600MW直接空冷机组抽汽预干燥褐煤的热经济性分析

张利，张义江

（神华国能蒙东能源有限公司，内蒙古呼伦贝尔　021000）

600MW直接空冷机组抽汽预干燥褐煤的热经济性分析

张利，张义江

（神华国能蒙东能源有限公司，内蒙古呼伦贝尔021000）

褐煤水分高、热值低，对褐煤进行预干燥可以提升煤质，进而可提高电站锅炉热效率、降低发电煤耗。以某超临界600MW燃烧褐煤的直接空冷发电机组为例，建立了抽汽预干燥褐煤发电系统的热经济性分析模型。主蒸汽流量一定，褐煤收到基水分由38.4％干燥至15.0％时，锅炉的热效率由91.5％提升至92.9％，节约湿褐煤22g/（kW·h）。

燃煤电站；直接空冷机组；褐煤预干燥；热经济性

0　引言

我国褐煤储量丰富，目前已探明储量多达1300亿t，主要分布在内蒙古、东北、四川和云南东部等地区［1］。褐煤是煤化程度最低的矿产煤，水分大（15％～60％）、热稳定性差、易自燃、易风化，难以洗选和储存，也不宜长途运输。随着我国电力消费的不断增长，优质煤炭资源紧缺，近年来在内蒙古、东北等地区新建了一批燃用褐煤的坑口电厂［2］。

我国东北和内蒙古地区的褐煤热值低，含水量普遍在30％左右，水分气化吸收大量烟气热量，导致褐煤直接燃烧热效率较低、排烟温度较高，燃用褐煤的电站锅炉热效率普遍较低，而且辅机容量大、能耗高，导致供电煤耗比较高。对褐煤进行预干燥，降低褐煤中的水分，可提高锅炉效率，进而降低机组发电煤耗［3］。

褐煤预干燥技术主要有烟气干燥技术、蒸汽干燥技术、水热脱水技术、机械热力脱水技术和热油干燥技术等［4］，目前，国内对烟气干燥技术和蒸汽干燥技术研究较多。李勤道等［5］利用滚筒烟气预干燥技术，分析了某600MW凝汽式机组进行锅炉烟气干燥后的热经济性，结果表明机组效率相对提高1.12％，发电标准煤耗下降3.18g/（kW·h）；从1kg褐煤中每多干燥出0.1kg的水分，可多节约标准煤0.60g/（kW·h）。韩小渠等［6］研究发现，某600MW机组采用烟气预干燥技术，机组热耗保证（THA）工况标准煤耗下降9.91g/（kW·h），当负荷降低至50％THA工况时，节煤量下降9.30 g/（kW·h）。蒋斌等［7］探讨了褐煤过热蒸汽预干燥技术，指出该技术较为成熟，有极大的应用潜力。严俊杰等［8］基于等效焓降法研究了回热抽汽预干燥褐煤发电系统的经济性，给出了褐煤预干燥的节能条件，研究发现，某600MW机组额定工况采用抽汽预干燥可节约标准煤11.21g/（kW·h）。郭晓克等［9-10］系统地分析了超临界600MW机组采用褐煤预干燥的技术经济性，理论分析表明，该基准工况可降低发电标准煤耗12.00g/（kW·h），提高锅炉效率2.00％以上，降低厂用电率0.56％，减少冷端损失6％以上，如果对预干燥尾气的废热进行回收，节煤量可达14.65g/（kW·h）［10］。吴威等［11］研究了某300MW机组采用抽汽干燥褐煤对电厂热经济性的影响，得出了可提升电厂经济效益的结论。许诚等［12］提出了一种新型低温热集成褐煤干燥系统，并针对某1000MW燃煤电站进行了热力学和经济性评价，新型褐煤干燥系统能够使电站效率提高3.6百分点，降低发电成本1.83美元/（MW·h）。方亚雄等［13］在抽汽褐煤预干燥系统的基础上，提出了一种机炉热集成优化系统，该系统每年可减少标煤量1.29万t。

已有研究表明，回热抽汽干燥褐煤可有效提高电厂的经济效益，并且蒸汽管回转干燥技术是最成熟的一种褐煤干燥技术，得到了广泛应用［1，9，11-12，14］。蒙东能源有限公司鄂温克电厂超临界600MW直接空冷机组燃用伊敏河东煤矿的褐煤，水分高、热值低，锅炉效率低，因此，本文建立了回热抽汽预干燥褐煤发电系统的数学模型，分析了褐煤干燥后的锅炉效率和发电煤耗率，为机组节能改造提供参考。

1　抽汽预干燥褐煤系统模型

回热抽汽预干燥褐煤系统如图1所示，由第5级抽汽口分流部分蒸汽（图1中A所示），经蒸汽管回转干燥机的汽室进入换热管；湿褐煤经原煤仓进入干燥机的筒侧，与换热管充分接触被加热，褐煤中的水分不断吸热蒸发。干燥机的筒体有一定倾斜度，随着筒体的转动，湿褐煤一边被加热一边朝出口流动，当煤的水分达到要求时从出料箱排出，预干燥的褐煤送往制粉系统［15］；而蒸汽冷凝后的疏水经疏水泵加压后送往除氧器。蒸汽管回转干燥机间接干燥湿褐煤，不会携带走褐煤挥发分，考虑到长时间干燥褐煤会导致挥发分流失，温度过高导致褐煤自燃，因此，干燥机采用顺流式，即由汽轮机抽取的蒸汽与湿褐煤的流动方向相同。

图1　回热抽汽预干燥褐煤发电系统

通过利用部分低压抽汽的热量干燥褐煤，提升了煤质，增加了干燥煤的低位发热量，降低了锅炉排烟中水蒸气携带走的热量，可提高锅炉效率；高温烟气的能量品位高，因此回热抽汽预干燥褐煤相当于利用抽汽的低品位能量替代被煤中水分利用的高品位能量，从热力学第二定律的角度分析也是节能的。抽取蒸汽干燥褐煤，降低了单位质量蒸汽的做功量；干燥褐煤抽汽的疏水注入回热系统，以及抽取该蒸汽引起的低压级抽汽压力变化，亦会对回热系统产生一定的影响。因此，本文将分别建立蒸汽管回转干燥机、锅炉、汽轮机及回热系统的计算模型，分析抽汽预干燥褐煤对机组热力性能的影响。

1.1蒸汽管回转干燥机

图2示意了干燥机的热平衡，根据能量守恒定律有［10］

式中：qmd为干燥褐煤的抽汽量，kg/s；h5和hs分别为干燥褐煤的抽汽比焓及其疏水的比焓，kJ/kg；ηd为干燥机效率，％；qm为锅炉消耗的湿褐煤量，kg/s；w为1kg湿褐煤被干燥去的水分，kg/kg；hw和hv分别为煤中水分干燥前和干燥后的比焓，kJ/kg；qm′=（1-w）qm为预干燥褐煤量，kg/s；hL和hL′分别为预干燥煤进入和排出干燥机的比焓，kJ/kg。

图2　干燥机热平衡图

预干燥煤相比湿褐煤显热增加，计算煤的显热一般采用下式［16］：

式中：ir为煤的物理显热，kJ/kg；cp，ar为煤的收到基比定压热容，kJ/（kg·℃）；tr为煤的温度，℃；cdr为褐煤干燥基比热容，根据文献［16］的数据插值计算，kJ/（kg·℃）；Mar为煤中水分，％。

假设湿褐煤中水分为Mar，则干燥煤中水分Mar′与Mar的关系为

干燥煤的收到基Car′，Har′，Sar′，Oar′，Nar′和Aar′则分别是湿褐煤收到基Car，Har，Sar，Oar，Nar和Aar的1/（1-w）。

1.2锅炉

锅炉的热平衡方程为

式中：Qr为锅炉输入热量，kW；Q1为锅炉有效利用的热量，kW；Q2为排烟热损失，kW；Q3为可燃气体不完全燃烧热损失，kW；Q4为固体不完全燃烧热损失，kW；Q5为锅炉散热损失，kW；Q6为其他热损失，kW。

式（5）两边同除以Qr，即用方程右边各项热量占锅炉输入热量的百分比来表示为

锅炉效率为

因此结合式（6）可得反平衡法表示的锅炉效率

排烟热损失为［16］

锅炉输入热量为

式中：Qar，net为煤的低位发热量，kJ/kg。

在计算锅炉烟气量和烟气比焓时，一般都是以1kg燃料收到基为基础，所以排烟热损失可表示为

式中：hpy为排烟比焓，kJ/kg；αpy为排烟处的过量空气系数；h01k为进入锅炉的冷空气比焓，kJ/kg。

排烟比焓为

式中：Vgy为每kg收到基燃料燃烧生成的干烟气量，m3/kg；VH2O为烟气中所含水蒸气的容积，m3/kg；cgy和cH2O分别为干烟气和水蒸气平均比热容，kJ/（m3·℃）；t为烟气温度，℃；hfh为烟气中的飞灰比焓，kJ/kg。

彰武是三北防护林重点建设县。在与风沙的长期抗争中，彰武涌现出杨海清、董福财、马辉、李东魁、侯贵等一批治沙先进人物。彰武县有关领导说：“四十年来，彰武累计完成三北治沙造林一百二十三万亩，封山育林二十四万亩，飞播造林十八万亩，一百六十六万亩农田得到保护，粮食产量由新中国成立初期一亿公斤增长到现在的十四亿公斤。”

干烟气量为

水蒸气容积为

式中：V0为理论烟气量。

干烟气平均比热容采用下式近似计算

式中：RO2′是指CO2和SO2在干烟气中的比例，％；cCO2，cN2和cH2O采用文献［16］所列数据。

湿褐煤经干燥后，水分减少，低位发热量Qar，net增大，干燥煤的显热ir也高于湿褐煤；1kg干燥煤的干烟气量相比湿褐煤增加，虽然水分减少导致水蒸气容积VH2O下降，但是排烟比焓相比湿褐煤的变化不大。综上所述，由于干燥煤低位发热量和显热的显著上升，排烟热损失q2下降，提高了锅炉效率。q3，q4，q5和q6可视为定值，因此，确定排烟热损失即可确定锅炉热效率，进而由式（7）和式（10）得燃煤消耗量为

其中，锅炉有效利用热量

本文分析定流量工况，即汽轮机主蒸汽流量不变，锅炉没有汽水损失，主蒸汽参数、锅炉给水参数为定值，机组燃用湿褐煤或预干燥煤Q1相同。

1.3汽轮机

主蒸汽流量不变，抽取部分蒸汽用于干燥褐煤，则单位质量蒸汽的做功量降低，并且会影响该级抽汽后的各级抽汽参数，进而影响相应低压加热器的运行参数。抽汽压力随流量的改变根据弗留格尔公式可表示为

式中：下标A和B分别表示两种工况；qm表示通过该级组的流量；p为该级组的级前压力。

通过迭代重新求得抽取干燥褐煤蒸汽后的各级抽汽压力和抽汽流量，进而计算汽轮机组的发电功率为

式中：qm0为主蒸汽流量，为1 kg凝汽流在汽轮机中的比焓降，kJ/kg；h0为主蒸汽比焓，kJ/kg；hc为排汽比焓，kJ/kg；σ为再热吸热焓升，kJ/kg；qm为第i级抽汽量kJ/kg；hi为第i级抽汽比焓，kJ/kg；qmzf为各股轴封漏汽量为各股轴封漏汽的比焓，kJ/kg；ηm和ηg分别为机械效率和发电机效率，％；qmd为抽取的用于褐煤干燥的蒸汽流量，kg/s；Pe为汽轮机组的发电功率，kW。

2　算例分析

某超临界600MW直接空冷机组，锅炉为一次中间再热、墙式切圆燃烧、平衡通风、紧身封闭、干排渣、全钢构架、全悬吊结构П型布置、带启动循环泵的变压运行的直流锅炉。THA工况锅炉过热器出口蒸汽温度为571℃，再热器出口蒸汽温度为569℃，锅炉燃用褐煤的元素分析结果见表1，湿褐煤的低位发热量为13.487MJ/kg，锅炉效率为91.53％。汽轮机型号为600-24.2/566/566，THA工况主蒸汽压力为24.2MPa，主蒸汽温度为566℃，主蒸汽流量为1700t/h，再热蒸汽温度为566℃，排汽压力为10kPa，发电功率为600MW。现由第5级抽汽口抽取蒸汽通往褐煤干燥机，对褐煤进行干燥，假设每kg湿褐煤蒸发209.7g水分，预干燥煤的煤质见表1，低位发热量为17.731MJ/kg，干燥机效率假设为96％，运行参数见表2。假设对褐煤预干燥后，排烟温度由139.4℃下降至130.0℃，机组燃烧预干燥褐煤的热经济性指标见表3。

对湿褐煤预干燥至含水率只有15.0％，需抽取第5级抽汽80.4t/h，主蒸汽流量不变，则发电功率由600MW下降至588MW，虽然汽轮机的绝对内效率由47.4％下降至46.6％，汽轮机组的热耗率由7689kJ/（kW·h）上升至7830kJ/（kW·h），但是锅炉热效率由原来燃烧湿褐煤的91.53％上升至燃烧预干燥煤的92.90％，每小时消耗原煤量下降，每kW·h发电量相比燃用湿褐煤，可节约原煤22g。假设1台机组年发电量为24亿kW·h，则采用抽汽预干燥，可每年节约褐煤52800t，假设褐煤价格为180元/t，则每年可节约950万元燃料费用，所以采用抽汽预干燥褐煤具有显著的节能效果。

表1　煤质分析结果％

表2　干燥机的热力参数［10］

表3　机组燃用褐煤和预干燥煤的热经济性指标

3　结论

针对某超临界600MW燃烧褐煤的直接空冷发电机组，建立了THA工况褐煤干燥机、锅炉和汽轮机的能量平衡方程，分析了采用回热抽汽预干燥褐煤的热经济性。如果将褐煤收到基水分38.4％降低至15.0％，其低位发热量则可从13.487MJ/kg提升至17.731MJ/kg，主蒸汽流量不变，燃烧预干燥褐煤锅炉的热效率可提升至92.9％，虽然机组的绝对内效率有所降低，但是采用预干燥褐煤，发电煤耗可降低22g/（kW·h）。

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（本文责编：白银雷）

TK212

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1674-1951（2016）09-0048-04

2016-06-15；

2016-08-12

张利（1983—），男，内蒙古呼伦贝尔人，助理工程师，从事火力发电厂热工自动化方面的工作（E-mail：zl18518@ 126.com）。