張建中,趙西京,王 燕
(中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司,陜西 西安 710075)
在技改或新建項目中,通過機爐耦合方式來實施深度冷卻及深度回熱的系統受到業(yè)界廣泛關注。其中,將空氣預熱器(空預器)旁路煙道(中溫省煤器)系統與抽汽回熱空氣系統相結合,可以派生出一種新的機爐耦合型節(jié)能系統,本文稱之為“帶廣義回熱機制的空預器旁路煙道”節(jié)能系統,簡稱為節(jié)能新系統。節(jié)能新系統具有以下特點:1)利用高溫煙氣加熱汽輪機給水,替代能級最高及較高的汽輪機抽汽,使汽輪機側熱耗效益達到最大化;2)利用高/低能級抽汽分別加熱空氣,實現廣義回熱;3)以蒸汽(水)暖風器替代水媒煙氣暖風器,在輔機電耗及投資上具有一定優(yōu)勢。該系統在某600 MW 機組上建成后,委托國外專業(yè)機構進行測試并提出機爐一體化試驗報告[1-2];本文以該技改項目作為依托進行節(jié)能新系統的研究。根據試驗報告,節(jié)能新系統在100%負荷工況下的供電節(jié)煤耗率達到6.9 g/(kW·h),節(jié)能效果顯著。但這類具有深度機爐耦合特點且實施廣義回熱的系統,造價相對較高,需要從理論和實踐上研究節(jié)煤耗率較高的條件,并對其所采用一體化試驗及歐盟鍋爐計算方法的特點進行探討,為確定節(jié)能新系統和計算方法的推廣應用提供依據。
文獻[1-2]所計算的節(jié)煤耗率是對節(jié)能技改前、后2 種運行參數(蒸汽溫度、背壓等)存在明顯差異工況下的比較,二者并不在同一比較基準上。若修正到同一運行參數基準,節(jié)煤耗率將有較大變化。即使對試驗節(jié)煤耗率,也需要排除純屬運行操作優(yōu)化產生的節(jié)煤因素,求得與系統優(yōu)化直接相關的節(jié)煤耗率。
節(jié)能新系統投運前/后100%工況下的電功率為592.97/600.26 MW,汽輪機熱耗率為8 249/8 097.2 kJ/(kW·h),鍋爐效率從 93.92%提升到94.98%,則按傳統方法計算的發(fā)電煤耗率變化為[(8 097.2×93.92)/(8 249×94.98)–1]×100%= –2.935%;而標準煤量從49.37 kg/s 降到49.035 kg/s,降幅為:二者不甚匹配。
在煙氣余熱利用系統中,鍋爐與汽輪機的得益應避免重復計算。表1 列出了不同負荷率下的試驗節(jié)煤耗率計算。由表1 可見,節(jié)能新系統投運前后的汽輪機熱耗降低而鍋爐效率升高,需要檢查是否存在重復計算得益。
表1 不同負荷率下的試驗節(jié)煤耗率計算[1-2]Tab.1 Calculation of test coal saving rate at different load rates[1-2]
由表1 可以看出,節(jié)能技改后廠用電率明顯降低,由此產生了較大幅度的供電節(jié)煤效益。但報告中的廠用電率有部分是計算值而非實測值,含有不確定成分從而影響到定值精確性。
SIEMENS 公司根據機爐一體化原則制定試驗方案[1-2],機爐之間僅有1 組設在汽輪機側的測點。GE 公司應用歐盟鍋爐規(guī)范[3]按照汽輪機側參數所計算的煤耗率未考慮管道效率,這與國際國內標準[4-5]有所不同,能否代表鍋爐側的煤耗也有待分析。
表1 中的節(jié)煤耗率是運行參數存在明顯差異下的試驗煤耗率差額,并不具備同一基準的可比性。
節(jié)能新系統投運前、后運行參數的差異,一方面是因操作因素引起的參數差異,另一方面是凝汽器背壓降低,在試驗中冷卻水溫低了2.10~3.25 ℃所致;由于主凝汽量不減反增,又可排除背壓降低中的系統優(yōu)化因素。據此,這2 項差異均具備統一到同一基準來比較的條件。
將試驗節(jié)煤耗率換算到相同基準條件下的發(fā)電可比節(jié)煤耗率,可按下式進行計算:
式中,Δbc、Δbtest、Δbcor,t分別為可比發(fā)電節(jié)煤耗率、試驗發(fā)電節(jié)煤耗率、汽輪機側運行參數偏差產生的修正節(jié)煤耗率,g/(kW·h)。
參照制造廠汽輪機熱耗性能修正曲線,將運行參數統一按節(jié)能技改前工況進行修正,得到在相同基準條件下的可比發(fā)電節(jié)煤耗率見表2。
表2 不同負荷率下的可比發(fā)電節(jié)煤耗率計算 單位:g/(kW·h)Tab.2 Calculation of comparable generating coal saving consumption rate at different load rates
表2 中的修正節(jié)煤耗率較一般經驗數據偏于保守,若按文獻[6]的經驗數據,100%、75%及50%負荷下的背壓修正節(jié)煤耗率分別為–3.00、–1.67、–1.80 g/(kW·h),修正值更大。表2 數據表明,相同基準條件下的發(fā)電可比節(jié)煤耗率較試驗發(fā)電節(jié)煤耗率低得多。
廠用電率按試驗報告基準時,根據汽輪機出力性能修正曲線,將運行參數統一按節(jié)能技改前工況進行修正,得到相同基準條件下的供電可比節(jié)煤耗率見表3。廠用電率按節(jié)能技改前后設備系統狀態(tài)基準時,根據運行畫面DCS 記錄數據分析得知,若排除技改前暖風器“空轉”阻力(相當于暖風器采用可移出式),則技改后的送風機+一次風機多耗電與引風機少耗電大體持平。假如節(jié)能技改前/后廠用電率處于同一水平,可得到相同基準條件下的供電可比節(jié)煤耗率見表4。表4 數據表明廠用電率對供電節(jié)煤耗率影響較大。
表3 不同負荷率下的功率修正及可比節(jié)煤耗率Tab.3 Power correction and comparable coal saving consumption rate at different load rates
表4 廠用電率統一按技改后基準的可比節(jié)煤耗率Tab.4 Benchmark power supply comparable coal saving consumption rate after technical transformation
按文獻[1],導致技改后鍋爐效率提高的原因之一是煙氣CO 排放質量濃度降低,尤其是100%負荷工況的煙氣CO 排放質量濃度從1 274.02 μg/g 降為243.07 μg/g,化學熱損失Q3明顯減少。這基本上屬于鍋爐運行操作優(yōu)化產生的節(jié)煤效益,在評估系統優(yōu)化的節(jié)煤效益時應該加以排除。此時的可比節(jié)煤耗率Δ[b]c按下式計算:
式中Δbcor.b為鍋爐運行方式優(yōu)化的節(jié)煤耗率,g/(kW·h)。
綜上所述,雖然試驗節(jié)煤耗率并不代表真實節(jié)煤效益,但畢竟是確定可比節(jié)煤耗率的基礎。為便于從理論上分類進行比較,除特別說明外,以下分析內容仍以報告中的試驗節(jié)煤耗率為參照基準。基于規(guī)范化考慮,首先以現行規(guī)范作為分析驗證試驗節(jié)煤耗率基礎依據。
3.1.1 鍋爐效率及燃煤量計算
GE 公司鍋爐試驗報告[1]中的鍋爐效率與燃煤量計算按歐盟標準DIN EN12952-15[3],Par.6.3.3.6執(zhí)行,主要計算公式如下:
鍋爐效率:
鍋爐燃煤量:
3.1.2 對歐盟標準中鍋爐效率計算公式的分析
式中當εZ<<1.0 時有η(Z)B≈ηK。即歐盟標準的鍋爐效率相當于按傳統燃料熱值的反平衡鍋爐效率。外來熱量僅加在分母中時對效率計算影響甚微。
3.1.3 對歐盟標準中燃煤量計算公式的分析
對式(5)展開如下:
3.1.4 鍋爐效率計算與機組熱耗率的匹配
歐盟標準中,鍋爐效率按極限值100%的常規(guī)反平衡方法確定,符合傳統理念。而燃煤量計算中的機組熱耗則并非傳統的汽輪機熱耗率,需要減去抽汽或其他熱源向鍋爐輸入的熱量。
在國標《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》(GB/T10184—2015)[5]中燃煤量和鍋爐燃料效率的計算公式如下:
燃煤量:
式中:qm,f為燃料質量流量,kg/s;Qout為輸出鍋爐系統邊界的有效熱量,kJ/s;η為鍋爐燃料效率,%;Qnet,ar為燃煤低位發(fā)熱量,kJ/kg。
鍋爐燃料效率:
式中:Qloss為鍋爐總損失熱量,kJ/kg;Qex為輸入鍋爐系統邊界的外來熱量,kJ/kg。
式(9)可變換為:
或
式中η0為無熱量輸入輸出時的鍋爐燃料效率,%。
上述國標與ASME PTC4[4]規(guī)范的表達式一致,區(qū)別在于二者分別使用了低位和高位發(fā)熱量。
3.3.1 輸入條件
節(jié)能新系統投運前鍋爐數據為η0=93.92%,22073 kJ/kg,技改前/后輸入汽輪機有效熱量為技改后燃料熱值輸入鍋爐邊界的外來熱量(抽汽加熱冷風及熱風)輸出鍋爐邊界的附加有效熱量(空預器旁路煙氣加熱給水及凝結水)。
3.3.2 歐盟標準計算
按歐盟標準計算鍋爐效率和燃煤量為
3.3.3 國標計算
按國標由式(11)得技改后鍋爐效率為
3.4 2 類鍋爐計算規(guī)范比較
1)當鍋爐有輸入-輸出熱量時,國標與歐盟規(guī)范所計算的鍋爐效率有很大差異,但最終所計算的燃煤量是一致的,實際上構成了2 種不同的鍋爐效率/煤耗計算匹配體系,這對于現行煤耗計算公式的結構勢必帶來不可忽視的影響。
2)歐盟規(guī)范與國標規(guī)范均為鍋爐得益計算體系,而前者所對應的汽輪機熱耗亦較低,此時將出現鍋爐效率與汽輪機熱耗計算值同時得益現象,但在燃煤量計算中的熱耗已不再是傳統的汽輪機熱耗。
3)據此推論,當鍋爐有輸入-輸出熱量時,應該可以構建另外一種與汽輪機基準熱耗率相匹配的燃煤量及鍋爐效率計算體系。
現行國標《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范》[7]及行標《火力發(fā)電廠技術經濟指標計算方法》[8]中,均按下式計算發(fā)電標準煤:
式中:ηg1為鍋爐效率,%;ηgd為管道效率,%;qjm為汽輪機熱耗率,kJ/(kW·h)。
上述規(guī)范中的汽輪機熱耗率按機組熱平衡圖,鍋爐效率按性能計算數據取用。但這一匹配方式應該適用于鍋爐系統界限內無輸入輸出熱量時。
4.2.1 按現行鍋爐規(guī)范方法
歐盟鍋爐計算規(guī)范體系中,鍋爐效率基本按傳統反平衡法;機組熱耗率按輸入汽輪機有效熱量+系統界限內(輸入-輸出)凈增熱量修正熱耗率為基準。其計算式如下:
式中,Q(10+11)+(20+21)為抽汽向低溫、高溫暖風器供熱量,QMEHMEL為旁路省煤器輸入熱量。
國標鍋爐計算規(guī)范體系中,鍋爐效率以輸入熱量作為效率增益,按式(10)計算;機組熱耗率按輸入汽輪機有效熱量+輸出鍋爐系統邊界的附加熱量修正熱耗率為基準。其計算式如下:
4.2.2 以輸入-輸出熱量平衡為基準的方法
為了避免不同規(guī)范中鍋爐效率與機組熱耗匹配要求不同引起的糾纏,并厘清出現鍋爐效率與汽輪機熱耗率計算值同時得益的現象,本文以輸入-輸出熱量平衡原理為基準,探討將正平衡與反平衡效率相結合的熱平衡分析方法,以對現行規(guī)范進行驗證及完善。
4.2.3 煤耗率計算與管道效率匹配方式
當以汽輪機側熱耗率來計算鍋爐煤耗時,現行規(guī)范均要求考慮管道效率來補償鍋爐-汽輪機之間的能耗損失,以及與性能試驗數據之間的各項偏差[7-9]。而文獻[1]按一體化試驗數據計算鍋爐煤耗未考慮管道效率或管道損失,對其可行性分析如下:
1)無論是熱平衡圖還是一體化試驗數據,均已包含其中最主要的再熱/抽汽等管系壓降等能量損耗,所空缺的是主蒸汽管道。2)性能考核中的主蒸汽管道損失系以汽輪機入口參數為基準,與鍋爐出口參數相比其焓差有限[10-13],這與以鍋爐出口參數為基準的熱力學管道損失有很大不同。故一體化性能試驗中允許不專門考慮管道效率。3)若計算實際節(jié)煤耗率,需將發(fā)電煤耗計算分為性能煤耗和運行考核煤耗2 類。當基準工況按性能熱耗率Qjrn,0取值同時計及管道效ηgd,0時,對計算工況若取用性能熱耗率也需考慮相應管道效率ηgd,1,否則將出現虛高的節(jié)煤耗率。
熱平衡驗證方法有整體模塊的常規(guī)鍋爐熱平衡驗證方法和蒸汽發(fā)生模塊的熱平衡驗證方法2 種。前者以傳統的“鍋爐機組整體”為研究對象,其核心是按反平衡方法計算出一個鍋爐效率后再計算煤耗;后者是按蒸汽發(fā)生單元(汽水系統)和熱空氣發(fā)生單元(煙風煤粉系統)2 個模塊進行熱平衡分析,在蒸汽發(fā)生單元模塊中,最終排煙溫度的邊界為省煤器出口,此時可按鍋內過程熱平衡方程計算耗煤量。在熱空氣發(fā)生單元模塊中,其最終排煙溫度的邊界為空預器出口或低溫暖風器甚至在低溫省煤器出口。
上述2 種熱平衡方法均符合能量守恒原理。其中以蒸汽發(fā)生過程為基準的輸入-輸出熱量方法避開了對鍋爐效率計算環(huán)節(jié)的糾纏,對耗煤量的計算更加直接。
為簡化分析過程,推導中對排煙熱損失采用濕煙氣總焓為基準的簡化計算方法。
5.1.1 熱平衡邊界條件
常規(guī)鍋爐系統煙氣側以空預器出口為計算邊界,空氣側以送風機出口為計算邊界(圖1)。含廣義回熱空預器旁路系統煙氣側以“空預器出口+旁路煙道入口”為計算邊界,空氣側以“送風機+低溫蒸汽暖風器”出口為計算邊界(圖2)。
圖1 常規(guī)鍋爐機組熱平衡示意Fig.1 Heat balance diagram of conventional boiler
圖2 含廣義回熱空預器旁路煙道系統示意Fig.2 Heat balance diagram of bypass flue system with generalized heat recovery air preheater
5.1.2 熱平衡方程
常規(guī)鍋爐系統(各參數標以角標“0”):
式中:B0為燃料耗量,kg/s;為“送風機+一次風機”出口帶入熱量,kJ/s;為蒸汽發(fā)生器吸收熱量,kJ/s;為空預器出口煙氣帶出熱量,kJ/s;為鍋爐化學熱損失+固體未完全燃燒熱損失+散熱損失之和,kJ/s。
含廣義回熱空預器旁路煙道系統:
由汽輪機試驗報告得知,空預器旁路煙氣放熱量β(Qg,1–Qg,2)等于汽輪機側所測得的中溫省煤器傳熱量(QMEH+QMEL),將式(16)改寫如下:
5.1.3 節(jié)能新系統投運后燃煤量與鍋爐效率匹配模式
1)匹配模式A 以式(17)為基準,按傳統反平衡方法確定的鍋爐效率η及燃煤量B分別為:
這就是歐盟鍋爐規(guī)范計算公式。
2)匹配模式B 以傳統反平衡效率為基礎將輸入熱量作為鍋爐效率增益,將式(17)變換如下:
這就是國標鍋爐規(guī)范計算公式。由數學分析得知式(19)與式(22)等同,由此驗證了現行鍋爐規(guī)范中的2 種燃煤量與鍋爐效率匹配模式均是可行的。惟式(22)中的基礎效率η0是指系統無輸入-輸出熱量過程的鍋爐效率,而由于運行操作因素,基礎效率η0會發(fā)生變化,在進行節(jié)煤耗率比較時務必引起注意。
3)匹配模式C 基于式(17)得到如下方程組:
實際計算可得,節(jié)能新系統投運后鍋爐效率及燃煤量為[η]=94%,Δη=+0.0821%,B=64.51 kg/s。排除操作方式優(yōu)化因素后的指標為Δη=–0.356%,[η]=93.56%,B=64.82 kg/s。表明新系統投運后鍋爐效率基本不變或者有所降低,這一計算結果更加符合傳統理念。
綜上,在3 種匹配模式中,模式C 較直觀地反映了鍋爐效率的變化,同時計算燃煤量所用鍋爐輸出熱量直接與汽輪機熱耗對接,也更加容易反映汽輪機側的得益,對機爐耦合余熱系統更為適用。
5.1.4 節(jié)能新系統投運前后鍋爐熱平衡變化和發(fā)電節(jié)煤耗率
聯立求解式(15)、式(17)得節(jié)能新系統投運前/后燃煤輸入熱量變化的計算方程如下:
5.2.1 熱平衡邊界條件
煙氣側以省煤器出口為輸出端邊界,空氣側以燃燒器入口為輸入端邊界。熱平衡計算示意如圖3所示。
圖3 常規(guī)鍋爐機組熱平衡示意Fig.3 Heat balance diagram of conventional boiler
5.2.2 原設計蒸汽發(fā)生單元模塊的熱平衡
5.2.3 節(jié)能新系統投運后蒸汽發(fā)生模塊的熱平衡
按輸入-輸出熱量方法寫出節(jié)能新系統蒸汽發(fā)生單元模塊熱平衡方程(圖4):
圖4 含廣義回熱空預器旁路煙道系統熱平衡示意Fig.4 Heat balance diagram of bypass flue system with generalized heat recovery air preheater
5.2.4 節(jié)能新系統投運前后鍋爐熱平衡變化
假設節(jié)能新系統投運前/后省煤器出口煙溫穩(wěn)定不變,聯立求解式(29)、(30)得燃煤輸入熱量變化的計算方程如下:
5.2.5 節(jié)能新系統投運前后發(fā)電節(jié)煤耗率
新系統投運前/后發(fā)電節(jié)煤率計算同公式(27)。
5.2.6 熱風帶入爐膛熱量的變化
1)原設計鍋爐試驗工況 由省煤器輸出的煙氣熱量全部用于加熱燃燒空氣,可用下式表示:
由上式得到所帶入爐膛的熱風熱量為
2)節(jié)能新系統試驗工況 自省煤器輸出的煙氣熱量包括3 部分:
式(34)右端第1 項為主煙道中煙氣對空氣的傳熱量,按熱平衡方程有:
式(34)右端第2 項為旁路分流煙氣傳給中溫省煤器并作為汽輪機收益的熱量,按下式確定:
式中:QhF,1為空預器出口(高溫段蒸汽暖風器前)空氣熱量(考慮熱端漏風吸熱修正),kJ/s;QF0,1為空預器入口(低溫段蒸汽暖風器出口)空氣熱量,kJ/s;Qg,2為空預器出口煙氣熱量,kJ/s;QF0為送風機及一次風機出口熱量,kJ/s;ΔQ11+21為高溫暖風器對熱空氣傳熱量,kJ/s;ΔQ10+20為低溫暖風器對冷空氣傳熱量,kJ/s。
聯立求解式(36)與式(33)得到節(jié)能技改前/后帶入爐膛的熱風熱量變化為
一般情況下,省煤器出口煙溫及送風機及一次風機出口冷風溫度(等于環(huán)境溫度加上風機溫升)均可視為定值;將代入式(37)變換如下:
對燃煤熱量變化的驗證結果表明,按蒸汽發(fā)生單元模塊熱平衡分析方法與按鍋爐整體模塊熱平衡分析方法二者的計算結果完全一致,計算公式相對簡單,而且可據以評估熱風溫度變化。
6.1.1 排煙熱量變化
1)空預器排煙熱量變化 將文獻[1-2]中的輸入數據代入,計算得知節(jié)能新系統因空預器排煙溫度降低使鍋爐效率得到收益為。
2)整體排煙熱損失 ΔQg2,t=5 126.25 kJ/s 表明新系統因整體排煙熱損失增加導致鍋爐得益減少,熱風溫度將會降低。
6.1.2 帶入爐膛熱空氣熱量變化
表5 為3 種熱耗率/鍋爐效率/發(fā)電煤耗率匹配計算體系模式對文獻[1-2]案例節(jié)能技改后計算結果的比較。由表5 可見:模式A 為汽輪機側及鍋爐側均得益,易引起重復計算得益誤解;模式B 為汽輪機不得益,鍋爐側得益但效率理論極限可超100%突破傳統理念;模式C 為汽輪機側得益而鍋爐側不因余熱利用而得益,更加符合傳統理念,而且可以評估熱風溫度變化,在理論和實踐上均更具潛在價值。
表5 3 種熱耗率/鍋爐效率/發(fā)電煤耗率匹配計算體系模式按文獻[1-2]案例節(jié)能技改后計算結果的比較Tab.5 Comparison of three matching calculation system models of heat consumption rate/boiler efficiency/coal consumption rate for power generation and the calculation results after technical transformation of the literature [1-2] case
6.3.1 試驗節(jié)煤耗率(100%工況)
1)發(fā)電節(jié)煤耗率 由表5 可知,排除與余熱利用無直接關系的鍋爐效率升高因素后,對依托項目試驗發(fā)電節(jié)煤耗率的核定值由5.63 g/(kW·h)核定為4.27 g/(kW·h)。
2)供電節(jié)煤耗率 以試驗廠用電率為基準的供電節(jié)煤耗率由6.9 g/(kW·h)核定為5.15 g/(kW·h)。6.3.2 可比節(jié)煤耗率(100%工況)
1)發(fā)電節(jié)煤耗率 排除與余熱利用無直接關系的鍋爐效率升高因素后,可比發(fā)電節(jié)煤耗率由表2 中的3.86 g/(kW·h)核定為2.47 g/(kW·h)。
2)供電節(jié)煤耗率 以試驗廠用電率為基準的可比供電節(jié)煤耗率由表3 的4.955 g/(kW·h)核定為3.5 g/(kW·h)。以不變廠用電率核定的可比供電節(jié)煤耗率為2.59 g/(kW·h)。
1)對試驗節(jié)煤耗率應按同一基準條件修正為可比節(jié)煤耗率;對試驗節(jié)煤耗率還應區(qū)分為綜合試驗節(jié)煤耗率及排除運行操作因素后的系統優(yōu)化試驗節(jié)煤耗率。
2)廠用電率對供電節(jié)煤耗率影響較大,應精確定值,同時應按系統選型基準和系統投運前/后基準2 種模式分別計算廠用電率及供電煤耗率。
3)運用整體輸入-輸出熱量平衡原理,驗證現行鍋爐計算規(guī)范適用于機爐耦合的煙氣余熱利用系統的煤耗計算,但需注意所對應的是不同的鍋爐效率/熱耗率/煤耗率計算體系。
4)對于機爐之間有多路能量輸出-輸入流程的機爐耦合余熱利用系統,基于不同定義的邊界條件存在不同含義的汽輪機熱耗率及鍋爐效率,在應用現有規(guī)范計算標準煤耗率時應謹慎選擇避免誤用。
5)本文推導得到的鍋爐效率/熱耗率/煤耗率計算匹配體系新模式,使煤耗率計算與汽輪機計算熱耗率直接對接,可以更直觀反映鍋爐效率及汽輪機側得益的變化,對機爐耦合余熱系統更為適用。
6)對發(fā)電煤耗率計算分為性能煤耗率和運行煤耗率2 類,以機爐一體化試驗或汽輪機熱平衡圖來計算機組性能煤耗率時可以不考慮管道效率,但計算實際節(jié)煤耗率時需分別考慮管道效率。
7)在含廣義回熱的空預器旁路煙道系統中,即使設置高溫蒸汽暖風器,入爐膛的熱風溫度仍可能降低,其降低幅度可由蒸汽發(fā)生單元熱平衡方法來評估。
8)驗證結果表明,所引用600 MW“帶廣義回熱的空預器旁路煙道”節(jié)能系統案例報告的計算基本上不存在技改效益重復計算問題,但報告所依據的原始數據需修正,同時應排除與余熱利用無直接關系的鍋爐效率升高因素。