亞臨界燃煤電廠的用能分析

張彩珠，王春燕，陳 珊，魏順安

（重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400044）

燃煤發(fā)電是電能生產(chǎn)的主要形式，我國由于能源構(gòu)成的特點(diǎn)更是如此[1-2]。隨著能源危機(jī)的頻發(fā)、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，燃煤電廠存在的發(fā)電效率偏低、污染物排放嚴(yán)重等問題，越來越受到人們的 關(guān)注[3]。

燃煤發(fā)電是將煤氧化燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的過程。實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的首要任務(wù)是分析燃煤電廠熱力過程的能量利用情況，尋找能量損耗的渠道。目前，應(yīng)用于燃煤電廠的能量分析方法主要有熱平衡法和有效能分析法。熱平衡法以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能量衡算，求出能量在數(shù)值上的變化和熱功之間的轉(zhuǎn)化效率。有效能分析法通過有效能衡算得出過程或裝置的有效能損失和效率，把能量的數(shù)量和質(zhì)量結(jié)合起來對(duì)熱力過程和循環(huán)過程進(jìn)行全面的分析[4-6]。

燃煤電廠傳統(tǒng)的能量分析方法存在計(jì)算過程繁瑣、數(shù)據(jù)多而復(fù)雜[7-8]的問題。通用過程模擬軟件Aspen Plus 有統(tǒng)一的基準(zhǔn)態(tài)和物性數(shù)據(jù)庫，因此借助于Aspen Plus 對(duì)燃煤電廠進(jìn)行基于化工過程模擬和有效能概念的能量分析[9-11]，可使燃煤電廠熱力過程的能量分析更加系統(tǒng)而簡捷。

本文作者以國際典型亞臨界燃煤電廠[12]（以下簡稱A 廠）和我國西南地區(qū)某燃煤電廠（以下簡稱B 廠）為例，結(jié)合Aspen Plus 軟件和有效能分析法，對(duì)燃煤電廠熱力系統(tǒng)進(jìn)行能量分析和比較；通過模擬計(jì)算找出燃煤電廠在能量利用上的薄弱環(huán)節(jié)，為燃煤電廠的節(jié)能減排提供理論依據(jù)。

1 工藝過程描述

亞臨界，是指燃煤鍋爐所產(chǎn)生的水蒸氣壓力低于水的臨界壓力（22.06 MPa），一般為15.7～19.6MPa。亞臨界燃煤電廠的熱力系統(tǒng)包括鍋爐系統(tǒng)以及汽輪機(jī)系統(tǒng)，如圖1 所示。經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱后的空氣和粉煤一起被送入鍋爐進(jìn)行燃燒。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庖来瓮ㄟ^蒸發(fā)受熱面（E101）、高溫過熱器（E102）、再熱器（E103）、低溫過熱器（E104）、省煤器（E105）、空氣預(yù)熱器（E106），將熱量逐級(jí)傳遞給水汽工質(zhì)和空氣。高溫蒸汽用于帶動(dòng)汽輪機(jī)高、中、低壓缸（C204、C206、C209）透平做功。汽輪機(jī)為中間再熱冷凝式汽輪機(jī)，共有7 級(jí)抽汽、7 臺(tái)回?zé)峒訜崞?，其中高壓加熱? 臺(tái)（E201、E202）、低壓加熱器4 臺(tái)（E207、E208、E210、E211）、高壓除氧器1 臺(tái)（V205）。

B 廠與A 廠的工藝流程基本類似，主要不同在于汽輪機(jī)抽汽和給水回?zé)岵糠帧 廠有8 級(jí)抽汽、8臺(tái)回?zé)峒訜崞鳎渲懈邏杭訜崞? 臺(tái)、低壓加熱器4 臺(tái)、除氧器1 臺(tái)。

2 Aspen Plus 對(duì)熱力系統(tǒng)的模擬

A 廠以Illinois No.6 煙煤為原料，其工業(yè)分析、元素分析如表1 所示[12]。B 廠的模擬以當(dāng)天實(shí)際燃燒煤種為原料，如表2 所示。模擬B 廠所需數(shù)據(jù)來自現(xiàn)場數(shù)據(jù)。A、B 電廠鍋爐的負(fù)荷分別為100% BECR（鍋爐額定工況）和50% BECR。

A 廠熱力系統(tǒng)包括煤燃燒、高溫?zé)煔鈸Q熱、蒸汽透平以及給水回?zé)岬葐卧僮鳌Ｔ谀M過程中各單元操作所采用的Aspen Plus 模塊如表3 所示。

在模擬過程中，采用Aspen Plus 的收率反應(yīng)器RYield 和平衡反應(yīng)器RGibbs 模塊模擬煤的燃燒過程。RGibbs 模塊根據(jù)Gibbs 自由能最小原理去計(jì)算相平衡和化學(xué)平衡。它適合模擬具有復(fù)雜的組分變化和相變化的煤燃燒過程。但煤的組成和結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，Aspen Plus 不能直接處理其物性計(jì)算。因此，在煤進(jìn)入RGibbs 模塊之前，先用RYield 模塊將煤分解成其相應(yīng)組成元素如C、H2、O2、N2、S、Cl2、H2O、灰分（Ash）；然后分解產(chǎn)物進(jìn)入RGibbs 模塊與空氣進(jìn)行燃燒反應(yīng)。用SSplit 模塊將燃燒產(chǎn)物中的氣體與灰渣（Ash）分離。同時(shí)將煤分解的反應(yīng)熱通過熱量流股引入到RGibbs 模塊。

表1 A 廠Illinois No.6 煙煤工業(yè)分析和元素分析 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

圖1 亞臨界燃煤電廠工藝流程示意圖

表2 B 廠設(shè)計(jì)煤種和使用煤種分析對(duì)照表

表3 模擬燃煤電廠單元操作所對(duì)應(yīng)的Aspen Plus 模塊

換熱過程主要發(fā)生在鍋爐的受熱面。鍋爐受熱面包括蒸發(fā)受熱面、高溫過熱器、再熱器、低溫過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、噴淋減溫器等設(shè)備。在Aspen Plus 中，采用兩股物流換熱器HeatX 模塊模擬鍋爐的受熱面。主要進(jìn)行能量和物料平衡計(jì)算，無需計(jì)算換熱器的幾何尺寸，選擇HeatX 的簡捷計(jì)算，并規(guī)定換熱器的出口溫度。

Compr 模塊可模擬多變或者等熵的壓縮機(jī)或者透平機(jī)，可處理單相、兩相和三相計(jì)算，汽輪機(jī)的高、中、低壓缸可采用Compr 模塊模擬。給水加熱器有混合式加熱器和表面式加熱器之分?；旌鲜郊訜崞髦兴驼羝ㄟ^直接混合進(jìn)行換熱，而表式加熱器中兩種介質(zhì)的換熱是通過金屬的表面實(shí)現(xiàn)的。A 廠使用一個(gè)混合式加熱器作為給水除氧器，因此除氧器用物流混合器模塊Mixer 來模擬。除氧器前后的加熱器屬于表面式加熱器，采用HeatX 模塊模擬。ASPEN 的模擬流程圖如圖2 所示。

3 模擬計(jì)算結(jié)果

Aspen Plus 模擬A 廠的熱力過程，得到各物流的溫度、壓力、流率、焓以及有效能等數(shù)據(jù)。從表4 中可以看出，煤、空氣、排煙、主蒸汽、再熱蒸汽以及汽輪機(jī)各級(jí)抽汽等這些重要參數(shù)的模擬值與文獻(xiàn)值很接近，誤差在工程允許的范圍之內(nèi)。說明該模擬方法可行，模擬結(jié)果可用于能量分析。B 廠的模擬計(jì)算方法與A 廠相似。

另外，從有效能的角度得到了鍋爐系統(tǒng)、汽輪機(jī)系統(tǒng)以及系統(tǒng)中所有設(shè)備的有效能損失、有效能損失系數(shù)（即有效能損失占電廠輸入熱量的百分?jǐn)?shù)）以及有效能效率。

圖2 A 電廠ASPEN 的模擬流程圖

表4 A 廠模擬值與操作值比較

4 結(jié)果分析

A 廠的有效能分析結(jié)果如圖3、圖4 所示。從兩個(gè)圖中發(fā)現(xiàn)有效能損失最大的部位在鍋爐，占電廠輸入熱量的51.75%。

鍋爐系統(tǒng)中，有效能損失最大部位是煤的燃燒過程，約占整個(gè)熱力系統(tǒng)有效能損失的29%，占鍋爐總有效能損失的60%；然而這部分損失卻是任何燃煤發(fā)電所不可避免的，可采用適當(dāng)提高空氣預(yù)熱 溫度的方法來降低燃燒造成的不可逆有效能損失。

圖3 A 廠鍋爐系統(tǒng)有效能損失分布

圖4 A 廠汽輪機(jī)系統(tǒng)有效能損失分布

其次為鍋爐受熱面的換熱過程，這是由于煤在鍋爐中燃燒，將高品質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)較低品質(zhì)的熱能，不可逆燃燒造成了有效能損失。其中蒸發(fā)受熱面的有效能損失最大，約占整個(gè)熱力系統(tǒng)有效能損失的12%，占鍋爐總有效能損失的23%；其主要原因是煤燃燒產(chǎn)生的煙氣在爐膛內(nèi)的溫度達(dá)到最高值，而此時(shí)工質(zhì)的溫度是各個(gè)受熱面中最低的，兩者的傳熱溫差最大，導(dǎo)致傳熱有效能損失最大。因此蒸發(fā)受熱面部分的節(jié)能潛力比較大，可采用提高給水溫度和過熱蒸汽出口溫度的方法來降低傳熱不可逆有效能損失[13-14]。盡管鍋爐各受熱面的其它部位有效能損失比例較小，但仍然可以通過減小傳熱溫差的辦法適當(dāng)提高熱能利用率。

同時(shí)，在鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，盡量完善燃燒室結(jié)構(gòu)，采用耐高溫材料，以提高燃燒效率，從而降低鍋爐的有效能損失。

汽輪機(jī)系統(tǒng)中，有效能損失主要發(fā)生在汽輪機(jī)和冷凝器，如圖4 所示。有研究者[4，6]對(duì)燃煤電廠進(jìn)行熱平衡分析表明燃煤電廠中冷凝器損失的熱量最大，占電廠輸入熱量的50%以上，但是從圖4 中可以看出，冷凝器的有效能損失系數(shù)僅占2.2%。其實(shí)這兩者并不矛盾，因?yàn)槔淠髦械挠行軗p失包括冷卻水帶走的有效能以及汽輪機(jī)乏汽在冷凝器中與冷卻水不可逆?zhèn)鳠嵋鸬挠行軗p失。冷卻水帶走的熱量雖然很大，但是溫度低，被冷卻水帶走的有效值不大。此外，乏汽與冷卻水平均溫差不大，傳熱有效能損失也較小。總之，冷凝器中熱量損失大，但有效能損失都很小即做功能力損失不大。

汽輪機(jī)的不可逆膨脹引起的有效能損失占 3%～5%，而這一點(diǎn)僅僅通過熱平衡計(jì)算是無法發(fā)現(xiàn)的。

由此可見，汽輪機(jī)的不可逆膨脹、汽輪機(jī)乏汽在冷凝器中與冷卻水發(fā)生的不可逆?zhèn)鳠崾窃斐善啓C(jī)系統(tǒng)有效能損失的主要原因。提高汽輪機(jī)的等熵效率、完善加熱回?zé)嵯到y(tǒng)，可以顯著降低此系統(tǒng)的有效能損失[15]。

表5 A、B 兩廠有效能分析結(jié)果比較

從表5 可以看出，國內(nèi)外兩個(gè)電廠熱力系統(tǒng)的有效能效率分別為40.32%、34.55%。就B 廠而言，它是我國2006年投產(chǎn)的裝機(jī)容量為300MW 的機(jī)組，采用了先進(jìn)的燃燒技術(shù)和污染控制技術(shù)，屬于國內(nèi)比較先進(jìn)的亞臨界燃煤發(fā)電廠。但是與國外的相比，其有效能效率要低6 個(gè)百分點(diǎn)左右。主要有兩個(gè)原因：一是機(jī)組負(fù)荷低，燃煤電廠平均負(fù)荷為60%～70%；二是煤種差異大。從表2 可以看出，B廠實(shí)際使用煤種與設(shè)計(jì)煤種有很大的偏差，特別是灰分，使用煤種灰分含量超過40%。使用煤種與設(shè)計(jì)煤種偏差太大，對(duì)鍋爐的效率有很大的影響。B廠因?yàn)槭褂妹悍N灰分太多，灰分吸收部分熱量，導(dǎo)致煙氣在煙道中的溫度無法達(dá)到設(shè)計(jì)值，造成低負(fù)荷時(shí)再熱蒸汽溫度偏低，導(dǎo)致熱效率降低。

5 結(jié) 論

本文以國際典型亞臨界燃煤電廠和我國西南地區(qū)某亞臨界燃煤電廠為實(shí)例，對(duì)亞臨界燃煤電廠熱力過程進(jìn)行了全面的能量分析。

應(yīng)用過程模擬軟件Aspen Plus 和有效能分析方法，可以全方位描述燃煤電廠的能量利用情況，尋找能量利用的薄弱環(huán)節(jié)，便于提出節(jié)能減排的有效措施。

燃煤電廠能量損失的最大部位在鍋爐，其中有效能損失最大的部位是煤的燃燒過程，其次為鍋爐受熱面的換熱過程?？赏ㄟ^提高空氣預(yù)熱溫度、減小傳熱溫差等措施，以降低燃燒不可逆有效能損失和傳熱不可逆有效能損失。

汽輪機(jī)系統(tǒng)中有效能損失主要發(fā)生在汽輪機(jī)和冷凝器，但是該部分有效能損失占整個(gè)熱力系統(tǒng)有效能損失的比例較小。

通過對(duì)中、外亞臨界燃煤電廠比較，發(fā)現(xiàn)我國的亞臨界燃煤電廠的有效能效率要低6 個(gè)百分點(diǎn)左右。在優(yōu)化操作的前提下，我國的燃煤電廠尚可提高5%～6%的熱能利用率。以我國目前燃煤電廠的裝機(jī)容量約為3.25 億千瓦，相同發(fā)電量可每年節(jié)煤0.7 億噸，減少二氧化碳排放1.8 億噸。

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