耗差分析法在超临界压力直流锅炉能耗分析中的应用

王志永，许贺，朱慧敏，葛俊沛，许静

(1.河南能信热电有限公司， 河南 许昌 461000； 2.中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中电力试验研究院，郑州 450000； 3.国家电投集团郑州燃气发电有限公司，郑州 450001)

0 引言

超临界机组的运行经济性具有明显的优势，目前已在国内外火力发电行业得到广泛应用。随着国内660 MW 超临界火力发电机组的陆续投产，超临界机组成为目前国内火力发电的主力机组。为了使机组各运行指标保持目标值，发挥高参数机组运行的最大潜力，对机组运行指标进行实时监测，是火力发电企业节能降耗的关键工作，针对机组各项运行指标进行耗差分析是必不可少的工作[1-3]。

耗差分析通常根据不同的参数采取不同的方法，对于锅炉侧来说，排烟温度、排烟氧量、飞灰含碳量、炉渣含碳量、厂用电率等主要运行参数是耗差分析中的主要考核指标，又称为可控耗差[4-8]。本文对某超临界压力直流机组锅炉侧耗差进行分析，分析结果可为660 MW超临界机组的炉侧运行调整、指标考核及性能监测提供参考。

1 设备概况

某电厂#1锅炉为超临界压力直流炉，一次中间再热、平衡通风、“W”火焰燃烧方式、固态排渣、单炉膛露天岛式布置、全钢架结构、Π形布置。锅炉设计煤种条件下主要技术参数见表1(其中：BMCR工况为锅炉最大连续蒸发量工况；BRL工况为额定工况；THA工况为机组热耗率验收工况)，煤质参数见表2。

表1 锅炉主要技术参数Tab.1 Main parameters of the boiler

表2 煤质参数Tab.2 Coal indicators

2 研究路线

火力发电厂锅炉侧的耗差分析计算通常需要考虑2个方面的影响，即直接变量与间接变量。

2.1 直接变量的耗差计算

影响耗差的直接变量集中表现在锅炉效率、厂用电率及机组热耗率，这3个变量在公式表现形式上彼此独立，式(1)，(2)分别为锅炉效率和厂用电率每变化1百分点引起的供电煤耗变化，式(3)为汽轮机热耗率每变化1 kJ/(kW·h)引起的供电煤耗变化。

(1)

(2)

(3)

式中：q为机组热耗率，kJ/(kW·h)；η0为管道效率，%；η为锅炉效率，%；ζ为厂用电率，%；(bg)η为锅炉效率变化对机组供电煤耗的影响，g/(kW·h)；(bg)ζ为厂用电率变化对机组供电煤耗的影响，g/(kW·h)；(bg)q为机组热耗率变化对机组供电煤耗的影响，g/(kW·h)。

2.2 间接变量的耗差计算

影响耗差的间接变量集中表现在排烟氧量、排烟温度、飞灰及炉渣中碳的质量分数，这些影响因素相互制约，通过改变锅炉效率，对供电煤耗产生影响[9-10]，间接变量的耗差分析可根据式(4)—(6)进行计算。

(4)

(bg)t=Δηt×(Δbg)η，

(5)

(bg)φ(O2)=Δηφ(O2)×(Δbg)η，

(6)

3 考核试验

为充分了解并摸清机组运行状况，在考核试验期间，按ASME PTC4.1—1998《锅炉机组性能试验规程》、ASME PTC4.3—2017《空气预热器试验规程》、GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》、DL/T 1616—2016 《火力发电机组性能试验导则》等行业及国家标准，分100%负荷、75%负荷及50%负荷3个典型工况对机组进行考核试验及耗差分析计算。锅炉性能试验结果见表3。

由表3可知：3个典型工况下，锅炉实测热效率分别为92.19%，92.24%及92.75%；各工况下，低位发热量基准锅炉毛效率损失主要集中在干烟气热损失及灰渣未完全燃烧热损失，且随机组负荷的降低，干烟气热损失波动范围为4.18%～5.25%，灰渣未完全燃烧热损失波动范围为1.21%～2.86%。由此可见，随着负荷的降低，锅炉运行氧量增加，飞灰炉渣未燃尽引起的热损失减少幅度明显高于氧量提高导致排烟热损失增加的幅度，因此，随着机组负荷的降低，锅炉效率提高。锅炉效率随机组负荷变化拟合曲线如图1所示。

表3 锅炉性能试验结果Tab.3 Performance test results of the boiler

取汽轮机侧各试验工况下的热耗率考核值及厂用电率对该厂供电煤耗进行汇总计算，见表4。

由表4可知，3个典型工况下，机组供电煤耗分别为315.03，323.64，341.23 g/(kW·h)。对比表3可以看出，全厂经济性同锅炉侧效率趋势相反，锅炉效率变化对全厂经济性的影响力有限，因此，为考核煤耗的变化需同时考核汽轮机热耗率及厂用电率的变化。由图2所示的汽轮机热耗率随机组负荷变化拟合曲线可以看出，考核试验期间，随着机组负荷的增加，汽轮机热耗率逐渐降低，且降低幅度收窄。由图3所示的机组供电煤耗随机组负荷变化拟合曲线可以看出，考核试验期间，机组供电煤耗的变化趋势同汽轮机热耗率及厂用电率变化趋势相同，随着机组负荷的增加，供电煤耗逐渐降低，波动范围为315.03～341.23 g/(kW·h)。

表5 锅炉侧耗差分析结果Tab.5 Boiler-side consumption differences analysis results

图1 锅炉效率随机组负荷变化拟合曲线Fig.1 Fitting curve of the boiler efficiency changing with loads of the unit

表4 机组供电煤耗计算结果Tab.4 Calculation results of the fuel consumption for power-supply of the unit

图2 汽轮机热耗率随机组负荷变化拟合曲线Fig.2 Fitting curve of the steam turbine heat consumption changing with loads of the unit

图3 供电煤耗随机组负荷变化拟合曲线Fig.3 Fitting curve of the fuel consumption for power-supply changing with loads of the unit

4 耗差分析

根据考核试验结果，对影响锅炉侧耗差的各项指标进行分解计算，计算结果见表5。

由表5可知，厂用电率对供电煤耗的影响最大，厂用电率每升高1百分点，供电煤耗均值提高约3.5 g/(kW·h)，表明实际生产过程中机、炉侧各辅机设备的电能消耗对全厂经济性影响显著。排烟氧量每升高1百分点，会增加锅炉侧排烟热损失，使得不同负荷下锅炉效率降低0.26～0.45百分点，低负荷时尤为明显，间接对机组供电煤耗影响均值为1.23 g/(kW·h)。在空气预热器入口送风温度不变的情况下，排烟温度每升高1 ℃，锅炉效率降低0.05～0.06百分点，供电煤耗均值降低0.20 g/(kW·h)。

飞灰中碳的质量分数在固体未完全燃烧损失中占比较大，对锅炉效率的影响较大。由表5可知，飞灰中碳的质量分数每升高1百分点，不同负荷下锅炉效率降低0.48～0.67百分点，高负荷时尤为明显，对供电煤耗的影响均值为1.95 g/(kW·h)。就该机组而言，飞灰中碳的质量分数的单位变化对供电煤耗的影响仅次于厂用电率单位变化的影响。炉渣中碳的质量分数量每升高1百分点，锅炉效率降低0.08～0.12百分点，对供电煤耗的影响均值为0.34 g/(kW·h)。

火力发电厂炉侧各耗差分析指标在节能控制中至关重要，各项指标相互制约相互耦合，不可单纯追求某一项指标优秀，而忽略与其相关指标的变化，需要根据现场实际情况，综合分析求取最优指标。如飞灰中碳的质量分数对机组供电煤耗影响较大，现场治理时往往采取降低煤粉细度R90的措施，而忽略制粉系统厂用电率的增加，对机组供电煤耗降低产生不利影响。因此，火力发电厂治理煤耗时，应在掌握基本分析方法的基础之上，综合多因素具体分析，方可为节能降耗提供指导建议。

5 结论

通过耗差分析计算，可以直观并极具目的性地分析各项能耗指标的分布范围及分布区间，该方法能够将供电煤耗这个单一指标加以层层分离，从而找出影响煤耗的主要原因和主要节能潜力。大型电站特别是超临界和超超临界机组采用性能监测系统对发电过程中的能耗进行实时监测与控制，充分发挥机组大容量、高参数、高经济性的优势, 使机组运行保持最佳状态, 是节能降耗的有效措施。本文以某超临界压力直流锅炉为例，在100%，75%及50%负荷率工况下，对锅炉侧实际运行数据进行了详细的热经济性计算，找出影响煤耗的因素，为电厂经济运行和节能降耗提供了科学依据。