基于烟气监测数据的标准煤耗率计量方法.pdf
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1、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
2、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
3、。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:13330966978,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
4、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
5、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:Q
6、rm=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.
7、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
8、.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
9、)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
10、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 Q
11、fg.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
12、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
13、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 q
14、v.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
15、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;
16、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
17、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(
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