循环流化床锅炉热效率问题探讨

1、概述

目前国内循环流化床锅炉性能考核主要采用两个标准,一个是按ASME-PTC42008性能试验标准,另一个是按GB10184结合DL/T964-2005进行考核[1]｡由于考核标准的不统一,再加上约定的边界条件不同,导致效率指标参考性较差,甚至出现对同一台机组按不同标准进行考核时,其效率值相差高达1%以上,对电厂的经济性分析极其不利｡

2、几点说明

为了便于分析,先对以下几个问题进行说明:

2.1正平衡法及反平衡法

效率考核主要有正平衡法和反平衡法两种[1],由于正平衡法误差较大,且不利于对影响锅炉效率的因素进行分析,因此目前行业内普遍采用反平衡法,即:锅炉热效率=(1-各项损失之和/输入量)×100%｡

本文所有分析均基于反平衡法进行的｡

2.2净效率与毛效率

净效率是指将锅炉燃料的放热作为唯一热输入,将其他热量(如燃料显热､雾化介质热量等)作为整个能量循环的中间过程的一种效率算法[2-5]｡毛效率是将包括燃料放热､燃料显热､空气显热及其他进入锅炉的热量均计入锅炉热输入的一种算法｡

采用燃料效率非常有利于计算电厂的煤耗,即燃料输入热乘以锅炉效率即为热输出,非常直观简洁,因此本文以净效率为基准进行分析｡

2.3高位热效率与低位热效率

ASME标准采用高位热效率进行考核,即计算燃料输入热是含汽化潜热的[3]｡而我国标准则采用燃料的低位热效率进行考核｡众所周知,由于锅炉的排烟温度通常高于水露点温度,燃料中的汽化潜热在现阶段的电站锅炉中是无法利用的,因此采用低位热效率更加直观便捷,更有利于经济性分析,在我国即使采用ASME标准进行考核,也要折算到低位热效率,这对锅炉的经济性核算影响不大｡

2.4其他

由于ASME与国标性能考核试验的理念基本相同,多数计算方法是相通的,因此本文不再对效率考核计算方法一一进行罗列,仅对二者的主要不同点进行对比,特此说明｡

3、由于考核标准引起的CFB热效率的偏差

与煤粉锅炉不同,流化床锅炉的一､二次风机的压头较高,导致进入锅炉的冷风温度要远高于环境温度,以150MW等级流化床锅炉为例,通常一次风机温升高达20℃,二次风机温升约15℃左右,这一点与煤粉锅炉是不同的,对于风机温升问题,采用两种标准计算出的效率损失就相差非常大了｡这就主要反映在了Q2损失项了,即锅炉排烟热损失｡

排烟热损失就是由燃烧产生的烟气带走的热量损失[4],根据ASMEPTC42008规定,排烟损失为锅炉排烟温度对应的烟气焓减去空气预热器入口冷风温度对应的烟气焓而得到Q2损失｡根据我国GB10184和DL/T964-2005规定,排烟损失则采用锅炉排烟温度对应的烟气焓减去环境温度烟气焓｡

例如当环境温度为20℃,空预器入口冷风温度为35℃,排烟温度为130℃的条件,按ASME标准计算排烟损失为温差为95℃所对应的烟气焓,而按国标计算,则应按温差为110℃所对应的排烟焓,二者相差15℃,效率相差接近1%左右｡

对于风机引起的温升的问题,国标与ASME的理念是不同的,国标把风机温升作为外热源处理,即将其计入毛效率中的热输入项,相当于增大了效率的分母｡而ASME把风机温升作为热增益处理｡把该部分热量直接从Q2损失项中扣除,相当于减少了损失项中的分子｡

对于以上两种考核方法,笔者认为ASME方法更加科学,理由如下:

1)风机温升的能量来自于厂用电,而在整个电厂的能量平衡中,厂用电已经作为损失项剔除了,风机的热增益相当于从厂用电这个损失项中捡回来的热量,由于燃料效率算法中输入热仅考虑燃料放热,因此将捡回来这部分热量抵扣部分烟气损失是合理的,整个电厂的能量平衡是闭环的｡

2)对于国标将这部分热量作为输入热考虑的方法实际上与净效率的算法不符,在实际考核中通常采用忽略此部分影响的处理方式,即在厂用电中将风机的能耗扣除后,其中转化为热能回送回锅炉的这部分热量是忽略的,从能量平衡角度来说该算法存在一定的漏洞｡

3)排烟损失的大小是锅炉对烟气的冷却能力一个重要标志,排烟温度的理论极限值只能是空预器入口冷风温度,而不是环境温度,从这点考虑,ASME计算方法更具参考性｡

4、排渣温度选取的影响

流化床锅炉的底渣比率要远高于煤粉锅炉的10~15%,通常在50%左右,而国内流化床锅炉以低热值高灰分燃料为主,底渣显热损失所占的权重更大｡底渣损失的计算方法与采用的冷渣器型式有很大关系,目前冷渣器主要有风冷型､水冷型和风水联合冷却型三种,国内大型流化床锅炉主要采用水冷滚筒冷渣器,下面以水冷滚筒冷渣器为例进行分析｡

国内大型流化床锅炉招投标及锅炉技术协议中规定的Q6损失的考核方式主要有以下两种:

1)采用炉膛排渣温度进行计算｡该算法是将性能考核界限点定义在冷渣器入口,即将冷渣器部分隔离在系统外｡

2)采用冷渣器出口排渣温度进行计算｡该算法是将性能考核界限点定义在冷渣器出口,即将冷渣器划分在系统内｡

由于约定的边界条件不同,导致性能考核效率值相差非常大,当然该值与燃料灰分､脱硫产物及燃料热值有很大关系,折算灰分越高,影响越大,以某300MW矸石燃料流化床锅炉为例,燃料是低位热值3150Kcal/kg､灰分46%的矸石,其底渣量高达67t/h,若按冷渣器出口渣温(150℃)计算排渣损失,其Q6损失仅为0.24%,若以炉膛排渣温度(890℃)计算,其Q6损失则高达2.14%由于两种算法引起的效率差值接近2%｡

至于采用哪种方法更合理,我们首先看一下冷渣器冷却水系统,通常冷却水主要取自锅炉冷凝水,冷却水流经冷渣器后返回到汽轮机低加系统｡由于冷渣器回收的热量没有直接回送到锅炉,即没有被锅炉系统利用,对过热系统及再热系统没有贡献,不能直接降低锅炉煤耗,因此采用锅炉排渣温度计算效率是合理的｡

之所以有将冷渣器划在锅炉热力系统之内的做法,是将冷渣器送入到汽轮机回热系统的热量作为热输出考虑的,即锅炉热输出包括过热蒸汽,再热蒸汽(如有)与冷渣器回送热量三部分｡该算法从某些方面来说是合理的,但却不利于全厂的能量平衡计算,因为该方案除了将部分热量回送到系统同时,还对循环效率产生了一定的影响,会使整个电厂的能量平衡计算变得非常复杂,因此不建议采用｡

除以上两种情况外,还存在以下几种特殊情况:

1)将冷渣器热量作为供热或工业用气等｡对于该种情况,底渣热量虽然没有对一､二次汽产生贡献,但该热量的确没有损失掉,笔者认为比较合理的算法还是将其作为全厂的热增益考虑,即先算损失,然后再算收益的方法更合理｡

2)风冷冷渣器和风水冷冷渣｡器由于风冷部分回收的热量是直接回送到炉膛的,因此所有算法均将风冷冷渣器或风水联合冷渣器中风回收的热量计入锅炉效率,该算法目前没有争议｡

5、结论

由于采用标准不同及考核条件不统一,目前国内各个项目的流化床锅炉效率考核值无法直接比对,不利于经济性分析,对于本文谈到的两个问题,笔者更加倾向ASME标准方法结合炉膛排渣温度计算Q6的方法进行性能考核｡