褐煤預干燥發(fā)電系統(tǒng)熱經(jīng)濟性計算方法探討

宋礦偉

(上海電氣電站集團， 上海 201199)

褐煤預干燥發(fā)電系統(tǒng)熱經(jīng)濟性計算方法探討

宋礦偉

(上海電氣電站集團， 上海 201199)

對采用褐煤預干燥方案的電廠進行熱經(jīng)濟性計算時容易產(chǎn)生疏漏的地方進行了分析和說明，提出褐煤預干燥過程中消耗的能量主要轉(zhuǎn)移到了干燥煤的熱值中，并引入燃料提質(zhì)因子,得出修正的電廠綜合熱效率計算式。

褐煤； 預干燥； 電廠綜合熱效率； 燃料提質(zhì)因子； 熱經(jīng)濟性

Abstract： An analysis was conducted on the aspects easy to be neglected in the calculation of thermal efficiency for power plants using lignite pre-drying technology, pointing out that the energy consumed in the lignite pre-drying process is mainly transferred into heating value of the dried coal. On above basis, a corrected formula was derived for calculation of the comprehensive thermal efficiency by introducing the new concept of fuel upgrading factor.

Keywords： lignite; pre-drying; comprehensive thermal efficiency of power plant; fuel upgrading factor; thermal economy

褐煤是一種高水分低熱值的劣質(zhì)煤炭，隨著高效清潔能源利用的深入和優(yōu)質(zhì)煤質(zhì)燃料成本的增加，褐煤作為低價燃料被廣泛關(guān)注。褐煤預干燥技術(shù)能降低褐煤中的水分[1-9]，但是關(guān)于采用褐煤預干燥后電廠的熱經(jīng)濟性計算問題存在一定的爭議。筆者通過對褐煤預干燥過程分析研究，從而對采用預干燥方案的電廠熱綜合效率計算分析時容易產(chǎn)生計算疏漏的地方進行了分析和說明，以便能正確客觀地評價褐煤預干燥系統(tǒng)對電廠效率的貢獻。同時通過對電廠的熱經(jīng)濟性評價指標計算式進行研究分析，提出合理直觀的針對煤質(zhì)預干燥方案的電廠熱經(jīng)濟性的計算評價方法。在目前國內(nèi)火電主機研究與系統(tǒng)研究存在分離的情況下，采用該便捷的計算公式可以對幾個系統(tǒng)進行相對獨立的分析研究。

1 褐煤預干燥原理及系統(tǒng)

目前褐煤預干燥的工藝主要有滾筒煙氣干燥、蒸汽管干燥、流化床干燥、熱脫水工藝法和機械脫水法等，其中最為常用的是滾筒煙氣干燥和蒸汽管干燥(見圖1)。

圖1 預干燥系統(tǒng)簡化模型

發(fā)電系統(tǒng)采用滾筒干燥機方案時，提供干燥原煤的熱源媒介為從鍋爐抽取的高溫爐煙；采用蒸汽管干燥方案時，熱源為從汽輪機抽取的過熱蒸汽。雖然兩種方案工藝差異較大，但是兩種方式的干燥原理和簡化模型類似。

原煤通過給煤機送入干燥機，在干燥機中褐煤被加熱后水分逐漸蒸發(fā)，褐煤中的總水分含量逐漸降低，并且向干燥機出口移動，最后變成水分較低的干燥煤排出?？諝庾鳛槊撍橘|(zhì)，隨原煤一起進入干燥機，攜帶原煤蒸發(fā)出來的水分作為尾氣從干燥機尾部排出，經(jīng)除塵器收集尾氣中的煤質(zhì)粉塵后排空，收集的粉塵混入干燥煤中。在此過程中，原煤被加熱蒸發(fā)出的水分消耗了主要的熱量，還有一部分熱量轉(zhuǎn)換為原煤的顯熱，一部分熱量被空氣帶走。煙氣預干燥方案是從鍋爐抽取高溫爐煙作為熱源，在滾筒干燥機內(nèi)放熱后成為乏氣被處理后排出；蒸汽預干燥方案是從汽輪機側(cè)抽取低品位的過熱蒸汽作為熱源，水蒸氣在干燥機中釋放熱量后變?yōu)槟Y(jié)水經(jīng)干燥機輸水系統(tǒng)排出返回汽輪機系統(tǒng)。

2 褐煤預干燥后的品質(zhì)提升

原煤經(jīng)過預干燥系統(tǒng)進行干燥，原煤收到基水分降低，預干燥系統(tǒng)需要控制干燥煤的收到基全水分質(zhì)量分數(shù)。已知原煤和干燥煤的收到基全水分后，在原煤預干燥過程中質(zhì)量守恒，即

(1)

式中：w(Mar0)為原煤收到基全水分質(zhì)量分數(shù)，%；w(Mar1)為預干燥后煤質(zhì)收到基全水分質(zhì)量分數(shù)，%；w(Δm)為單位褐煤干燥減少的水分質(zhì)量分數(shù)，%。

由式(1)求得褐煤干燥程度，即單位褐煤干燥減少的水分質(zhì)量分數(shù)。

(2)

(3)

式中：B0為原煤質(zhì)量流量，t/h；B1為原煤經(jīng)預干燥后的質(zhì)量流量，t/h。

一般認為，褐煤在低于100 ℃的低溫干燥過程中并未發(fā)生氧化反應，因此經(jīng)過預干燥之后煤的干燥基低位發(fā)熱量與原煤的干燥基低位發(fā)熱量相同，根據(jù)低位發(fā)熱量在干燥基與收到基情況下的轉(zhuǎn)換式(4)可以求得經(jīng)過預干燥后干燥煤的收到基低位發(fā)熱量，見式(5)。

(4)

式中：Qar,net為收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg；Qd,net為干燥基低位發(fā)熱量， kJ/kg；w(Mar)為收到基全水分質(zhì)量分數(shù)，%；24.4對應于收到煤中每1%水分的氣化熱矯正值(恒壓)，kJ/kg。

(5)

式中：Q0,ar,net為原煤的收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg；Q1,ar,net為預干燥后煤質(zhì)的收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg。

通過預干燥系統(tǒng)后，煤質(zhì)的品質(zhì)發(fā)生了變化，煤的熱值也發(fā)生了變化。為此，引入燃料提質(zhì)因子ZC(原煤燃料通過預干燥系統(tǒng)等手段改變其物理特性后，綜合考慮煤量和低位發(fā)熱量的變化，新燃料的總發(fā)熱量與原燃料總發(fā)熱量的比值)對煤質(zhì)預干燥前后總的低位發(fā)熱量變化進行評價。

(6)

忽略原煤溫度提高引起的原煤顯熱變化時，可以求得：

(7)

由式(7)可見：當通過預干燥等手段降低原煤全水分(w(Mar0)>w(Mar1))時，ZC>1，也就是說煤質(zhì)的全水分降低后其總低位發(fā)熱量增加了。

以某煤礦褐煤全水分w(Mar)=48%、低位發(fā)熱量Qar,net=11 230 kJ/kg為基準進行分析，當采用預干燥系統(tǒng)降低褐煤全水分后，ZC的具體數(shù)據(jù)見表1。從表1可以看出，煤質(zhì)的總低位發(fā)熱量增加比較明顯。

表1 不同預干燥方案下的燃料提質(zhì)因子數(shù)據(jù)表

3 預干燥系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)移

從汽輪機側(cè)抽取的低品位蒸汽或者從鍋爐側(cè)抽取爐煙在預干燥設備系統(tǒng)中放熱，釋放的熱量主要由4部分所利用，即原煤溫度提高、原煤干燥出來的水分氣化吸熱、吸入的空氣溫度提高吸熱，以及預干燥系統(tǒng)散熱損失等。根據(jù)能量守恒定律可得：

(8)

式中：Bg為抽取蒸汽或爐煙的質(zhì)量流量，t/h；h1為進入預干燥系統(tǒng)時的蒸汽或煙氣的焓值，kJ/kg；h2為預干燥系統(tǒng)出口的蒸汽凝結(jié)水或煙氣的焓值，kJ/kg；η干為預干燥系統(tǒng)綜合熱效率，%；hmq2為從原煤中干燥出的水在尾氣中的焓值，kJ/kg；hmq1為原煤中水分的焓值，kJ/kg；cm為煤的平均比熱容，kJ/(kg·K)；Δtm為煤干燥過程中的溫升，K；Gair為預干燥系統(tǒng)抽取空氣的量，t/h；cair為空氣的比熱容，kJ/(kg·K)；Δtair為空氣的溫升，K。

原煤干燥出來的水分氣化吸熱和吸入的空氣溫度提高吸熱這兩部分能量都進入了尾氣中，也就是預干燥過程中蒸汽或者煙氣釋放的能量主要轉(zhuǎn)移到了尾氣中。但是從煤質(zhì)低位發(fā)熱量入手進行研究分析發(fā)現(xiàn)能量并非轉(zhuǎn)移進入了尾氣，而是轉(zhuǎn)換為煤質(zhì)的低位發(fā)熱量，也就是能量轉(zhuǎn)移到了干燥后的煤質(zhì)熱量中。

煤質(zhì)的低位發(fā)熱量指單位燃料完全燃燒后物質(zhì)為氧氣、氮氣、二氧化碳、氣態(tài)水(0.1 MPa)以及固體灰時放出的熱量[10]。鍋爐熱效率是指鍋爐的有效利用熱量占鍋爐輸入燃料低位發(fā)熱量的百分比[11]。鍋爐熱效率計算時一般采用燃料的收到基低位發(fā)熱量計算鍋爐的輸入能量，這主要是因為鍋爐的排煙溫度通常都相當高，煙氣中的水蒸氣一般不會凝結(jié)成水，氣態(tài)水的能量是不會被利用的，鍋爐運行時只有燃料的低位發(fā)熱量才有可能得到利用。因此從能量利用角度看，采用低位發(fā)熱量表現(xiàn)物質(zhì)的熱量時，0.1 MPa的氣態(tài)水的熱量是不被考慮在內(nèi)的，如果假定0.1 MPa的氣態(tài)水的熱量為零，那么原煤中的水分的熱量應該為負值。

原煤中的水分隨著原煤燃燒成為氣態(tài)水的過程中需要吸收原煤燃燒釋放的熱量，其對低位發(fā)熱量的貢獻為負。當采用預干燥方式時，原煤的部分水分在預干燥系統(tǒng)中從原煤中分離了出來，干燥后的煤質(zhì)與原煤相比，質(zhì)量有所降低，但是直接燃燒中用于氣化全水分所需要的熱量減少了，按照低位發(fā)熱量方式計量的煤質(zhì)總熱量增加了。

忽略原煤溫度提高引起的原煤顯熱變化時，可以求得燃料總熱量增加值(見式(9))，這個增量正是來自預干燥中減少的水分的氣化熱。

B1Q1,ar,net-B0Q0,ar,net=B0·24.4·w(Δm)

(9)

根據(jù)目前褐煤預干燥的主要工藝，尾氣的壓力一般處于微負壓狀態(tài)，溫度一般低于100 ℃。也就是說尾氣中的氣態(tài)水若達到低位發(fā)熱量測定狀態(tài)氣態(tài)水時，還需要進一步吸熱，因此尾氣中的氣態(tài)水的能量采用低位發(fā)熱量的方式計量時為負值。

筆者提及尾氣中的能量為負值是基于低位發(fā)熱量的計量方式，在無煙氣余熱回收利用的常規(guī)鍋爐系統(tǒng)基準下研究預干燥系統(tǒng)對電廠效率的貢獻，也可以把預干燥系統(tǒng)與煙氣余熱回收方案對電廠效率的貢獻加以區(qū)分，從而單獨評價預干燥方案對電廠效率的影響。

另外，筆者所提的預干燥工藝中空氣作為原煤干燥的傳熱介質(zhì)需要消耗一部分熱量，但是此部分空氣量吸熱量有限。當把煤質(zhì)的顯熱變化并入低位發(fā)熱量一并考慮，則可以認為，在預干燥過程中蒸汽或煙氣釋放的能量除一部分被預干燥系統(tǒng)散熱損失之外，其他的能量已全部轉(zhuǎn)移至干燥后的煤質(zhì)熱量中。

燃料提質(zhì)因子ZC是煤質(zhì)在被干燥過程的能量轉(zhuǎn)移和原煤品質(zhì)提升的很好體現(xiàn)。預干燥后煤質(zhì)總的低位發(fā)熱量中增加燃料顯熱變化后，燃料提質(zhì)因子ZC可修正為：

(10)

以某煤礦褐煤全水分w(Mar)=48%、低位發(fā)熱量Qar,net=11 230 kJ/kg為基準進行分析，當采用預干燥系統(tǒng)降低褐煤全水分后，假定干燥過程中原煤溫度提高了55 K，同時假定不考慮預干燥系統(tǒng)的散熱損失，可以求得ZC和蒸汽或煙氣在預干燥系統(tǒng)中釋放的熱量與原煤總的低位發(fā)熱量的比值qrB，見表2。從表2可以看出，煤質(zhì)提質(zhì)的總熱量增量與蒸汽或煙氣釋放的熱量相比相同或略高。

表2 不同預干燥方案下的ZC和qrB數(shù)據(jù)

4 熱經(jīng)濟性計算方法

4.1 計算方法的基準

DL/T 904—2015 《火力發(fā)電廠技術(shù)經(jīng)濟指標計算方法》[11]中采用綜合熱效率這個指標表現(xiàn)電廠效率，綜合熱效率是指統(tǒng)計期間內(nèi)供熱量和供電量的當量熱量之和與總標準耗煤量對應熱量的百分比。采用反平衡計算式，對于非供熱機組，其計算式為：

(11)式中：ηc為電廠效率，%；ηg為鍋爐熱效率，%；ηgd為管道效率，%；ηq為汽輪機機組發(fā)電熱效率，%。

可以參照規(guī)則確定非供熱機組的發(fā)電綜合效率，即電廠效率的正平衡計算式為：

(12)

式中：ηc為發(fā)電綜合熱效率，%；Wf為機組發(fā)電量，kW·h；Bb為統(tǒng)計期內(nèi)耗用標準煤量，t；Q為標準煤熱量，取29 307.6 kJ/kg。

4.2 電廠效率計算誤區(qū)

鍋爐熱效率有毛效率和燃料效率兩個算法[12]。根據(jù)鍋爐島系統(tǒng)的能量平衡，即

Qro+QrL=QrF+QrB

(13)

式中：Qro為鍋爐輸出熱量，kJ/s；QrL為各項損失之和，kJ/s；QrF為燃料輸入熱量，kJ/s；QrB為所有外來熱量，kJ/s。

毛效率是指鍋爐輸出熱量與進入鍋爐系統(tǒng)的總能量之比：

(14)

式中：ηgG為鍋爐毛效率，%。

燃料效率是指鍋爐輸出能量與輸入燃料的化學能量之比：

(15)

式中：ηgF為鍋爐燃料效率，%。

褐煤預干燥系統(tǒng)的熱源如果采用煙氣，褐煤預干燥系統(tǒng)的影響全部體現(xiàn)在鍋爐熱效率的變化上，抽取鍋爐爐煙作為熱源，由于該熱源在鍋爐島范圍內(nèi)，不計入鍋爐損失也不計入外部熱源，有大量文獻建立模型通過對排煙損失和熱損失角度對其熱經(jīng)濟性進行分析，但是未從鍋爐熱效率的變化進行直接評價。

收入：丈夫每月收入9美元并由單位提供食物。當病人還能去縫紉“工廠”工作時，她每天收入在10-20美分之間。夫妻兩份收入僅能勉強維持家庭所需必要開支。

褐煤預干燥系統(tǒng)的熱源如果是從汽輪機側(cè)抽取蒸汽，此時抽取蒸汽的總熱量對鍋爐島而言屬于外部熱源，此時需要耦合鍋爐島和汽輪機島才能計算電廠效率。汽輪機機組發(fā)電熱效率計算時，通常將抽汽作為熱量消耗，其有效吸熱仍考慮四大管道的吸熱，此時由于抽取的蒸汽在汽輪機側(cè)做功減少，導致機組總出力下降，從而汽輪機機組發(fā)電熱效率下降。但是在計算鍋爐熱效率時，容易出現(xiàn)錯誤，從而導致對預干燥系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性進行錯誤的評價。

從鍋爐熱效率計算式選取上，如果采取毛效率的計算式，總損失中QrL減少，鍋爐島總輸入熱量QrF+QrB增加，采用反平衡(見式(14))計算的鍋爐熱效率升高，此時的計算結(jié)果表面上似乎已經(jīng)考慮了煤質(zhì)提高和外來熱源的影響，具有很強的欺騙性。仔細分析，按照毛效率計算的鍋爐熱效率，其總輸入熱量，電廠效率的總輸入熱量也應該是QrF+QrB，對于煙氣預干燥方案，該熱源在鍋爐島范圍內(nèi)綜合考慮，隱藏了QrB的影響比較小，但是對于蒸汽預干燥系統(tǒng)，QrB比較大，這樣計算明顯是不正確的。電廠效率計算邊界的總輸入熱量應該是QrF，因此采用毛效率計算鍋爐熱效率在這里是不正確的。

因此采用傳統(tǒng)計算電廠效率時，由于隱藏有鍋爐熱效率計算方法選取毛效率及忽略熱增益的隱藏誤區(qū)，導致實際分析時會產(chǎn)生錯誤的評價和結(jié)論。

4.3 改進的計算式分析

對于采用褐煤預干燥方案，由于鍋爐熱效率的問題導致計算容易出現(xiàn)偏差，為了尋找便捷的計算方法，將預干燥系統(tǒng)不歸入鍋爐島范圍內(nèi)，從而鍋爐島范圍仍舊以預干燥后的入爐煤為邊界進行考慮。若抽取煙氣則將煙氣熱量作為鍋爐部分的熱損失計入鍋爐熱效率，若抽取蒸汽則將蒸汽熱量作為汽輪機島的熱損失計入汽輪機機組發(fā)電熱效率。

采用正平衡計算電廠效率見式(12)，在采用褐煤預干燥方案時，統(tǒng)計期內(nèi)耗用標準煤量Bb計算時以預干燥系統(tǒng)前后兩種煤耗量進行轉(zhuǎn)換將會產(chǎn)生不同的結(jié)果，根據(jù)預干燥前后煤質(zhì)總發(fā)熱量的關(guān)系(見式(6))，則以預干燥系統(tǒng)后煤質(zhì)轉(zhuǎn)換的標準煤量Bb1和以預干燥系統(tǒng)前煤質(zhì)即原煤轉(zhuǎn)換的標準煤量Bb0之間的關(guān)系式為Bb1/Bb0=ZC，結(jié)合電廠效率計算式(見式(12))從而可以得到以預干燥系統(tǒng)后的煤質(zhì)為基準的電廠效率和以預干燥系統(tǒng)前的煤質(zhì)即原煤為基準的電廠效率的關(guān)系式(見式(16))。電廠效率毋庸置疑應該以原煤為基準進行計算：

ηc0=ηc1×ZC

(16)

式中：ηc0和ηc1分別是以原煤煤耗量和以預干燥后的煤質(zhì)煤耗量轉(zhuǎn)換為標準煤耗量時計算的電廠效率，%。

而在實際計算分析電廠效率時，習慣采用式(11)進行計算，其中鍋爐熱效率的計算習慣以入爐煤為基準進行計算。因此在采用褐煤預干燥時，如果仍舊以入爐煤即預干燥系統(tǒng)后的煤質(zhì)為基準計算鍋爐熱效率，則需要對電廠效率的計算式式(11)進行修正，修正后的電廠效率為：

(17)

若直接采用式(11)計算電廠效率將會被低估，從而將會對褐煤預干燥方案的熱經(jīng)濟性產(chǎn)生錯誤的評價。

采用修正后的計算式計算電廠效率時，褐煤預干燥系統(tǒng)不歸入鍋爐島而單獨進行考慮。燃料提質(zhì)因子ZC代表了預干燥系統(tǒng)煤質(zhì)提質(zhì)的影響；鍋爐熱效率ηg是以入爐煤即預干燥系統(tǒng)后的煤質(zhì)為基準進行計算，這和傳統(tǒng)計算方法相同，沒有外來熱增益的考慮，計算時不會出錯。如果采用煙氣預干燥方案，抽取爐煙的熱量需要按照損失進行處理，計算類似于排煙損失的計算方法；如果采用蒸汽預干燥方案，則直接以入爐煤計算鍋爐熱效率。ηq為采用干燥后汽輪機機組發(fā)電熱效率，如果采用煙氣預干燥方案，此熱效率沒有變化；如果采用蒸汽預干燥方式，則從汽輪機側(cè)抽取蒸汽部分作為機組內(nèi)部消耗非供熱，采用傳統(tǒng)計算式計算即可。

4.4 計算實例

以燃用某煤礦全水分w(Mar)=48%和低位發(fā)熱量Qar,net=11 230 kJ/kg褐煤的350 MW凝汽式發(fā)電機組為實例進行說明。表3為直接燃燒褐煤方案與采用蒸汽褐煤預干燥方案下電廠主要指標數(shù)據(jù)。

表3 采用蒸汽預干燥方案下各指標數(shù)據(jù)

表3(續(xù))

采用直接燃燒褐煤方案時，鍋爐熱效率為91.5%，汽輪機機組發(fā)電熱效率為46.5%，管道效率取99%，則電廠效率為42.1%，原煤質(zhì)量流量為266.4 t/h。

當采用從汽輪機抽取蒸汽對褐煤進行預干燥處理，干燥后的褐煤全水分質(zhì)量分數(shù)為20%，則燃料提質(zhì)因子為107.8%。在該方案下，以入爐煤為基準計算的鍋爐熱效率提高為93.4%，抽蒸汽導致汽輪機機組發(fā)電熱效率降低為44.13%，則電廠效率為40.8%。入爐煤質(zhì)量流量為165.9 t/h，折合為原煤的質(zhì)量流量為266.4 t/h。

如果采用未修正的電廠效率，則采用蒸汽預干燥方案后電廠效率下降為40.8%，表明采用蒸汽預干燥方案后電廠熱經(jīng)濟性下降，但是采用蒸汽預干燥方案后原煤質(zhì)量流量降低為255.2 t/h，表明電廠熱經(jīng)濟性提高。這表明通過未修正的電廠效率直接評價電廠熱經(jīng)濟性存在問題，評價的結(jié)果不正確。

當采用修正的電廠效率計算式(見式(17))進行計算時，采用蒸汽預干燥方案后電廠效率上升為44.0%，這表明電廠熱經(jīng)濟性提高了，且電廠效率增加比例與原煤質(zhì)量流量變化一致。

5 結(jié)語

褐煤經(jīng)預干燥系統(tǒng)后，煤質(zhì)的總熱量有顯著提高，預干燥系統(tǒng)的輸入能量在干燥過程中已完全轉(zhuǎn)移到了煤質(zhì)的低位發(fā)熱量中。從能量利用角度主要可以通過減少系統(tǒng)散熱損失以提高熱量利用率，另外還可以通過對輸入熱量的熱源的能量品位等角度進行分析，以提高電廠的熱經(jīng)濟性。

鍋爐熱效率存在不同的計算方法，采用燃料效率計算時需要增加外來熱增益部分，計算時容易產(chǎn)生疏漏。分析計算時需要認清鍋爐的計算邊界及相關(guān)定義，只有采用正確的計算方法才能對預干燥系統(tǒng)熱經(jīng)濟性進行正確評價。

采用修正后的電廠效率計算式，預干燥系統(tǒng)、鍋爐島和汽輪機島將相對獨立，在實際應用中，設計方通過對預干燥系統(tǒng)方案的選擇，對鍋爐或汽輪機制造商提出預干燥系統(tǒng)的熱負荷需求，鍋爐和汽輪機制造廠將可以更好地選擇熱源和設備方案，有利于發(fā)揮設計方和制造商等各方優(yōu)勢，提高各部分的熱效率以提高全廠熱經(jīng)濟性。

通過對預干燥系統(tǒng)的分析，采用正確計算式計算的電廠效率，完全可以直接對電廠熱經(jīng)濟性進行客觀的評價。

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DiscussiononThermalEconomyCalculationMethodsofaPre-driedLignite-firedPowerGenerationSystem

Song Kuangwei

(Shanghai Electric Power Generation Group, Shanghai 201199, China)

2016-09-23；

2016-11-16

宋礦偉(1981—)，男，工程師，從事電站項目開發(fā)的技術(shù)管理工作。

E-mail: songkw@shanghai-electric.com

TM621

A

1671-086X(2017)05-0326-06