鍋爐排渣物理顯熱回收對火電廠熱經(jīng)濟(jì)性影響研究

徐世明，梅樂生，魏利邦，馬連東，韓月輝

(1.華能營口熱電有限責(zé)任公司，遼寧　營口　115003； 2.中國電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江西　南昌　330096；3.營口市信用中心，遼寧　營口　115003)

在燃煤電廠中，余熱充分利用是國家“十三五”節(jié)能減排工作中的重要方面。沸騰鍋爐或CFB(循環(huán)流化床)鍋爐，鍋爐燃燒后的爐渣含有大量物理熱能，溫度一般在800～950 ℃，其物理顯熱損失直接關(guān)系到全廠熱經(jīng)濟(jì)性。鍋爐排渣物理顯熱回收利用對火電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響的機(jī)理尚有不同觀點(diǎn)。鍋爐排渣物理顯熱回收利用降低了排渣溫度，減小了鍋爐排渣物理顯熱損失，提高了鍋爐效率[1-3]；但由排渣損失公式可知，灰渣物理顯熱損失屬于鍋爐的一項(xiàng)損失，在爐渣離開爐膛時此項(xiàng)損失就已是定值，其顯熱回收將不影響此項(xiàng)損失，進(jìn)而不影響鍋爐效率。文獻(xiàn)[4]直接將鍋爐排渣物理顯熱回收的熱量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤量，將“低品位”的余熱等同于煤燃燒釋放的“高品位”熱能，間接將鍋爐排渣物理顯熱回收折算成提高鍋爐效率，顯然也不合理。文獻(xiàn)[5]通過等效熱降法分析鍋爐排渣物理顯熱回收對全廠熱經(jīng)濟(jì)性的影響，將排渣余熱作為外部純熱量加入系統(tǒng)，該熱量做功就是新蒸汽等效熱降的變化，即汽輪機(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率提高，從而使全廠熱經(jīng)濟(jì)性得到提高。實(shí)際上，由蒸汽動力循環(huán)原理可知，鍋爐排渣熱量進(jìn)入汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，必然排擠汽輪機(jī)回?zé)岢槠瑢?dǎo)致進(jìn)入凝汽器的排汽量增加，進(jìn)而導(dǎo)致冷源損失增大，汽輪機(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率降低。

目前分析鍋爐排渣物理顯熱回收利用對提高火電廠熱經(jīng)濟(jì)性影響機(jī)理主要有兩方面觀點(diǎn)：一是認(rèn)為提高鍋爐效率；二是認(rèn)為提高汽輪機(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率。為此本文對鍋爐排渣物理顯熱的熱能屬性進(jìn)行分析，以某鹽廠6 MW自備電廠為例，計(jì)算分析其回收這部分高溫爐渣物理顯熱對該電廠各個重要熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)影響，進(jìn)一步剖析鍋爐排渣物理顯熱回收利用對提高火電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性影響機(jī)理，所得結(jié)論可為技術(shù)人員開展節(jié)能工作提供依據(jù)。

1　鍋爐排渣物理顯熱熱能分析

鍋爐排渣物理顯熱是火電廠中的一種余熱，對于這樣的余熱，從鼓勵電廠節(jié)能的角度不將其視為發(fā)電廠熱耗量的一部分，應(yīng)把這部分余熱作廢熱處理，即只計(jì)它做功，不記全廠循環(huán)熱量增加，以下計(jì)算也是以此為前提?；以锢頍釗p失是指鍋爐排出的爐渣、飛灰與沉降灰所攜帶的熱量未被利用而引起的熱損失，其計(jì)算公式為

(1)

由式(1)可知，灰渣物理熱損失中鍋爐排渣的物理顯熱損失大小主要決定于排渣量和排渣溫度，鍋爐排渣物理顯熱是鍋爐爐渣排出爐外時帶出的熱量，這部分熱量未被鍋爐所利用進(jìn)而形成灰渣物理顯熱損失，在爐渣離開爐膛時溫度就已確定，其顯熱回收將不影響此項(xiàng)損失，進(jìn)而不影響鍋爐效率，即電廠將鍋爐排渣物理顯熱回收利用基本上不會影響鍋爐效率[6]。

2　改造系統(tǒng)概況

某鹽廠6 MW自備電廠配循環(huán)流化床燃煤鍋爐蒸發(fā)量為50.8 t/h，機(jī)組型號為C6-3.43/0.589，額定工況下從汽輪機(jī)某級抽取蒸汽，改造前額定工況下熱力系統(tǒng)示意圖如圖1所示。汽輪機(jī)抽汽去工藝用汽后只用其熱量，工質(zhì)以凝結(jié)水形式100%回收，額定工況下回水溫度為80 ℃，回水焓為335 kJ/kg，直接進(jìn)入除氧器繼續(xù)循環(huán)利用。

該廠為回收鍋爐排渣物理顯熱，改造加裝了熱回收系統(tǒng)，如圖2所示。鍋爐排渣從進(jìn)渣口進(jìn)入，經(jīng)過熱回收系統(tǒng)將其熱量傳出、溫度降低后從出渣口排出；工藝用汽的蒸汽放熱后進(jìn)入除氧器前先經(jīng)過熱回收系統(tǒng)，其吸熱溫度升高后再送入除氧器，熱回收系統(tǒng)水側(cè)設(shè)有旁路系統(tǒng)，可在系統(tǒng)故障時及時切至旁路運(yùn)行，保證整個工藝用汽系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖1 改造前額定工況下熱力系統(tǒng)示意圖

圖2　高溫爐渣物理熱能回收示意圖

3　鍋爐排渣物理顯熱回收前后機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

3.1　改造前指標(biāo)

本文計(jì)算鍋爐熱負(fù)荷分配給發(fā)電和供熱時采取熱量分配法，即“好處歸電法”。額定工況下鍋爐效率為90%，機(jī)械效率為97.113%，發(fā)電機(jī)效率為95.114%，由系統(tǒng)熱平衡可計(jì)算額定工況下熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

鍋爐總熱負(fù)荷為

Qb=Db(hb-hfw)+Db1(hb1-hfw)

(2)

汽輪機(jī)熱耗量為

(3)

汽輪機(jī)抽汽對工藝用戶供熱量為

Qh=Dhhh-Dhshhs

(4)

將式(2)—(4)進(jìn)一步整理得式(5)—(7)：

Qb=D0h0-Dfwhfw

(5)

Q0=D0(h0-hfw)-Dh(hh-hhs)

(6)

Qh=Dh(hh-hhs)

(7)

全廠管道效率計(jì)算式如下：

(8)

將式(5)—(7)代入式(8)即可得出其值為100%，說明在忽略上文所述反平衡考慮的管道損失情況下全廠管道效率為100%。

鍋爐熱負(fù)荷分配給工藝用汽熱量為

Qbh=Dh(hh-hhs)/ηp=Dh(hh-hhs)

(9)

鍋爐熱負(fù)荷分配給汽輪機(jī)發(fā)電熱量為

Qbe=D0(h0-hfw)-Qh/ηp=D0(h0-hfw)-Dh(hh-hhs)

(10)

汽輪機(jī)內(nèi)功率為

pi=D0h0-Dsgjhsgj-Dhhh-D1h1-D2h2-Dchc

(11)

式中：Dsgi為軸封漏汽量，kg/s；hsgj為軸封漏汽焓，kJ/kg；D1為低壓加熱器抽汽量，kg/s；D2為除氧器抽汽量，kg/s；Dc為汽輪機(jī)排汽量，kg/s。

發(fā)電部分管道效率為

(12)

汽輪機(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率為

(13)

全廠發(fā)電熱效率為

ηcp=ηbηpeηieηmηg

(14)

發(fā)電煤耗率為

(15)

3.2　改造后指標(biāo)

電廠經(jīng)改造加裝熱回收系統(tǒng)后，回水溫度仍為80 ℃，在額定工況下，工藝用汽熱回收系統(tǒng)中的溫升在10 ℃左右，故取加熱后回水溫度為90 ℃，加熱后回水焓為377 kJ/kg?；厮鬟^加熱系統(tǒng)無泄漏，回水率仍為100%。

3.2.1汽輪機(jī)內(nèi)功率

工藝用汽回水經(jīng)熱回收系統(tǒng)加熱獲得熱量，此部分熱量由回水工質(zhì)帶回?zé)崃ο到y(tǒng)，若用熱平衡法計(jì)算這部分熱量產(chǎn)生的汽輪機(jī)做功變化需要求解幾個熱、質(zhì)平衡方程，比較麻煩，還易出錯。本文應(yīng)用等效熱降法，具有計(jì)算簡單、準(zhǔn)確特點(diǎn)。由于比較基準(zhǔn)是改造前工況，所以只計(jì)算回水工質(zhì)多帶來的熱量所引起的汽輪機(jī)功率變化。

進(jìn)入熱力系統(tǒng)的熱量為

(16)

汽輪機(jī)內(nèi)功率增加量為

Δpi=Δqη2

(17)

式中：η2為2號加熱器抽汽效率，由額定工況計(jì)算為20.81%。

汽輪機(jī)內(nèi)功率為

(18)

3.2.2管道效率和實(shí)際循環(huán)熱效率

改造后汽輪機(jī)熱耗量為

(19)

改造后用于發(fā)電的鍋爐熱負(fù)荷為

(20)

改造后發(fā)電管道效率為

(21)

改造后汽輪機(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率為

(22)

4　改造前后機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性比較分析

鍋爐排渣物理顯熱回收利用對全廠的熱經(jīng)濟(jì)性影響最終體現(xiàn)在機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率上。發(fā)電煤耗率降低值為

(23)

為了直觀比較改造前后機(jī)組各項(xiàng)熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化情況，結(jié)合式(2)—(23)，將計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1　改造前后各項(xiàng)熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

由表1可以看出，鍋爐排渣物理顯熱回收后，鍋爐效率不變，汽輪機(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率有所下降，管道效率上升，且比汽輪機(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率變化的幅度大，在忽略機(jī)械效率、發(fā)電機(jī)效率變化情況下，全廠熱效率上升，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率下降6.198 g/kWh。

鍋爐排渣物理顯熱回收利用于熱力系統(tǒng)后，汽輪機(jī)內(nèi)功率增加，汽輪機(jī)熱耗量也將上升且增大幅度比前者大，由式(22)可知汽輪機(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率下降。同時，鍋爐排渣物理顯熱回收的熱量屬于“低品質(zhì)”熱量，其做功效率為2號加熱器抽汽效率，取20.81%，但根據(jù)熱平衡原理將其作為汽輪機(jī)熱耗量的一部分處理，勢必導(dǎo)致汽輪機(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率下降。

在忽略蒸汽管道散熱損失、主給水管道散熱損失、廠用輔助系統(tǒng)熱損失、帶熱量工質(zhì)泄漏損失、鍋爐無排污損失的前提下，管道效率為100%。當(dāng)回收鍋爐排渣物理顯熱，即有外來熱量進(jìn)入熱力系統(tǒng)時，管道效率由100%升至102.796%，這與管道效率應(yīng)小于等于100%相違背。分析其原因，鍋爐排渣物理顯熱回收時，用于發(fā)電的鍋爐熱負(fù)荷不變，但汽輪機(jī)熱耗量將增大，由式(21)正平衡計(jì)算管道效率便可得上述結(jié)果。

鍋爐排渣物理顯熱回收時，若機(jī)組負(fù)荷率為100%，不計(jì)運(yùn)行檢修維護(hù)及其它損耗，只從熱經(jīng)濟(jì)性角度考慮，每年按365天、標(biāo)煤單價按1 000元/t計(jì)算，標(biāo)煤發(fā)熱量為29 270 kJ/kg，鍋爐排渣物理顯熱回收后每年可節(jié)省標(biāo)煤325.8 t，每年為企業(yè)節(jié)約燃煤成本32.58萬元。

5　結(jié)論

a. 鍋爐排渣物理顯熱回收熱量應(yīng)按余熱廢熱處理，不能算在全廠熱耗量和鍋爐熱負(fù)荷上，這部分熱量主要引起汽輪機(jī)熱耗量和內(nèi)功率變化。

b. 鍋爐排渣物理顯熱回收應(yīng)用熱平衡方法計(jì)算可得：鍋爐效率不變，實(shí)際循環(huán)熱效率下降，管道效率上升且上升幅度大于實(shí)際循環(huán)熱效率下降幅度，故全廠熱效率增大，發(fā)電煤耗率下降。

c. 當(dāng)忽略主蒸汽管道散熱損失、給水管道散熱損失、帶熱量工質(zhì)泄漏損失、鍋爐排污損失、廠用輔助系統(tǒng)損失，鍋爐排渣物理顯熱回收外來余熱時，用于發(fā)電的鍋爐熱負(fù)荷不變，但汽輪機(jī)熱耗量將增大，管道效率大于100%。

d. 通過計(jì)算可知，鍋爐排渣物理顯熱回收對

企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益影響很可觀，今后應(yīng)加大對火電廠余熱利用的關(guān)注。