300 MW鍋爐熱效率及空預器漏風指標計算

武世福，蘇鐵熊，張培華，馬理強

(1.中北大學機械與動力工程學院，太原 030051；2.中北大學朔州校區，山西 朔州 036000；3.山西平朔煤矸石發電有限責任公司，山西 朔州 066003)

300 MW鍋爐熱效率及空預器漏風指標計算

武世福1，蘇鐵熊2，張培華3，馬理強2

(1.中北大學機械與動力工程學院，太原 030051；2.中北大學朔州校區，山西 朔州 036000；3.山西平朔煤矸石發電有限責任公司，山西 朔州 066003)

通過對CFB鍋爐機組熱效率及四分倉回轉式空氣預熱器漏風的計算，計算結果表明：在工況190～310 MW下，機組效率在89.24～90.10%范圍內，熱效率較高，回轉式空預器漏風率在15.97～7.03%，漏風較為嚴重。通過此次鍋爐性能指標分析計算，計算結果可為今后的運行調整重點及完善機組運行參數提供思路。

CFB鍋爐；熱效率；漏風率；性能試驗

0 前言

CFB鍋爐作為一種新型潔凈煤燃燒技術，其憑借燃燒效率高、煤種適應性好、灰渣綜合利用和污染物排放濃度低等獨特的優勢，而在全國各省份得到推廣，但CFB鍋爐在運行中普遍存在運行效率偏低和可靠性差等問題，直接影響到循環流化床鍋爐的安全、經濟運行[1-2]。

文中以2臺1 060 t/h鍋爐為例，在爐內噴鈣脫硫方式下，進行了CFB鍋爐的性能試驗，計算在不同工況下鍋爐的熱效率和空預器漏風率，分析性能指標所反應出來的規律，來指導CFB鍋爐實際運行中應該控制的運行參數。

1 設備概括

某熱電公司2300 MW機組配備1 060 t/h亞臨界、一次中間再熱 SG-1 060/17.5-M802型CFB直接空冷機組，鍋爐采用島式布置、全鋼結構，單汽包自然循環、平衡通風、風水冷渣器和滾筒冷渣器相結合，循環物料的分離依靠4臺絕熱式氣固旋風分離器，分離器回料腿下與有U型返料器連接，鍋爐左右側配套有4臺外置式換熱器，尾部受熱面采用結構布置緊湊、金屬壁溫較高、冷端腐蝕現象較輕的四分倉回轉式空氣預熱器。

2 CFB鍋爐主要性能指標計算

2.1 鍋爐熱效率試驗過程

為了解機組在不同負荷下鍋爐的效率及各項熱損失情況，根據電廠機組的實際狀況，選擇190 MW、280 MW和310 MW三個負荷進行鍋爐熱效率試驗。所需測量項目主要有：排煙溫度、送風溫度、煙氣含氧量、大氣壓力等機組運行參數。

鍋爐的熱效率采用反平衡方法確定，即通過計算鍋爐的排煙損失、固體未完全燃燒損失、氣體未完全燃燒損失、散熱損失以及灰渣物理熱損失等確定不同負荷、所有工況下的鍋爐效率。

試驗內容主要有：

1)空預器出口采用網格法測量排煙溫度；

2)空預器出口采用網格法進行煙氣分析；

3)除塵器出口取飛灰，分析飛灰含碳量；

4)爐底排渣口取爐渣，分析爐渣含碳量；

5)環境溫度和大氣壓力；

6)記錄試驗期間鍋爐運行參數。

試驗開始前，工況穩定1～2小時，試驗期間與試驗無關的系統關閉或隔絕，無吹灰、排污進行。本次試驗所有測點布置及測量方法均按照GB1804-88《電站鍋爐性能試驗規程》進行，主要試驗數據如表1所示。

表1 CFB鍋爐主要試驗數據

2.2 鍋爐熱效率計算

反平衡法計算鍋爐熱效率[3]為：

式中：

1)q2為排煙熱損失，其熱量由以下四部分構成：Qpy=(VRO2CRO2+VN2CN2+VH2OCH2O+VαCα)Tpy式中：VRO2為煙氣中三原子氣體的體積，由于尾部煙氣經過脫硫、脫硝裝置后，SO2與NOx在煙氣中的含量為ppm級，因此可忽略不計；Vα為煙氣中過量空氣體積；Tpy為排煙溫度；C為煙氣中各成分比熱容，其值可由 《鍋爐原理及計算》中表“不同氣體、飛灰由0℃到t℃的平均熱容量的計算公式”查表計算求得。

其中，VCO2中包括燃料燃燒產生的CO2和石灰石熱解產生的CO2(Ca：S=2.2)，VN2為理論空氣量中N2的體積，VH2O中包括煤中水分、空氣中水分和燃料中H燃燒生成的水分三部分 (當地環境空氣相對濕度54%，絕對濕度為2.62 g/m3)，Vα由實際過量空氣系數決定。

若一部分燃料未然盡，則煙氣體積略小，所減小的體積一般不大，因此未燃盡碳引起的煙氣體積變化不考慮，近似按燃料實際發熱量和完全燃燒發熱量之比(100-q4)/100計算。

2)q3為化學未完全燃燒熱損失，指鍋爐排煙中殘留的可燃氣體 (CH4、H2及其它碳氫化合物由于量少可忽略)未燃燒而造成的熱損失，用排煙中CO的百分含量所占熱值與總煙氣容積所表示，如下式：

式中：Vgy為1 kg煤燃燒生成的干煙氣體積，φ(CO)為排煙中CO體積分數，Qr為單位質量煤輸入熱量，kJ/kg。

3)q4為機械未完全燃燒熱損失，是由于爐內的燃料未燃盡，而被排出造成的損失，包括爐渣和飛灰中未燃盡的碳。

灰渣平均含碳量由下式計算：

式中：αl、αf為爐渣與飛灰份額，鍋爐設計說明書上灰渣比為60：40，結合鍋爐實際運行情況，經商定灰渣比取55：45，CL、CF為爐渣含碳量與飛灰含碳量，未然盡碳的發熱量為32 700 kJ/kg。

4)q5為散熱損失，其大小主要決定于鍋爐散熱表面積的大小、水冷壁的敷設程度、管道的保溫和周圍環境等情況，由 《鍋爐原理》書上的“鍋爐散熱損失q5”曲線可查的CFB鍋爐機組在不同主蒸汽流量下的散熱損失。

5)q6為其它熱損失，其大小決定于燃料的灰分、燃料的發熱量和排渣方式等。某電廠采用滾筒冷渣器與風水聯合冷渣器聯合冷渣方式，滾筒冷渣器加熱了凝結水系統中一分支凝結水溫度，風水冷渣器通過回風管與爐膛相連，回水送入低加后進入鍋爐，因此這兩部分熱量屬于系統內熱量交換，不屬于熱量損失。該CFB鍋爐采用爐內噴鈣方式脫硫，假設入爐石灰石粉的投入只增大了飛灰的量，沒有進入底渣中。

則灰渣物理熱損失：

式中：Aar為收到基灰分；Q為燃料低位發熱量；tl、tf為爐膛排出的爐渣溫度和煙道飛灰溫度；tsF為送風機入口溫度；Clz、Cfh為爐渣及飛灰的比熱容，飛灰比熱由Cfh=0.71+5.02×10-4θpy確定，爐渣比熱Clz取值0.84 kJ/(kg·℃)。

6)q7為爐內脫硫熱損失，CFB鍋爐尾部煙氣中SO2含量超標時，通常會選擇向爐內投入一定量的脫硫劑來進行爐內脫硫，考慮經濟性及系統簡便化，通常會選擇石灰石作為脫硫劑，其主要成分為CaCO3，脫硫過程中主要設計的反應方程式為[4]：

石灰石在參與爐內復雜摻混燃燒的反應過程中，脫硫劑的吸熱引起爐內的熱量增益，打破爐內原有的熱量平衡，需要建立新能量平衡關系，因此，對于CFB鍋爐熱效率計算準確度有一定的影響，需要予以考慮。

綜上所述，對山西某熱電廠3號CFB鍋爐機組計算在190 MW、280 MW、310 MW三種不同工況下的鍋爐熱效率[5-7]，用反平衡法來分析鍋爐的效率，通過計算得知三個負荷下鍋爐效率分別為89.24%，90.10%，89.26%。

2.3 空預器漏風率計算

為指導機組運行人員能夠準確控制爐內氧量，使爐膛內燃燒得以改善，在空預器入口與出口處的煙道橫截面上，采用網格法進行煙氣中氧量測量，近似計算空預器漏風[8]系數。

近似計算過量空氣系數α有：

通常以Δα表示空預器漏風系數，有：

式中，α2為空預器出口過量空氣系數，α1為空預器入口過量空氣系數。

空預器漏風率用經驗公式計算：

3 性能指標計算結果分析

1)鍋爐效率主要受到排煙熱損失和機械未完全燃燒熱損失的影響。排煙熱損失是鍋爐機組熱損失中較大的一項，由排煙溫度和排煙容積決定，排煙溫度越高，排煙熱損失越大；漏風越大，排煙熱損失也越大。一般排煙溫度每增加15℃～20℃，會使排煙熱損失增加1%。

2)N2和過量空氣的熱量相對較大，N2是由理論空氣量決定的，與燃料質量相關。過量空氣與燃燒狀態相關，過量空氣每增加10%，鍋爐熱效率降低0.35%～0.45%。

3)機械未完全燃燒熱損失中飛灰帶來的影響更大，降低1%飛灰可燃物含量，機械未完全燃燒熱損失會降低0.8%。

4)在對比工況1和工況2時發現，工況2的機械未完全燃燒熱損失1.952%大于工況1的0.992%和工況3的1.407%，其主要是由煤種的不同引起的。即工況2的飛灰含碳量1.67%高于工況1的飛灰含碳量0.72%，同時爐渣含碳量1.52%也高于工況1爐渣含碳量0.93%和工況3的1.32%，但整體的飛灰含碳量和爐渣含碳量都相對較低。

5)從試驗結果可以看到，回轉式空氣預熱器隨著機組負荷190 MW、280 MW、310 MW的不斷增加，其漏風率由15.97%降到7.03%，但空預器漏風率整體偏高。

4 結束語

1)從鍋爐熱效率計算數據可知，在燃用校核煤質低位發熱量12.05 MJ/kg情況下，控制入爐煤矸石的粒徑，合理組織物料燃燒，使鍋爐效率為89.24%～90.10%，保持較高熱效率，所以提高機組的連續穩定運行周期是提高經濟性的關鍵。

2)排煙熱損失較大，這是由于尾部嚴重漏風，使得尾部過量空氣系數高于設計值而造成的；同時在對比工況1和工況2發現：工況2的排煙熱損失7.62%低于工況1的排煙熱損失9.39%，這主要是由于當鍋爐負荷增加時，送風量相應的增加，而漏風量是一定的，使得工況2的排煙過量空氣系數1.23%低于工況1的過量空氣系數1.46%，所以排煙熱 損失相對下降；再對比工況2和工況3，工況3的排煙損失相對于工況2的 7.62%增加到了9.04%，由于送風量相應增加，風速相應增加，而風速的增加會使得煙氣量大幅增加。

[1] 楊建球，曾庭華，李煥輝，等.大型循環流化床鍋爐運行優化及改進 [M].北京：中國電力出版社，2010.

[2] 李振慶，張路濤，趙斌，等.CFB鍋爐熱效率及空氣預熱器漏風性能試驗研究 [J].節能，2012，(4)：54-57.

[3] 胡智慧，郭曉翔.600 MW機組超臨界鍋爐的效率分析[J].廣西電力，2007，(6)：54-57.

[4] 尹導，王鐵錘.循環流化床鍋爐熱效率的計算方法 [J].吉林電力，2009，37(5)：18-20.

[5] 胡鑫，江青茵，曹志凱.循環流化床鍋爐熱效率的在線軟測量 [J].動力工程學報，2010，30(6)：415-419.

[6] 閔慶紹，陳偉麗，徐祥軍.提高 CFB鍋爐熱效率的探討[J].化工技術與開發，2012，41(6)：54-56.

[7] 陳祥，張新鋒.火電廠鍋爐熱效率計算及誤差分析 [J].云南電力技術，2010，38(4)：88-90.

[8] 王科峰，張文祥，王平，等.300 MW機組鍋爐回轉式空氣預熱器密封改造 [J].陜西電力，2007，35(6)：54-56.

Analysis and Calculation of Thermal Efficiency and Air Preheater Air Leakage in 300 MW CFB Boiler

WU Shifu，SU Tiexiong，ZHANG Peihua，MA Liqiang
(1.North University of China，Taiyuan 030051，China；2.North University of China，Shuozhou，Shuozhou 036000，China；3.Shanxi Pingshuo Power Generation Co Ltd，Shuozhou 066003，China)

Through the thermal efficiency of CFB boiler unit，four points warehouse rotary air preheater air leakage test.The calculation results show that the unit thermal efficiency within 89.24～90.10%is higher under the condition of 190～310 MW.Rotary air preheater air leakage is more serious in 15.97～7.03%.Research shows that the operation of the boiler performance analysis and calculation results for the future adjustment key and improve the unit operation parameters provides a guideline.

CFB boiler；thermal efficiency；air leakage；performance test

TK22

B

1006-7345(2015)04-0031-03

2014-10-08

武世福 (1987)，男，碩士研究生，中北大學機械與動力工程學院，主要研究方向為電站鍋爐尾部煙氣脫硝技術的應用 (email)buddha.110＠163.com。

山西省朔州市工業攻關項目 (批準號：2013 -33-38，2013-33-40)資助的課題