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入炉煤低位发热量变化对机组经济性的影响
  (2009-09-13 19:31:07)
摘要：入炉煤低位发热量变化对机组经济性有着较明显的影响。本文通过对一台1025t/h锅炉的计算和分析，定量地给出了两者之间的关系，对于同类机组有一定的借鉴作用。
关键词：入炉煤  低位发热量  机组  经济性
   对于300MW的火电机组来说，通常锅炉效率每变化1个百分点，机组煤耗约变化3.5g/kwh，可见锅炉效率对机组经济性的影响是十分明显的。而在实际生产中，入炉煤低位发热量的变化则是影响锅炉效率较突出且常见的原因之一。
对于入炉煤低位发热量变化对机组经济性的影响，一般人们仅进行定性分析，即：入炉煤低位发热量降低则锅炉效率随之而降低，反之亦然。那么它们两者之间的定量关系如何，下面以一台1025t/h锅炉为例进行具体分析。
   1　定量计算的相关数据
低位发热量Qnet,ar=19845KJ/kg  收到基灰份Aar=21.30%  收到基水份Mar=12.21%　　　　  
收到基碳成份Car=52.70% 收到基氢成份Har=3.08%      收到基氧成份Oar=8.44%
收到基氮成份Nar=1.13%　   收到基硫成份Sar=1.14% 飞灰含碳量Cfh=2%
炉渣含碳量Clz=4%
 2　计算公式的推导
由锅炉效率的计算公式（热损失法）可得：锅炉热效率的表达式应为ηgl=1-(q2+ q3+ q4+ q5+ q6)［1］
其中：q2排烟热损失的百分率，％    q3可燃气体未完全损失的百分率，％
 　　 q4固体未完全燃烧热损失的百分率，％
q5锅炉散热损失的百分率，％  q6灰渣物理显热损失的百分率，％
根据文献［1］的有关规定可以得出：当入炉煤的低位发热量变化而其它参数保持不变时，q3、q5、q6的值基本上是不变的，在此认定其为定值。此时，入炉煤低位发热量变化时锅炉效率相应变化的表达式为：△ηgl＝－（△q2＋△q4）
由以上公式可看出：在入炉煤低位发热量变化时，只要能计算出排烟热损失和固体未完全燃烧热损失的变化量，就能很方便地计算出锅炉效率的变化量。
      3　各项热损失值的计算（基准工况下）
要计算和分析热损失的变化值，首先应确定其基准值，没有基准值则无法比较。在此选定机组的设计值为基准值。
      3.1　排烟热损失值q2的计算［1］
      3.1.1　燃烧生成干烟气量的计算：
      3.1.1.1　灰渣中含碳量与煤中灰量比率的计算
C＝αlzClz/(100-Clz)+ αfhCfh/(100-Cfh)=10×4/(100-4)+90×2/(100-2)=2.25 %
      3.1.1.2　实际燃烧碳的百分率的计算
Cr= Car-Aar×C% =52.70-21.30×2.25% =52.22%
      3.1.1.3　理论干空气量的计算：
   （Vgk）=0.089(Cr+0.375Sar)+0.265Har-0.0333Oar
         =0.089×(52.22+0.375×1.14)+0.265×3.08-0.0333×8.44 =5.2208Nm3/kg
      3.1.1.4　理论干烟气量的计算：
（Vgy）=0.01866(Cr+0.375Sar)+0.79(Vgk)+0.008Nar
      =0.01866×(52.22+0.375×1.14)+0.79×5.2208+0.008×1.13
      =5.1159 Nm3/kg
      3.1.1.5　实际干烟气量的计算：
Vgy=（Vgy）+（α-1）（Vgk） =5.1159+（1.35-1）×5.2208 =6.9432 Nm3/kg
      3.1.2　燃烧生成水蒸汽的计算：
VH2O=1.24[(9Har+Mar)/100+1.293×α×（Vgk）×dk]
   =1.24[(9×3.08+12.21)/100+1.293×1.35×5.2208×0.01]=0.6081 Nm3/kg
      3.1.3　排烟热损失的计算：
   Q2=( Vgy×CP,gy+ Vh2o×CP,h2o) ×(θpy-t0)
      =(6.9432×1.38+ 0.6081×1.51) ×(149-50)=1039.4849kJ/kg
      3.1.4　排烟热损失百分率的计算［1］：
   q2= Q2/ Qr= Q2/ Qnet,ar=1039.4849/19845=5.24%
      3.2　固体未完全燃烧热损失的计算：
   q4=337.27×Aar×C/ Qr=337.27×Aar×C / Qnet,ar
    =337.27×21.30×2.25/19845=0.81%
      4　低位发热量变化对锅炉效率影响的计算
由燃煤的工业分析可知：燃煤是由固定碳、挥发份、灰份、水份等四部分组成，因此它们其中任一部分的含量发生变化，都会导致燃煤的低位发热量发生变化。不过在实际生产中，燃料入厂后经过翻卸、储存、输送等过程，一般会造成其中灰份、水份的变化，因此它们是影响入炉煤低位发热量变化的主要原因。
      4.1　燃煤中灰份变化对锅炉效率影响的计算：
在此假定燃煤中除灰份含量变化外，其它成份含量保持不变；燃煤的低位发热量由原来的19845 KJ/kg下降到19345KJ/kg，下降了500KJ/kg。
将其燃煤的低位发热量为19845 KJ/kg分成100等份，那么每1份（即：1个百分点）的低位发热量为198.45 KJ/kg。
则：500/198.45=2.52（百分点）
即：燃煤低位发热量下降500KJ/kg，相当于燃煤中的灰份增加了2.52个百分点。
低位发热量变化后燃煤的灰份为21.30+2.52=23.82（％）
      4.1.1　排烟损失值q2的变化量：
由于燃煤中灰份的变化对排烟热损失Q2基本上没有影响，则：
q2= Q2/ Qnet,ar=1039.4849/19345 =5.37
排烟损失q2的变化量：Δq2=5.37-5.24=0.13
      4.1.2　固体未完全损失q4的变化量：
    q4=337.27×Aar×C / Qnet,ar
=337.27×23.82×2.25/19345=0.93
固体未完全损失q4的变化量：Δq4=0.93-0.81=0.12
      4.1.3燃煤中灰份变化对锅炉效率的影响值：
    △ηgl＝－（△q2＋△q4）=－（0.13+0.12）=－0.25
同理，若煤中灰份减少2.52个百分点时，锅炉效率将升高0.25个百分点。
按以上的计算方法，可以很方便地计算出燃煤低发热量变化1000 KJ/kg、1500 KJ/kg、2000 KJ/kg时锅炉效率的变化值。计算结果如下表。
燃煤灰份变化对锅炉效率的影响
      4.2燃煤中水份变化对锅炉效率影响的计算
在此假定由于燃煤中水份含量发生变化，燃煤的低位发热量由原来的19845 KJ/kg下降到19345KJ/kg，下降了500KJ/kg。
燃煤中水份的变化对固体不完全损失q4基本上是没有影响的(即△q4=0)，因此仅对排烟损失q2产生影响。
燃煤中水份的增加对低位发热量的影响有两个方面：一是水份增加使煤中的可燃质成份减少，导致低位发热量降低；另一个是水份增加使其在煤中吸收的汽化潜热量增加。
将其煤的低位发热量为19845 KJ/kg分成100等份，那么每1份（即：1个百分点）的低位发热量为198.45 KJ/kg。
将其煤中水份的汽化潜热量为2258 KJ/kg分成100等份，那么每1份（即：1个百分点）的汽化潜热量为22.58 KJ/kg。
设燃煤中水份变化为△Mar，则：
  198.45×△Mar+22.58×△Mar=500  △Mar=2.26 （百分点）
低位发热量变化后燃煤的水份为12.21+2.26=14.47
      4.2.1　排烟损失值q2的变化量：
      4.2.1.1　水蒸汽体积的计算
VH2O=[(9Har+Mar)/100+1.293×α×（Vgk）×dk]
  =[(9×3.08+14.47)/100+1.293×1.35×5.2208×0.01]=0.6362 Nm3/kg
      4.2.1.2　排烟热损失的计算
Q2=( Vgy×CP,gy+ Vh2o×CP,h2o) ×(θpy-t0)
  =(6.9432×1.38+ 0.6362×1.51) ×(149-50)=1043.6855kJ/kg
      4.2.1.3　排烟热损失q2的计算：
q2=Q2/ Qnet,ar=1043.6855/19345=5.40
      4.2.1.4　锅炉效率的变化量：
△ ηgl＝-(Δq2+△q4)=-(5.40-5.24)=-0.16
同理，若煤中灰份减少2.26个百分点时，锅炉效率将升高0.16个百分点。
按以上的计算方法，可以很方便地计算出燃煤低发热量变化1000 KJ/kg、1500 KJ/kg、2000 KJ/kg时锅炉效率的变化值。计算结果如下表。
燃煤水份变化对锅炉效率的影响
      5　结论
      5.1　煤中灰份和水份含量的变化对锅炉效率的影响，随着发热量数值的增加，其对锅炉效率的影响也略有增加，但基本上是线性的。其中灰份对锅炉效率的影响较突出。
      5.2　对于一台300MW机组来说，若灰份增加使入炉煤低发热量降低1MJ/kg,由此会使锅炉效率下降约0.53个百分点，煤耗增加1.9g/kwh。若年发电量按15亿kwh，标煤单价按250元/T计算，则由此年增加燃料费用约65万元；
若水份增加使入炉煤低发热量降低1MJ/kg,由此会使锅炉效率下降约0.3个百分点，煤耗增加1.1 g/kwh。若年发电量按15亿kwh，标煤单价按250元/T计算，则由此年增加燃料费用约42万元。
由于燃料中灰份、水份的增加导致入炉煤低位发热量降低，因此机组在带相同负荷时消耗的燃料量也会增加，这势必导致机组输煤系统、制粉系统、除灰系统等系统的运行出力增加。据笔者掌握的数据，增加的这部分费用与燃料费用的关系大致是1：10.
      5.3　入厂煤在翻卸、输送过程中，为了限制其飞扬而影响环境和工作人员的健康通常需向煤中喷水，这会使入炉煤的水份增加，对机组经济性有影响。
入厂后煤在煤场储存时，随着时间的增加，燃料中的可燃质逐渐减少而灰份含量增加，因此应尽可能合理安排各种品质的燃料在煤场的存放时间。
在夏季高温多雨季节，对于长焰煤、肥气煤等挥发份含量较高的煤种，在煤场储存时很有可能会自燃导致煤中可燃质损失，因此应特别注意。
      5.4　灰份和水份的变化可能导致燃料中其它可燃质的变化，同时也会引起灰渣中含碳量与煤中灰量比率C的变化，为简化计算在本文中未考虑。