火力發電廠鍋爐燃煤的節能對策研究

游駿杰，何自立

(浙江城建煤氣熱電設計院股份有限公司，浙江 杭州 310030)

火力發電廠是我國電力資源產生的重要單位，其承擔將熱能轉變為電能的責任，通過燃燒煤炭獲得電力資源。煤炭屬于不可再生資源，為契合我國資源友好型社會構建理念，火力發電廠鍋爐燃煤應提升節能水平，如此才可在提升燃料利用率基礎上，降低污染物排放，充分對接節能減排目標。因此，研究火力發電廠鍋爐燃煤的節能對策十分必要。

1 火力發電廠鍋爐燃煤節能的現實價值

火力發電廠通過燃煤提供電能，燃料為煤炭，其屬于化石能源，燃燒中會產生多種有害氧化物，例如：二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮等。此類有害物質直接排放于空氣中會帶來大氣污染問題，這與我國目前所提出的資源友好型社會構建理念不符。通過設計火力發電廠鍋爐燃煤節能路徑可確保煤炭完全燃燒，提升利用率，并且在鍋爐系統中加入處理污染物裝置可維持良好大氣環境，契合節能減排要求。

2 火力發電廠鍋爐燃煤節能的對策

2.1 升級設備

表1 低溫省煤器結構參數

2.1.1 使用低溫省煤器。使用低溫省煤器前需要開展設計工作，計算結構參數。通過查閱資料以及結合實踐案例，發現省煤器的管子直徑處于Φ28～Φ42的范圍內，無縫鋼管的直徑多為Φ32、Φ38，厚度設置為4 mm。利用錯列水平布置的辦法，提高緊湊度，選用H型翅片，能夠提高耐磨度，長時間使用可抗積灰、拓展受熱面，保障安全性能[1]。對比不同厚度的翅片，最終選擇2 mm厚的翅片，同時將縱向節距、橫向節距和H翅片節距設定為92 mm、115 mm、18 mm，借助橫縱向分布方式，為支撐結構安放提供空間。文中所設計的低溫省煤器換熱面積為：7 769.00 m2，橫縱排數分別為40和10。經過計算得出表1所示結構參數。

(1)

(2)

式(1)、(2)中，Z2、Z1、σ2、σ1、L3和L1分別表示縱向排數、橫向排數、縱向節距、橫向節距、煙道縱向長度和橫向高度，借助公式可得出縱向長度和橫向高度[2]。

H1={(L1-0.005×2)×[L2-(0.276+0.05×(n-2))×2]

×2×Z2}×N

(3)

(4)

(5)

式(3)、(4)、(5)中，n、δ′、δ、d、H、H2、H1分別表示管頭數、基管厚度、翅片厚度、基管外徑、換熱面積、凝結水流通面積和煙氣流通面積[3]。經過計算，可得到表2所示結果。

根據表2計算結果可設計低溫省煤器，從而將其應用于鍋爐系統中，節約煤炭資源，達到節能目標[4]。

2.1.2 使用循環流化床鍋爐。循環流化床鍋爐主要由安全附件、爐墻、構架、平臺扶梯、燃燒系統、空氣預熱器、省煤器、過熱器、水冷系統、分離器和鍋筒組成，多種結構共同作用，可在煤粉燃燒時產生高溫煙氣，加熱水冷壁中的冷水，使其轉變為高溫蒸汽，以此達到節能的目的。為保證循環流化床鍋爐可發揮作用，應當從以下幾個方面予以設計。

表2 結構參數計算結果

首先，要在旋風分離器內管外壁增加螺旋翼片，形成如圖1所示結構[5]。通過實驗研究發現，保證軸向型分離管結構穩定發揮作用需根據旋流式分離裝置工作原理，利用增加氣體旋轉圈數的辦法，使得含固體氣體停留時間足夠長，以此保障分離效率的提高。借助增設螺旋翼片的辦法，降低壓力降偏大問題發生的可能性，精簡連接安裝過程，防止出現串聯多臺分離器影響其他設備正常運行的情況。

圖1 氣體排出管外螺旋翼片結構示意

其次，要控制過熱器造價，優化系統結構。過熱器采用逆流布置的形式，所使用的金屬材料造價過高，需要在優化過熱器布置方案的基礎上，選用較為合理的基礎材料。本文所布置的方案如圖2所示，煤炭蒸汽依次經過鍋筒、包墻過熱器、對流過熱器、噴水減溫器和屏式過熱器，屏式過熱器、對流過熱器Ⅰ上下部和對流過熱器Ⅱ的材料分別為：SA213-TP304H或者SA213-T91、12Cr1MoVR和15CrMoR、20。利用此種布置形式縮減連接管道數量，保障壓力降水平。并且減少受熱面，使其更為適合尾部煙道的設置需要。經過計算按照圖2所示連接方式作用于系統中相較傳統方案能夠降低造價約6%，適合在節能鍋爐燃煤體系中發揮價值[6]。

圖2 過熱器布置方案示意

最后，要保證省煤器效率。省煤器加入的目的是提升熱量吸收程度，為滿足此要求需采取降低漏風、清除積灰和拓展傳熱面積的辦法。合理安裝灰斗，避免出現漏風問題，并采取定期清灰和吹灰方案，將省煤器積灰清理干凈，以此控制露點溫度。除此以外，要保證煙氣與省煤器間實現熱交換，使用蛇形管加大傳熱面積，提高省煤器工作效能。

2.2 優化現有設備

2.2.1 優化鍋爐燃燒。優化鍋爐燃燒契合我國鍋爐運行安全性要求，通過多種措施并舉，確保低負荷穩燃，保證所排放NOx的符合規范要求。結合目前我國火力發電廠燃煤情況來看，存在著煤種質量不達標和變化大的問題，熱力試驗、變負荷運行和設備改造間隔長等多方面因素造成燃燒不到位，因此為達到高效運行水平，要從以下幾個方面入手：①開展風煤配比試驗。聯合技術人員開展配比試驗，形成控制曲線和運行參數曲線，基于曲線信息數據尋找最優方案，并通過多次試驗，適當調整風煤配比，滿足不同要求。②改造燃燒設備。燃燒器優化是鍋爐系統改造的重點項目，要求技術人員結合理論研究成果對燃燒器加以改造，突破煤種和制粉系統限制。檢測燃燒重要參數，例如，測量風煤、鍋爐排放物和爐膛火焰，分析檢測結果，提出完善意見[7]。實時檢測并生成火焰圖像、飛灰含碳量、煤質分析表、煤粉濃度細度表、煙氣含氧量和一次風量結果，動態考量各參數值和變化規律，按照經濟效益產出要求改造燃燒設備。③加入智能化控制系統。鍋爐燃燒過程具備復雜化和多變性的特征，依照傳統辦法難以有效控制燃燒過程，因此在智能技術的支持下，優化鍋爐燃燒過程可運用多目標控制技術路徑，引入支持向量機和神經網絡技術，針對非線性對象和多變量開展建模工作，根據預測控制技術和智能尋優算法強化閉環管控水平。建立排放模型，運用預測控制技術精準管控空冷風機和噴氮量，選取機組歷史運行數據和性能試驗數據作為樣本，同時應用在線測量技術測定煤質，由此得出預測高溫受熱面金屬壁溫度和污染物排放數學模型。筆者使用最小二乘法，以660 MW亞臨界四角切圓鍋爐為例。在分析影響飛灰含碳量和排放量要素基礎上，將爐膛出口氧量、爐膛出口溫度、鍋爐負荷、SOFA風門開度、燃盡風門開度、每層二次風門開度、每臺磨煤機的給煤率及一次風量和煤質信息作為特性模型輸入參數，借助DCS歷史數據庫選取20 035組數據(代表連續運行15 d的基礎數據信息)。剔除不穩定工況數據，最終篩選出符合條件的1 170組數據。利用ANFIS和BP神經網絡構建飛灰含碳量和排放模型，對比以上模型與使用最小二乘法所設置模型預測精度的差異，說明運用最小二乘法構建模型更為精準，由此得出噴氨量、減溫水、氧量、風壓、風量等參數的最佳控制辦法[8]。

2.2.2 改造輔機。鼓風機和引風機是火力發電廠鍋爐的重要輔機，利用變速技術，優化工作參數。通過調節鍋爐負荷，加大鼓引風量，使得主機處于穩定運行狀態。此種方式更為適合應用于中小型鍋爐中，能夠降低耗電量，防止出現燃煤過量問題，滿足節能降耗需要。

2.2.3 強化運維管理。①要定期開展吹灰工作。經過實地調研，發現鍋爐受熱面積灰和結渣是排煙溫度上升的關鍵要素，當存在沉積物，會降低介質導熱系數，抑制熱傳導作業，使得由積灰引起的附加熱阻占比較大，不利于鍋爐正常運行。結合資料數據可知，當積灰厚度增加1 mm時，傳熱值會相應降低29%，并且當積灰厚度達到3 mm時，傳熱值降低大約45%。因此要采取及時清灰的辦法，設計定期清理計劃。開展清灰檢查工作，就沒能及時清灰人員的行為計入考核，適當給予懲罰。②要使用高品質材料。鍋爐熱效率與蒸汽和軟化除氧水水質間存在密切聯系，為保證熱效率提升，應當設計水處理程序，將用水中的雜質和溶解氧予以處理，避免在高溫環境下鹽類和溶解氧轉變為水垢，增大鍋爐爆炸概率。除此以外，要合理選擇煤料，結合市場調研結果，選定供應商。③要做好查漏、堵漏工作。爐膛和煙道漏風會降低傳熱溫差和煙氣溫度，導致設備吸熱量銳減，促使排煙溫度驟增，不符合節能要求。因此，要做好查漏和堵漏工作，檢查是否存在漏風問題，一旦發現漏眼及時封堵。使用密封性優良的孔結構與門結構，置于爐頂和爐底封鎖槽上。使用完畢后，將看火孔和看火門關緊，降低排煙溫度。

2.3 引入降耗設備

設計余熱利用裝置，其尾部受熱面布置細節見圖3。根據圖3可以看出，在此結構中包含空氣預熱器、低溫省煤器、除塵器、低壓缸、中壓缸、高壓缸、高低壓回熱加熱器和凝汽器，多個設備共同作業可提升余熱利用率。尾部受熱面系統中空氣預熱器出口煙氣若直接與大氣接觸，將損失大量熱能。經過測量，鍋爐排煙溫度處于120 ℃～140 ℃的范圍內，說明溫度較高，直接排放難以充分利用熱能，增加能耗。通過設計余熱利用系統，將所產生的熱量用于冷凝水加熱，并完成在汽輪機內做功任務。借助此種形式，在保持主蒸汽熱量不變的前提下，增大總輸出功率，提高系統運行效能。

結合大量國內外案例來看，德國使用余熱利用系統將排煙溫度降低60 ℃，國內使用余熱利用系統將溫度降低85 ℃，都展現出余熱利用的巨大可能性。我國目前所使用的余熱系統受到煙氣腐蝕和入口溫度限制，造成效率提升水平難以大幅提升的現實問題[9]。為解決這一問題，本文提出優化方案：設置兩組空氣預熱裝置，分別進行編號，低溫省煤器收集Ⅰ級空氣預熱器排放煙氣，此部分熱量作用于凝結水加熱作業中。隨后低溫省煤器繼續與Ⅱ級空氣預熱器聯合，形成串聯結構，實現煙氣在兩級空氣預熱裝置流動的目標。Ⅱ級空氣預熱器首先接收空氣，將其加熱到預設溫度后排放至Ⅰ級空氣預熱器中，整個過程均能對空氣進行加熱。布置空氣-煙氣分級系統，將溫度較高處加設低溫省煤器，區別于傳統設置蒸汽抽氣的形式，可大幅吸收尾部煙氣熱量，強化節能效果[10]。

為保障節能效益充分凸顯，應當結合進出口煙氣參數變化量，將加熱裝置串聯在系統中，充分利用不同級別給水或者凝結水?；責嵯到y、預熱器參數和低溫省煤器參數間具備耦合關系，需要在確定最佳熱力學參數的基礎上，分析參數變化特點，說明受熱面變化規律，優化熱力學參數。

圖3 余熱利用電站尾部受熱面布置示意

3 結束語

火力發電廠鍋爐系統運行質量與煤炭資源利用率息息相關，為滿足國家所提出的節能降耗要求，應當強化管理工作，做好培訓工作，從鍋爐燃煤系統優化角度給出提升資源利用率和降低能耗的具體辦法，在提高技術水平基礎上，刺激創新行為產出。