【摘要】：通過介紹火電廠節(jié)能降耗技術(shù)要求，分析鍋爐燃燒系統(tǒng)改造、燃煤管理和煙氣余熱利用對節(jié)能和降耗的作用。結(jié)合實際情況，分析常見的火電廠節(jié)能降耗技術(shù)方案，厘清火電廠節(jié)能降耗技術(shù)并提出實現(xiàn)效果，為火電廠技術(shù)人員分析和實現(xiàn)同類技術(shù)要求提供參考。
【關(guān)鍵詞】：火電廠；節(jié)能降耗技術(shù)；建模；鍋爐；目標(biāo)優(yōu)化
火力發(fā)電仍然是我國電力資源供應(yīng)的主要形式，火電廠是火力發(fā)電的主要陣地。在火電廠運行過程中，節(jié)能降耗問題始終是重中之重。近幾年，越來越多火電廠開始應(yīng)用節(jié)能改造技術(shù)，廠內(nèi)火電機組平均供電煤耗穩(wěn)步下降。因此，總結(jié)火電廠節(jié)能改造經(jīng)驗，分析火電廠節(jié)能降耗技術(shù)方案具有非常突出的現(xiàn)實意義。
1、火電廠節(jié)能降耗技術(shù)要求
火電廠節(jié)能降耗技術(shù)要求主要如下。
第一，燃燒系統(tǒng)老化是火電廠機組運轉(zhuǎn)經(jīng)濟性下降的根本原因，會直接導(dǎo)致能耗無價值或低價值損耗[1]。根據(jù)火電廠節(jié)能降耗要求，可以改造火電廠燃燒系統(tǒng)，如將亞臨界改造為超臨界，增加燃燒系統(tǒng)蒸發(fā)受熱面，提升燃燒系統(tǒng)對負(fù)荷反饋靈敏度，從源頭解決燃燒系統(tǒng)能耗高問題。
第二，燃燒管理環(huán)節(jié)疏漏是火電廠煤耗長期處于高位的主要原因。在火電廠節(jié)能降耗背景下，應(yīng)改善燃煤管理，把控燃煤在燃燒過程中的運行指數(shù)，確保燃煤充分燃燒，降低單位發(fā)電量下的燃煤損耗[2]。
第三，火電廠燃燒系統(tǒng)排放煙氣中攜帶大量熱量，是火電廠節(jié)能的重要方面。根據(jù)節(jié)能要求，可以根據(jù)燃燒部分和余熱利用部分能量分配情況，利用煙氣余熱利用技術(shù)，充分利用熱能。
2、火電廠節(jié)能降耗技術(shù)方案
2.1系統(tǒng)改造技術(shù)
2.1.1結(jié)構(gòu)改造
常規(guī)亞臨界機組運行參數(shù)是17.5MPa/541℃/541℃，發(fā)電效率為38%。而常規(guī)超臨界機組典型參數(shù)為25.4MPa/569℃/569℃，發(fā)電效率為41%。由此可知，超臨界機組發(fā)電效率超出亞臨界機組發(fā)電效率?；诖?，可以貫徹低成本、小范圍、低工程量的原則，在燃燒系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)一定情況下，將典型亞臨界燃燒系統(tǒng)改造為超臨界燃燒系統(tǒng)，同步更換蒸發(fā)受熱面、再熱器、過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等部件，促使燃燒系統(tǒng)發(fā)電效率提升，降低同等發(fā)電量下能源損耗[3]。
根據(jù)亞臨界燃燒系統(tǒng)改造為超臨界燃燒系統(tǒng)后受熱面蒸汽溫度變化特點，應(yīng)沿?zé)煔饬飨颍寐菪苋哟怪惫芷了浔诖婺な剿浔?，利用屏式過熱器代替分隔屏過熱器，利用高溫過熱器代替后屏過熱器，并去除屏式再熱器，增設(shè)低溫再熱器，改造后的超臨界鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.1.2部件改造
水冷壁是燃燒系統(tǒng)改造的重中之重，需要借助φ38×7.3mm螺旋管圈與φ31.8×6.2mm垂直管屏相結(jié)合的方式，借助φ219×60mm過渡集箱連接折焰角下方。鑒于典型超臨界直流爐水冷壁的冷灰斗截面為長方形，兩側(cè)墻的管子螺旋升角具有一定差異，水冷壁更換時，需要先割開管屏，以單彎頭形式連接成型[4]。隨后從上到下垂直引傾斜管到中間聯(lián)箱，聯(lián)箱兩側(cè)引2排管接入垂直上升管進口，完成中間集箱過渡，消除熱力、水力偏差。一般管道布置截割距為53mm，管道總體數(shù)量為302根，管道上升角為17.5°。同時在燃燒系統(tǒng)前墻頂部布置φ610×65mm汽水分離器，分離器下方布置φ610×65mm儲水罐。
根據(jù)超臨界燃燒系統(tǒng)熱偏差小、氣溫穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈敏和蒸汽流速合理的要求，沿著蒸汽流程，有序改造頂棚過熱器、包墻過熱器、低溫過熱器、屏式過熱器和高溫過熱器[5]。其中頂棚過熱器位于爐膛內(nèi)部，管外徑為32～57mm，橫向相對節(jié)距小于1.25mm，內(nèi)部蒸汽質(zhì)量流速500～1000kg/（m2·s）；包墻過熱器位于水平煙道、尾部煙道內(nèi)，緊密貼合爐墻，管外徑為32～54mm，相對節(jié)距小于1.25mm，內(nèi)部蒸汽質(zhì)量流速1000～1500kg/（m·2s）；低溫過熱器位于雙尾部煙道右上部分，內(nèi)部蒸汽質(zhì)量流速250～400kg/（m2·s），管外徑為32～57mm，橫向相對節(jié)距2～3mm；屏式過熱器位于爐膛頂部，管外徑為32～54mm，屏間節(jié)距為500～1000mm，內(nèi)部蒸汽質(zhì)量流速800～1000kg/（m2·s）；高溫過熱器處于折焰角上方，管外徑為32～54mm，縱向相對1.6～2.5mm，節(jié)距為內(nèi)部蒸汽質(zhì)量流速1000～1500kg/（m2·s）。
2.2燃燒管理技術(shù)
2.2.1分析燃燒特征值
火電廠燃燒系統(tǒng)內(nèi)部燃燒機理復(fù)雜，干擾燃燒變量繁多，與燃燒相關(guān)主要特征存在復(fù)雜耦合關(guān)系[6]?；诖?，需要提前了解火電廠燃燒系統(tǒng)燃燒主要特征值，為燃燒管理優(yōu)化建模奠定基礎(chǔ)。以超臨界參數(shù)復(fù)合滑壓運行直流煤粉燃燒系統(tǒng)為例，系統(tǒng)采用復(fù)合空氣分級燃燒模式，燃燒結(jié)構(gòu)如圖2所示。
燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵特征值見表1。
2.2.2分析系統(tǒng)燃燒效率
根據(jù)燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵特征值，借助反平衡法，分析鍋爐效率，分析方式如下
n=1-q-u-m-k-g，（1）
式中：n為燃燒系統(tǒng)效率，%；q為排煙熱損失，5%；u為化學(xué)氣體（氫氣、一氧化碳、甲烷等）無法完全燃燒熱損失，0.5%；m為機械固體無法完全燃燒熱損失，0.5%～5%；k為散熱損失，0.5%；g為灰渣物理熱損失，0.5%。根據(jù)已有數(shù)值，可知燃燒效率為88.5%～93%。
2.2.3燃燒系統(tǒng)優(yōu)化建模
從鍋爐數(shù)據(jù)本身特征著手，采用燃燒系統(tǒng)燃燒二階關(guān)鍵特征算法，選取基準(zhǔn)特征子集，建立燃燒優(yōu)化模型[7]。燃燒優(yōu)化模型（圖3）是基于離散型變量、連續(xù)性變量回歸問題，在特征給定情況下，選擇25000個訓(xùn)練集，5000個驗證集，最大隱含層節(jié)點數(shù)為200，極限學(xué)習(xí)機神經(jīng)元數(shù)為2800個，持續(xù)篩選特征。
2.2.4燃燒多目標(biāo)優(yōu)化
在數(shù)據(jù)驅(qū)動下，根據(jù)燃燒優(yōu)化模型中特征與決策變量的關(guān)系，調(diào)整運行參數(shù)控制值，解決燃燒優(yōu)化問題[8]。在節(jié)能降耗背景下，燃燒優(yōu)化目標(biāo)之一是提高鍋爐效率，可以從二次風(fēng)門開度著手，在（0，70）范圍內(nèi)尋優(yōu)，確定最有利于燃燒的二次風(fēng)門開度為45%。同時從分離燃盡風(fēng)門開度著手，在（35，70）范圍內(nèi)尋優(yōu)，確定最有利于燃盡的風(fēng)門開度為47%。同理，從緊湊燃盡風(fēng)門開度著手，在（3，35）范圍內(nèi)尋優(yōu)，尋找最適宜燃盡的風(fēng)門開度為19%。
2.3煙氣余熱利用技術(shù)
2.3.1煙氣余熱利用結(jié)構(gòu)
煙氣余熱利用結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4中，1為爐膛；2為水冷壁及過熱器；3為再熱器；4為省煤器；5為空預(yù)器；6為靜電除塵器；7為煙氣換熱器1；8為脫硫塔；9為煙氣換熱器2；10為汽輪機高壓缸；11為汽輪機中壓缸；12為汽輪機低壓缸；13為發(fā)電機；14為凝汽器；15為小汽輪機；16為凝結(jié)水泵；17為軸封加熱器；18為脫硫塔給水加熱器；19為煙氣換熱器1給水加熱器；20為靜電除塵器給水加熱器；21為空預(yù)器給水加熱器；22為除氧器；23為給水泵；24為再熱器給水加熱器；25為水冷壁及過熱器給水加熱器；26為爐膛給水加熱器；27為凝結(jié)水換熱器1；28為凝結(jié)水換熱器2。
根據(jù)圖3，火電廠燃燒系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置8段抽氣結(jié)構(gòu)，抽氣壓力為5.86、3.66、1.62、0.76、0.44、0.20、0.06、0.017MPa，其中3段由汽輪機中壓缸抽氣，抽氣壓力為1.62、0.76、0.44MPa。同時煙氣換熱器吸收燃燒系統(tǒng)排煙余熱，經(jīng)循環(huán)冷卻水向凝結(jié)水換熱器2傳遞熱量。隨后70%凝結(jié)水可進入低壓加熱器，30%凝結(jié)水進入凝結(jié)水換熱器1繼續(xù)吸熱，最終進入低壓加熱器。
2.3.2煙氣余熱利用方式
根據(jù)火電廠燃燒系統(tǒng)內(nèi)部受熱面布置，對燃燒系統(tǒng)煙氣余熱利用進行詳細(xì)分析。第一步，從燃料成分著手，分析煙氣?值[9]。一般燃料由碳、氫、氧、氮、硫、水、灰分等元素構(gòu)成，元素組成為：41.76%KC+3.2%KH+9.05%KO+0.55%KN+0.21%KS+29.98%KH2O+15.25%Kash。
根據(jù)燃料各元素對應(yīng)基成分，可以推測1kg燃料所生成煙氣量。進而根據(jù)燃料各元素收到基成分，推測煙氣比熱容。根據(jù)煙氣比熱容，可以推測100~1200℃之間的煙氣?。根據(jù)煙氣?，可以梳理煙氣余熱利用思路。一般在不考慮環(huán)境成本，僅分析?成本、熱經(jīng)濟學(xué)成本的情況下，可以將脫硫系統(tǒng)視為一個單獨組件，脫硫系統(tǒng)單位?成本對其他組件無干擾。此時，火電廠燃燒系統(tǒng)排出煙氣熱量利用可以將表面式換熱器安裝到脫硫塔前、后兩側(cè)，首先借助2個換熱器內(nèi)循環(huán)冷卻水，持續(xù)吸收煙氣熱量。根據(jù)煙氣余熱吸收要求，可以調(diào)整換熱器進出口壓力為0.232MPa，前端換熱器進口循環(huán)冷卻水溫度為100.3℃，后端換熱器進口循環(huán)冷卻水溫度為73.62℃，前端換熱器出口循環(huán)冷卻水溫度為73.62℃，后端換熱器出口循環(huán)冷卻水溫度為39.07℃。
其次，借助板式換熱器，向凝結(jié)水內(nèi)傳遞熱量。此時，根據(jù)熱量傳遞要求，可以將前端換熱器進出口壓力調(diào)整為0.353、0.247MPa，進出口溫度分別調(diào)整為39.07、43.88℃；將前端換熱器進出口壓力調(diào)整為0.247、0.232MPa，進出口溫度分別調(diào)整為43.88、100.3℃。
最后，凝結(jié)水所吸收的熱量可以借助軸封加熱器進入換熱器，借助換熱器吸收多余熱量。根據(jù)多余煙氣熱量吸收要求，可以將前端換熱器進出口壓力調(diào)整為2.118MPa，進口溫度為138.2℃，出口溫度為77.67℃；后端換熱器進出口壓力調(diào)整為1.947MPa，進、出口溫度分別為54.95、50.3℃。
3、火電廠節(jié)能降耗技術(shù)實現(xiàn)效果
在負(fù)荷變化下，分析火電廠節(jié)能降耗技術(shù)實現(xiàn)效果，得出結(jié)果見表2。
根據(jù)表2，負(fù)荷變化下，優(yōu)化前的火電廠發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗顯著高于優(yōu)化后的火電廠發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗。在335MW負(fù)荷下，火電廠燃燒系統(tǒng)發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗變化最大，由350.3g/（kW·h）下降到330.3g/（kW·h）。表明節(jié)能降耗技術(shù)在火電廠燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以顯著降低火電廠發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗。
由表2可知，負(fù)荷變化下，火電廠節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用，可以顯著提升燃燒效率。175MW負(fù)荷下，優(yōu)化前的燃燒效率為88.5%，優(yōu)化后的燃燒效率為90.1%，提升了1.6%；210MW負(fù)荷下，優(yōu)化前的燃燒效率為90.2%，優(yōu)化后的燃燒效率為91.5%，提升了1.3%；245MW負(fù)荷下，優(yōu)化前的燃燒效率為89.8%，優(yōu)化后的燃燒效率為90.6%，提升了0.8%；280MW負(fù)荷下，優(yōu)化前的燃燒效率為88.4%，優(yōu)化后的燃燒效率為89.7%，提升了1.3%；315MW負(fù)荷下，優(yōu)化前后的燃燒效率分別為93%、95.2%，相差2.2%；335MW負(fù)荷下，優(yōu)化前后的燃燒效率分別為88.6%、91.2%，后者超出前者2.6%。表明節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用，可以促進燃料充分燃燒，提升火電廠燃燒系統(tǒng)燃燒效率0.8%～2.6%。
4、結(jié)束語
綜上所述，節(jié)能降耗技術(shù)在火電廠燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用，不僅可以提高火電廠燃燒系統(tǒng)燃燒效率，而且可以降低火電廠燃燒系統(tǒng)發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，實現(xiàn)節(jié)能降耗。因此，火電廠應(yīng)根據(jù)實際情況，恰當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)改造技術(shù)，將亞臨界燃燒系統(tǒng)改造為超臨界燃燒系統(tǒng)，提高燃燒效率。同時火電廠可以引入燃燒管理優(yōu)化技術(shù)和余熱利用技術(shù)，持續(xù)優(yōu)化燃燒參數(shù)，確保余熱充分利用，提高燃燒效率。
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