煤气锅炉热效率优化提升技术研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（上）-59-工 业 技 术随着城市规模的扩大，城市的能源供给需求缺口也不断增加1。为了确保为城市提供充足的热能，煤气锅炉成为重要的供热设备，满足商用和民用供热、保暖等多种基本需求2。但是受工作环境、锅炉结构设计和煤气燃烧原理等条件的限制，煤气锅炉的热效率无法达到最佳，从而造成能源损失3。为了满足节能环保的实际需求，必须对煤气锅炉的效率进行有效提升。因此本文给出了锅炉效率的计算公式，进而分析锅炉效率的影响因素。在此基础上，通过多项措施完成煤气锅炉效率的优化提升，并通过试验加以验证。本文对提升煤气锅炉效率、提升环保效果具有一定的理论意义和实践价值。1 锅炉效率计算与影响因素分析1.1 锅炉效率计算锅炉效率是指锅炉有效利用热量与燃料带入炉内热量的百分比，如公式（1）所示。%100=DLQQ（1）式中：代表锅炉的效率；QL代表锅炉的有效利用热量；QD代表燃料带入锅炉内部的热量。锅炉效率直接反映了燃料带入炉内的热量被利用的程度，是考核锅炉经济型性能的重要指标，同时也能表明锅炉设备的完善程度和运行管理水平。锅炉效率是电厂供应电力的重要影响因素，提高锅炉效率不仅能提高电厂的供电能力，提高发电厂供电效率，同时还能节约发电能源，让相同的燃料发挥更大的效用。因此采用合理的措施提高锅炉运行的效率在发电中具有重要作用。锅炉的热效率计算有“输入/输出热量平衡法”和“计算热损失反平衡法”2 种，从理论上分析，2 种计算方法的结果应该是一致的。其中“输入/输出热量平衡法”计算较简单，公式意义较直观，但是只能计算锅炉的热效率，不能分析影响锅炉效率的因素，也不能分析各种因素的影响权重。而“计算热损失反平衡法”通过计算各种热损失对锅炉效率的影响，可以分析出各种影响锅炉效率因素的主次，从而指导设计优化方向。1.2 锅炉热损失分析根据反平衡法，锅炉热损失的主要组成包括排烟热损失、化学未完全燃烧损失、固体未完全燃烧损失、辐射与对流散热损失以及灰渣热损失。根据上述分析可知，锅炉的有效利用热量如公式（2）所示。QL=q1-q2-q3-q4-q5-q6（2）式中：QL为锅炉的有效利用热量；q1为燃料能给锅炉内部提供的全部热量；q2为排烟导致的锅炉热量损失；q3为化学未完全燃烧导致的锅炉热量损失；q4为固体未完全燃烧导致的锅炉热量损失；q5为辐射与对流散热导致的锅炉热量损失；q6为灰渣热损失。除此之外，还有一些特定条件下的热损失或增益。根据本工程燃料特点，锅炉的主要热损失影响因素为 q2、q3、q5，固体燃料通常还需要考虑热损失 q4、q6，本工程燃用高转混合煤气，因此可以取 0。1.3 锅炉效率影响因素分析从上述锅炉热损失组成中可以看到，燃气锅炉效率的主要影响因素为 q2、q3和 q5，其主要原理如下。1.3.1 排烟热损失的影响离开锅炉时，燃烧生成的烟气焓值高于进入锅炉的空气焓值，因此形成了锅炉的排烟损失。一般来说，除了极难燃烬的燃料，排烟损失 q2是锅炉损失中最大的一项，包括烟气带走的热量与未参加燃烧的过剩空气携带的热量，其中烟气的余热热量占主要份额。影响 q2的主要因素是排烟温度、过剩空气系数和燃料中水分。排烟温度越高，烟气中各种成分的带走的热量越多，q2值就越大；过剩系数越大，烟气量越大，q2值也会越大；燃料中的水分不提供热量，但是汽化过程中会吸取热量并带一定的显热与潜热随烟气离开，因此会增加锅炉热损失。1.3.2 化学未完全燃烧损失影响因素q3是部分一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气体未参与燃烧就随烟气排出锅炉所产生的损失。炉膛过量空气系数、炉膛温度与炉内气流的配合等都是重要的影响因素。在炉内组织燃烧过程中要重视燃料与风的配合，确保火焰在炉膛内的充满度和炉膛内的空气动力情况。1.3.3 散热损失的影响因素散热损失是由锅炉炉墙、锅筒、集箱、汽水管道、烟风管道等其他部件的温度高于周围环境温度而形成的高煤气锅炉热效率优化提升技术研究王毅杜文亚（重庆赛迪热工环保工程技术有限公司，重庆 401120）摘 要：为了有效提升锅炉热效率，本文提出了组合优化方案。按照反平衡法划分锅炉热损失的类型，包括排烟热损失、化学未完全燃烧损失、固体未完全燃烧损失、辐射与对流散热损失和灰渣热损失。针对其中的排烟热损失、化学未完全燃烧热损失、辐射以及对流散热损失进行详细的优化方案设计。试验结果表明，通过有效降低化学未完全燃烧热损失，可以更快完成锅炉效率的优化，并使锅炉效率保持在95%以上。关键词：煤气锅炉；热效率；热损失中图分类号：TM62文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.4（上）-60-工 业 技 术温向低温环境辐射、传导的热量。锅炉的散热损失由 2 个部分组成，一部分是辐射散热，另一部分是对流散热。由于现代锅炉采用了水冷壁和包墙管，因此高温辐射大部分被内部工质吸收，再经外保温包裹，辐射散热的比例较小，主要是对流散热损失。对流散热损失主要与环境温度、环境风速以及保温包覆设计有关。2 锅炉效率优化提升方法与试验验证2.1 降低排烟热损失为了提升锅炉效率，需要对 3 项主要热损失进行有效控制。其中第一项优化措施是降低排烟热损失。降低排烟热损失可以提升锅炉效率的原理如公式（3）所示。DDLDLLLQqQqQQQqQQqqq222222+=+=+=（3）式中：q2为优化后的排烟损失热量；q2为排烟导致的锅炉热量损失；q2为减少的排烟损失热量；QL为锅炉的有效利用热量；QL为优化后的锅炉有效利用热量；QD为燃料带入锅炉内部的热量；为锅炉的效率；为优化后的锅炉效率。如上所述，降低排烟损失是提高锅炉效率最有效的方式。本工程主要采取了 2 个方面的措施。第一，优化过量空气系数选取。本工程锅炉燃料高转混合煤气，入炉煤气变化幅度较大，为了保证锅炉的稳燃，需要提高过量空气系数，但是过高的过量空气系数不利于锅炉效率，因此结合多年经验，将择优选取过量空气系数。第二，降低排烟温度。降低排烟温度可有效减少烟气热量的损失，可采取的技术手段包括增加省煤器面积、增加空预器面积和设置煤气加热器等。增加省煤器面积，使空预器入口烟气温度降低，相当于从空预器上游采取措施，使排烟温度降低。增加省煤器面积受限于水动力安全要求，一般要求省煤器出口给水温度低于饱和温度。即使省煤器采用沸腾式，为了避免管道振动和水动力问题，对给水的含汽率也有一定限制。根据本工程的给水参数，省煤器后烟气温度推荐设计值为275 330，可提高锅炉效率。其次，增加空预器面积，利用空气的热容吸收烟气热量，不仅有利于提高锅炉热效率和空气助燃质量，对稳燃也有一定帮助。空预器能回收的最大烟气热量取决于空预器内空气与烟气的温度端差。此外还需要考虑烟气酸腐蚀。本工程高炉煤气含硫量极为可观（根据烟气脱硫入口SO2浓度推断），因此对本工程来说，需要考虑冷端腐蚀风险。根据理论计算结果，空预器的冷端端差是足够的，主要是热端端差限制了最大换热量。理论上热风温度达到空预器进烟温度时，换热量达到极限值，但此时空预器的换热面积无限大，实际中无法实现。综合考虑空预器的造价与换热性能，选取适当的端差，并根据酸露点计算结果，建议空预器后排烟温度不高于 210。我方根据多年设计运行经验，在确保空预器运行安全，并对空预器腐蚀堵塞等采用多种措施的前提下，选取空预器出口排烟温度低于210。从上述分析可知，即使空预器面积为无限大，锅炉排烟温度也无法进一步降低，因此需要设置煤气换热器来进一步降低排烟温度。在与设备厂家的配合下，根据现在热管换热器的技术水平，适当增加换热面积，最终将排烟温度降至 140左右，显著提高了整个电厂的热效率。通过上述措施，与相似燃料的煤气锅炉相比，q2损失从 11%降至 8%以内，相当于锅炉效率提高 3%以上。按照粗略估算，锅炉效率每提高 1%，多发电量获得的年收益为 50 万元 100 万元（与工业电价高、低有关），技术指标与经济效益均较明显。通过持续降低排烟热损失取得的锅炉效率提升效果如图 1 所示。从图 1 的曲线变化可以看出，通过有效降低排烟热损失，可以提升锅炉效率。在最初阶段，锅炉效率仅为 71%图 1 降低排烟损失得到的锅炉效率优化结果10095 9085 80 75 70优化时间/h0123456锅炉效率提升程度/%中国新技术新产品2024 NO.4（上）-61-工 业 技 术左右。在持续降低排烟热损失的情况下，经过第1个小时的优化后，锅炉效率提升至 76%；在持续降低排烟热损失的情况下，经过第 2 个小时的优化后，锅炉效率提升至 79%；在持续降低排烟热损失的情况下，经过第 3 个小时的优化后，锅炉效率提升至 84%；在持续降低排烟热损失的情况下，经过第 4 个小时的优化后，锅炉效率提升至 87%；在持续降低排烟热损失的情况下，经过第 5 个小时的优化后，锅炉效率提升至 90%；在持续降低排烟热损失的情况下，经过第 6 个小时的优化后，锅炉效率提升至 94%。从上述曲线变化不难看出，随着排烟热损失的不断降低，锅炉效率呈现出逐步增长的趋势，但增幅到最高效率所用的时间较长。2.2 降低化学未完全燃烧损失降低化学未完全燃烧损失可以提升锅炉效率的原理如公式（4）所示。DDLDLLLQqQqQQQqQQqqq333333+=+=+=（4）式中：q3为优化后的化学未完全燃烧损失热量；q3为化学未完全燃烧热量损失；q3为减少的化学未完全燃烧热量损失；QL为锅炉的有效利用热量；QL为优化后的锅炉有效利用热量；QD为燃料带入锅炉内部的热量；为锅炉的效率；为优化后的锅炉效率。提高过剩空气系数能降低 q3损失，但同时会提高 q2损失，两者相抵消并没有获得太多效益。因此控制 q3损失需要从燃烧器结构和配风方式方面采取措施。由于燃气着火后燃烧速度较快，因此不需要像固体燃料锅炉那样通过提高炉膛高度来提高燃尽率。根据燃气的燃烧行程和需求及时配风，使燃烧过程中不产生炭黑，并加强燃气与空气的扰动与混合，以促进燃烧完全。为达到强化空气和燃气扰动混合的目的，燃烧器采用双旋流燃烧器，燃气和空气均旋转，燃气喷嘴布置在内侧，空气在外侧。燃烧器工作时，空气射流包裹燃气射流，卷吸高温烟气，使燃气着火，同时使燃气、空气和烟气三者充分混合，在高温中燃烧完全。通过采用各项措施，在确保燃烧充分，控制烟气中低 CO 含量、低 NOx的同时，我方可以将 q3的损失控制在0.1%0.3%。本项目我方 q3损失控制在 0.1%，显著提高了锅炉的效率。通过持续降低化学未完全燃烧热损失取得的锅炉效率提升效果如图 2 所示。从图 2 中的曲线变化可以看出，通过有效降低化学未完全燃烧热损失，可以提升锅炉效率。在最初阶段，锅炉效率仅为 71%左右。在持续降低化学未完全燃烧热损失的情况下，经过第 1 个小时的优化后，锅炉效率就提升至94%；在持续降低化学未完全燃烧热损失的情况下，经过第 2 个小时的优化后，锅炉效率略有回调，降至 89%；在持续降低化学未完全燃烧热损失的情况下，经过第 3 个小时的优化后，锅炉效率增长至最高点，达到 97%；在持续降低化学未完全燃烧热损失的情况下，经过第 4 个小时的优化后，锅炉效率略有回调，降至 96%；在持续降低化学未完全燃烧热损失的情况下，经过第 5 个小时的优化后，锅炉效率基本稳定，维持在 96%；在持续降低化学未完全燃烧热损失的情况下，经过第 6 个小时的优化后，锅炉效率基本稳定，维持在 95%。从图 2 中的曲线变化可以看出，通过对化学未完全燃烧热损失的有效降低，可以提升锅炉效率。与降低排烟热损失相比，降低化学未完全燃烧热损失的优化速度更快，在优化 1 个小时后锅炉效率即接近 95%，小幅度波动后优化效率一直维持在 95%以上。由2组试验的对比可以看出，在实际情况下，为了提升锅炉效率，降低排烟热损失可以达到预期的效果，降低化学未完全燃烧热损失同样也可以。需要根据不同的需求，选择不同的优化方式。如果需要达到持续拉升的效果，采图 2 降低化学未完全燃烧热损失得到的锅炉效率优化结果0123456优化时间/h锅炉效率提升程度/%10095 9085 80 75 70中国新技术新产品2024 NO.4（上）-62-工 业 技 术用降低排烟热损失的方式即可。如果需要达到快速拉升的效果，采用降低化学未完全燃烧热损失的方式更好。2.3 控制散热损失降低散热损失可以提升锅炉效率的原理如公式（5）所示。DDLDLLLQqQqQQQqQQqqq555555+=+=+=（5）式中：q5为优化后的散热损失热量；q5为散热损失；q5为减少的散热损失；QL为锅炉的有效利用热量；QL为优化后的锅炉有效利用热量；QD为燃料带入锅炉内部的热量；为锅炉的效率；为优化后的锅炉效率。在设计上控制保温外表面的温度，施工过程中严格按照图纸要求控制保温敷设的质量，可以使散热损失控制在一个比较理想的范围内。从理论上分析，锅炉容积越大，比表面积（面积与容积之比）越小，散热率反而下降。因此大机组的散热损失率低于小机组。散热损失较难进行测量，一般选用经验值进行计算。根据文献资料，300t/h450t/h 锅炉的 q5取值为 0.35%0.4%，本工程锅炉蒸发量为 420t/h，散热损失应与次数据接近并略优一些。考虑汽轮机 THA 对应的锅炉蒸发量并没有达到BMCR，因此根据锅炉负荷率对散热损失进行修正，推荐取0.40%。3 结论城市规模的扩大使锅炉使用数量大幅度增加，提升锅炉效率可以有效降低能源消耗。通过优化技术措施，有效降低锅炉的各项热损失，提高锅炉热效率。采取有效措施后，本工程锅炉进行煤气混烧时，锅炉热效率计算值可超过 90%（计入煤气加热器的回收热量），处于目前类似项目的前列。参考文献1 田园园，廖清芬，刘涤尘，等.面向综合能源供给侧改革的城市配网规划方法 J.电网技术，2016，40（10）：2924-2933.2 胡超，严祯荣，王莉，等.燃气锅炉热效率不确定度建模与测量方法选择性研究 J.锅炉技术，2023，54（3）：16-21.3 董龙标，刘效洲，朱光羽.基于遗传算法的生物质颗粒锅炉的热效率优化分析 J.冶金能源，2023，42（1）：27-30.风电场防雷是风电场运行维护中的重要部分，其重要性在于确保风力发电机组和相关设备在雷电活动中能够有效排除雷电放电的影响，从而保障设备的安全性、可靠性和寿命。设计和运营风电场时，防雷接地都是综合工程规划的重要部分，需要选择合适的接地材料、布置接地极并考虑土壤电阻率等因素。维护人员还应定期检查、测试防雷接地系统，确保其始终处于良好的工作状态。由于雷电导致的风电场雷击事件呈逐年增长趋势，雷击造成的叶片、机组电控设备损伤严重，因此雷击已经成为影响风电机组安全运行、风电场安全生产的危险因素之一。接地技术是为了防止电力或电子等装置遭受雷击而引入的保护性措施1。在风电场接地设计中，需要在技术和经济合理的情况下最大程度地满足安全运行。针对内陆风电场多布置于山区的特点，需要充分了解场地的地质和土壤电阻率情况，以选择合适的接地措施以满足安全运行的要求。1 接地系统的雷电冲击特性在冲击电流作用下，接地装置的阻抗为暂态阻抗，随时间而发生变化。一般将冲击电压的最大值与冲击电流的最大值之比定义为冲击接地电阻。土壤电阻率对冲击电流作用下接地网的暂态性能有较大影响。随着土壤电阻率增加，冲击接地电阻也相应增加。基于IEC标准的风电场接地电阻的计算韦昊冰（中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西 南昌 330096）摘 要：风电场防雷是风电场运行维护中的重要部分，接地技术是为了防止电力或电子等装置遭受雷击而引入的保护性措施。本文研究了 IEC 风机接地规范中的接地电阻公式，并进行理论计算，IEC 公式的计算结果具有一定指导意义，同时与国标进行比较，结论为增加外延射线对降低工频接地电阻是行之有效的，但对冲击电流则效果有限，实际设计过程中应根据风机环境选择合适的算法进行计算。关键词：风电场接地计算；IEC 标准；山地风电场中图分类号：TM614文献标志码：A