火电厂燃油系统循环温升的计算方法研究

陈 勇，赵 鹏，陈 辰

(中南电力设计院 ，湖北 武汉 430071)

锅炉点火及助燃油系统是火力发电厂燃烧系统的重要组成部分，除锅炉点火启动阶段向锅炉供油以外，当锅炉处于低负荷燃烧不稳定的状况下，燃油系统也需要随时投入使用以满足稳定燃烧的功能。根据GB50660－2011《大中型火力发电厂设计规范》，电厂一般设有2～3台供油泵，单台泵容量在35%～100%之间。

为保证燃油系统能随时投入，即使锅炉不需要燃油的时候，也需要投入油泵，在油罐区和炉前作油循环，保持热备用的状态，以保证需要的时候能快速投入油枪。由于油泵对燃油做功，燃油在油罐区和炉前反复循环过程中油温不断升高，危及油系统的安全运行。为降低油温，有的电厂设置了油冷却器，有的电厂在运行中对油罐进行喷淋降温，但效果不一定显著。实际运行经验表明，油泵的出力、油罐的容量等参数对燃油系统的温升都有重要的影响，但一直以来未有有效的计算方法对燃油系统的温升进行定量地分析，本文将油罐、油泵和管道系统作为一个整体，对燃油系统循环温升的计算方法进行研究，从而拟定燃油系统温升程度的判别准则，可作为燃油系统设计和设备选择的理论依据。

1 油循环温升的机理分析

1.1 油循环过程的热量输入来源

供油泵在运行中消耗能量做功，根据机组容量、锅炉型式、燃煤品质、油泵数量的不同，燃煤电厂的点火助燃油系统的单台供油泵消耗的功率在50～150 kW之间，这部分消耗的功率分为两部分：

(1)一部分属于有效功，这部分做功提升了燃油的压头，增加了燃油的动能。但这部分有效功在燃油在油罐区和炉前循环过程中，以克服管道的摩擦阻力和局部阻力的形式，最终仍然会转化成热量，提升了燃油温度。

(2)另外一部分则属于无效功，如DY型多级离心油泵，根据级数、流量和扬程的不同，有效功大约在30%～70%之间，剩下部分无效功在油泵内直接转换成热量，大部分提升了燃油的温度，少部分提升了泵体的温度，最后耗散在环境中。

因此，根据上述分析，如不考虑油管道、油罐和泵体的散热损失，若锅炉不消耗燃油，供油泵消耗的功率最终将全部转换为热量，从而提升了燃油的温度。

其他的输入热量来源还包括：对于北方寒冷地区，为防止低温燃油凝固，需要在油罐内设置加热器，严寒地区还需要对管道进行伴热；对于燃用重质燃料如重油及其他燃料油，为满足锅炉油枪的粘度要求，还需要设置燃油加热器，可将燃油加热至100℃以上；火电厂的油罐多为露天布置，没有防晒设置，夏季阳光直射也是输入热量的来源之一。

1.2 油循环过程的热量输出途径

油循环过程的热量途径主要来源于油罐和燃油管道的散热损失；如燃油系统中设置了油冷却器，则冷却器将成为油循环过程的热量输出途径。当锅炉油枪处于投运状态时，一部分燃油投入炉膛燃烧，则这部分燃油携带的热量当然也随之耗散在炉膛燃烧过程中，因此也可以视为油系统热量输出的一种途径。

1.3 燃油系统的热平衡

根据上述分析，将油罐、油泵和管道作为一个整体系统，该系统的热平衡可如图1所示，热量输入来源包括油泵做功、油罐加热器、燃油加热器、燃油管道伴热和日照，热量输出途径包括油罐散热、燃油管道散热、燃油冷却器和燃油入炉燃烧带走的热量。当热量输入和输出达到平衡时，燃油的温度保持恒定，当热量输入大于热量输出时，燃油温度将会持续上升，直至达到一个新的平衡或者燃油系统被迫停止运行。

图1 燃油系统的热平衡示意图

2 油循环温升的计算方法

2.1 计算的原则和简化方法

本文主要研究在夏季高温气候环境下油循环温升的计算方法，目的是保证燃油系统运行的安全性。由于对于南方部分地区夏季环境温度即可达40℃左右，在这种环境下如不能控制燃油的温度上升，燃油温度可能会接近甚至超过燃油闪点，对燃油系统的安全运行造成隐患。另外，为减少计算工作量，对计算的输入条件作如下简化：

油罐加热器和燃油管道伴热的作用主要是在环境温度较低时，降低燃油的粘度、保证燃油的流动性，而在环境温度较高和燃油温度已经有可能危及系统安全的情况下，油罐加热器和燃油管道伴热是可以停止投入使用的，因此，本计算中不考虑油罐加热器和燃油管道伴热的输入热量。

对于轻柴油管道，由于管道的散热面积较小，且在夏季环境温度较高时，管道内的油温和环境温度相差不大，散热损失很小，可以忽略不计。对于需要保温伴热的重油管道，散热损失的热量基本上可以由伴热管道的热量得到了补偿，因此油管道的散热损失也可以忽略不计，以简化计算过程。

燃油冷却器在经过计算分析后燃油温升速率不能满足安全性要求的条件下采用，在初期分析计算时可不考虑。

理论上日照也会带来一定的输入热量，但与油罐的散热量相比，日照输入热量很小，全国大部分地区日照强度约0.15～0.20 kW/m2，考虑到传热效率和油罐的保温后输入热量更小，远小于罐顶和管壁的散热损失，因此本计算中忽略不计，以简化计算。

2.2 油循环温升的判别式

不考虑入炉燃烧的部分，油罐内的燃油在油循环过程中的温升速率可按公式(1)计算：

式中：Δtoil为油罐内的燃油温升速率(℃/h)；Coil为燃油比热(kJ/(kg·℃))，根据燃油的特性资料确定；Vt为油罐内储存的燃油的质量(t)，按油罐中间液位计算；Δth为燃油加热器的设计温升(℃)，如没有燃油加热器，此项取零；Hdv为油罐的散热损失(kW)；Vre为回油量(t/h)；Vf为油泵出口油量(t/h)。

Hp为油泵对燃油做功转化为的热量(kW)，按公式(2)计算：

式中：Pf为油泵对燃油做功的功率(kW)，对于定速油泵，取油泵额定出力下的轴功率；对于变频调速油泵，取在满足炉前油压的条件下，油泵的轴功率。

2.3 油罐的散热损失计算

油罐的散热损失是燃油系统热量散失的主要途径，油罐容量越大，存油量越多，散热损失大，燃油温升速率就慢；反之，对于采用了微油点火或等离子点火装置的电厂，油罐容量通常都较小，散热损失小，就容易造成燃油系统超温。

由于火力发电厂使用的油罐一般为钢制地上式油罐，因此计算油罐的散热损失计算时作以下假定：(1)罐底的散热损失为零。(2)罐壁的热阻可以忽略不计。(3)油罐装满系数按0.9计算。

(1)火电厂油罐的散热损失按公式(3)计算。

式中：Hdv为油罐的散热损失(kW)；ar为经罐顶向空气的传热系数(W/(m2·℃))，罐顶无保温层时，取ar=0.7，罐顶有保温层时，取ar=0.35；Fr为罐顶的表面积(m2)，根据油罐的几何尺寸计算；Fw为罐壁的表面积(m2)，根据油罐的几何尺寸计算；

(2)tav为燃油的平均温度(℃)，按公式(4)计算。

式中：tb为环境温度，取夏季室外通风计算温度；t2为燃油升温后的温度(℃)，本计算方法主要目的是校核夏季高温时油罐的温升，按公式(5)计算t2：

式中：tfp为燃油的闪点；

(3)aw为经罐壁向空气的传热系数，按下列公式计算。

①当罐壁无保温时，按公式(6)计算(W/(m2·℃ ))。

式中：α1为燃油向罐侧壁的放热系数(W/(m2·℃ ))；

式中：ρ20为 20℃时燃油的密度(kg/m3)；vt为燃油在定性温度时的运动黏度(mm2/s)。

式中：tw为油罐的侧壁温度(℃)。

可根据表1中的tav及tb先进行假定，在计算出αw值及α1以后，再利用公式(9)对假定的tw进行验算：

表1 根据tav及tb假定tw的参考范围(℃)

式中：a2为罐侧壁向空气的对流放热系数(W/(m2·℃))，按公式(10)计算。

式中：C，n为系数，根据雷诺数Re按表2取用。λb为环境温度tb时空气的导热系数(W/(m2·℃))，可按表3取用。

表2 Re与C，n的关系

Re按公式(11)计算。

式中：Wb为环境温度时的平均风速(m/s)；D为油罐直径(m)；；vb为环境温度tb时空气的运动黏度(mm2/s)。vb可按表3取用。

表3 一个大气压下干空气的物理常数

α3为罐侧壁向空气的辐射放热系数(W/(m2·℃))，按公式(12)计算。

式中：ε为管壁表面黑度，可取0.90。

②当油罐罐壁有保温时，经罐壁向空气的传热系数，按公式(13)计算。

式中：δ为罐壁保温层的厚度(m)；λ为罐壁保温层材料导热系数(W/(m•K))。

3 实际工程算例

北方某电厂装机容量为2×150 MW机组，锅炉为2×540 t/h煤粉锅炉，安装等离子点火装置，同时保留常规的大油枪系统作为备用。由于油系统仅作备用，油罐区只设2座200 m3轻柴油储罐，油品冬季采用－20号轻柴油，平常采用0号轻柴油。油泵房设3×50%供油泵，油泵型号为65AY50x10型多级离心泵，出力为20 m3/h，扬程为500m油柱，油泵效率为49%，油泵电机型号为YB2 280M－2型，功率为90 kW。

油系统经过一段时间运行后，发现油温上升较快，在未投入伴热系统的情况下，供油泵进出口油温达43～48℃，油罐油温已达到44℃，并且还有继续上升的趋势。电厂投入临时水源给供油泵泵体淋水降温、采用轴流风机吹风冷却、倒换油罐运行、提高油罐油位等措施，效果仍不明显，供油泵进出口油温仍在41～45℃，油罐温度在38℃高位运行，经常被迫停止油系统运行。表4为油温的实测数据，可以看到，在监测的两个小时内，油罐下层油温在2小时上升了2.2℃，平均1.1℃/h。

表4 油罐的油温变化数据

为分析解决问题，采用前文计算方法对燃油系统的温升速率进行分析计算，计算结果见表5。

表4 燃油温升速率计算

可以看出，计算结果与实测数据基本一致。根据上述计算方法和算例结果还可以看出：由于油罐的散热损失量不大，如果油罐有保温的话散热损失更小，决定油系统循环温升速度的主要还是油罐的容量和油泵的功率，如上述案例中，如果油罐容量增加为500 m3，则(保温)油罐温升可降低至0.3℃/h，如果油泵功率减少至35 kW，(保温)油罐温升可降低至0.35℃/h。

4 结论和建议

根据上文对燃油系统循环温升的计算方法的理论研究和实际案例验证，该计算方法的结论基本合理，可以作为燃油系统温升严重程度的判别准则和燃油系统设计和设备选择的理论依据。同时，根据对上述计算结论的分析，对燃油系统的设计提出如下建议：

(1)当燃煤机组采用等离子点火或微油点火装置，从而减小了油罐的容量时，有必要对燃油系统的循环温升进行校核计算，当不满足要求时应采取适当措施：如单独设置小容量的循环油泵、供油泵采用变频调速等，以降低油泵的输入功率。如仍不能满足要求，可考虑设置油冷却器。

(2)当环境气候适宜时，可不对油罐进行保温，冬季温度较低时，可通过油循环的方式维持燃油温度，保证燃油的流动性。