基于實時數(shù)據(jù)庫的電站鍋爐熱效率在線計算方法

應(yīng)明良，呂洪坤，茅建波，徐小瓊，張曉龍

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

鍋爐熱效率是反映鍋爐運行經(jīng)濟性的一項非常重要的技術(shù)經(jīng)濟指標。 鍋爐熱效率在線計算可為優(yōu)化調(diào)整鍋爐運行工況提供詳盡的技術(shù)數(shù)據(jù)，并在運行過程中實時計算出鍋爐的正平衡或反平衡效率，及時了解鍋爐的運行狀況及各項損失的大小，對于提高鍋爐運行的經(jīng)濟性和運行調(diào)節(jié)水平具有重要的意義。

根據(jù)鍋爐性能試驗標準（國家標準和美國標準）進行鍋爐熱效率計算時，涉及的參數(shù)繁多且實時監(jiān)測比較困難，在線計算具有一定的難度[1]。 無論是采用輸入-輸出熱量法（即正平衡法）或熱損失法（即反平衡法）進行計算時，都需要涉及入爐煤的煤質(zhì)特性，包括煤的工業(yè)分析、元素分析、高位/低位發(fā)熱量等[2-3]。 有些發(fā)電廠安裝了煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)，測定煤中的灰分、水分和元素組成，進行鍋爐熱效率的在線計算[4]；大多數(shù)發(fā)電廠沒有安裝煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)，且發(fā)電廠現(xiàn)場煤質(zhì)分析只有工業(yè)分析，無法依據(jù)標準進行實時計算。 因此，在鍋爐效率在線計算系統(tǒng)的處理過程中，往往是將前一工作日的采樣分析結(jié)果作為當前燃料的特性處理，并根據(jù)工業(yè)分析結(jié)果進行元素分析數(shù)據(jù)的近似推算，這種處理方式必然給在線計算結(jié)果帶來一定的誤差[5-7]。 文獻[8]提出不需要入爐煤煤質(zhì)參數(shù)和灰渣可燃物含量進行鍋爐反平衡熱效率的計算，但根據(jù)煙氣成分進行固體未完全燃燒熱損失計算有一定的局限性。

本文提出一種利用機組實時運行數(shù)據(jù)進行鍋爐熱效率在線計算的方法。 該方法建立在機組運行監(jiān)控參數(shù)（汽水系統(tǒng)、煙氣參數(shù)）的基礎(chǔ)上，利用在線飛灰含碳量測量裝置數(shù)據(jù)，能夠在不進行煤質(zhì)測試的情況下，滿足鍋爐熱效率計算的要求。

1 實時數(shù)據(jù)平臺簡介

基于實時數(shù)據(jù)平臺的浙江省電力行業(yè)節(jié)能減排監(jiān)管系統(tǒng)實現(xiàn)海量實時數(shù)據(jù)的自動采集、歷史數(shù)據(jù)的壓縮存儲、高效的查詢檢索和統(tǒng)計分析[9]，能夠在線存儲數(shù)百萬甚至上千萬采集點的數(shù)年歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)涵蓋發(fā)電廠的鍋爐、汽機、環(huán)保等專業(yè)，目前數(shù)據(jù)采集分辨率達到15 s。

該系統(tǒng)實現(xiàn)了對在線數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、計算、分析、發(fā)布、共享等全過程的數(shù)字化管理，用戶可根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型和公式建立計算點[10]，由系統(tǒng)自動計算并存儲計算結(jié)果，實時監(jiān)視火力發(fā)電機組的運行能耗、排放等情況，為電力行業(yè)的節(jié)能減排目標制定提供決策依據(jù)。

2 鍋爐熱效率計算模型

由于無法獲得鍋爐入爐煤的煤質(zhì)特性實時數(shù)據(jù)，以鍋爐總輸出熱量代替鍋爐輸入熱量，根據(jù)鍋爐的有效輸出熱量和總輸出熱量計算鍋爐熱效率：

式中：ηgl為鍋爐熱效率；Qgq為過熱蒸汽吸收的能量；Qzq為再熱蒸汽吸收的熱量；Qpy為鍋爐熱力邊界出口煙氣輸出的能量；Qfh為鍋爐熱力邊界出口飛灰輸出的能量；Qlz為鍋爐熱力邊界出口爐渣輸出的熱量；Qsr為鍋爐的散熱損失；Qpw為鍋爐排污水輸出的能量；Qsm為磨煤機排出石子煤輸出的熱量；Qxl為鍋爐側(cè)泄漏汽、水輸出的能量。

2.1 過熱蒸汽吸收的能量

根據(jù)鍋爐末級過熱器出口蒸汽流量、蒸汽壓力和溫度、省煤器入口給水流量測點之前噴入鍋爐水側(cè)的各級減溫水流量、省煤器入口給水溫度和壓力、省煤器入口給水流量測點之前噴入鍋爐水側(cè)的各級減溫水溫度和壓力的實時數(shù)據(jù)進行過熱蒸汽吸收的熱量Qgq的計算。

式中：i 為當前級數(shù)；n 為省煤器入口給水流量測點之前噴入鍋爐水側(cè)的減溫水級數(shù)；Dgqc為鍋爐末級過熱器出口蒸汽流量；Dgiw-i為省煤器入口給水流量測點之前噴入鍋爐的各級減溫水流量；hgqc為鍋爐末級過熱器出口蒸汽的焓值；hfw為省煤器入口給水的焓值；hgiw-i為省煤器入口給水流量測點之前噴入鍋爐水側(cè)的各級減溫水的焓值。

2.2 再熱蒸汽吸收的熱量

根據(jù)再熱器進口的蒸汽流量、再熱器水側(cè)噴入的減溫水量、再熱器出口蒸汽壓力和溫度、再熱器進口蒸汽壓力和溫度，以及再熱器減溫水的壓力和溫度的實時數(shù)據(jù)，進行再熱蒸汽吸收的熱量Qzq的計算。

式中：Dzqj為再熱器進口的蒸汽流量；Dzjw為再熱器水側(cè)噴入的減溫水流量；hzqc，hzqj分別為再熱器出口、進口蒸汽的焓值；hzjw為再熱器減溫水的焓值。

2.3 鍋爐熱力邊界出口煙氣輸出的能量

鍋爐熱力邊界出口煙氣輸出能量的計算公式為：

鍋爐熱力邊界出口的煙氣量Vpy可根據(jù)CEMS（煙氣自動監(jiān)控系統(tǒng)）數(shù)據(jù)（包括排放口煙氣流量、煙氣含氧量等）以及鍋爐熱力邊界出口處的煙氣含氧量進行相應(yīng)計算得出。

式中：CCO2，CH2O，CO2，CCO，CSO2，CN2分別為CO2，H2O，O2，CO，SO2，N2從t0到tpy的平均定壓比熱；φ（Xi）′為扣除吹灰蒸汽對尾部煙氣稀釋影響之后煙氣中氣體Xi（i=1，2，3，4，5，6）的體積分數(shù)，X1—X6分別代表CO2，O2，CO，SO2，N2，H2O。

式中：φ（Xi）為鍋爐熱力邊界出口煙氣中氣體Xi的體積分數(shù)。

基于目前國家對溫室氣體排放量控制的要求，可以在機組排放口加裝CO2濃度測量元件，然后進行鍋爐熱力邊界出口煙氣CO2含量的計算。 另外，根據(jù)ASME（美國機械工程師協(xié)會）標準關(guān)于CO2含量計算方法可知，同一煤種在灰渣含碳量不變的情況下，鍋爐熱力邊界出口煙氣CO2含量與氧量基本成線性關(guān)系，故可根據(jù)燃煤情況推導(dǎo)出鍋爐熱力邊界出口煙氣CO2含量與氧量的擬合公式，根據(jù)氧量進行CO2含量的計算。

鍋爐熱力邊界出口煙氣水分含量可由鍋爐煙氣脫硝裝置進/出口煙氣含氧量（干態(tài)）、省煤器出口/空氣預(yù)熱器進口煙氣含氧量（濕態(tài)）進行計算。

鍋爐未完全燃燒產(chǎn)生的CO 濃度一般很小，可忽略不計。 但如果在脫硝反應(yīng)器進/出口或煙囪排放口等煙道處安裝的CEMS（煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)）中有CO 濃度測量元件，由于CO 含量受漏風的影響比氧量要小得多[11]，則可以根據(jù)CO 含量測量值進行鍋爐熱力邊界出口煙氣CO 含量的計算。

對于吹灰蒸汽流量，可安裝相關(guān)裝置進行測量，也可根據(jù)省煤器入口給水流量、鍋爐末級過熱器出口蒸汽流量、省煤器入口給水流量測點之前噴入鍋爐水側(cè)的各級減溫水流量進行計算。

2.4 鍋爐熱力邊界出口飛灰、爐渣輸出的熱量

根據(jù)鍋爐熱力邊界出口煙氣中的飛灰濃度、鍋爐熱力邊界出口煙氣溫度、鍋爐熱力邊界出口煙氣中飛灰可燃物含量等實時數(shù)據(jù)進行鍋爐熱力邊界出口飛灰和爐渣輸出熱量的計算。

式中：μ（ash）為鍋爐熱力邊界出口煙氣中的飛灰質(zhì)量濃度；hfh為鍋爐熱力邊界出口煙氣中飛灰熱焓值；hfh0為磨煤機入口原煤溫度條件下的飛灰熱焓值；a 為鍋爐熱力邊界出口飛灰與爐渣的質(zhì)量比，對于固態(tài)排渣煤粉鍋爐可取a=9：1；hlz為鍋爐熱力邊界出口爐渣熱焓值；hlz0為磨煤機入口原煤溫度條件下的爐渣熱焓值；cfh為鍋爐熱力邊界出口煙氣中飛灰可燃物含量，由于爐渣質(zhì)量只占灰渣總量的10%，且沒有爐渣可燃物含量在線測量裝置，故爐渣可燃物含量取值為飛灰可燃物含量，對計算結(jié)果影響很小。

2.5 鍋爐排污水輸出的能量

根據(jù)鍋爐的排污水量等實時數(shù)據(jù)進行鍋爐排污水輸出能量的計算。

式中：Dpw為鍋爐的排污水量，對于非超（超）臨界機組鍋爐的連排、定排流量可安裝流量測量裝置，或根據(jù)機組實際情況設(shè)定鍋爐的連排流量數(shù)值；hpw為鍋爐排污水的焓值。

2.6 磨煤機排出石子煤輸出的熱量

根據(jù)磨煤機排出的石子煤量、石子煤發(fā)熱量、排出石子煤的顯熱焓值等實時數(shù)據(jù)進行磨煤機排出石子煤輸出熱量的計算。 如果石子煤量很少，此項可忽略不計。

式中：Msm為磨煤機排出的石子煤量；Qsmfr為石子煤發(fā)熱量；hsm為排出石子煤的顯熱焓值；hsm0為磨煤機入口原煤溫度條件下石子煤的顯熱焓值。

2.7 散熱損失

根據(jù)鍋爐末級過熱器出口額定蒸汽流量和鍋爐末級過熱器出口蒸汽流量等實時數(shù)據(jù)進行鍋爐散熱損失的計算。

式中：Dr，gqc為鍋爐末級過熱器出口額定蒸汽流量。

3 計算實例

一般情況下，鍋爐過熱蒸汽流量沒有專門測量裝置，可根據(jù)給水流量、過熱器減溫水流量進行計算，給水流量可在不同負荷下性能試驗時根據(jù)計算出來的主蒸汽流量進行修正得出。 再熱器進口蒸汽流量可根據(jù)汽輪機側(cè)相關(guān)熱平衡進行計算[12]。 由于磨煤機正常運行時石子煤排放量比較少，且石子煤發(fā)熱量也不大，磨煤機排出石子煤所輸出的熱量基本可忽略不計。

不同機組負荷下鍋爐熱效率實時計算結(jié)果與性能試驗工況結(jié)果對比如圖1 所示。 可以看出，某1 000 MW 超超臨界機組在某一天機組負荷470～1 000 MW 時，鍋爐熱效率在93.5%～94.5%，與不同負荷下鍋爐性能試驗結(jié)果基本吻合。

圖1 不同機組負荷下鍋爐熱效率實時計算結(jié)果與性能試驗工況結(jié)果對比

4 結(jié)語

本文提出了一種利用機組實時運行參數(shù)計算鍋爐熱效率的計算方法，在不進行煤質(zhì)測試的情況下，根據(jù)鍋爐有效輸出熱量和總輸出熱量計算出鍋爐熱效率。 通過實時數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)鍋爐熱效率在線計算，可為技術(shù)人員及時調(diào)整運行操作提供參考。

某機組一天不同負荷下的鍋爐熱效率計算結(jié)果與不同負荷下鍋爐性能試驗結(jié)果基本吻合，驗證了本文計算方法的實時性和準確性。

同時，應(yīng)根據(jù)需要進行給水流量、各級減溫水流量、氧量、在線飛灰含碳量測量裝置的修正、校核工作，以確保計算結(jié)果的準確性。