基于烟气监测数据的标准煤耗率计量方法.pdf

第4期基于烟气监测数据的标准煤耗率计量方法颜正1，肖仁杰2，黄鹏3，龙庆理3，张晓林4，简朝荣5（1.国家能源集团科学技术研究院有限公司成都分公司，四川 成都610073；2.国能重庆万州电力有限责任公司，重庆 万州404199；3.国能安顺发电有限公司，贵州 安顺562101；4.国能达州发电有限公司，四川 达州635000；5.国能成都金堂发电有限公司，四川 成都610400）摘要：发、供电标准煤耗率是评价燃煤电厂能源利用效率和碳排放强度的重要指标。准确计量标准煤耗率是燃煤电厂节能减碳、控制成本、增加效益的关键手段之一。长期以来，由于煤计量误差较大和煤采样代表性差，造成燃煤电厂标准煤耗计量普遍存在数据波动大、准确性差。为解决该问题，提高燃煤电厂节能管理水平，提出了一种全新的标准煤耗率计量方法。该方法以锅炉烟气排放在线监测系统数据为基础，无须燃煤发热量值，对煤样采集代表性要求不高，可比较准确地计算出标准煤耗率。在1 000 MW燃煤机组的应用表明，采用该方法得到了机组瞬态实时标准煤耗值在不同负荷下的变化曲线，且稳定工况下的标准煤耗率平均值与反平衡性能试验测定的标准煤耗率值比较接近，最大偏差小于1%。该方法既可用于燃煤电厂标准煤耗计算，也可用于入炉煤发热量软测量计算、碳排放核算、机组能耗实时在线监测等方面，将对燃煤电厂成本核算、节能对标分析、机组运行优化及碳排放交易等产生积极的影响。关键词：燃煤电厂；标准煤耗率；计量方法；燃烧空气；理论干烟气量；正平衡法；反平衡法；发热量中图分类号：TM621文献标识码：A文章编号：2096-7691（2023）04-051-05作者简介：颜正（1964），男，高级工程师，现任职于国家能源集团科学技术研究院有限公司成都分公司，主要从事火电厂节能技术试验研究及节能指标检测等工作。Tel：[phone]，E-mail：引用格式：颜正，肖仁杰，黄鹏等.基于烟气监测数据的标准煤耗率计量方法 J.能源科技，2023，21（4）：51-55.0引言发、供电标准煤耗率（简称标准煤耗）是每发、供出1 kWh电能所消耗的标准煤量1，它是评价燃煤电厂的能源利用效率和碳排放强度的重要指标，也是进行成本核算、节能对标分析、机组运行优化的重要依据3。准确计量标准煤耗对于电厂节能减碳十分重要，是电厂控制成本、增加效益的关键手段之一。标准煤耗的计量按计算方法的不同分为正平衡法和反平衡法。正平衡法是以机组的输入能量（标准煤量）和输出能量（电量、热量）来计算平衡的一种方式，燃煤发电厂标准煤耗计量一般采用正平衡法2。标准煤耗也可以通过机组性能试验获取4，性能试验采用反平衡法，即以机组的输入能量和损失能量来计算平衡。采用机组性能试验获取煤耗的方法复杂、技术标准要求高，其结果与成本核算时机组统计期内的累计标准煤耗值存在一定差异5。性能试验结果准确，可以校验正平衡煤耗值6。燃煤电厂主要消耗是燃煤，因此燃煤计量的准确性及用于发热量分析的煤样代表性决定了正平衡法标准煤耗计量精度7。长期以来，由于煤计量误差较大和煤采样代表性差，造成燃煤电厂标准煤耗计量普遍存在数据波动大、准确性差8。因此，本文提出了一种全新的标准煤耗计量方法。该方法以锅炉燃烧所耗的空气或产生的烟气数据为基础，无须入炉煤平均低位发热量，对煤样代表性要求不高，可比较准确地计量出标煤耗。1计算方法的研究1.1锅炉燃烧热量计算按照传统锅炉燃烧计算方法，煤在锅炉内燃烧所产生的热量等于燃煤平均低位发热量与燃尽煤量的第21卷 第4期Vol.21No.42023年8月Aug.2023第4期乘积，即：Qrm=Q.ar Brj（1）式中：Qrm为统计期内锅炉燃烧产生的热量，kJ；Q.ar为统计期内入炉煤平均低位发热量（收到基热值），kJ/kg；Brj为统计期内入炉煤燃尽煤量，kg。上述传统计算以煤测数据（煤的发热量和燃尽煤量）为基础。煤在锅炉内燃烧产生热量实质是煤和空气（氧）化学反应的结果，燃烧热量既与煤侧数据相关也与所耗的空气（氧）侧数据或产生的烟气侧数据关联9。据此关联特性，本文以空气或烟气侧数据为基础来计算燃烧热量。定义理论干空气发热量（以下简称空气热值）为：煤完全燃烧时，消耗每一单位体积（m3，标准状态，下同）的干空气所产生的热量，即：Qa.d=Qnet.arVa.d.th（2）Va.d.th=0.088 8war()C+0.033 3war()S+0.264 7war()H-0.033 4war（3）式中：Qa.d为空气热值，kJ/m3；Qnet.ar为燃煤收到基低位发热量，kJ/kg；Va.d.th为理论干空气量，m3/kg；war（C）、war（S）、war（H）、war（O）分别为燃煤收到基碳、硫、氢、氧的质量分数，%。同理，定义理论干烟气发热量（以下简称烟气热值）为：煤完全燃烧时，产生每一单位体积（m3）的干烟气所产生的热量，即：Qfg.d=Qnet.arVfg.d.th（4）Vfg.d.th=1.865 8war()C100+0.698 9war()S100+0.79Va.d.th+0.8war()N100（5）式中：Qfg.d为烟气热值，kJ/m3；Vfg.dth为理论干烟气量，m3/kg；war（N）为燃煤收到基氮的质量分数，%。按照上式计算数百个煤样的空气热值（Qa.d）和烟气热值（Qfg.d），发现它们具有很强的稳定性9，特别是煤中氧含量及碳与氢比值变化不大的煤样，虽然其收到基低位发热量波动达到 30%，但 Qa.d和 Qfg.d的相对变化不超过5%。初步研究表明，形成该稳定性的机理是煤的低位发热量与煤中可燃成分的含量成近似的正比例关系，而煤燃烧消耗（产生）的理论干空气量（干烟气量）也与煤中可燃成分的含量成近似的正比例关系，即式（2）、式（4）的分子、分母随煤中可燃成分的含量变化同步增减，这是该计算标煤耗方法的关键依据之一。煤在炉内实际燃烧时，不可能完全燃烧，灰渣中存在一些未燃尽碳。因此定义实际空气热值和实际烟气热值为：煤实际燃烧时，消耗（产生）每一单位体积（m3）的干空气（干烟气）所产生的热量，即：Qa.d.cr=Qnet.ar.crVa.d.th.cr（6）Qfg.d.cr=Qnet.ar.crVfg.d.th.cr（7）式中：Qa.d.cr为实际空气热值kJ/m3；Qfg.d.cr为实际干烟气发热量，kJ/m3；Qnet.ar.cr为扣减未燃尽碳发热量后的收到基低位发热量，kJ/kg；Va.d.th.cr为以实际燃烧的碳计算的理论干空气量，m3/kg；Vfg.d.th.cr为以实际燃烧的碳计算理论干烟气量，m3/kg。对比数百个煤样的空气（烟气）热值和实际空气（烟气）热值计算结果，发现空气（烟气）热值和实际空气（烟气）热值十分接近，它们相对偏差不超过0.1%，即可用空气（烟气）热值代替实际空气（烟气）热值，这是本文所述的计算标煤耗方法的关键依据之二。按照上述空气（烟气）热值的定义，以燃烧所耗（生产）的空气（烟气）数据为基础来计算燃烧热量，锅炉燃烧热量Qrm可按下式计算：Qrm=Qa.d.cr qv.a.d.th.cr Qa.d qv.a.d.th.cr（8）Qrm=Qfg.d.cr qv.fg.d.th.cr Qfg.d qv.fg.d.th.cr（9）式中：qv.a.d.th.cr为统计期内实际燃烧所耗的理论干空气量，m3；qv.fg.d.th.cr为统计期内实际燃烧所产生的理论干烟气量，m3。1.2锅炉输入热量计算按照锅炉燃料效率的定义4，燃煤锅炉输入热量计算：Qin=Q.ar B=Qrm+Q4（10）Q4=3.372 7was.ar B()wswc.s100-wc.s+waswc.as100-wc.as（11）式中：Qin为统计期内锅炉输入热量，kJ；B为统计期内入炉煤量，kg；Q4为统计期内固体未完全燃烧损失热量，kJ；was.ar为统计期内入炉煤收到基平均灰分，%；ws、was为炉渣、飞灰占煤总灰量的质量分数，%；wc.s、wc.as为炉渣、飞灰中可燃物的质量分数，%。以燃烧所耗（生产）的空气（烟气）数据为基础计算燃烧热量，锅炉输入热量计算：颜正等：基于烟气监测数据的标准煤耗率计量方法52第4期Qin=Qa.d qv.a.d.th.cr+3.372 7was.arB()wswc.s100-wc.s+waswc.as100-wc.as（12）Qin=Qfg.d qv.fg.d.th.cr+3.372 7was.arB()wswc.s100-wc.s+waswc.as100-wc.as（13）计算出统计期内锅炉输入热量（Qin）后，如果入炉煤量计量准确，可按式（10）推算统计期内入炉煤平均低位发热量（Q.ar）。1.3标准煤耗计算按照发、供电标准煤耗的定义1-2，标准煤耗计算如下：bf=Qin29.308 Wf（14）bg=Qin29.308 Wg（15）式中：bf、bg分别为发、供电标准煤耗，g/（kWh）；Wf、Wg分别为统计期内机组发、供电量，kWh。将式（12）、式（13）分别代入式（14）和式（15），可得到以燃烧所耗（产生）的空气（烟气）数据为基础来计算燃煤机组标准煤耗计算式。bf=Qa.d qv.a.d.th.cr+3.372 7was.ar()wswc.s100-wc.s+waswc.as100-wc.as B29.308 Wg（16）bf=Qfg.d qv.fg.d.th.cr+3.372 7was.ar()wswc.s100-wc.s+waswc.as100-wc.as B29.308 Wg（17）式（16）、式（17）表明：计算标准煤耗无须燃煤平均低位发热量；对于大型电站燃煤锅炉，固体未完全燃烧损失热量（Q4）一般小于输入热量（Qin）的2%，因而式（11）中涉及Q4计算的入炉煤量、入炉煤收到基平均灰分、炉渣及飞灰占煤总灰量的质量分数、炉渣及飞灰中可燃物的质量分数等参数对标准煤耗计算敏感性大幅度下降，炉渣及飞灰中可燃物含量分析结果误差10%，对标准煤耗计算造成的误差不大于0.2%；空气热值（Qa.d）和烟气热值（Qfg.d）具有很强的稳定性，煤质变化对其影响不大，也可以根据统计期内煤质分析结果进行修正；该计算方法的关键在于如何准确获取统计期内实际燃烧所耗（产生）的理论干空气量（理论干烟气量）。式（16）、式（17）对应的标准煤耗计算方法分别简称空气热值法、烟气热值法。统计期内实际燃烧所耗（产生）的理论干空气量（理论干烟气量）可按下式计算：qv.a.d.th.cr=Kaqv.a.sst/()1+0.001 6dacr（18）qv.fg.d.th.cr=Kfgqv.fg.st/()1+0.001 7dfg()cr+0.02（19）式中：qv.a.st为统计期内进入锅炉总风量，m3；qv.fg.st为统计期内锅炉出口总烟气量，m3；cr为统计期锅炉燃烧平均过量空气系数；da、dfg分别为统计期锅炉燃烧风、烟气平均绝对湿度，g/kg；Ka、Kfg分别为空气侧、烟气侧修正系数。通过测量锅炉燃烧风量、烟气量、过量空气系数、湿度等参数，即可计算出统计期内实际燃烧所耗（产生）的理论干空气量（理论干烟气量）。实际上，无论空气热值法还是烟气热值法，都是正平衡标准煤耗计量法，只是用燃烧所耗（产生）的空气（烟气）数据取代入炉煤的数据，即空气（烟气）量代替入炉煤量，空气（烟气）发热量代替入炉煤发热量。由于测量误差，仍需通过机组反平衡法的热力试验结果标定修正系数（Ka、Kfg）。如果测试方法及器材符合要求，其修正系数极为稳定，这是该计算标准煤耗方法的关键依据之三。2应用实例及试验验证根据某燃煤电厂600 MW机组性能试验的数据，采用空气热值法计算出4 个试验负荷的标准煤耗，并与反平衡法的计算结果进行比较，得到的供电标准煤耗值与煤耗查定试验测定值比较接近，最大偏差2.06%10。由于燃煤电厂DCS系统中燃烧风量及排烟氧量数据误差较大，且代表性较差，限制了该方法的应用。燃煤电厂装设了烟气排放在线监测系统（简称CEMS系统），在线监测的烟气数据包含流量、温度、压力、含氧量、湿度等参数，这为采用烟气热值法计算标准煤耗提供了可靠的基础数据。从式（19）计算可知，依据CEMS系统监测的烟气参数数据，可计算出统计期内实际燃烧所产生理论干烟气量（qv.fg.st），进而53第4期按照式（17）计算出发电标准煤耗（bf）。某电厂1 号机组系1 000 MW超超临界、一次再热燃煤发电机组。该机组 2020 年度供电标准煤耗实际完成值为282.41 g/（kWh），发电厂用电率实际完成值为3.81%。机组于2022年1月完成了A修前性能试验，3个试验负荷分别为1000MW、750MW、500MW。根据性能试验期间的CEMS系统监测的烟气数据，按照烟气热值法计算出标准煤耗，并与对应负荷的试验标准煤耗结果进行了比较，结果见表1和图1。表1标准煤耗计算结果及对比参数名称试验负荷/MW试验期间厂用电率/%试验时间/min烟气总量qv.fg.st/km3烟气平均氧浓度/%烟气平均湿度dfg/%烟气热值Qfg.d/（kJm-3）修正系数Kfg固体未完全燃烧损失q4/f/%发电标准煤耗（烟气热值法）bf/（g （kWh）-1）发电标准煤耗（反平衡法）bf.fph/（g （kWh）-1）发电标准煤耗偏差（对比反平衡法）/%供电标准煤耗（烟气热值法）bg/（g （kWh）-1）供电标准煤耗（反平衡法）bg.fph/（g （kWh）-1）供电标准煤耗偏差（对比反平衡法）/%数据及计算结果1 001.353.59120.006 946.04.61412.3843 879.60.7450.2268.89271.03-0.790278.90281.12-0.790749.753.44120.005 521.85.45211.1023 941.90.7450.65276.19276.94-0.270286.03286.81-0.270500.574.02120.004 281.06.96610.8253936.20.7450.15287.81285.310.875299.86297.260.8750153045607590105120350300250200发电煤耗/（g （kWh）-1）时间/min1 000 MW负荷750 MW负荷750 MW负荷图1不同试验负荷下的瞬态实时发电标准煤耗变化曲线图1是根据所采集（间隔时间5 min）的3 个试验负荷下的 CEMS 系统烟气监测数据，计算出的瞬态实时发电标准煤耗绘制出的曲线。从图 1中可以看出：瞬态实时发电标准煤耗值波动较大，最大波动-5.1%+3.9%（即-14.85+11.25 g/（kWh）；瞬态实时发电标准煤耗值随负荷大小变化的总趋势明显，随负荷增加而变小。燃煤发电机组是一个热功转换的非稳态热力系统，在其本身巨大的蓄热量、负荷波动、燃烧扰动、煤质变化等多种因素作用下，将造成按正平衡计量的瞬态实时标准煤耗值大幅波动，导致标准煤耗计算结果波动幅度达10%11。这些干扰作用影响了煤耗计算结果的合理性，因此，标准煤耗值应采取较长时间段、相对稳定工况的瞬态实时标准煤耗值平均方式拟合获取。表1是依据CEMS系统烟气监测数据计算的试验时间段（120 min）的平均发、供电标准煤耗数据。由表1可知，按照烟气热值法得到的平均发、供电标煤耗值与煤耗查定试验测定值比较接近，最大偏差0.875%。如提高烟气参数的测试精度，该方法得到的发、供电标准煤耗值会更加接近真实值。从表1可知，烟气侧修正系数Kfg为0.745远小于1，说明该机组的CEMS系统烟气流量较实际值严重偏大。实际上，采用烟气热值法计算了12 台燃煤机组（300 MW1 000 MW）标准煤耗，均发现CEMS系统烟气流量较实际值严重偏大（Kfg在0.8左右）。目前，燃煤电厂碳排放量的核算主要采用燃煤测算方法，受燃煤数据测量误差、计算误差、机组运行参数误差等因素的影响，对于单个火电厂计算出的数据存在较大偏差12。因此，采用直接监测烟气量和CO2浓度获取碳排放量13的方式将逐步推广应用。对这种直接监测碳排放量方式，准确测量烟气流量十分重要。烟气热值法可作为校核烟气流量测量准确性一种方式，其校核结果与机组标准煤耗关联，人为因素干扰较小。3结语本文提出的燃煤电厂标准煤耗计量方法是以锅炉CEMS系统监测数据为基础，无须入炉煤发热量，对煤样采集代表性要求不高，即可计算出标准煤耗率。在1 000 MW燃煤机组的应用表明，采用该方法得到了机组瞬态实时标准煤耗值在不同负荷下的变化曲线，且稳定工况下的标准煤耗率平均值与反平衡性能试验测定的标准煤耗率值比较接近，最大偏差小于1%。该方法可以较好地解决传统正平衡法标准煤耗计量普遍存在的准确性差、数据波动大等问题。该方法既可用于燃煤电厂标准煤耗计算，又可用于入炉煤发热量软测量计算、碳排放核算、机组能耗实时在线监测等方面，将对燃煤电厂成本核算、节能对标分析、机组运行优化及碳排放交易等产生积极的影响。参考文献：1DL/T 9042015，火力发电厂技术经济指标计算方法 S.北京：中国电力出版社，2015：1-35.颜正等：基于烟气监测数据的标准煤耗率计量方法54第4期2DL/T 22622021，火力发电厂正平衡计算煤耗技术规范 S.北京：中国电力出版社，2021：1-18.3殷冠军，张小桃，王爱军，等.供电煤耗率对标基准模型及其节能潜力研究 J.热力发电，2012，41（3）：22-25，36.4GB/T 101842015，电站锅炉性能试验规程 S.北京：中国标准出版社，2015：1-51.5焦明发，郭宝仁.火电机组热力试验与实际运行煤耗率的比较 J.中国电力，2007，40（11）：82-84.6张磊，秦岭，陆超，等.600MW机组正反平衡煤耗试验研究 J.电力与能源，2015，36（3）：401-403.7陈继军，宋璟，张继斌.影响电厂供电煤耗正反平衡因素分析 J.华北电力技术，2009（12）：15-17.8李娜，吴智鹏，薛智.燃煤电厂煤耗统计分析方法探讨 J.广西电力，2014，37（4）：78-81.9于树明.燃煤锅炉效率在线监测计算方法的探讨 J.天津电力技术，2000（3）：38-41.10颜正，赵川，陈小兵，等.基于燃烧空气及烟气量的燃煤机组标准煤耗率计量方法 J.热力发电，2020，49（2）：83-87.11杨志平，宋阳，郭喜燕，等.1000MW机组瞬态过程蓄热机理与煤耗计算 J.动力工程学报，2017，37（2）：140-147.12蔡宇，李保卫，胡泽春，等.燃煤机组碳排放指标计算及影响因素分析 J.电网技术，2013，37（5）：1185-1189.13陈咏城，唐雯，马旭涛.火力发电厂碳排放测量及分析 J.电站辅机，2021，42（3）：14-17.Method for Measuring Standard Coal Consumption Rate Based onMonitoring Data of Flue GasYan Zheng1,Xiao Renjie2,Huang Peng3,Long Qingli3,Zhang Xiaolin4,Jian Chaorong5(1.Chengdu Branch of CHN Energy Science and Technology Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu,Sichuan 610073;2.CHN Energy Chongqing Wanzhou Electric Power Co.,Ltd.,Wanzhou,Chongqing 404199;3.CHN Energy Anshun Power Generation Co Ltd.,Anshun,Guizhou 562101;4.CHN Energy Dazhou Power Generation Co Ltd.,Dazhou,Sichuan 635000;5.CHN Energy Chengdu Jintang Power Generation Co.,Ltd.,Chengdu,Sichuan 610400)Abstract：The standard coal consumption rate of power generation and supply is an important index toevaluate the efficiency of energy utilization and the carbon emission intensity of coal-fired power plants.Accurate measurement of standard coal consumption rate is one of the key means of energy saving,carbonemission reduction,cost control and benefit increase in coal-fired power plants.The large coal measurementerrorandthepoorcoalsamplingrepresentativenessforalongtimecausesignificantfluctuationandinadequate accuracy of standard coal consumption measurement data of coal-fired power plants.To solve thisproblemandimprovetheenergy-savingmanagementlevel,anewstandardcoalconsumptionratemeasurementmethodisproposed.Withoutthecalorificvalueofcoalandwithlowerrepresentativerequirementsforthecollectionofcoalsamples,thestandardcoalconsumptionratecanbeaccuratelycalculated by using this method according to the data of online boiler flue gas emission monitoring system.The result of application in a 1,000MW coal-fired unit shows that the transient real-time standard coalconsumption curves under different loads is obtained,and under stable conditions,the average value ofstandard coal consumption rate is close to that measured by anti-balance performance test with the maximumdeviation within 1%.This method can not only be used for standard coal consumption calculation of coal-fired power plants,but also for soft measurement calculation of calorific value of coal as fired,carbonemission measurement,real-time online monitoring of unit energy consumption,etc.This has a positiveinfluence on cost accounting,energy saving benchmarking analysis,unit operation optimization and carbonemission trading of coal-fired power plants.Key Words：coal-fired power plant;standard coal consumption rate;measurement method;combustion air;theoretical dry flue gas volume;direct balance method;indirect balance method;calorific value（收稿日期：2022-09-10责任编辑：马小军）55