淺談鍋爐熱力校核計算在火電機組經(jīng)濟性定量分析中的應(yīng)用

蔣歡春，黃新，卞韶帥，周鐵

（上海明華電力科技有限公司，上海 200082）

關(guān)健詞：鍋爐校核計算；煤質(zhì)特性；經(jīng)濟性定量分析

大型火力發(fā)電機組的鍋爐設(shè)備自設(shè)計階段到投運多年后往往會面臨各種問題，有些變化來源于結(jié)構(gòu)改動，比如，經(jīng)過技改項目后設(shè)備進行了改造、鍋爐系統(tǒng)發(fā)生漏風(fēng)等現(xiàn)象，另外一些則來源于系統(tǒng)的邊界條件發(fā)生變化，比如煤種變化、環(huán)境條件改變等，在此情況下需要調(diào)整相關(guān)運行方式以適應(yīng)新的情況。在電廠入爐煤不斷發(fā)生變化以及現(xiàn)場運行環(huán)境的錯綜復(fù)雜變化的情況下，通過特定條件下進行的機組燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗所得出的各項運行措施往往無法做到對相關(guān)操作手段量化及對措施調(diào)整后運行參數(shù)進行預(yù)測的效果，在電廠日常運行過程中當班人員對機組運行調(diào)整只能通過其個人積累的經(jīng)驗及現(xiàn)場實際運行情況進行判斷，而無法量化各項運行操作對運行參數(shù)和供電煤耗的影響。

通過應(yīng)用鍋爐熱力校核方法對鍋爐設(shè)備進行建模，一方面可以大大提高研究人員在煤質(zhì)發(fā)生變化后對鍋爐變工況運行特性的認識，有助于及時預(yù)見主要參數(shù)的變化大小和趨勢，同時，也給電廠相關(guān)運行人員在實際生產(chǎn)過程中對煤種發(fā)生變化后對機組經(jīng)濟性的影響有一個定量分析值，幫助其對機組運行進行正確判斷和必要的操作干預(yù)。

1 鍋爐熱力校核計算過程

鍋爐熱力校核計算的首要任務(wù)是確定原始數(shù)據(jù)，包括鍋爐設(shè)計蒸發(fā)量、過再熱汽溫、過再熱汽壓、煤質(zhì)成分、排煙溫度和熱風(fēng)溫度等，建立校核計算任務(wù)書。煤質(zhì)是決定鍋爐燃燒狀況和運行參數(shù)的重要因素之一，對煤質(zhì)進行元素分析數(shù)據(jù)校核和判別，計算該煤種的理論空氣量、水蒸氣容積、三原子氣體容積，并判別煤種的屬性。分析鍋爐主要受熱段的漏風(fēng)情況，建立煙氣特性表，并根據(jù)單種氣體溫度焓值對應(yīng)關(guān)系建立各受熱段的煙氣焓溫表。根據(jù)鍋爐設(shè)計參數(shù)和假定的冷熱風(fēng)參數(shù)、排煙溫度，反平衡計算鍋爐各項熱損失，獲取鍋爐熱效率，并根據(jù)汽水系統(tǒng)吸熱量計算鍋爐有效利用熱，進而獲得鍋爐消耗燃料量和計算燃料量。結(jié)構(gòu)計算是整個熱力校核計算的基礎(chǔ)。根據(jù)鍋爐的結(jié)構(gòu)圖紙，查取鍋爐各受熱面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括管徑、管厚、橫向排數(shù)、縱向排數(shù)、單片受熱面連接管子數(shù)、橫向節(jié)距、縱向節(jié)距等數(shù)據(jù)，建立結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)表。根據(jù)爐內(nèi)紊流燃燒的特點，結(jié)合煤粉顆粒的燃燼模型計算爐內(nèi)換熱，求出爐膛出口溫度，再用迭代計算法計算各受熱面的出口煙溫和出口工質(zhì)溫度，誤差小于設(shè)定值迭代結(jié)束，按照煙氣流動方向計算。校核排煙溫度和熱風(fēng)溫度計算值與假定值差異，差值不大時，鍋爐機組的換熱計算結(jié)束，否則重新假定排煙溫度和熱風(fēng)溫度進行計算。比較煤低位發(fā)熱量與鍋爐各受熱面吸熱量之和的誤差，相對誤差不超過0.5%，全過程計算結(jié)束，將鍋爐機組的主要計算數(shù)據(jù)列出匯總表。熱力校核計算主要包括空氣及燃燒產(chǎn)物計算、熱平衡計算、爐內(nèi)換熱計算、屏式受熱面熱力計算、對流受熱面熱力計算、過再熱減溫水量計算等。

2 試驗結(jié)果與討論

入爐煤的煤種不同，使得鍋爐各個受熱面吸熱量分配比例也會有所不同。最直接的影響就是煤種變化后煙氣量的變化，并由此帶來的對流受熱面的煙速、傳熱系數(shù)、吸熱量分配及排煙溫度的變化。為研究煤質(zhì)的某一成分變化對鍋爐校核計算結(jié)果的影響，本課題借鑒耗差分析方法，研究某一成分變化下鍋爐煙氣溫度及蒸汽溫度的變化情況，該處理方式比較接近煤在通常情況下成分變化規(guī)律，具有較好的相似性。

2.1 不同負荷下折算水分、收到基碳、灰分對排煙溫度的影響

通過對不同負荷下（325MW、240MW、150MW）的不同煤種的折算水分（，Mar 為收到基水分，Qar為低位發(fā)熱量）的計算結(jié)果表明，隨著煤粉中折算水分的增加，該類型的鍋爐出口排煙溫度有所降低，并且大致存在對數(shù)關(guān)系；隨著收到基碳元素含量Car 的增加，排煙溫度也將有所上升，同時具有比較明顯的線性趨勢；收到基灰分含量Aar 增加排煙溫度也有所降低，原因在于灰分增加，煙氣中飛灰濃度增加，輻射換熱能力下降，爐膛吸熱量減少，爐膛出口溫度上升，爐膛煙氣溫度有所提高，尾部受熱面煙氣-工質(zhì)溫差增大導(dǎo)致排煙溫度有所降低，其關(guān)系也大致以對數(shù)的形式進行呈現(xiàn)。綜上所述，各類煤質(zhì)成分在對鍋爐主要經(jīng)濟性指標——排煙溫度的影響上均具有一定的變化規(guī)律，進一步通過數(shù)學(xué)工具擬合得到通用條件下各類成分對鍋爐出口排煙溫度的影響程度的計算公式（圖1）。

圖1

2.2 折算水分、收到基碳、灰分對排煙溫度的影響

上文首先通過熱力校核計算方法確定煤質(zhì)單因素數(shù)據(jù)與鍋爐排煙溫度相關(guān)的樣本數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)學(xué)工具擬合得到函數(shù)關(guān)系,以325MW 工況為例如下：

式中：Tpy為排煙溫度，℃；Car 為收到基含碳量，%；Aar 為收到基灰分，%；Wz 為折算水分，%。

3 結(jié)語

鍋爐熱力校核計算是鍋爐水動力計算、受壓元件強度計算、通風(fēng)阻力計算、爐墻熱力計算、管壁溫度計算、制粉系統(tǒng)熱力計算、空氣動力計算等的基礎(chǔ)，在入爐煤質(zhì)發(fā)生變化的情況下，通過鍋爐熱力校核計算可以對變化后的火電機組運行參數(shù)影響程度及其經(jīng)濟性變化進行相關(guān)的定量分析，具有一定的參考意義。另一方面，由于模型比較復(fù)雜、計算煩瑣，經(jīng)驗系數(shù)多，同時考慮到實際求解的可行性，對其進行了一定程度的簡化。鍋爐內(nèi)部煤粉燃燒過程是一個非常復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，其和具體的鍋爐結(jié)構(gòu)也有關(guān)系，現(xiàn)有燃燒模型尚不能完全準確地模擬和預(yù)測燃燒結(jié)果，因此需要經(jīng)過大量的現(xiàn)場試驗對照分析，以此修正熱力模型，這樣才能獲得更精確、更接近實際情況的運行特性數(shù)據(jù)。