135 t/h循环流化床锅炉的热分析和分析

2020-07-28宋国辉王红梅张思文崔晓波

发电设备 2020年4期

宋国辉，王红梅，朱亮，张思文，崔晓波

(1. 南京工程学院能源与动力工程学院，南京 211167；2. 杭州汽轮机股份有限公司，杭州 310022；3. 无锡华光锅炉股份有限公司，江苏无锡 214028)

近年来我国各地着力推进工业园区建设和产业集聚发展，将蒸汽的工业用户集中在特定的工业园区内。2016年3月颁发的《热电联产管理办法》明确指出：在用热需求增长、环境压力加重的情况下，国家将鼓励并优先建设髙效的背压式热电机组[1]。背压式汽轮机组的规模较小，热力系统流程较为简单；然而，对背压式汽轮机组是否应设置高压加热器(简称高加)常存有争议。早期的研究认为，设置高加虽能提高锅炉热效率，但全厂的经济效益会下降。燕德国等[2]则认为，背压式汽轮机组是否投入高加不会改变其热力循环特征，且不会对循环效率产生影响，当热网负荷小于机组供热能力时，投入高加可提高机组的热经济性。朱水兴等[3]认为，在锅炉效率不变的前提下，设立高加会降低全厂综合热效率，但会提高发电量，有利于提高经济效益。以上这些研究存在模型简单、假设条件多，以及工程数据不充分等问题。在近几年新建背压式汽轮机热电联产项目上，不同主机厂和设计单位的意见也不相同，配置和未配置高加的项目均有实际案例。是否配置高加直接影响的是锅炉给水温度，进而影响锅炉多个换热面的温度及换热效率。因此，是否配置高加可转变为对给水温度的研究，故笔者使用给水温度对锅炉效率的影响规律来定量反映高加的作用。

1 热力系统

1.1 工程背景及煤质资料

该工程为某工业园的循环流化床背压式汽轮机热电联产项目。循环流化床锅炉主蒸汽参数为540 ℃、9.8 MPa，额定蒸汽质量流量为135 t/h，最大蒸汽质量流量为150 t/h。背压式汽轮机为单缸单轴式。根据是否使用高加，锅炉给水温度分别为215 ℃(有高加)和158 ℃(无高加)。该工程所用的燃煤成分及能量参数见表1。

表1 燃煤成分化学分析

1.2 锅炉关键参数

该循环流化床锅炉主要工艺过程见图1。

图1 循环流化床锅炉流程图

煤粉与经过空气预热器预热后的一、二次风发生燃烧反应，产生的高温烟气经过多组换热面后温度逐步降低，同时将热量传递给锅炉给水和冷空气，产生过热蒸汽，并预热给水和冷空气。从空气预热器排出的烟气首先进入布袋除尘器进行初步除尘(要求出口颗粒质量浓度≤20mg/m3)，然后经引风机增压后送至后续净化处理(湿式除尘、脱硫等)。锅炉的副产物还有高温排渣和连续排污水(排污率为1%)。

对于定型的锅炉，各个设备的参数如炉膛容积、换热器受热面积等参数已固定。当给水温度或流量改变后，锅炉各个换热面间的能量分配将发生变化，体现在各处烟气温度的改变。在主蒸汽质量流量为75～150 t/h，有高加和无高加两种工况下锅炉的主要参数见表2(未完全燃烧率是指由于机械、化学等未完全燃烧因素造成的煤炭的质量损失率；排烟温升指经过引风机升压后的出口烟温相对于进口烟温的升高)。

表2 两种工况下锅炉的主要运行参数

由表2可得：随着主蒸汽质量流量的增大，炉膛排渣温度、一次风温、各处烟温随之升高；二次风温则先降低后保持平稳。在相同主蒸汽质量流量下，有高加时的燃煤量、排渣温度、炉膛出口烟温、省煤器进口烟温等参数都比无高加时低，而省煤器出口水温、空气预热器出口烟温等参数反之。

2 评价方法及指标

2.1 锅炉本体效率

(1)

(2)

2.2 锅炉系统效率

经过风机增压后，风温或烟温有一定的升高(见表2)，其中引风机所造成的温升间接影响后续可回收的烟气余热量。在同一负荷下，当给水温度降低时，锅炉的燃煤量、风量等相应增加，进而引起给煤机、一二次风机、引风机功耗的变化。因此，锅炉系统的能量输入应考虑以上设备的功耗，特别是风机功耗。

(3)

(4)

qm,C×eSCE=ΔEMSB+(EFG+ECB+ESG)+

(LCOM+LTHT+LINC)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 结果与分析

3.1 锅炉本体热效率和效率

按式(1)计算的锅炉本体热效率对比见图2。

图2 有高加和无高加工况下锅炉本体的热效率与效率

由图2可得：锅炉最大热效率出现在135 t/h处，这是因为相较于150 t/h工况，135 t/h工况时的未完全燃烧率基本保持不变(保持在1.86%)，但135 t/h工况的排烟温度降低，排烟热损失减少，从而热效率较高。当负荷低于135 t/h时，未完全燃烧率迅速增大至5.24%，造成热效率相应降低。任一负荷下，有高加工况的锅炉本体热效率(87.70%～91.42%)低于无高加工况的热效率(89.63%～ 92.32%)。

从热分析角度看，表2显示：锅炉的主要能量损失项是排烟热损率和未完全燃烧热损率。在同等负荷下，两种给水温度对应的未完全燃烧率几乎相同。因此，锅炉热效率主要由排烟热损率决定。有高加和无高加工况的排烟热损率分别为4.26%～4.77%和3.96%～4.61%。当锅炉换热面设计已定，给水温度低导致排烟温度降低(见表2)，排烟热损失相对较小，从而出现给水温度低、锅炉本体热效率高的现象。