火電廠節(jié)能降耗技術(shù)分析及應(yīng)用

李鳴

摘? 要：通過介紹火電廠節(jié)能降耗技術(shù)要求，分析鍋爐燃燒系統(tǒng)改造、燃煤管理和煙氣余熱利用對(duì)節(jié)能和降耗的作用。結(jié)合實(shí)際情況，分析常見的火電廠節(jié)能降耗技術(shù)方案，厘清火電廠節(jié)能降耗技術(shù)并提出實(shí)現(xiàn)效果，為火電廠技術(shù)人員分析和實(shí)現(xiàn)同類技術(shù)要求提供參考。

關(guān)鍵詞：火電廠；節(jié)能降耗技術(shù)；建模；鍋爐；目標(biāo)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TM621? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）19-0167-04

Abstract： By introducing the technical requirements of energy saving and consumption reduction in thermal power plants， the effects of boiler combustion system transformation， coal combustion management and flue gas waste heat utilization on energy saving and consumption reduction are analyzed. According to the actual situation， this paper analyzes the common energy saving and consumption reduction technical schemes of thermal power plant， clarifies the energy saving and consumption reduction technology of thermal power plant and puts forward the realization effect， which provides a reference for thermal power plant technicians to analyze and realize similar technical requirements.

Keywords： thermal power plant; energy saving technology; modeling; boiler; target optimization

火力發(fā)電仍然是我國電力資源供應(yīng)的主要形式，火電廠是火力發(fā)電的主要陣地。在火電廠運(yùn)行過程中，節(jié)能降耗問題始終是重中之重。近幾年，越來越多火電廠開始應(yīng)用節(jié)能改造技術(shù)，廠內(nèi)火電機(jī)組平均供電煤耗穩(wěn)步下降。因此，總結(jié)火電廠節(jié)能改造經(jīng)驗(yàn)，分析火電廠節(jié)能降耗技術(shù)方案具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1? 火電廠節(jié)能降耗技術(shù)要求

火電廠節(jié)能降耗技術(shù)要求主要如下。

第一，燃燒系統(tǒng)老化是火電廠機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性下降的根本原因，會(huì)直接導(dǎo)致能耗無價(jià)值或低價(jià)值損耗[1]。根據(jù)火電廠節(jié)能降耗要求，可以改造火電廠燃燒系統(tǒng)，如將亞臨界改造為超臨界，增加燃燒系統(tǒng)蒸發(fā)受熱面，提升燃燒系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷反饋靈敏度，從源頭解決燃燒系統(tǒng)能耗高問題。

第二，燃燒管理環(huán)節(jié)疏漏是火電廠煤耗長期處于高位的主要原因。在火電廠節(jié)能降耗背景下，應(yīng)改善燃煤管理，把控燃煤在燃燒過程中的運(yùn)行指數(shù)，確保燃煤充分燃燒，降低單位發(fā)電量下的燃煤損耗[2]。

第三，火電廠燃燒系統(tǒng)排放煙氣中攜帶大量熱量，是火電廠節(jié)能的重要方面。根據(jù)節(jié)能要求，可以根據(jù)燃燒部分和余熱利用部分能量分配情況，利用煙氣余熱利用技術(shù)，充分利用熱能。

2? 火電廠節(jié)能降耗技術(shù)方案

2.1? 系統(tǒng)改造技術(shù)

2.1.1? 結(jié)構(gòu)改造

常規(guī)亞臨界機(jī)組運(yùn)行參數(shù)是17.5 MPa/541 ℃/541 ℃，發(fā)電效率為38%。而常規(guī)超臨界機(jī)組典型參數(shù)為25.4 MPa/569 ℃/569 ℃，發(fā)電效率為41%。由此可知，超臨界機(jī)組發(fā)電效率超出亞臨界機(jī)組發(fā)電效率?；诖?，可以貫徹低成本、小范圍、低工程量的原則，在燃燒系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)一定情況下，將典型亞臨界燃燒系統(tǒng)改造為超臨界燃燒系統(tǒng)，同步更換蒸發(fā)受熱面、再熱器、過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等部件，促使燃燒系統(tǒng)發(fā)電效率提升，降低同等發(fā)電量下能源損耗[3]。

根據(jù)亞臨界燃燒系統(tǒng)改造為超臨界燃燒系統(tǒng)后受熱面蒸汽溫度變化特點(diǎn)，應(yīng)沿?zé)煔饬飨颍寐菪苋哟怪惫芷了浔诖婺な剿浔?，利用屏式過熱器代替分隔屏過熱器，利用高溫過熱器代替后屏過熱器，并去除屏式再熱器，增設(shè)低溫再熱器，改造后的超臨界鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1.2? 部件改造

水冷壁是燃燒系統(tǒng)改造的重中之重，需要借助φ38×7.3 mm螺旋管圈與φ31.8×6.2 mm垂直管屏相結(jié)合的方式，借助φ219×60 mm過渡集箱連接折焰角下方。鑒于典型超臨界直流爐水冷壁的冷灰斗截面為長方形，兩側(cè)墻的管子螺旋升角具有一定差異，水冷壁更換時(shí)，需要先割開管屏，以單彎頭形式連接成型[4]。隨后從上到下垂直引傾斜管到中間聯(lián)箱，聯(lián)箱兩側(cè)引2排管接入垂直上升管進(jìn)口，完成中間集箱過渡，消除熱力、水力偏差。一般管道布置截割距為53 mm，管道總體數(shù)量為302根，管道上升角為17.5°。同時(shí)在燃燒系統(tǒng)前墻頂部布置φ610×65 mm汽水分離器，分離器下方布置φ610×65 mm儲(chǔ)水罐。

根據(jù)超臨界燃燒系統(tǒng)熱偏差小、氣溫穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈敏和蒸汽流速合理的要求，沿著蒸汽流程，有序改造頂棚過熱器、包墻過熱器、低溫過熱器、屏式過熱器和高溫過熱器[5]。其中頂棚過熱器位于爐膛內(nèi)部，管外徑為32～57 mm，橫向相對(duì)節(jié)距小于1.25 mm，內(nèi)部蒸汽質(zhì)量流速500～1 000 kg/（m2·s）；包墻過熱器位于水平煙道、尾部煙道內(nèi)，緊密貼合爐墻，管外徑為32～54 mm，相對(duì)節(jié)距小于1.25 mm，內(nèi)部蒸汽質(zhì)量流速1 000～1 500 kg/（m2·s）；低溫過熱器位于雙尾部煙道右上部分，內(nèi)部蒸汽質(zhì)量流速250～400 kg/（m2·s），管外徑為32～57 mm，橫向相對(duì)節(jié)距2～3 mm；屏式過熱器位于爐膛頂部，管外徑為32～54 mm，屏間節(jié)距為500～1 000 mm，內(nèi)部蒸汽質(zhì)量流速800～1 000 kg/（m2·s）；高溫過熱器處于折焰角上方，管外徑為32～54 mm，縱向相對(duì)1.6～2.5 mm，節(jié)距為內(nèi)部蒸汽質(zhì)量流速1 000～1 500 kg/（m2·s）。

2.2? 燃燒管理技術(shù)

2.2.1? 分析燃燒特征值

火電廠燃燒系統(tǒng)內(nèi)部燃燒機(jī)理復(fù)雜，干擾燃燒變量繁多，與燃燒相關(guān)主要特征存在復(fù)雜耦合關(guān)系[6]?；诖?，需要提前了解火電廠燃燒系統(tǒng)燃燒主要特征值，為燃燒管理優(yōu)化建模奠定基礎(chǔ)。以超臨界參數(shù)復(fù)合滑壓運(yùn)行直流煤粉燃燒系統(tǒng)為例，系統(tǒng)采用復(fù)合空氣分級(jí)燃燒模式，燃燒結(jié)構(gòu)如圖2所示。

燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵特征值見表1。

2.2.2? 分析系統(tǒng)燃燒效率

根據(jù)燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵特征值，借助反平衡法，分析鍋爐效率，分析方式如下

n=1-q-u-m-k-g， （1）

式中：n為燃燒系統(tǒng)效率，%；q為排煙熱損失，5%；u為化學(xué)氣體（氫氣、一氧化碳、甲烷等）無法完全燃燒熱損失，0.5%；m為機(jī)械固體無法完全燃燒熱損失，0.5%～5%；k為散熱損失，0.5%；g為灰渣物理熱損失，0.5%。根據(jù)已有數(shù)值，可知燃燒效率為88.5%～93%。

2.2.3? 燃燒系統(tǒng)優(yōu)化建模

從鍋爐數(shù)據(jù)本身特征著手，采用燃燒系統(tǒng)燃燒二階關(guān)鍵特征算法，選取基準(zhǔn)特征子集，建立燃燒優(yōu)化模型[7]。燃燒優(yōu)化模型（圖3）是基于離散型變量、連續(xù)性變量回歸問題，在特征給定情況下，選擇25 000個(gè)訓(xùn)練集，5 000個(gè)驗(yàn)證集，最大隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為200，極限學(xué)習(xí)機(jī)神經(jīng)元數(shù)為2 800個(gè)，持續(xù)篩選特征。

2.2.4? 燃燒多目標(biāo)優(yōu)化

在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，根據(jù)燃燒優(yōu)化模型中特征與決策變量的關(guān)系，調(diào)整運(yùn)行參數(shù)控制值，解決燃燒優(yōu)化問題[8]。在節(jié)能降耗背景下，燃燒優(yōu)化目標(biāo)之一是提高鍋爐效率，可以從二次風(fēng)門開度著手，在（0，70）范圍內(nèi)尋優(yōu)，確定最有利于燃燒的二次風(fēng)門開度為45%。同時(shí)從分離燃盡風(fēng)門開度著手，在（35，70）范圍內(nèi)尋優(yōu)，確定最有利于燃盡的風(fēng)門開度為47%。同理，從緊湊燃盡風(fēng)門開度著手，在（3，35）范圍內(nèi)尋優(yōu)，尋找最適宜燃盡的風(fēng)門開度為19%。

2.3? 煙氣余熱利用技術(shù)

2.3.1? 煙氣余熱利用結(jié)構(gòu)

煙氣余熱利用結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中，1為爐膛；2為水冷壁及過熱器；3為再熱器；4為省煤器；5為空預(yù)器；6為靜電除塵器；7為煙氣換熱器1；8為脫硫塔；9為煙氣換熱器2；10為汽輪機(jī)高壓缸；11為汽輪機(jī)中壓缸；12為汽輪機(jī)低壓缸；13為發(fā)電機(jī)；14為凝汽器；15為小汽輪機(jī)；16為凝結(jié)水泵；17為軸封加熱器；18為脫硫塔給水加熱器；19為煙氣換熱器1給水加熱器；20為靜電除塵器給水加熱器；21為空預(yù)器給水加熱器；22為除氧器；23為給水泵；24為再熱器給水加熱器；25為水冷壁及過熱器給水加熱器；26為爐膛給水加熱器；27為凝結(jié)水換熱器1；28為凝結(jié)水換熱器2。

根據(jù)圖3，火電廠燃燒系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置8段抽氣結(jié)構(gòu)，抽氣壓力為5.86、3.66、1.62、0.76、0.44、0.20、0.06、0.017 MPa，其中3段由汽輪機(jī)中壓缸抽氣，抽氣壓力為1.62、0.76、0.44 MPa。同時(shí)煙氣換熱器吸收燃燒系統(tǒng)排煙余熱，經(jīng)循環(huán)冷卻水向凝結(jié)水換熱器2傳遞熱量。隨后70%凝結(jié)水可進(jìn)入低壓加熱器，30%凝結(jié)水進(jìn)入凝結(jié)水換熱器1繼續(xù)吸熱，最終進(jìn)入低壓加熱器。

2.3.2? 煙氣余熱利用方式

根據(jù)火電廠燃燒系統(tǒng)內(nèi)部受熱面布置，對(duì)燃燒系統(tǒng)煙氣余熱利用進(jìn)行詳細(xì)分析。第一步，從燃料成分著手，分析煙氣 值[9]。一般燃料由碳、氫、氧、氮、硫、水、灰分等元素構(gòu)成，元素組成為：41.76%KC+3.2%KH+9.05%KO+0.55%KN+0.21%KS+29.98%K+15.25%Kash。根據(jù)燃料各元素對(duì)應(yīng)基成分，可以推測1 kg燃料所生成煙氣量。進(jìn)而根據(jù)燃料各元素收到基成分，推測煙氣比熱容。根據(jù)煙氣比熱容，可以推測100～1 200 ℃之間的煙氣 。根據(jù)煙氣 ，可以梳理煙氣余熱利用思路。一般在不考慮環(huán)境成本，僅分析 成本、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本的情況下，可以將脫硫系統(tǒng)視為一個(gè)單獨(dú)組件，脫硫系統(tǒng)單位 成本對(duì)其他組件無干擾。此時(shí)，火電廠燃燒系統(tǒng)排出煙氣熱量利用可以將表面式換熱器安裝到脫硫塔前、后兩側(cè)，首先借助2個(gè)換熱器內(nèi)循環(huán)冷卻水，持續(xù)吸收煙氣熱量。根據(jù)煙氣余熱吸收要求，可以調(diào)整換熱器進(jìn)出口壓力為0.232 MPa，前端換熱器進(jìn)口循環(huán)冷卻水溫度為100.3 ℃，后端換熱器進(jìn)口循環(huán)冷卻水溫度為73.62 ℃，前端換熱器出口循環(huán)冷卻水溫度為73.62 ℃，后端換熱器出口循環(huán)冷卻水溫度為39.07 ℃。

其次，借助板式換熱器，向凝結(jié)水內(nèi)傳遞熱量。此時(shí)，根據(jù)熱量傳遞要求，可以將前端換熱器進(jìn)出口壓力調(diào)整為0.353、0.247 MPa，進(jìn)出口溫度分別調(diào)整為39.07、43.88 ℃；將前端換熱器進(jìn)出口壓力調(diào)整為0.247、0.232 MPa，進(jìn)出口溫度分別調(diào)整為43.88、100.3 ℃。

最后，凝結(jié)水所吸收的熱量可以借助軸封加熱器進(jìn)入換熱器，借助換熱器吸收多余熱量。根據(jù)多余煙氣熱量吸收要求，可以將前端換熱器進(jìn)出口壓力調(diào)整為2.118 MPa，進(jìn)口溫度為138.2 ℃，出口溫度為77.67 ℃；后端換熱器進(jìn)出口壓力調(diào)整為1.947 MPa，進(jìn)、出口溫度分別為54.95、50.3 ℃。

3? 火電廠節(jié)能降耗技術(shù)實(shí)現(xiàn)效果

在負(fù)荷變化下，分析火電廠節(jié)能降耗技術(shù)實(shí)現(xiàn)效果，得出結(jié)果見表2。

根據(jù)表2，負(fù)荷變化下，優(yōu)化前的火電廠發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗顯著高于優(yōu)化后的火電廠發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗。在335 MW負(fù)荷下，火電廠燃燒系統(tǒng)發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗變化最大，由350.3 g/（kW·h）下降到330.3 g/（kW·h）。表明節(jié)能降耗技術(shù)在火電廠燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以顯著降低火電廠發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗。

由表2可知，負(fù)荷變化下，火電廠節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用，可以顯著提升燃燒效率。175 MW負(fù)荷下，優(yōu)化前的燃燒效率為88.5%，優(yōu)化后的燃燒效率為90.1%，提升了1.6%；210 MW負(fù)荷下，優(yōu)化前的燃燒效率為90.2%，優(yōu)化后的燃燒效率為91.5%，提升了1.3%；245 MW負(fù)荷下，優(yōu)化前的燃燒效率為89.8%，優(yōu)化后的燃燒效率為90.6%，提升了0.8%；280 MW負(fù)荷下，優(yōu)化前的燃燒效率為88.4%，優(yōu)化后的燃燒效率為89.7%，提升了1.3%；315 MW負(fù)荷下，優(yōu)化前后的燃燒效率分別為93%、95.2%，相差2.2%；335 MW負(fù)荷下，優(yōu)化前后的燃燒效率分別為88.6%、91.2%，后者超出前者2.6%。表明節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用，可以促進(jìn)燃料充分燃燒，提升火電廠燃燒系統(tǒng)燃燒效率0.8%～2.6%。

4? 結(jié)束語

綜上所述，節(jié)能降耗技術(shù)在火電廠燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用，不僅可以提高火電廠燃燒系統(tǒng)燃燒效率，而且可以降低火電廠燃燒系統(tǒng)發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。因此，火電廠應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，恰當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)改造技術(shù)，將亞臨界燃燒系統(tǒng)改造為超臨界燃燒系統(tǒng)，提高燃燒效率。同時(shí)火電廠可以引入燃燒管理優(yōu)化技術(shù)和余熱利用技術(shù)，持續(xù)優(yōu)化燃燒參數(shù)，確保余熱充分利用，提高燃燒效率。

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