CFB锅炉机组大修前后热经济性指标对比分析

王琪霖，赵 斌，王智浩，张子晗，马 杰，杜 磊

(1.长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南 长沙 410114；2.华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063210；3.华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045)

煤炭是我国经济社会发展的重要主体能源，2020年煤电装机容量10.799 2亿千瓦，占全国总发电装机容量49.07%，煤电发电量达4.63亿kW·h，占全国总发电量的61%[1-3].目前，为实现“双碳”目标，煤电机组向清洁化与低碳化发展，循环流化床(Circulating Fluidized Bed，CFB)燃烧技术因其燃烧效率高、负荷调节性能好、燃料适应性广等特点，逐步发展成为主流的燃煤发电技术[4].在电站锅炉运行中，燃用煤种及机组负荷的变化会直接或间接的影响机组煤耗，为实现煤电机组的高效清洁运行，可通过设备技改及优化运行来降低机组煤耗[5-9].对电站锅炉热效率及机组煤耗的影响因素，众多学者开展了大量的研究.李勇等[10]以300 MW火电机组为例，对比了采用不同标准得到的锅炉热效率和发电煤耗.孙伟等[11]分析了煤质参数变化对锅炉热效率与煤耗的影响，并为火电企业的运行和大修提出了管理优化方案.常晨等[12]分析了锅炉热效率对供电煤耗的影响，并推导出供电煤耗变化关联式.李斌等[13]通过建立多变量煤质特性变化数学模型，研究了煤质特性对锅炉各项热损失的影响.

本文基于某电厂330 MW亚临界循环流化床机组，对比分析锅炉常规大修前后50%、75%、100%THA(Turbine Heat Acceptance，THA)三种试验工况下锅炉热效率、机组发电煤耗和供电煤耗的变化规律，其研究结果可为在役煤电机组负荷优化调度和热经济性诊断提供借鉴.

1 试验机组及评价指标

1.1 机组概况

某电厂330 MW亚临界机组配置CFB锅炉和空冷汽轮机.锅炉采用单锅筒、自然循环、平衡通风、水冷式旋风气固分离器、滚筒冷渣器排渣；汽轮机为亚临界、一次中间再热、单轴、三缸双排汽、直接空冷凝汽式.

锅炉主要设计参数如表1所示，表1中的VWO(Valve Wide Open)为调节阀全开工况，TMCR(Turbine Maximum Continue Rate)为最大连续运行工况，THA为汽轮机热耗率验收工况.锅炉设计和校核煤种特性，如表2所示.

表1 锅炉主要设计参数

表2 煤种特性分析

1.2 热经济性指标

(1)锅炉热效率

锅炉热效率通常采用反平衡法计算[14]，添加脱硫剂后锅炉热效率计算式为

ηg=100-(q2+q3+q4+q5+q6+q7)，

(1)

公式中：ηg为锅炉热效率，%；q2为排烟热损失，%；q3为化学未完全燃烧损失，%；q4为固体未完全燃烧热损失，%；q5为散热损失，%；q6为灰渣物理热损失，%；q7为脱硫热损失，%.

(2)发电煤耗

发电煤耗为机组每发出1 kW·h电能耗用的标准煤量，其计算式为

(2)

公式中：bf为发电煤耗，g/(kW·h)；q为汽机热耗率，kJ/(kW·h)；ηg为锅炉热效率，%；ηgd为管道效率，%，一般取99%.

(3)供电煤耗

供电煤耗为机组每供出1 kW·h电能耗用的标准煤量，其计算式为

(3)

公式中：bg为供电煤耗，g/(kW·h)；Lfcy为厂用电率，%.

2 大修前后性能试验

2.1 试验依据

依据GB/T10184-2015《电站锅炉性能试验规程》进行机组性能试验，依据DL/T904-2015《火力发电厂技术经济指标计算方法》对机组性能试验进行热经济指标分析.

2.2 试验过程

在给煤机前对原煤进行采样分析，分析项目包括工业分析、元素分析和低位发热量测定.试验期间，使用T型热电偶温度计通过网格法测量空预器出口处排烟温度；使用NOVA4000型烟气分析仪通过网格法测量空预器出口处烟气成分(O2、CO)；使用TESTO635型电子温湿度计测量送风机入口处环境温度及相对湿度；使用TESTO525型绝压表测量送风机入口处大气压力；飞灰取样于现场飞灰取样器，底渣取样于炉底部排渣口，灰渣分别经缩分后进行化学分析.

2.3 试验工况

锅炉大修前后机组性能试验选定50%、75%、100%THA三个负荷工况.两次性能试验锅炉主要运行参数对比如表3所示，两次性能试验入炉煤煤质特性如表4所示.

表3 锅炉主要运行参数对比

表4 入炉煤煤质特性分析

3 试验结果及对比分析

3.1 试验结果

由表4可知，大修前后燃用煤种成分存在差异，已有研究表明，煤种收到基全水分对低位发热量影响较明显[15].且试验过程中，由于进风温度随环境温度变化而变化，排烟温度需根据《电站锅炉性能试验规程》进行修正[16].锅炉大修前后三种试验工况下热效率计算结果对比如表5所示.

表5 三种试验工况下锅炉热效率计算结果对比

根据公式(2)、公式(3)和表3、表5，锅炉大修前后三种试验工况下机组发电煤耗和供电煤耗计算结果如表6所示.

表6 三种试验工况下机组煤耗计算结果对比

3.2 锅炉热损失分析

由表5可知，锅炉大修前后三种试验工况下的排烟热损失q2、固体未完全燃烧热损失q4和脱硫热损失q7均较高，三种损失计算结果对比如图1所示.

图1 大修前后三种试验工况下q2、q4和q7对比

由表5和图1结合分析可知，大修后50%THA工况下的锅炉热效率提高了0.74%，q4和q7变化较大；大修后75%THA工况下的锅炉热效率提高了0.66%，q2和q4变化较大；大修后100%THA工况下的锅炉热效率提高了0.24%，q7变化较大.

(1)排烟热损失q2

由表5可知，大修后75%THA工况下的q2增加了0.866%.排烟热损失计算式为

(4)

公式中：tre为环境温度，℃；tfg.AH.lv为排烟温度，℃；Vwv.fg.AH.lv为单位质量燃料燃烧生成的烟气中水蒸气体积，m3/kg；cp.fg.d为烟气的比热，kJ/(kg·℃)；cp.wv为水蒸气的比热容，kJ/(kg·℃)；Vfg.d.AH.lv为单位质量燃料燃烧生成的干烟气体积，m3/kg；Qnet,ar为燃料低位发热量，kJ/kg.

daughter普通词义为“女儿”,在科技英语中表示 “子体”。如 :daughter board子插件；daughter neutron派生中子；daughter nucleus子核等。

由公式(4)可知，q2的主要影响因素为排烟温度和烟气量.已有研究表明，当排烟温度每升高15 ℃～25 ℃，q2增加1%[17].大修前后三种试验工况下锅炉排烟温度对比如图2所示.

图2 大修前后三种试验工况下排烟温度对比

通常情况下，大修后的排烟温度会降低，但由图2可知，大修后75%THA负荷工况下锅炉排烟温度增加了15.8 ℃(修正后).由表3分析可知，大修后75%THA工况下，给水流量和一次风量降低，提高了二次风量，燃尽程度提高，而锅炉受热面吸热量减少，造成排烟温度上升.

(2)固体未完全燃烧热损失q4

由表5可知，锅炉大修后，随着机组负荷的提升，q4逐渐上升.且相比于大修前，大修后50%、75%THA工况下的q4均下降，而100%THA工况下的q4略微上升.固体未完全燃烧热损失计算式为

(5)

公式中：was，to，des为添加脱硫剂后，单位质量燃料所产生的灰渣质量分数，%；wc，rs，m为灰渣平均可燃物质量分数，%.

由公式(5)可知，q4主要受灰渣可燃物质量分数与was，to，des影响.大修前后三种试验工况下飞灰和底渣可燃物质量分数对比如图3所示.

图3 大修前后三种试验工况下飞灰与底渣可燃物质量分数对比

(3)脱硫热损失q7

在CFB炉内脱硫过程中，送入炉内的石灰石(CaCO3)先发生煅烧反应，分解为CaO和CO2，部分CaO与烟气中的SO2发生硫酸盐化反应生成CaSO4，同时消耗烟气中部分O2，炉内脱硫反应和热量变化机理可用以下化学反应式表示[14，18].

煅烧反应：

CaCO3=CaO+CO2-1 830 kJ/kg.

(6)

(7)

由表5可知，大修后50%THA工况下的q7增加了1.075%，大修后100%THA工况下的q7降低了0.317%.因此，根据煤种硫分含量和锅炉燃烧情况，调整石灰石投入量和一、二次风配比，有利于提高石灰石利用率，节约脱硫成本，降低q7.

3.3 机组煤耗分析

3.3.1 发电煤耗

由公式(2)可知，发电煤耗的主要受汽机热耗率和锅炉热效率的影响，提高锅炉热效率，降低汽机热耗率，可降低发电煤耗.锅炉大修前后三种试验工况下的汽机热耗率对比如图4所示.

图4 大修前后三种试验工况下汽机热耗率对比

由图4可知，汽机热耗率均随机组负荷增加而下降，大修后50%、75%、100%THA三种试验工况下的汽机热耗率分别下降了46.74 kJ/(kW·h)、137.36 kJ/(kW·h)、105.6 kJ/(kW·h).50%THA工况下进入汽机的蒸汽压力偏离设计值，缸效率低，汽机热耗率较高.而负荷升高后，进入汽机的蒸汽压力接近设计值，热耗率下降.大修前后三种试验工况下的锅炉热效率对比如图5所示.

图5 大修前后三种试验工况下热效率对比

由图5可知，锅炉大修后三种试验工况下的热效率均有所增加，且大修后75%THA工况下的锅炉热效率增加较明显.因此75%THA工况下，随着汽机热耗率的降低和锅炉热效率的提高，发电煤耗降低最大.大修前后三种试验工况下的发电煤耗对比如图6所示.

图6 大修前后三种试验工况下机组发电煤耗对比

由表6和图6结合分析可知，大修后50%、75%、100%THA三种试验工况下的发电煤耗分别下降了4.65 g/(kW·h)、7.63 g/(kW·h)、4.89 g/(kW·h).机组负荷增加，发电煤耗逐渐降低，为了提高机组经济性，应保持在较高负荷运行.

3.3.2 供电煤耗

由公式(3)可知，降低厂用电率可降低供电煤耗.大修前后三种试验工况下的厂用电率如图7所示.

由图7可知，锅炉大修后，50%THA工况厂用电率下降了0.39%，100%THA工况厂用电率下降了0.14%，75%THA工况厂用电率增加了0.14%.大修后辅机运行工况得到改善，且机组负荷低时，风机等辅机运行能耗占比较高，随着负荷增高，辅机能耗上升程度小，厂用电率逐渐下降.锅炉大修前后三种试验工况下机组供电煤耗对比如图8所示.

由图8可知，机组负荷由50%THA上升到75%THA时，供电煤耗下降较快，由此推测在低负荷的时候，供电煤耗相对较高，而负荷由75%THA升高到100%THA时，供电煤耗下降较为缓慢.大修后75%THA下的供电煤耗降低幅度最大，达到了7.67 g/(kW·h).

4 结 论

依据性能试验规程，对某电厂330 MW亚临界循环流化床机组进行了大修前后两次性能试验，探究了锅炉热效率和机组发电煤耗、供电煤耗的变化.

(1)锅炉大修前后50%、75%、100%THA三种试验工况下，锅炉大修后热效率分别提高了0.74%、0.66%和0.24%，锅炉各项热损失中q2、q4和q7变化较明显.根据煤种成分，调整一二次风配比、石灰石投入量，可提高石灰石利用率，降低排烟温度和灰渣可燃物，从而提高锅炉热效率.

(2)锅炉大修前后50%、75%、100%THA三种试验工况下，机组发电煤耗分别降低了4.65 g/(kW·h)、7.63 g/(kW·h)和4.89 g/(kW·h)，供电煤耗分别降低了6.64 g/(kW·h)、7.67 g/(kW·h)和5.79 g/(kW·h)，大修后75%THA工况下，机组发电煤耗和供电煤耗下降幅度较大.

(3)通过锅炉大修前后机组的性能试验，掌握机组变工况的运行特性，可为煤电机组负荷优化调度和热经济性诊断提供借鉴.