我國幅員遼闊且地形地貌復(fù)雜多樣,其中海拔超過2000m的高原地區(qū)約占到全國總面積的三分之一。青海省地處青藏高原,地勢總體呈西高東低階梯型下降的趨勢,省內(nèi)地形特征復(fù)雜、地貌種類多樣,五分之四以上地區(qū)為高原,兼具青藏高原、黃土高原和內(nèi)陸干旱盆地三種地形地貌,平均海拔3000m以上且主要城市海拔均在2000m以上。
青海省獨特的地理特征決定了特殊的環(huán)境條件,在青海高原地區(qū)高海拔、低氣壓、低含氧量、氣候寒冷的特殊使用環(huán)境中,鍋爐作為重要的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備,運行過程中受到大氣環(huán)境中空氣密度和氧含量下降的影響,爐膛內(nèi)燃燒速率降低,爐膛內(nèi)火焰形狀、溫度場分布、燃燒傳熱特性、煙氣熱物性變化均與平原地區(qū)存在差異。為客觀研究特殊環(huán)境條件對高原循環(huán)流化床鍋爐運行能效水平的影響,筆者選取青海省格爾木市所在地海拔2670m的某企業(yè)1臺480t/h大型循環(huán)流化床鍋爐(鍋爐總圖見圖1)作為能效測試對象,該鍋爐采用循環(huán)流化床分段燃燒方式,設(shè)計效率達(dá)92%,具有良好的煤種適應(yīng)性,可大幅度降低NOx的排放,通過向爐內(nèi)添加石灰石,能明顯降低SO2的排放。 此次測試過程主要對鍋爐的過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、給水壓力、給水溫度、給水流量、排煙溫度、空預(yù)器前煙溫和一級受熱面后的煙氣成分等數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測,對測試過程中的燃料、石灰石、飛灰、爐渣等進(jìn)行稱重取樣和化驗分析,而后綜合監(jiān)測與化驗結(jié)果進(jìn)行計算,分析評估該鍋爐實際能效與大氣污染物排放水平,同時為進(jìn)一步完善高原地區(qū)同類型鍋爐能效評價和改進(jìn)提效方法提供現(xiàn)實參考依據(jù)。
1 測試方法
測試開始前,鍋爐機(jī)組已連續(xù)正常運行30d以上,通過現(xiàn)場巡檢確定整個鍋爐機(jī)組無明顯泄漏,主、輔機(jī)能正常運轉(zhuǎn)并滿足試驗要求,鍋爐機(jī)組與其他非試驗系統(tǒng)完成隔離,所有參與測試的儀表儀器已經(jīng)完成檢定校準(zhǔn)且處于有效期內(nèi)。 測試數(shù)據(jù)開始采集前,鍋爐已在試驗負(fù)荷及條件下穩(wěn)定運行2h以上,脫硫劑投入量和SO2排放濃度達(dá)到穩(wěn)定2h以上。 測試項目參照《電站鍋爐性能試驗規(guī)程(GB/T10184-2015)》確定,測試儀器及其精度、量程見表1。
此次測試的項目包括過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、給水壓力、給水溫度、給水流量、冷空氣溫度、空預(yù)器前煙溫、排煙溫度、排煙處煙氣成分分析、燃料取樣稱重、石灰石取樣稱重、爐渣取樣稱重以及飛灰取樣。
2 鍋爐能效測試數(shù)據(jù)分析
2.1 燃料特性(見表2)
2.2 灰渣、石灰石特性(見表3)
灰渣平均含碳量與計算灰量之比計算公式為
通過計算,排煙處過量空氣系數(shù)為1.32。
CpO2——排煙溫度下O2平均定壓比熱/kJ·Nm-3K-1,計算數(shù)值為1.32kJ·Nm-3K;CpRO2——排煙溫度下RO2平均定壓比熱/kJ·Nm-3K-1,計算數(shù)值為1.73kJ/Nm3K;CpCO——排煙溫度下O2平均定壓比熱/kJ·Nm-3K-1,計算數(shù)值為1.30kJ/Nm3K;CpN2——排煙溫度下N2平均定壓比熱/kJ·Nm-3K-1,計算數(shù)值為1.30kJ/Nm3K; 通過計算,干煙氣平均定壓比熱為1.36kJ/Nm3K。
Vgy——理論干煙氣量/Nm3·kg-1,計算數(shù)值為4.27Nm3/kg;Vgk——理論干空氣量/Nm3·kg-1,計算數(shù)值為4.37Nm3/kg;
Cpgy——干煙氣平均定壓比熱/kJ·Nm-3K-1;to——空氣預(yù)熱器入口風(fēng)溫,即基準(zhǔn)溫度/℃; 通過計算,干煙氣帶走的熱量為867.94kJ/kg。
VH2O——煙氣中水蒸汽體積/Nm3·kg-1,計算數(shù)值為0.52Nm3/kg;CpH2O——煙氣中水蒸氣平均定壓比熱/kJ·Nm-3K-1,計算數(shù)值為1.51kJ/Nm3K;to——空氣預(yù)熱器入口風(fēng)溫,即基準(zhǔn)溫度/℃; 通過計算,煙氣中水蒸氣帶走的熱量為87.45kJ/kg。
to——空氣預(yù)熱器入口風(fēng)溫,即基準(zhǔn)溫度/℃;
本次測試鍋爐熱效率計算采用熱損失法(即反平衡法)。
Qnet,v,ar——收到基低位發(fā)熱量/kJ·kg-1;
Qnet,v,ar——收到基低位發(fā)熱量/kJ·kg-1;
q4lz——爐渣未完全燃燒熱損失/%,計算數(shù)值為0.67%;q4fh——飛灰未完全燃燒熱損失/%,計算數(shù)值為2.61%;Qnet,v,ar——收到基低位發(fā)熱量/kJ·kg-1;
De——鍋爐額定蒸發(fā)量/t·h-1,取值為480t/h;q5e——額定蒸發(fā)量下散熱損失/%,計算數(shù)值為0.56%;D——鍋爐實際蒸發(fā)量/t·h-1,試驗采集平均為347.8t/h;通過計算,實際蒸發(fā)量下散熱損失為0.76%。
Ajs——添加脫硫劑后,相應(yīng)每千克入爐燃料灰分的質(zhì)量/kg·kg-1;Qnet,v,ar——收到基低位發(fā)熱量/kJ·kg-1;tdz——底渣溫度/℃,試驗測量平均為801.1℃;Crdz——爐渣比熱/kJ·(kgK)-1,計算數(shù)值為1.11kJ·(kgK)-1;tfh——飛灰溫度/℃,試驗測量平均為136.8℃;Crfh——飛灰比熱/kJ·(kgK)-1,計算數(shù)值為0.78kJ·(kgK)-1;to——空氣預(yù)熱器入口風(fēng)溫,即基準(zhǔn)溫度/℃;
Kglb——CaS摩爾比,計算數(shù)值為3.12;Tgq——過熱蒸汽溫度/℃,試驗測量平均為532.32℃;Qnet,v,ar——收到基低位發(fā)熱量/kJ·kg-1;
hgq——過熱蒸汽焓/kJ·kg-1,查表數(shù)值為3469.735kJ/kg; hgs——給水焓/kJ·kg-1,查表數(shù)值為672.04kJ/kg。
3 測試結(jié)果評價分析
3.1 評價依據(jù)
本次高海拔地區(qū)大型循環(huán)流化床鍋爐能效狀況主要關(guān)注鍋爐運行負(fù)荷、排煙溫度、過量空氣系數(shù)和鍋爐熱效率等指標(biāo),指標(biāo)評價依據(jù)參照《鍋爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)規(guī)程(TSG91-2021)》。
3.2 測試結(jié)果評價
現(xiàn)場實測鍋爐過量蒸汽流量平均值約為347.8t/h,詳見圖2,該值為設(shè)計負(fù)荷的72.46%,鍋爐整體運行負(fù)荷處于較低狀態(tài)。
現(xiàn)場實測鍋爐排煙溫度平均值為136.81℃,詳見圖3,根據(jù)《鍋爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)規(guī)程(TSG91-2021)》,實績運行負(fù)荷下鍋爐排煙溫度符合≤170℃的指標(biāo)要求。
運行負(fù)荷下,鍋爐排煙處的過量空氣系數(shù)平均值為1.32,詳見圖4,滿足《鍋爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)規(guī)程(TSG91-2021)》不超過1.4的要求,但明顯大于1.2的設(shè)計值。
通過計算,該鍋爐運行負(fù)荷下熱效率平均值為89.90%,低于鍋爐設(shè)計效率92%的初始值,運行熱效率偏低。 根據(jù)郭曉寧等人的研究,在高原地區(qū)運行的鍋爐由于燃燒反應(yīng)速度下降,一般存在著火較困難、排煙溫度升高、飛灰含碳量增加的現(xiàn)象。為驗證上述提法,通過分析此次測試中的關(guān)鍵參數(shù),重點發(fā)現(xiàn)以下問題。(1)通過測試發(fā)現(xiàn),該鍋爐運行過程中配套一二次風(fēng)機(jī)入口冷空氣溫度約為10℃,風(fēng)機(jī)出口空氣溫度約為40℃;上述數(shù)據(jù)與常規(guī)風(fēng)機(jī)相比,風(fēng)機(jī)前后的溫升數(shù)據(jù)偏大。(2)通過測試分析,在運行負(fù)荷平均值長時間為72%左右的狀態(tài)下,該鍋爐排煙溫度平均值約為136.81℃,但隨著鍋爐負(fù)荷提高,鍋爐排煙溫度極有可能超出限定值。(3)通過測試分析,鍋爐在負(fù)荷運行約72%的狀態(tài)下,爐膛內(nèi)實測床溫已達(dá)976.5℃,可以預(yù)判,后期運行過程中隨著鍋爐負(fù)荷的提高,鍋爐床溫必然會進(jìn)一步升高。(4)按照鍋爐大氣污染物排放過程中大氣污染物的排放機(jī)理,床溫升高將會導(dǎo)致煙氣中的氮氧化物(NOx)生成量升高,氮氧化物(NOx)作為鍋爐機(jī)組重要的大氣污染物排放控制指標(biāo),其處理過程除了對鍋爐熱效率產(chǎn)生一定的影響以外,會導(dǎo)致該鍋爐機(jī)組后期氮氧化物(NOx)處理成本明顯增高。(5)通過測試可知,該鍋爐低溫省煤器出口位置煙氣含氧量平均約為1.3%,對比循環(huán)流化床鍋爐低于50%運行負(fù)荷的情況,煙氣中含氧量數(shù)據(jù)偏低,間接反映出煙氣中一氧化碳含量偏高、爐渣飛灰中可燃物含量偏大,鍋爐整體運行中的氣體未完全燃燒損失和固體未完全燃燒損失偏大。 (6)通過測試后對爐渣、飛灰的化驗分析,發(fā)現(xiàn)爐渣的組成為煤矸石與未燃盡的煤顆粒,通過取樣分開化驗,煤矸石可燃物含量極低,未燃盡的煤顆粒中可燃物含量高達(dá)7%左右,按照重量比混合后約為5.2%,綜合數(shù)據(jù)基本與循環(huán)流化床鍋爐爐渣平均可燃物含量水平一致,但按照目前72%負(fù)荷狀態(tài)下,煤顆粒中的可燃物含量偏高。
4 結(jié)論與建議
通過上述評價與分析,此次測試發(fā)現(xiàn)該鍋爐存在風(fēng)機(jī)前后溫升異常、鍋爐運行過程中排煙溫度偏高、床溫偏高、未完全燃燒損失偏大等問題,側(cè)面反映出該使用單位在高耗能特種設(shè)備使用過程中未能夠制定科學(xué)合理的運維計劃和行之有效的技術(shù)措施,在高耗能特種設(shè)備節(jié)能環(huán)保主體責(zé)任落實方面存在能效水平偏低、能源浪費、污染物排放超標(biāo)等短板。針對上述具體問題和管理短板,建議對鍋爐開展燃燒調(diào)整和精細(xì)化運行管理。(1)通過測試分析,建議對鍋爐機(jī)組風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行檢測,重點關(guān)注風(fēng)機(jī)輸入功率、風(fēng)量、風(fēng)壓、溫升等參數(shù),核實風(fēng)機(jī)進(jìn)出口溫升偏高的原因,確定導(dǎo)致該問題產(chǎn)生的原因是風(fēng)機(jī)本身性能問題還是測試過程中儀器儀表的測試偏差。(2)根據(jù)設(shè)備運行特點,建議在鍋爐燃燒調(diào)整過程中繪制鍋爐性能曲線,確定各項損失的平衡點。(3)通過測試反饋,建議燃燒調(diào)整過程中分析各級受熱面的換熱能力,確定導(dǎo)致鍋爐排煙溫度高的具體原因。(4)鑒于目前流化床調(diào)試偏向于低床溫低床壓的技術(shù),建議對燃燒過程中的鍋爐床溫、床壓進(jìn)行調(diào)試,尋求鍋爐能效與氮氧化物(NOx)協(xié)同排放之間的較佳位點。 以上述測試數(shù)據(jù)為依據(jù),對鍋爐開展精細(xì)化運行調(diào)整。鍋爐優(yōu)化運行后,可有效實現(xiàn)鍋爐效率提升、風(fēng)機(jī)性能提升和電消耗量下降,氮氧化物(NOx)排放量減少,大氣污染物處理成本降低。同時,優(yōu)化運行后的二氧化碳(CO2)排放量降低,碳排放量減少,碳稅大幅降低;氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)處理引起的省煤器腐蝕、空預(yù)器腐蝕情況改善,定期維修成本也能夠明顯減少。
