電項目的發(fā)電標煤耗都存在差別，但我國制造的大型汽輪發(fā)電機組一般按序系列化、標準化進行生產(chǎn)，火電主力機組已經(jīng)由300 MW、600 MW亞臨界機組， 350 MW、600 MW超臨界機組發(fā)展到近年來的660 MW、1000 MW超超臨界機組。對于同一個序列(相同出力、相同參數(shù))的發(fā)電機組，只要是國內(nèi)主要的制造廠家，鍋爐效率和汽輪機熱耗基本都在一定的水平上，也就是說發(fā)電標準煤耗在一個基本確定的水平上。

根據(jù)發(fā)電標準煤耗的定義可知：

發(fā)電標準煤耗量＝發(fā)電標準煤耗×發(fā)電量

用實際燃煤的低位發(fā)熱量進行修正，得到鍋爐的耗煤量計算公式如下：

式中：B為鍋爐燃煤量(t/h)；N為機組輸出功率(MW)；Qnet.ar為燃煤收到基低位發(fā)熱量(kJ/kg)；29271為標煤的低位發(fā)熱量(kJ/kg)；fb為發(fā)電標煤耗(g/kWh)。

項目前期階段，建設規(guī)模即機組輸出功率N是確定的，燃料來源基本落實，即燃料低位發(fā)熱量Qnet.ar已知，主機的參數(shù)和型式(空冷或濕冷)基本確定，也就確定了發(fā)電標準煤耗的水平，此時，采用基于發(fā)電標煤耗的鍋爐燃煤量計算法(公式(2))，較為方便。

2.3 基于汽輪機熱耗的耗煤量計算方法

發(fā)電標煤耗與鍋爐效率、汽輪發(fā)電機組熱耗、管道效率有關，其計算公式如下：

式中：Hr為汽輪機熱耗，汽輪機每發(fā)(1 kWh)電能耗用的熱量(kJ/kWh)；η為鍋爐效率；0.99為管道效率；fb為發(fā)電標煤耗 (g/kWh)；29271為標煤的低位發(fā)熱量(kJ/kg)。

把公式(3)代入公式(2)，化簡后得到基于汽輪機熱耗的燃煤量計算公式：

式中：B為鍋爐燃煤量(t/h)；Hr為汽輪機熱耗(kJ/kWh)；Qnet.ar為燃煤收到基低位發(fā)熱量(kJ/kg)；29271為標煤的低位發(fā)熱量(kJ/kg)；N為機組輸出功率(MW)；η為 鍋爐效率。

汽機熱耗由汽機廠提供，汽輪機熱耗、輸出功率采用熱平衡圖中VWO工況時的數(shù)據(jù)，代入公式(4)即可計算BMCR工況時的耗煤量。

公式(4)和公式(1)，在本質上是相同的，因為汽機的輸入熱量來自于鍋爐的輸出熱量，鍋爐的有效輸出熱量減去管道損失后就是汽機的輸入熱量。有了熱平衡數(shù)據(jù)，采用兩種方法均可行，顯然，基于汽輪機熱耗的燃煤量計算法所需要的數(shù)據(jù)更少，只使用了熱平衡圖中的熱耗和輸出功率兩個數(shù)據(jù)，管道效率0.99代替了汽機側和鍋爐側之間的參數(shù)修正，計算更為簡便。

3 發(fā)電煤耗參考值和燃煤量工況修正

3.1 發(fā)電標煤耗參考值

目前各電廠十分關注電廠的經(jīng)濟指標，對于實際的標煤耗都有詳細的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。中國電力企業(yè)聯(lián)合會每年都要開展火電機組能效對標及競賽，從對標及競賽中獲得的供電煤耗數(shù)據(jù)、廠用電數(shù)據(jù)，可以計算出具有代表性的發(fā)電煤耗數(shù)據(jù)。

根據(jù)中電聯(lián)數(shù)據(jù)《2013 年度全國火電600 MW 級機組能效對標及競賽數(shù)據(jù)資料》，匯總各不同系列機組的供電煤耗見表1。

表1 機組供電煤耗

其中，前20%平均、前40%平均分別指參與能效對標競賽的統(tǒng)計機組的前20%名、前40%的供電煤耗平均值。各等級機組出力系數(shù)在74%～77%之間。各類機組供電煤耗見圖1。

圖1 機組供電標準煤耗

由圖1可知，隨著機組參數(shù)的提高，機組的標煤耗也隨之減少。其中空冷機組的煤耗量要高于同等級下的濕冷機組。

我國火電機組供電煤耗逐年降低，2010年600 MW機組供電煤耗333 g/kWh，2013 年，全國火電機組供電標準煤耗321 g/kWh，平均每年比上年降低4 g/kWh。2014年，國家發(fā)改委、環(huán)保部和能源局聯(lián)合發(fā)文《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》，要求全國新建燃煤發(fā)電機組平均供電標煤耗低于300 g/kWh。鑒于此，進行發(fā)電煤耗參考值計算時取用機組前40%的供電煤耗進行計算。

表1是在實際工況下的運行數(shù)據(jù)，實際熱耗值介于設計值和TRL工況值之間，實際運行負荷平均在75%左右，汽機熱耗比設計工況高出2%左右，折合到設計工況，發(fā)電煤耗將會降低約5 g/kWh，見表2，由表2繪制機組發(fā)電標準煤耗見圖2。

表2 機組發(fā)電標煤耗(基于前40%平均水平)

圖2 機組發(fā)電標準煤耗

3.2 參數(shù)變化對發(fā)電標煤耗的影響

電廠為了提高運行的經(jīng)濟性，采取了一些節(jié)能措施來優(yōu)化機組的熱經(jīng)濟指標，降低發(fā)電煤耗。采取這些措施后，發(fā)電標煤耗可在原計算基礎上進行量化。根據(jù)已有工程熱平衡圖和參考文獻，總結出參數(shù)變化對發(fā)電標煤耗的影響數(shù)據(jù)，見表3。

表3 參數(shù)變化對發(fā)電標煤耗的影響數(shù)據(jù)

另外，采取其它措施，比如采用余熱利用裝置等，降低了發(fā)電煤耗，可在原基礎上量化計算后進行調(diào)整。

3.3 不同工況燃煤量修正

鍋爐的耗煤量通常按BMCR工況計算，而汽輪機在VWO工況時(對應BMCR工況)出力大于設計工況(THA工況)的出力，汽輪機額定出力代入(公式2)計算的燃煤量為THA工況的燃煤量，小于BMCR工況耗煤量。

設BMCR工況與THA工況的耗煤量之比為修正系數(shù)為k，BMCR工況鍋爐的耗煤量計算如下：

VWO工況與設計工況(THA工況)，從多個工程汽機廠家提供的熱平衡圖看，熱耗之差在5‰以內(nèi)，因此，前期燃煤量估算可以用設計工況(THA工況)的發(fā)電煤耗作為VWO工況的發(fā)電煤耗，此時，VWO工況與設計工況(THA工況)的汽輪機出力之比就是兩工況的耗煤量之比，即k值。

VWO工況與設計工況(THA工況)由于進汽流量不同，導致汽輪機出力不同。

設計工況(THA工況)條件為額定蒸汽參數(shù)，設計背壓，補給水率為0%，汽輪發(fā)電機組輸出功率等于額定功率。

額定負荷工況(TRL工況，汽機名牌工況)條件為額定主蒸汽參數(shù)、夏季高背壓、有一定的補給水率(一般為1%～3%)，對于濕冷機組，要求汽輪發(fā)電機組的輸出功率為額定功率；對于空冷機組，因為夏季背壓與設計背壓相差較大，不再統(tǒng)一規(guī)定汽輪發(fā)電機組的輸出功率為額定功率，也即夏季汽輪機出力可以不滿發(fā)(此時的工況也稱為夏季工況)，該工況進汽量稱為汽輪機TRL進汽量。

VWO工況流量等于TRL進汽量加上一定的通流裕量,該裕量是制造廠為考慮通流部分的制造公差及機組老化對汽輪機出力的影響而設置的裕量，VWO工況流量取值一般約為TRL額定進汽量的1.05倍(大機組常取1.03)。

為了確定修正系數(shù)k的合理值，選取了幾個有代表性的實際工程的機組熱平衡圖，匯總各工況的流量、出力關系，見表4。

表4 不同工況流量、出力關系

由表4可以看出，受機組冷卻方式(濕冷或空冷)、背壓變化幅度、夏季是否要求滿發(fā)的影響等，汽輪機TRL工況進汽量與THA工況進汽量之比a1不是一個常數(shù)，變化規(guī)律如下：

對夏季不要求滿發(fā)的空冷機組(表中第6、7項)，TRL工況進汽量與THA工況的進汽量增加5‰左右，出力比K(VWO/THA)與主汽流量比a2(VWO/TRL)基本一致。

背壓變化幅度越小(表中第3項，夏季背壓與設計背壓值小于2)，主汽流量比a1(TRL/ THA)偏小，導致出力比k(VWO/THA)較小。

主汽流量比a2(VWO/TRL)是個定值，機組出力越大，取值越小。

由此，得出不同條件下BMCR工況與THA工況的耗煤量修正系數(shù)k，見表5。

表5 不同條件修正系數(shù)K建議

3.4 鍋爐燃煤量估算過程

對基于發(fā)電標煤耗的鍋爐燃煤量估算過程總結如下：

(1)根據(jù)機組容量參數(shù)，按表2選取發(fā)電標煤耗基準值。

(2)根據(jù)機組參數(shù)變化及采取的節(jié)能措施進行修正，推算得出設計工況(THA工況)發(fā)電標煤耗值，最終采用的發(fā)電標煤耗值可以根據(jù)項目各方對項目不同的期望值進行調(diào)整。

(3)根據(jù)項目不同條件，按表5選取修正系數(shù)k，按公式(5)計算BMCR鍋爐燃煤量。

4 結論

(1)鍋爐燃煤量是火力發(fā)電廠設計工作中的重要數(shù)據(jù)，是專業(yè)設計人員進行系統(tǒng)設計和設備選型的依據(jù)和基礎。本文提出了燃煤量計算的新思路，即基于汽輪機熱耗或發(fā)電標煤耗的計算方法，實用、簡便，在工程設計的不同階段均可以采用。

(2)在項目正式設計階段，取得機組汽機熱平衡圖時，基于汽輪機熱耗的燃煤量計算法可以準確地計算鍋爐燃煤量，比常規(guī)燃煤量計算方法輸入的原始數(shù)據(jù)少，僅需要熱耗、輸出功率及燃料低位發(fā)熱量數(shù)據(jù)，兩種方法準確度相當。

(3)在項目前期階段，沒有主機資料時，基于發(fā)電標煤耗的鍋爐燃煤量計算法可以簡便地估算鍋爐燃煤量，該計算法根據(jù)機組容量和汽輪機型式(濕冷或空冷)，適當選取發(fā)電煤耗，并進行工況間必要的修正，可計算出鍋爐燃煤量。這種計算方法比常規(guī)燃煤量計算法簡單, 有較高的準確性。

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The Simple Calculation the Coal Consumption for Large Thermal Power Plant

CUI Min, CHEN Yu
(North China Power Engineering Co., Ltd., Beijing 100120, China)

Based on the basic calculation formula of the coal consumption of the boiler, the standard coal consumption for electricity generation and the steam turbine heat rate are applied in calculating the coal consumption. In the paper the actual coal consumption for electricity supply is analyzed, the coal consumption values for electricity generation for the large thermal power water-cooled unit and air-cooled unit is presented and the correction approach of coal consumption data under various working conditions is proposed. The two methods for calculating the coal consumption are very simple but reliable. They can be used to calculate the coal consumption capacity of the boiler both at the early stage and design stage of the project.

coal consumption; thermal consumption; standard coal consumption for electricity generation.

TM621

B

1671-9913(2016)06-0042-06

2015-07-09

崔敏(1967- )，女，四川新都人，碩士，高級工程師，主要從事火電廠熱機設計。