火電廠燃油系統(tǒng)循環(huán)溫升的計(jì)算方法研究

陳 勇，趙 鵬，陳 辰

(中南電力設(shè)計(jì)院 ，湖北 武漢 430071)

鍋爐點(diǎn)火及助燃油系統(tǒng)是火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)的重要組成部分，除鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)階段向鍋爐供油以外，當(dāng)鍋爐處于低負(fù)荷燃燒不穩(wěn)定的狀況下，燃油系統(tǒng)也需要隨時(shí)投入使用以滿足穩(wěn)定燃燒的功能。根據(jù)GB50660－2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》，電廠一般設(shè)有2～3臺(tái)供油泵，單臺(tái)泵容量在35%～100%之間。

為保證燃油系統(tǒng)能隨時(shí)投入，即使鍋爐不需要燃油的時(shí)候，也需要投入油泵，在油罐區(qū)和爐前作油循環(huán)，保持熱備用的狀態(tài)，以保證需要的時(shí)候能快速投入油槍。由于油泵對(duì)燃油做功，燃油在油罐區(qū)和爐前反復(fù)循環(huán)過程中油溫不斷升高，危及油系統(tǒng)的安全運(yùn)行。為降低油溫，有的電廠設(shè)置了油冷卻器，有的電廠在運(yùn)行中對(duì)油罐進(jìn)行噴淋降溫，但效果不一定顯著。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，油泵的出力、油罐的容量等參數(shù)對(duì)燃油系統(tǒng)的溫升都有重要的影響，但一直以來未有有效的計(jì)算方法對(duì)燃油系統(tǒng)的溫升進(jìn)行定量地分析，本文將油罐、油泵和管道系統(tǒng)作為一個(gè)整體，對(duì)燃油系統(tǒng)循環(huán)溫升的計(jì)算方法進(jìn)行研究，從而擬定燃油系統(tǒng)溫升程度的判別準(zhǔn)則，可作為燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇的理論依據(jù)。

1 油循環(huán)溫升的機(jī)理分析

1.1 油循環(huán)過程的熱量輸入來源

供油泵在運(yùn)行中消耗能量做功，根據(jù)機(jī)組容量、鍋爐型式、燃煤品質(zhì)、油泵數(shù)量的不同，燃煤電廠的點(diǎn)火助燃油系統(tǒng)的單臺(tái)供油泵消耗的功率在50～150 kW之間，這部分消耗的功率分為兩部分：

(1)一部分屬于有效功，這部分做功提升了燃油的壓頭，增加了燃油的動(dòng)能。但這部分有效功在燃油在油罐區(qū)和爐前循環(huán)過程中，以克服管道的摩擦阻力和局部阻力的形式，最終仍然會(huì)轉(zhuǎn)化成熱量，提升了燃油溫度。

(2)另外一部分則屬于無效功，如DY型多級(jí)離心油泵，根據(jù)級(jí)數(shù)、流量和揚(yáng)程的不同，有效功大約在30%～70%之間，剩下部分無效功在油泵內(nèi)直接轉(zhuǎn)換成熱量，大部分提升了燃油的溫度，少部分提升了泵體的溫度，最后耗散在環(huán)境中。

因此，根據(jù)上述分析，如不考慮油管道、油罐和泵體的散熱損失，若鍋爐不消耗燃油，供油泵消耗的功率最終將全部轉(zhuǎn)換為熱量，從而提升了燃油的溫度。

其他的輸入熱量來源還包括：對(duì)于北方寒冷地區(qū)，為防止低溫燃油凝固，需要在油罐內(nèi)設(shè)置加熱器，嚴(yán)寒地區(qū)還需要對(duì)管道進(jìn)行伴熱；對(duì)于燃用重質(zhì)燃料如重油及其他燃料油，為滿足鍋爐油槍的粘度要求，還需要設(shè)置燃油加熱器，可將燃油加熱至100℃以上；火電廠的油罐多為露天布置，沒有防曬設(shè)置，夏季陽光直射也是輸入熱量的來源之一。

1.2 油循環(huán)過程的熱量輸出途徑

油循環(huán)過程的熱量途徑主要來源于油罐和燃油管道的散熱損失；如燃油系統(tǒng)中設(shè)置了油冷卻器，則冷卻器將成為油循環(huán)過程的熱量輸出途徑。當(dāng)鍋爐油槍處于投運(yùn)狀態(tài)時(shí)，一部分燃油投入爐膛燃燒，則這部分燃油攜帶的熱量當(dāng)然也隨之耗散在爐膛燃燒過程中，因此也可以視為油系統(tǒng)熱量輸出的一種途徑。

1.3 燃油系統(tǒng)的熱平衡

根據(jù)上述分析，將油罐、油泵和管道作為一個(gè)整體系統(tǒng)，該系統(tǒng)的熱平衡可如圖1所示，熱量輸入來源包括油泵做功、油罐加熱器、燃油加熱器、燃油管道伴熱和日照，熱量輸出途徑包括油罐散熱、燃油管道散熱、燃油冷卻器和燃油入爐燃燒帶走的熱量。當(dāng)熱量輸入和輸出達(dá)到平衡時(shí)，燃油的溫度保持恒定，當(dāng)熱量輸入大于熱量輸出時(shí)，燃油溫度將會(huì)持續(xù)上升，直至達(dá)到一個(gè)新的平衡或者燃油系統(tǒng)被迫停止運(yùn)行。

圖1 燃油系統(tǒng)的熱平衡示意圖

2 油循環(huán)溫升的計(jì)算方法

2.1 計(jì)算的原則和簡(jiǎn)化方法

本文主要研究在夏季高溫氣候環(huán)境下油循環(huán)溫升的計(jì)算方法，目的是保證燃油系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。由于對(duì)于南方部分地區(qū)夏季環(huán)境溫度即可達(dá)40℃左右，在這種環(huán)境下如不能控制燃油的溫度上升，燃油溫度可能會(huì)接近甚至超過燃油閃點(diǎn)，對(duì)燃油系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成隱患。另外，為減少計(jì)算工作量，對(duì)計(jì)算的輸入條件作如下簡(jiǎn)化：

油罐加熱器和燃油管道伴熱的作用主要是在環(huán)境溫度較低時(shí)，降低燃油的粘度、保證燃油的流動(dòng)性，而在環(huán)境溫度較高和燃油溫度已經(jīng)有可能危及系統(tǒng)安全的情況下，油罐加熱器和燃油管道伴熱是可以停止投入使用的，因此，本計(jì)算中不考慮油罐加熱器和燃油管道伴熱的輸入熱量。

對(duì)于輕柴油管道，由于管道的散熱面積較小，且在夏季環(huán)境溫度較高時(shí)，管道內(nèi)的油溫和環(huán)境溫度相差不大，散熱損失很小，可以忽略不計(jì)。對(duì)于需要保溫伴熱的重油管道，散熱損失的熱量基本上可以由伴熱管道的熱量得到了補(bǔ)償，因此油管道的散熱損失也可以忽略不計(jì)，以簡(jiǎn)化計(jì)算過程。

燃油冷卻器在經(jīng)過計(jì)算分析后燃油溫升速率不能滿足安全性要求的條件下采用，在初期分析計(jì)算時(shí)可不考慮。

理論上日照也會(huì)帶來一定的輸入熱量，但與油罐的散熱量相比，日照輸入熱量很小，全國大部分地區(qū)日照強(qiáng)度約0.15～0.20 kW/m2，考慮到傳熱效率和油罐的保溫后輸入熱量更小，遠(yuǎn)小于罐頂和管壁的散熱損失，因此本計(jì)算中忽略不計(jì)，以簡(jiǎn)化計(jì)算。

2.2 油循環(huán)溫升的判別式

不考慮入爐燃燒的部分，油罐內(nèi)的燃油在油循環(huán)過程中的溫升速率可按公式(1)計(jì)算：

式中：Δtoil為油罐內(nèi)的燃油溫升速率(℃/h)；Coil為燃油比熱(kJ/(kg·℃))，根據(jù)燃油的特性資料確定；Vt為油罐內(nèi)儲(chǔ)存的燃油的質(zhì)量(t)，按油罐中間液位計(jì)算；Δth為燃油加熱器的設(shè)計(jì)溫升(℃)，如沒有燃油加熱器，此項(xiàng)取零；Hdv為油罐的散熱損失(kW)；Vre為回油量(t/h)；Vf為油泵出口油量(t/h)。

Hp為油泵對(duì)燃油做功轉(zhuǎn)化為的熱量(kW)，按公式(2)計(jì)算：

式中：Pf為油泵對(duì)燃油做功的功率(kW)，對(duì)于定速油泵，取油泵額定出力下的軸功率；對(duì)于變頻調(diào)速油泵，取在滿足爐前油壓的條件下，油泵的軸功率。

2.3 油罐的散熱損失計(jì)算

油罐的散熱損失是燃油系統(tǒng)熱量散失的主要途徑，油罐容量越大，存油量越多，散熱損失大，燃油溫升速率就慢；反之，對(duì)于采用了微油點(diǎn)火或等離子點(diǎn)火裝置的電廠，油罐容量通常都較小，散熱損失小，就容易造成燃油系統(tǒng)超溫。

由于火力發(fā)電廠使用的油罐一般為鋼制地上式油罐，因此計(jì)算油罐的散熱損失計(jì)算時(shí)作以下假定：(1)罐底的散熱損失為零。(2)罐壁的熱阻可以忽略不計(jì)。(3)油罐裝滿系數(shù)按0.9計(jì)算。

(1)火電廠油罐的散熱損失按公式(3)計(jì)算。

式中：Hdv為油罐的散熱損失(kW)；ar為經(jīng)罐頂向空氣的傳熱系數(shù)(W/(m2·℃))，罐頂無保溫層時(shí)，取ar=0.7，罐頂有保溫層時(shí)，取ar=0.35；Fr為罐頂?shù)谋砻娣e(m2)，根據(jù)油罐的幾何尺寸計(jì)算；Fw為罐壁的表面積(m2)，根據(jù)油罐的幾何尺寸計(jì)算；

(2)tav為燃油的平均溫度(℃)，按公式(4)計(jì)算。

式中：tb為環(huán)境溫度，取夏季室外通風(fēng)計(jì)算溫度；t2為燃油升溫后的溫度(℃)，本計(jì)算方法主要目的是校核夏季高溫時(shí)油罐的溫升，按公式(5)計(jì)算t2：

式中：tfp為燃油的閃點(diǎn)；

(3)aw為經(jīng)罐壁向空氣的傳熱系數(shù)，按下列公式計(jì)算。

①當(dāng)罐壁無保溫時(shí)，按公式(6)計(jì)算(W/(m2·℃ ))。

式中：α1為燃油向罐側(cè)壁的放熱系數(shù)(W/(m2·℃ ))；

式中：ρ20為 20℃時(shí)燃油的密度(kg/m3)；vt為燃油在定性溫度時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度(mm2/s)。

式中：tw為油罐的側(cè)壁溫度(℃)。

可根據(jù)表1中的tav及tb先進(jìn)行假定，在計(jì)算出αw值及α1以后，再利用公式(9)對(duì)假定的tw進(jìn)行驗(yàn)算：

表1 根據(jù)tav及tb假定tw的參考范圍(℃)

式中：a2為罐側(cè)壁向空氣的對(duì)流放熱系數(shù)(W/(m2·℃))，按公式(10)計(jì)算。

式中：C，n為系數(shù)，根據(jù)雷諾數(shù)Re按表2取用。λb為環(huán)境溫度tb時(shí)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m2·℃))，可按表3取用。

表2 Re與C，n的關(guān)系

Re按公式(11)計(jì)算。

式中：Wb為環(huán)境溫度時(shí)的平均風(fēng)速(m/s)；D為油罐直徑(m)；；vb為環(huán)境溫度tb時(shí)空氣的運(yùn)動(dòng)黏度(mm2/s)。vb可按表3取用。

表3 一個(gè)大氣壓下干空氣的物理常數(shù)

α3為罐側(cè)壁向空氣的輻射放熱系數(shù)(W/(m2·℃))，按公式(12)計(jì)算。

式中：ε為管壁表面黑度，可取0.90。

②當(dāng)油罐罐壁有保溫時(shí)，經(jīng)罐壁向空氣的傳熱系數(shù)，按公式(13)計(jì)算。

式中：δ為罐壁保溫層的厚度(m)；λ為罐壁保溫層材料導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m?K))。

3 實(shí)際工程算例

北方某電廠裝機(jī)容量為2×150 MW機(jī)組，鍋爐為2×540 t/h煤粉鍋爐，安裝等離子點(diǎn)火裝置，同時(shí)保留常規(guī)的大油槍系統(tǒng)作為備用。由于油系統(tǒng)僅作備用，油罐區(qū)只設(shè)2座200 m3輕柴油儲(chǔ)罐，油品冬季采用－20號(hào)輕柴油，平常采用0號(hào)輕柴油。油泵房設(shè)3×50%供油泵，油泵型號(hào)為65AY50x10型多級(jí)離心泵，出力為20 m3/h，揚(yáng)程為500m油柱，油泵效率為49%，油泵電機(jī)型號(hào)為YB2 280M－2型，功率為90 kW。

油系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)油溫上升較快，在未投入伴熱系統(tǒng)的情況下，供油泵進(jìn)出口油溫達(dá)43～48℃，油罐油溫已達(dá)到44℃，并且還有繼續(xù)上升的趨勢(shì)。電廠投入臨時(shí)水源給供油泵泵體淋水降溫、采用軸流風(fēng)機(jī)吹風(fēng)冷卻、倒換油罐運(yùn)行、提高油罐油位等措施，效果仍不明顯，供油泵進(jìn)出口油溫仍在41～45℃，油罐溫度在38℃高位運(yùn)行，經(jīng)常被迫停止油系統(tǒng)運(yùn)行。表4為油溫的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看到，在監(jiān)測(cè)的兩個(gè)小時(shí)內(nèi)，油罐下層油溫在2小時(shí)上升了2.2℃，平均1.1℃/h。

表4 油罐的油溫變化數(shù)據(jù)

為分析解決問題，采用前文計(jì)算方法對(duì)燃油系統(tǒng)的溫升速率進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 燃油溫升速率計(jì)算

可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。根據(jù)上述計(jì)算方法和算例結(jié)果還可以看出：由于油罐的散熱損失量不大，如果油罐有保溫的話散熱損失更小，決定油系統(tǒng)循環(huán)溫升速度的主要還是油罐的容量和油泵的功率，如上述案例中，如果油罐容量增加為500 m3，則(保溫)油罐溫升可降低至0.3℃/h，如果油泵功率減少至35 kW，(保溫)油罐溫升可降低至0.35℃/h。

4 結(jié)論和建議

根據(jù)上文對(duì)燃油系統(tǒng)循環(huán)溫升的計(jì)算方法的理論研究和實(shí)際案例驗(yàn)證，該計(jì)算方法的結(jié)論基本合理，可以作為燃油系統(tǒng)溫升嚴(yán)重程度的判別準(zhǔn)則和燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇的理論依據(jù)。同時(shí)，根據(jù)對(duì)上述計(jì)算結(jié)論的分析，對(duì)燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出如下建議：

(1)當(dāng)燃煤機(jī)組采用等離子點(diǎn)火或微油點(diǎn)火裝置，從而減小了油罐的容量時(shí)，有必要對(duì)燃油系統(tǒng)的循環(huán)溫升進(jìn)行校核計(jì)算，當(dāng)不滿足要求時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)措施：如單獨(dú)設(shè)置小容量的循環(huán)油泵、供油泵采用變頻調(diào)速等，以降低油泵的輸入功率。如仍不能滿足要求，可考慮設(shè)置油冷卻器。

(2)當(dāng)環(huán)境氣候適宜時(shí)，可不對(duì)油罐進(jìn)行保溫，冬季溫度較低時(shí)，可通過油循環(huán)的方式維持燃油溫度，保證燃油的流動(dòng)性。