電廠鍋爐優(yōu)化改造試驗(yàn)分析

陳軍華，章文杰，徐鵬志，何建樂(lè)，車方

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電廠鍋爐優(yōu)化改造試驗(yàn)分析

陳軍華1，章文杰2，徐鵬志1，何建樂(lè)1，車方1

（1．華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030； 2．南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇省 南京市 210094）

為進(jìn)一步提高鍋爐效率，減少鍋爐污染物排放，以某電廠鍋爐為研究對(duì)象，對(duì)鍋爐的空預(yù)器密封裝置、水平煙道吹灰系統(tǒng)以及高壓省煤器進(jìn)行等進(jìn)行整體優(yōu)化，對(duì)鍋爐進(jìn)行化學(xué)清洗和保溫處理，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化前后對(duì)鍋爐熱效率及污染物排放進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：與改造前相比，不同負(fù)荷下鍋爐效率平均提高2.3%，同時(shí)供電煤耗降低；鍋爐排煙溫度降低，干煙氣熱損失減少；未燃盡率碳熱損失及空預(yù)器漏風(fēng)率也大幅降低，鍋爐排放NOx濃度達(dá)到排放要求。此次優(yōu)化改造達(dá)到了預(yù)期效果。

鍋爐效率；排煙溫度；空預(yù)器；熱損失；優(yōu)化改造

0　引言

我國(guó)的發(fā)電形式以火電為主，火力發(fā)電量占總發(fā)電量比例超過(guò)80%，發(fā)電消耗煤炭量占我國(guó)煤炭消耗總量的50%左右。然而煤炭在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的塵粒、灰渣、煙氣等會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。隨著國(guó)家政策對(duì)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的日益重視，如何在提高發(fā)電機(jī)組鍋爐效率的同時(shí)降低灰渣、煙氣等污染物的排放，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成為一個(gè)亟待解決問(wèn)題。

應(yīng)明良等[1]通過(guò)更換鍋爐燃燒器，合理布置燃盡風(fēng)噴嘴位置等方法，以達(dá)到降低NOx排放的效果。高繼陸等[2]通過(guò)干式與濕式排渣對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)行干式排渣系統(tǒng)對(duì)鍋爐效率的影響的試驗(yàn)，全面客觀分析和評(píng)價(jià)干排渣和濕排渣系統(tǒng)具有重要和深遠(yuǎn)的意義。焦同帥等[3]以440 t/h CFB鍋爐為對(duì)象，通過(guò)布置大量測(cè)點(diǎn)詳細(xì)測(cè)量了鍋爐系統(tǒng)散熱損失，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度分析，確定了估計(jì)方法造成的鍋爐效率的不確定度。張國(guó)光等[4]通過(guò)對(duì)鍋爐各項(xiàng)熱損失主要影響因素的分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究各個(gè)參數(shù)對(duì)鍋爐各項(xiàng)熱損失和鍋爐熱效率的影響程度。王學(xué)棟等[5]通過(guò)改變輔助風(fēng)配風(fēng)方式、過(guò)量空氣系數(shù)、運(yùn)行負(fù)荷等工況進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定鍋爐尾部煙道NOx排放濃度，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析了鍋爐運(yùn)行工況、運(yùn)行方式對(duì)NOx排放的影響。

李建鋒等[6]以某600 MW超臨界火力發(fā)電機(jī)組的鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù)，對(duì)其進(jìn)行了熱效率和擁效率分析，可以通過(guò)提高蒸汽參數(shù)、降低排煙溫度、降低蒸汽管道的長(zhǎng)度等方法降低煙損失。韓義等[7]針對(duì)330 MW對(duì)沖燃煤鍋爐分別采用不同低氮改造方案，對(duì)改造后的環(huán)保指標(biāo)、受熱面汽溫金屬壁溫指標(biāo)、鍋爐能效指標(biāo)、負(fù)荷響應(yīng)能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并得出最優(yōu)方案。

本次研究對(duì)機(jī)組鍋爐進(jìn)行了全面的診斷和評(píng)估試驗(yàn)，根據(jù)診斷結(jié)果對(duì)鍋爐實(shí)施整體優(yōu)化改造，對(duì)改造前后鍋爐效率、排煙溫度、NOx排放濃度等進(jìn)行對(duì)比分析。

1　項(xiàng)目概況及改造內(nèi)容

1.1　項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目發(fā)電機(jī)組鍋爐為東方鍋爐廠制造的DG 2100/25.4-Ⅱ1型，超臨界參數(shù)變壓直流本生型鍋爐，一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道結(jié)構(gòu)、采用平行擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、平衡通風(fēng)、露天布置。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)2101 t/h，額定蒸汽壓力為25.5 MPa，額定蒸汽溫度571℃，再熱蒸汽溫度569℃。燃煤實(shí)際消耗量244.36 t/h。

1.2　改造內(nèi)容

本次改造內(nèi)容主要包括空預(yù)器改造、水平煙道吹灰裝置改造、鍋爐化學(xué)清洗、省煤器改造以及鍋爐保溫改造等幾方面。具體方案如下：

1）增加暖風(fēng)器對(duì)空預(yù)器進(jìn)口一次風(fēng)和二次風(fēng)進(jìn)行加熱，防止空預(yù)器冷端形成低溫腐蝕，造成空預(yù)器粘灰、堵灰，通過(guò)改造降低空預(yù)器的漏風(fēng)率，提高風(fēng)機(jī)和鍋爐的運(yùn)行效率。

2）對(duì)鍋爐水平煙道吹灰裝置進(jìn)行改造，防止水平煙道處積灰，造成水平煙道水冷壁承受額外負(fù)載，影響鍋爐的安全運(yùn)行。

3）使用EDTA對(duì)鍋爐水垢進(jìn)行清洗，防止水垢對(duì)鍋爐的傳熱造成影響，進(jìn)而降低鍋爐的效率，確保鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

4）在原省煤器受熱面基礎(chǔ)上增加高壓省煤器的換熱面積，以降低鍋爐排煙溫度，提高鍋爐效率。

5）對(duì)鍋爐側(cè)設(shè)備保溫表面超溫進(jìn)行處理，對(duì)主、再熱蒸汽及下降管管道保溫層、爐墻及及二次熱進(jìn)口風(fēng)道等保溫設(shè)備進(jìn)行更換，減少鍋爐的散熱損失。

本次改造還對(duì)遠(yuǎn)程在線監(jiān)督、精細(xì)化調(diào)整進(jìn)行了測(cè)試，主要改造項(xiàng)目如表1所示。

表1主要改造項(xiàng)目
Tab.1Major renovation projects

序號(hào) 項(xiàng)目 1 暖風(fēng)器改造 2 爐底密封改造 3 水平煙道改造 4 保溫治理 5 精細(xì)化調(diào)整 6 化學(xué)清洗 7 遠(yuǎn)程在線監(jiān)督 8 高壓省煤器改造 9 節(jié)能對(duì)標(biāo)管理系統(tǒng) 10 空預(yù)器改造 11 引增合一改造

2　測(cè)量方法及計(jì)算

2.1　測(cè)量方法

采用網(wǎng)格法對(duì)空預(yù)器進(jìn)出口煙氣中NOx等污染物濃度進(jìn)行測(cè)量，取各測(cè)量點(diǎn)的算術(shù)平均作為進(jìn)出口煙氣中NOx濃度值。測(cè)量?jī)x器為T(mén)esto350煙氣分析儀，試驗(yàn)期間每15 min測(cè)量一次。進(jìn)出口煙氣溫度的測(cè)量一次儀表為E型熱電偶，二次儀表為FLUKE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

在空預(yù)器出口安裝的撞擊式取樣裝置進(jìn)行飛灰取樣，試驗(yàn)前清空取樣裝置里的余灰，試驗(yàn)期間將所取飛灰樣均勻混合，進(jìn)行飛灰可燃物含量分析。爐渣在排渣池出口取樣，每次取樣間隔為30 min，試驗(yàn)結(jié)束后將所取渣樣均勻混合，進(jìn)行爐渣可燃物含量分析。在未受到鍋爐熱輻射影響處用電子溫濕度計(jì)測(cè)量送風(fēng)機(jī)入口溫度及環(huán)境濕度，空盒氣壓表測(cè)量大氣壓力，試驗(yàn)期間每15 min測(cè)量記錄一次，取算術(shù)平均值。運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄由運(yùn)行人員根據(jù)表盤(pán)主要運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄，每5 min記錄一次，數(shù)據(jù)記錄結(jié)果取各次記錄的算術(shù)平均值。

2.2　鍋爐效率的計(jì)算

鍋爐效率計(jì)算公式為

式中：為鍋爐熱效率，%；為燃料應(yīng)用基低位發(fā)熱量，kJ/kg；B為對(duì)應(yīng)每kg入爐燃料總的輸入物理熱，kJ/kg；L為鍋爐每kg入爐燃料總的熱損失，根據(jù)本鍋爐情況按下式計(jì)算：

式中：為灰渣中未燃盡碳熱損失，kJ/kg；為干煙氣熱損失，kJ/kg；為入爐燃料中水分引起的熱損失，kJ/kg；為氫燃燒生成水分引起的熱損失，kJ/kg；為空氣中水分引起的熱損失，kJ/kg；為生成一氧化碳而造成的熱損失，kJ/kg；為表面輻射和對(duì)流熱損失，kJ/kg；為不可測(cè)量熱損失(按鍋爐廠設(shè)計(jì)值取常數(shù))，kJ/kg。

2.3　空預(yù)器漏風(fēng)率的計(jì)算

空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率為

式中：為空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率，%；為空氣預(yù)熱器煙道進(jìn)口處煙氣質(zhì)量，kg/kg；為空氣 預(yù)熱器煙道出口處煙氣質(zhì)量，kg/kg。

2.4　NOx排放濃度的計(jì)算

根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)NOx排放濃度進(jìn)行修正。

氮氧化合物質(zhì)量濃度以二氧化氮計(jì)，將體積濃度換算成質(zhì)量濃度。實(shí)測(cè)的氮氧化合物排放濃度，必須按規(guī)定進(jìn)行折算，燃煤鍋爐按O2含量為6%對(duì)應(yīng)的過(guò)量空氣系數(shù)折算值α=1.4進(jìn)行折算，其計(jì)算公式為

式中：C為折算后的氮氧化合物排放濃度，mg/m3；C￠為實(shí)測(cè)氮氧化合物排放濃度，mg/m3；a￠為實(shí)測(cè)的過(guò)量空氣系數(shù)；a為規(guī)定的過(guò)量空氣折算系數(shù)。

3　優(yōu)化前后結(jié)果分析

在對(duì)鍋爐進(jìn)行整體優(yōu)化后，對(duì)鍋爐進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，從排煙熱損失、未燃盡碳熱損失、空預(yù)器漏風(fēng)率、鍋爐效率以及NOx排放濃度5個(gè)方面與優(yōu)化前鍋爐進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1　排煙熱損失

排煙熱損失是指煙氣排出鍋爐的焓值高于空氣進(jìn)入鍋爐時(shí)的焓值所造成的熱量損失，排煙損失是鍋爐最主要的一項(xiàng)熱損失，排煙熱損失的大小取決于排煙溫度，鍋爐排煙溫度越高，熱損失越大，鍋爐效率降低。

不同負(fù)荷下鍋爐排煙溫度優(yōu)化前后變化如 圖1所示。由圖1可知，優(yōu)化后鍋爐排煙溫度與優(yōu)化前相比平均降低了22℃，降幅明顯。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)鍋爐尾部受熱面以及空預(yù)器的優(yōu)化改造，受熱面積灰、結(jié)渣和結(jié)垢得到清除，傳熱效果得到增強(qiáng)，輻射吸熱量增大，排煙溫度降低，排煙熱損失減小。干煙氣熱損失隨著排煙溫度的降低而降低，優(yōu)化前后干煙氣熱損失變化如圖2所示，優(yōu)化后干煙氣熱損失明顯降低。

圖1　不同工況下鍋爐排煙溫度變化 Fig.1　Change of boiler exhaust temperature under different working conditions

圖2　不同工況下鍋爐干煙氣熱損失變化 Fig.2　Change of heat loss of dry flue gas of boiler under different working conditions

3.2　未燃盡碳熱損失

未燃盡碳熱損失是指固體炭顆粒在爐內(nèi)未完全燃燒即隨飛灰和爐渣一同排出爐外而造成的熱損失。未燃盡碳熱損失反映了煤炭燃燒的完全程度，是判斷鍋爐效率的重要指標(biāo)。

優(yōu)化前后未燃盡碳損失變化如圖3所示。優(yōu)化前鍋爐在機(jī)組電負(fù)荷為660、540、400和330 MW時(shí)的未燃盡碳損失分別為2.12%、1.47%、1.33%和1.24%。優(yōu)化改造后未燃盡碳損失分別為0.84%、1.04%、0.89%、1.73%。優(yōu)化后灰渣中未燃盡碳熱損失較優(yōu)化前大幅下降，通過(guò)優(yōu)化改造后，煤炭在鍋爐內(nèi)燃燒更加充分，鍋爐效率得到提高。

圖3　不同工況下灰渣中未燃盡碳熱損失變化 Fig.3　Change of unburned carbon heat loss in ash under different conditions

3.3　空預(yù)器漏風(fēng)率

空預(yù)器漏風(fēng)會(huì)導(dǎo)致鍋爐機(jī)組熱力工況發(fā)生改變，空預(yù)器漏風(fēng)量增加會(huì)導(dǎo)致鍋爐的排煙溫度降低，進(jìn)而加速冷端換熱元件的低溫腐蝕；漏風(fēng)會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，不僅使機(jī)組的熱效率降低，還增加送、引風(fēng)機(jī)對(duì)能源的消耗。

空預(yù)器漏風(fēng)率優(yōu)化改造前后變化如圖4所示。 由圖4可知，優(yōu)化改造后鍋爐空預(yù)器漏風(fēng)率較修前平均下降6.8%。優(yōu)化改造前330 MW時(shí)鍋爐漏風(fēng)率達(dá)到15.3%，改造后鍋爐漏風(fēng)率降低至9.6%，660 MW工況下漏風(fēng)率可以低至4.8%，改造效果明顯。

圖4　不同工況下空預(yù)器漏風(fēng)率變化 Fig.4　Change of air leakage rate of air preheater under different working conditions

3.4　鍋爐效率

本文通過(guò)計(jì)算干煙氣熱損失、未燃盡碳熱損失、生成一氧化碳造成的熱損失以及其他熱損失對(duì)鍋爐的效率進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。優(yōu)化前后不同工況下鍋爐效率如圖5所示。整體優(yōu)化改造后鍋爐在機(jī)組電負(fù)荷為660、540、400、330 MW時(shí)經(jīng)進(jìn)風(fēng)溫度與煤質(zhì)修正后的熱效率分別為92.93%、93.31%、93.59%、92.67%。與優(yōu)化改造前修正后的熱效率90.46%、90.99%、91.05%、90.95%相比，4種工況下鍋爐效率均得到較大的提高，平均提高2.3%，改造后鍋爐煤耗為277.8 g/(kW·h)，與改造前相比煤耗降低了6.5 g/(kW·h)。這是因?yàn)榻?jīng)整體優(yōu)化改造后鍋爐性能得到較大改善，排煙溫度降低，干煙氣熱損失、未燃盡碳熱損失及空預(yù)器漏風(fēng)率降低。本次優(yōu)化改造還對(duì)鍋爐重新進(jìn)行綜合保溫處理，其保溫性能有所提升，降低了鍋爐散熱損耗。采用化學(xué)藥劑對(duì)鍋爐內(nèi)部水垢進(jìn)行清除，增強(qiáng)鍋爐受熱面導(dǎo)熱性，也提升了鍋爐效率。

表2　鍋爐效率試驗(yàn)數(shù)據(jù) Tab.2　Boiler efficiency test data

圖5　不同工況下鍋爐效率變化 Fig.5　Change of boiler efficiency under different working conditions

3.5　NOx排放濃度

試驗(yàn)測(cè)定了不同負(fù)荷下NOx的排放量，測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可知，鍋爐在660、540、400、330 MW負(fù)荷下，實(shí)測(cè)NOx體積排放濃度分別為27.25、23.13、29.83、22.08 mL/m3。過(guò)量空氣系數(shù)為1.4時(shí)，修正后NOx的質(zhì)量排放濃度分別為49、40、57、41 mg/Nm3，經(jīng)脫硝改造后鍋爐在空預(yù)器入口測(cè)得的NOx排放濃度污染物排放的要求，但在試驗(yàn)中脫硝入口的NOx濃度較高，達(dá)到600 mg/m3以上，為保證較低的污染物排放水平，脫硝反應(yīng)器必須保持較高的噴氨量。

4　結(jié)論

通過(guò)制定詳細(xì)的改造方案對(duì)某電廠的鍋爐進(jìn)行優(yōu)化改造，通過(guò)測(cè)試和理論計(jì)算對(duì)優(yōu)化前后空預(yù)器漏風(fēng)率、排煙溫度、未燃盡碳熱損失、鍋爐的效率、污染物排放濃度等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1）與優(yōu)化前相比，鍋爐效率平均提高2.3%，改造后鍋爐煤耗為277.8 g/(kW×h)，與改造前相比降低供電煤耗6.5 g/(kW·h)。

2）不同工況下鍋爐排煙溫度與優(yōu)化前相比平均降低了22℃，干煙氣熱損失減小，未燃盡碳熱損失與優(yōu)化前相比也顯著降低。

3）改造后不同工況下，鍋爐空預(yù)器的漏風(fēng)率大幅降低；NOx排放濃度達(dá)到新國(guó)標(biāo)對(duì)于污染物排放的要求。

通過(guò)對(duì)鍋爐整體優(yōu)化改造，鍋爐效率得到提高，污染物排放濃度降低，取得了預(yù)期的效果。

參考文獻(xiàn)

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Experimental and Analysis on Optimization of a Boiler in Power Plant

CHEN Junhua1, ZHANG Wenjie2, XU Pengzhi1, HE Jianle1, CHE Fang1
(1.Huadian Electric Power Research Institute Co., LTD., Hangzhou 310030, Zhejiang Province,China; 2.School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu Province, China)

In order to improve boiler efficiency and reduce the emission of boiler pollutants, this paper take a power plant as the research object, the overall optimization of the boiler’s air preheater seal device horizontal flue ash blower system and high-pressure economizer.were carried out, chemical cleaning and heat treatment were also carried out for bolier, and the thermal efficiency and pollutant discharge of the boiler ware tested before and after the optimization.Compared with that before the optimization, the efficiency of boiler is increased by 2.3% under different loads and the coal consumption is reduced at the same time.The unburned carbon heat loss and the air leakage rate of air preheater is also greatly reduced.The concentration of NOxdischarged from the boiler has reached the requirement.The optimized reform has achieved the expected effect.

boiler efficiency; fume exhaust temperature; air-preheater; heat loss; optimization and transformation

2018-08-08。

陳軍華(1983)，男，工程師，從事鍋爐技術(shù)研究，junhua-chen@chder.com；

陳軍華

章文杰(1986)，男，博士，講師，研究方向?yàn)闊崮芘c動(dòng)力工程，zhangwenjie001@139.com。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0702203)。

Project Supported by National Key Research and Development Plan (2017YFC0702203).

10.12096/j.2096-4528.pgt.18153

(責(zé)任編輯楊陽(yáng))