600MW超临界火力发电机组锅炉能效诊断VIP

第 4 4卷第 4期 2 0 1 3年 7月 锅 炉 技 术 B0I LER TECH N0L0GY V0 1 4 4NO 4 J u 1 ，2 O1 3 6 0 0 MW 超 临界火 力发 电机组锅炉 能效诊 断 李建锋 ，李 斌 ，朱 超。 ，尧 国富 ，盛建 华 ，王廖 星 ( 1 中国电力企业联合会科技开发服务中心 ，北京1 0 0 7 6 1 ； 2 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 1 0 2 2 0 6 3 国核 工 程 有 限 公 司 ，上 海 2 0 0 2 3 3 ) 摘要 ： 为了进一步降低火 力发 电机组 的能耗 ， 以某 6 0 0 MW 超临界火力发 电机组的锅炉设计参数 为依据 ， 对其进行 了热效率和煳效 率分析 。分析结果表明 ， 燃烧和传热则是锅炉煳损失较大 的 2个环 节。降低炯 损失 的方法有 ： 提高蒸汽参数 、 降低排烟温度 、 提高 电厂辅助设备的效率以及 降低蒸汽管道 的长度等 。 关键词 ： 6 0 0 Mw 火力发电机组 ；超 临界 ；能效诊断 ；热效率分析 ；炯 效率分析 中图分类号 l TK 2 2 9 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 4 7 6 3 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 1 4 0 5 0 前言 1 炯计算 目前 ， 煤炭仍是 我 国发 电的主要 能 源E 1 - 3 3 。大 量煤炭 的燃 烧 不仅 产 生 了大 量 的 S O 。 、 NO 等污 染物 ， 同时也产 生 了巨量 的 C O ， 大 大加剧 了地球 温室效应 。就我 国的火力 发 电机 组 的容 量构 成现 状来看 ， 6 0 0 MW 超 临界火电机组 已经逐渐成 为发 电 的主流机组 ， 因此 ， 有效 降低 6 0 0 MW 火力 发 电 机组 的能效对 于整个行业 的节 能降耗意义重大 。 为 了降 低 6 0 0 Mw 火 电 机 组 的 能 耗 ， 以 某 6 0 0 Mw 纯凝火 力发 电机 组 的锅 炉设计 参数 为 目 标 ， 通过计 算 各 项 损 失 以及 节 能潜 力 ， 为 提 出更 优化的设计方案提供参考 。同时， 计算结果对于 锅 炉机组 的运 行 与 技 术 改 造 也 具 有 较 大 的参 考 价值 。 目前 ， 对 大容 量火 电机 组 的能 效 诊 断 多采 用 热效率 法 ， 但 很 多 时 候 热 效 率 并 不 能 反 映 出节 电潜 力 ， 所 以 为 了使 结 算 结 果 更 具 有 直 观 性 ， 在计算 了 6 0 0 Mw 火 电机组 锅 炉热 效 率 的基 础 上 ， 对 6 0 0 Mw 火 电机 组 锅 炉 的焖 效 率 _ 6 也 进行 了计 算 ， 因 为按 照能 量 品 质 的 角 度 来 看 ， 焖 能 与 电能 是相 同 品质 的能量 。 目标机组的锅炉为 国产超 临界 、 变压运行 、 螺 旋 管 圈 直 流 锅 炉 ， 型 号 为 S G1 9 1 3 2 5 4 0一 M9 5 5 ， 采用单 炉膛 、 一次 再 热 、 平 衡 通 风 、 露 天 布 置 。机 组配 置 2 5 O B MC R调 速 汽动 给 水泵 、 1台 3 0 的电动调 速给水 泵 。 1 1燃 料炯 假 定燃料 的低 位 发 热量 为 Q 那 么单 位 质 量 燃料炯 可 以采 用式 ( 1 ) 计 算l 7 ： e 一 Q ( 1 o 0 6 4 + 0 1 5 1 9 罢 + O- 06 1 6 O + o 0 4 2 9 ) ( 1 ) 式 中： H、 O、 N、 C 分别 是燃 料 中的氢 、 氧 、 氮 、 碳含 量 ， ； Q 燃料 热值 ， k J k g 。 1 2 热炯 与 焓焖 如果假定物体 的比热保持不变 ， 单位质量热 炯 可 以统一采 用式 ( 2 ) 计算 ： c ( T T o ) 一 T ( 2 ) 式 中 ： c 物体 比热 ， k J ( k g K) ； T 其温 度 ， K； T 环境 温度 ， K。 对 于气体 来说 ， 焓焖 的计算 采用式 ( 3 ) ： +RT0 l n ( 3 ) 式 中 ： P 气 体压力 ， P a ； 声 。 环 境压 力 ， P a 。 但是对于蒸汽来说， 其焓焖 可 以采用式 ( 4 ) 计算 ： 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 0 2 1 0 作者简介： 李建锋 ( 1 9 7 5 ) ， 男 ， 主要从事能源清洁利用的研究与管理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 李 建锋 ， 等 ： 6 0 0 Mw 超临界火力发 电机组锅炉能效诊 断 1 5 e 一hh 0 ( 4 ) 式 中 ： h 蒸 汽 的 比焓 ， k J k g ； h 。 蒸 汽定熵 膨 胀至 环境 温 度下 的 比焓 ， k J k g 。 1 3 管道效 率 管 道热 效 率可 以用 式 ( 5 ) 表示 ： 一 f o ( 5 ) 式 中 ： h 。 管道 出 口比焓 ， k J k g ； h 管道 人 口比焓 ， k J k g 。 同样 的 ， 管 道炯 效率 可 以表示 为 ： 一 ( 6 ) e 一 式 中 ： 。 管道 出 口蒸汽 在 定 熵 条件 下 膨 胀 到 环境 温度 下 的 比焓 ， k J k g ； 矗 。 管道 入 口蒸 汽 在定 熵 条 件下 膨 胀 到 环境 温度 下 的 比焓 ， k J k g 。 2 计 算参数的选取 在计算过程 中， 假定环境温度为 2 O， 压力 为 1 0 1 3 2 5 P a ， 因为 给水 泵 以及 风 机 均 与 锅 炉密 切 相关 ， 所 以也对 给水 泵 和风 机 的能 效 也 进 行 了 计算 ， 机 组 的具体 设计 参数 见 表 1 表 7 。 表 1 锅 炉 主要设 计 参数 项 目 数值 主蒸汽流量 ( t h _ _ ) 主蒸 汽温度 主蒸 汽压 力 MPa 过热器减温水温度 过热器喷水量 ( 一级) ( t h ) 过热器喷水量 ( 二级) ( t h ) 再热 蒸汽进 口压力 MP a 再 热蒸汽进 口温度 c 再 热 蒸 汽 出 口压 力 MP a 再 热蒸汽出 口温度 c 给水温度 给水流量 ( t h ) 一 次风流量 ( t h ) 二次 风流量 ( t h ) 烟气 总流量 ( t h _ 。 ) 排 烟温度 锅 炉效 率 锅炉保证 效率 燃料消耗量 ( t h ) 再热 蒸汽流量 ( t h ) 表 2锅炉 主 要性能 指标 项 目 数值 空气预热器人 口冷一次风温度 空气 预热器人 口冷二次风温度 C 空气预热器出 口一次风温度 空气预热器出 口二次风温度 空气预热器 出口烟气修正前温度 C 省煤器 出 口过剩 空气 系数 排烟热损失 气体不完全燃烧热损失 未燃尽碳热损失 辐射及对流热损失 灰 渣物理热损失 炉膛出 口过剩空气系数 表 3煤质 分析 项 目 设计煤种 ( 神府煤)校核煤种 ( 神府煤) 表 4 6 0 0 MW 汽轮机 部分 参数 项 目 数值 主汽门前额定压力 MP a 主汽 门前额定温度 C 再 热 汽 压 力 MP a 再热汽 门前额定 温度 C 额定功率主蒸汽流量 ( t h ) 再热汽流量 ( t h ) 1 5 1 4 1 6 7 铭牌 功率 k w 设计效 率 出 口压力 k P a A B 出 口温度 A B 空气流量 ( t h ) 电动机功率 k W 电机 电 流 A A B 电机 电压 V A B 电动机 效率 挡板开度 A B 机械传动效率 环境压力 k P a 2 00 0 83 1 2 1 2 1 2 3 6 3 4 5 1 3 4 2 4 3 3 5 3 3 4 1 1 7 7 7 1 7 6 0 2 O 1 2 1 9 9 3 6 00 0 9 6 6 0 7 1 6 3 4 1 1 OO 1 O1 掰 m 2 6 6 啪 一 一 啪 啪 姒 一 m 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 锅 炉 技术 第 4 4 卷 表 6二次风 机参 数 项 目 数值 铭 牌 功 率 k W 设计效率 出 口压 力 k P a A B 出 口温 度 A B 空气流量 ( t h ) 电 动 机 功率 k W 电机 电流 A 电机 电压 V 电动机效率 挡 板 开度 A B 机械传动效率 1 5 OO 8 8 O9 4 0 4 0 1 2 5 0 7 2 5 8 1 67 3 69 l 1 3 2 O 1 3 3 5 1 4 9 4 5 1 5 3 8 6 6 00 0 9 4 3 4 7 1 2 5 2 9 8 1 O0 环 境 压 力 k P a 1 0 1 铭 牌 功 率 k W 设计效率 出 口压 力 MP a A B 出 口水温 A B 人 口压 力 MPa A B 人 口水 温 A B 流 量 ( t h )A B 挡 板 开度 A B 8 9 62 83 2 8 2 8 2 8 2 8 1 8 0 4 1 8 0 2 2 2 6 2 2 6 1 7 5 9 1 7 5 3 8 9 9 0 2 9 2 2 3 1 5 5 5 8 以上述 表 1 表 7中 的数 据 为 基 础 ， 对 整 个 发 电机 组 的效能进 行 了计 算 。 3 计算结果与分析 3 1锅 炉能 效计算 结果 与分 析 锅 炉本体 的计 算结果 见表 8 、 表 9 。 表 8锅炉 本体 的热分 析 续 表 8 项 目 数值 散热热损失量 k W 给水焓 ( k J k g ) 气体不完全燃烧热损失 k W 给水熵 E ( k J ( k g ) 灰渣物理热损失量 k W 给水携带热 k w 燃 烧 温度 C 主蒸汽净输出热 k w 灰渣 比热 E ( k J ( k g ) 锅炉净输 出热 k w 烟气 比热 E ( k J ( k g ) _ 1 2 77 6 3 1 22 4 9 3 2l 4 7 2 63 O 2 6l 9 493 2 1 5 O O 1 1 01 71 6 1 2 1 3 67 O1 5 1 0 7 表 9锅 炉本体 的焖 分析 项 目 数值 主汽I堋 ( k J k g ) 燃烧媚 损失 k W 主汽输出媚总量 k W 燃烧煳效率 给水炯 ( k J k g ) 排烟媚损 失量 k W 给水煳 总量 k W 固体不完全燃烧煳损失 k w 主蒸汽净输出炯 k W 散热煳损 失量 k W 再热蒸汽进 口媚 ( k J k g ) 气体不完全燃烧I堋损失 k W 再 热 蒸 汽 出 口堋 ( k J k g 一 ) 灰渣物理堋损失量 k W 再热蒸汽净输 出堋 k W 传热堋损 失量 k W 锅炉净输 出焖 k W 锅炉堋 效率 燃料佣 ( k J k g ) 燃烧炯损失率 燃料输入焖 k W 传热焖 损失率 一 次 风 携 带 煳 ( k J k g ) 排 烟炯 损失率 二次风携带炯 ( k J k g ) 固体不完全燃烧焖损失率 空气 总煳 k w 散热炯 损失率 锅炉总输人煳 k W 气体不完全燃烧炯损失率 燃烧放热炯 k W 灰渣物理媚 损失率 1 57 2 6 27 9 8l 8 2 7 9 5 4 73 5 81 3 4 9 9 1 1 38 4 9 1 7 6 9 4l _ 7 1 0 7 3 5 3 6 1 8 5 31 8 2 31 7 5 1 1 O9 5 3 4 99 3 1 46 9 6 1 1 5 2 9 1 51 446 3 42 O 6 86 8 7 6 9 9 78 1 5I _ 3 2 2 3 6 3 6 1 8 7 l 4 96 5 0 0 2 81 9 6 7 O 7 6 3 3 6 O 7 2 3 O7 2 7 0 1 5 1 49 9 57 3 O 23 1 21 9 75 5 O O 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 李 建锋 ， 等 ： 6 0 0 Mw 超临界火力发 电机组锅炉能效诊断 1 7 从表 8 、 表 9中可见， 锅炉的热效率尽管高达 9 3 5 5 ， 但是媚 效 率却 只有 5 1 3 ， 主要是 因为 燃 烧媚 损 失 和传 焖 损 失 两 项 之 和 为 4 6 8 。所 以就整 个 火力发 电厂 来 看 ， 提 高整 个 系 统 效 率 是 要努力提高锅炉 的焖效 率 。减 少这两个大 的焖 损失的方 法更 多的应该提高蒸 汽的参数。但 是 在 目前 材 料性 能 的 限制 下 ， 进 一 步提 高 蒸 汽 参 数 代 价很 大 ， 所 以单 纯提 高 燃烧 温度 并 不 能 显 著 的 提高 系统 媚 效 率 。这 也 是 研 究 开 发 下 一 代 高 超 超 临界 机 组 的最 大 动力 。 另 一 方 面 ， 值 得 注 意 的是 ， 锅 炉 的排 烟 热 损 失 高 达 5 1 3 ， 但 是 排 烟 的 焖 损 失 却 仅 有 0 7 6 ， 这 是 因为 烟 气 温 度 比较 低 ， 所 以其 中 的 热 量 品质 较差 ， 因 此焖 损 失 较 低 。但 这 并 不 能 说 明进 步 降低排 烟 温 度不 重 要 ， 只是 需 要 看 采用 何 种方 式 利 用 更 为 有 效 。 目前 降 低 排 烟 温 度 的 普 遍做 法 是 增 加 低 温 省 煤 器【 8 ， 这 一 方 法 投 资 较少。但是从节能的方面来看 ， 因为烟气中的热 量 本 身品 质就 比较 低 ， 所 以利 用低 压 省 煤 器 所 回 收来的热水能量 品质就更低 ， 因此总体节能效果 并 不显 著 。需要 指 出 的是 ， 如 果 换 热 器 回收来 的 热 量用 于供 暖或 者 制 冷 ， 那 么 因为 这 两个 用途 本 身 并不 需要 太 高 品质 的 能量 ， 这种 利 用 方 式 还是 可 取 的 。 相 比较来说 ， 利用排烟余热加热空气 是更 为 可 取 的一 种 方 式 。该 方 法 通 过 改 造 空 气 预 热 器 或者增加前置空气预热器 的方式来 回收烟气余 热 ， 达到 提 高进入 炉膛 空 气 温 度 的 目的 。提 高炉 膛 的进 风 温度 ， 第 一 回 收 了 烟 气 的余 热 ， 降 低 了 排烟炯损失 ； 其次也降低了空气进入炉膛 的传热 焖损 失 ； 第 三 是 提 高 了锅 炉 的 燃 烧 效 率 ， 降 低 了 燃烧煳 损 失 ， 可谓 一 举 多得 。但 是 因 为采 用 气 气 换热 方 式 ， 所 以总 投 资 要 比较 高 ， 而 且 还 有 增 加 低温腐蚀 的危险 ， 因此这需要对排烟温度做综合 的经 济技 术分 析 ， 或 者 开发 更 为 高 效 紧凑 的空 气 预热器 _ 1 。 提 高锅炉 焖 效 率 的 另 一 个 方 面 是 提 高 锅 炉 的燃烧温度 ， 降低锅炉 的未完全 燃烧热损失 ， 因 此 ， 采 取合 适 的燃 料 细度 以及 提 高二 次 风 的穿 透 性 等方 式 可 以 有 效 的 降 低 未 完 全 燃 烧 炯 损 失 。 在上 面 的 计 算 中， 固体 不 完 全 燃 烧 热 损 失 为 1 0 6 6 7 k W ， 但是 固体 不 完 全 燃 烧 煳 损 失 却 增 加 为 1 0 7 3 5 3 k W ， 这 是 因为在 计算 炯损 失 的时候 ， 计算方法上考虑 到了燃烧产物 的扩散 炯 。这从 入炉总热量 与总炯 量的差 异中也可 以看到这一 点 ， 同样 的差 异也 存 在 于气 体 不完 全 燃烧 热损 失 与烟 损失 的计 算 中 。 3 2 管道 系统计算 结 果与分 析 表 1 O给 出了管道效率得计算结果 ， 从 中可 以看到 ， 管道的热损失以及煳损失都很 大， 超过 了 1万千 瓦 以上 。 随着 机组 容 量 的不 断增 加 ， 锅 炉的高度不 断加高， 而汽轮机 的高度几 乎不变， 因此蒸 汽管 道就会 越 来 越 长 ， 因此 热 损 失 与佣 损 失 均增加 。 表 1 0 管道效能计算结果 项 目 数值 主蒸汽管道热损失 k W 主蒸汽管道媚损失 k W 管道热损失 总计 k W 管道媚 损失总计 k W 再热蒸 汽冷段管道热损失 k W 再热蒸汽冷段管道堋损失 k W 再 热蒸 汽热段管 道热损失 k W 再热蒸汽热段管道炯 损失 k W 1 99 2 9 83 3 8 89 8 58 1 1 876 0 l 1 O6 4 54 7 25 8 7 89 4 4 62 0 9 4 2 62 4 2 67 2 71 2 5 83 对于 降低 管道 的热损 失 ， 可 以采取 增 加 保 温 的方 法来 予 以缓解 。但 是 对 于堋 损失 ， 则 是 蒸 汽 在管 道 内流动 过程 中 因为摩 擦 、 节 流 等不 可 逆 过 程所 产生 的 ， 几 乎 是 不 可 避 免 ， 尤 其 是 对 于 主 蒸 汽管道 ， 煽损失几乎是热损失的两倍。降低炯损 失最有效的方法是降低管道长度， 这或者需要汽 轮机抬 高 1 ， 或者 需要 降低锅 炉顶 部高度C 1 2 3 。 不仅 如此 ， 有 效 降低 蒸 汽 管 道 的 长 度 ， 也 可 以较 大幅度地降低材料成本。 4 结 语 从 前 面 的分 析 中可 以看 出 ， 采 用炯 分 析 的方 式更为科学合理 ， 也更能分析 出系统需要节能的 环节 ， 因此 ， 在需 要 做进 一 步 优化 设 计 的 过程 中 ， 首先应 该考 虑 系统 的炯 流 分布 。 从 煳分 析结 果 中可 以看 出 ， 系统 炯 损 失 的 大 小 依次 是 传 热 堋 损 失 、 燃 烧炯 损 失 、 汽 轮机 内部 炯 损失 、 凝 汽器炯 损 失 、 发 电机 炯 损 失 、 排 烟煳 损 失 、 管道炯损失等。其中传热和燃烧炯损失是几 乎 不可 能立 即改 变 的现 状 ， 减 少这 两 热 损 失有 赖 于 材料科 学 的发 展 。 因次 ， 系统 的优 化 设计 应 该 遵循 这 降低其 他媚 损失 的方 向来展 开 。 降低管道 的炯 损失最有效 的方 法是降低蒸 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 锅 炉 技术 第 4 4卷 汽 管道 的长 度 ， 但 是 如 果 采 用 抬 高 汽 轮 机 的做 法 ， 尽管 有效 ， 但是 对 于汽 轮 机 的 防震 非 常 困难 ， 因此从安 全性 的角 度 出发 ， 将 汽 轮机 抬 高 的 方式 并 不可靠 。另一个 方 面就 是 降低 锅 炉 的 高度 ， 但 是 锅炉 的炉膛 高度 需 要保 证 燃 煤 的充 分燃 烧 ， 所 以炉膛 高度 不能太 低 ， 因此 ， 为 了解 决 这 一 问题 ， 可 以考 虑采 用锅炉 下沉式 设计 的方式 _l 1 。 从 上面 的炯分 析 中看 到 ， 系 统 总 的发 电效率 仅有 4 0 ， 因此优化辅机系统 ， 降低厂用电率也 是 降低 J堋 损 失 的另 一 个 重 要 措 施 。从 前 面 的 分 析来看 ， 风 机 的效 率 较 低 ， 给 水 泵 尽 管 采 用 小 汽 轮机驱 动 以后 不 影 响厂用 电率 的 大小 ， 但 是 系 统 炯 效率 毕竟 不 高 ， 而 且从 热 流 图 中可 以看 到 ， 小 汽 轮机 也要 排 出大量 的热量 ， 这 就 意 味着 增 加 了 系统 的热 耗 。所 以在 设 计 过 程 中需 要 详 细 的 比 较 和计算 。 参考 文献 ： 1 李斌 ， 李建锋 ， 吕俊复 ， 等我 国大 型循环流化床锅 炉机组运 行现状 J 锅炉技术 ， 2 0 1 2 ， 4 3 ( 1 ) ： 2 2 2 8 E f f i ci e n c y Di a g n o s i s Su p e r cr i t i c a l Th er mal 2 李建锋， 吕俊复 热力塔 系统用于空冷 发电余热 利用 的研 究 J 中国电机工程学报 ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 2 6 ) ， 1 9 2 4 3 李建锋， 吕俊复 热力塔 系统用于湿 冷火电厂余 热利用及 水 回收研究 J 中国电机工程学报 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 2 3 ) ： 2 4 3 3 E 4 李传统， 李 中华 火 电厂热力系统通 用计算模 型的研 究 J 中国矿业 大学学报 ， 1 9 9 7 2 6 ( 2 ) ： 6 3 6 6 5 杜亚荣 6 0 0 Mw 机组 热力 系统 的热力学 分析 与优化 D 北京 ： 华北电力大学 ， 2 0 0 7 6 李汝辉， 刘德彰 ， 李世武 能量有效利用 M 北京 ： 北京航空 航天大学出版社 ， 1 9 9 1 7 朱明善， 刘颖 ， 林兆庄 ， 等 工程热 力学 M 北京 ： 清华大学 出 版 社 ， 1 9 9 5 8 黄新元 龙 口电厂 I号炉低压 省煤器优 化设计 J 锅炉技 术 ， 1 9 9 8 ( 8 ) ： 2 2 2 5 9 李玉忠， 柯秀芳 循环流化床锅炉烟气余 热的利用 J 机电 工程技术 ， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 1 3 8 一l 3 9 1 o 李建锋 ， 郝峰 ， 郝继红 ， 等 一种新型空气预热 器及 其性能分 析 J 动力工程 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 4 ) ： 5 8 5 5 8 8 I 1 1 杨勇 ， 安恩科 超超临界机组 汽轮发 电机高低 位布置方案探 讨和分析 J 东方电气评论 ， 2 0 1 0 2 4 ( 9 ) ： 1 5 1 2 尧国富 ， 李 建锋 ， 李斌 锅炉与汽轮机 等高设计研究 J 工 程设计学报 ， 2 0 1 2 ， 1 9 ( 2 ) ： 1 4 3 1 4 9 o f Bo _ l er o f 6 0 0 MW P o w e r Ge n er a t or Se t I A J i a n f e n g ， LI B i n ”， ZHU Ch a o 。 ， YAO Gu o f u ， S HENG J i a n h u a ， W ANG L i a o x i n g ( 1 Te c h n o l o g y De v e l o p me n t S e r v i c e Ce n t e r Ch i n a El e c t r i c i t y C o u n c i l ，B e ij i n g 1 0 0 7 6 1 ，Ch i n a ； 2 S c h o o l o f En e r g y Po we r a n d Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g ，No r t h Ch i n a E l e c t r i c P o we r Un i v e r s i t y Be ij i n g 1 0 2 2 0 6 ，Ch i n a 3St a t e Nu c l e a r Po we r Eng i n e e r i n g Co，Lt d，Sh a ng ha i 20 02 3 3，Chi n a) Ab s t r a ct： I n o r de r t o r e du c e t h e e n e r g y c o ns ump t i o n o f t he r m a l p o we r g e n e r a t i o n u ni t s ， t he r ma l e f f i c i e n