引言

浙江某熱電廠為響應(yīng)國家環(huán)保、節(jié)能減排政策,將煤粉鍋爐改燒樹枝、雜草或者農(nóng)作物秸桿等生物質(zhì)燃料。但經(jīng)過技術(shù)、結(jié)構(gòu)改造后,該鍋爐飽受排煙溫度過高的困擾。排煙溫度高不僅會降低鍋爐熱效率,還會造成周圍環(huán)境的熱污染,同時也加重了鍋爐系統(tǒng)中布袋除塵器的負(fù)擔(dān),布袋除塵器經(jīng)常處于極高溫度下工作,工作環(huán)境惡劣,存在非常嚴(yán)峻的安全隱患。因此,本文將從影響鍋爐排煙溫度的因素入手,從根本上解決鍋爐排煙溫度過高的問題。

1研究對象

本文的研究對象是浙江某熱電廠的4號鏈條爐,額定蒸發(fā)量是35t/h,出口過熱蒸汽設(shè)計(jì)溫度450℃,過熱蒸汽出口設(shè)計(jì)壓力3.9MPa。為響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保要求,鍋爐計(jì)劃由燃煤改燒生物質(zhì)燃料,即全部采用農(nóng)林及生活廢棄物,如農(nóng)作物秸桿、樹枝及樹葉等。入爐前對原料進(jìn)行處理,經(jīng)過壓料機(jī)轉(zhuǎn)化成5cm×5cm片料及粉料,如圖1所示。片料由輸料系統(tǒng)送到鍋爐爐排,進(jìn)行預(yù)熱燃燒:粉料則與經(jīng)過空氣預(yù)熱器加熱的熱空氣一并經(jīng)由輸送管道輸送到爐膛前墻噴料口噴入鍋爐爐膛進(jìn)行燃燒。鍋爐尾部豎井煙道布置三級省煤器及兩級空氣預(yù)熱器,煙道尾部布置1臺CNI-3.0旋風(fēng)除塵器以及LCDM-4-512-LD-Gw布袋除塵器對鍋爐排煙進(jìn)行凈化處理。

2鍋爐熱力計(jì)算

為了解決鍋爐排煙溫度高這一首要問題,第一步就要分析造成鍋爐排煙溫度高的主要原因到底是什么,這就需要對該鍋爐再次進(jìn)行熱力計(jì)算。

鍋爐熱力計(jì)算分兩部分完成,一部分是設(shè)計(jì)計(jì)算,另一部分是校核計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算主要是用于設(shè)計(jì)新出廠鍋爐:校核計(jì)算主要是用于計(jì)算已經(jīng)存在或是主體結(jié)構(gòu)尺寸已確定的鍋爐型式,與設(shè)計(jì)計(jì)算的區(qū)別是不需要對鍋爐進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),而是將得到的結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對比,從而確定鍋爐是否能達(dá)到負(fù)荷要求。煙氣和換熱工質(zhì)在各受熱部件處的溫度需要首先假定,再利用漸次逼近法去確定。在爐膛尾部各受熱部件的計(jì)算過程中,假定煙溫對應(yīng)的煙氣側(cè)放熱量與計(jì)算得到的換熱量相對誤差不允許超過±2%,只有符合該條件才能繼續(xù)對下一級的受熱部件進(jìn)行計(jì)算。最后,還須滿足計(jì)算得到的排煙溫度值和預(yù)先假設(shè)的排煙溫度值之差不超過±l0℃,對熱空氣溫度則要求不超過±40℃。

結(jié)束熱力計(jì)算后,還要估算熱力計(jì)算的總誤差,公式如下:

式中:Qin為鍋爐輸入熱量(kJ/kg):7為鍋爐效率(%):Q1、Qnz、Qgr、Qsm分別表示爐膛、凝渣管束、過熱器、省煤器的吸熱量(kJ/kg),它們是通過熱平衡方程式得到的:g4為機(jī)械不完全燃燒熱損失(%)。

還需滿足式(2):

至此,才可認(rèn)為熱力計(jì)算正確。

3ExceI表格兩個關(guān)鍵函數(shù)的應(yīng)用

第一種方法:應(yīng)用IF函數(shù)對Excel表格進(jìn)行優(yōu)化,示例如圖2所示。

IF函數(shù)主要用途:檢測所需要的計(jì)算數(shù)據(jù)是否能夠滿足給定條件,如果滿足就輸出一種結(jié)果,若不滿足則輸出另一種結(jié)果。

語法:IF(1ogica1一es一,ta1veiu一vre,ta1veiuua1se)。

參數(shù):1ogica1一es一表示所需滿足的條件:ta1veiu一vre為滿足條件時的結(jié)果:ta1veiuua1se為不滿足條件時的結(jié)果。

第二種方法:應(yīng)用fV00KUP函數(shù)對Excel表格進(jìn)行優(yōu)化,示例如圖3所示。

VLooKUP函數(shù)主要用途:在特定區(qū)域內(nèi)的第一列中查找出與需要查找的數(shù)據(jù)相匹配的源項(xiàng),確定行數(shù),然后再給定列數(shù),最后輸出對應(yīng)的結(jié)果。

語法:VLooKUP(lookup_value,table_array,col_index_num,range_lookup)。

參數(shù):lookup_value為所需要查找的數(shù)值;table_array為已經(jīng)給定的查找區(qū)域;col_index_num為輸出結(jié)果數(shù)值所在的列數(shù);range_lookup表示所需查找的數(shù)據(jù)域查找區(qū)域內(nèi)對應(yīng)的項(xiàng)是相等還是近似相等。

4通過熱力計(jì)算分析生物質(zhì)鍋爐存在的問題

為減少人為計(jì)算的錯誤和工作量,在熱力計(jì)算之前,首先要根據(jù)已知數(shù)據(jù)制作該鍋爐的熱力計(jì)算Excel表格,Excel表格已經(jīng)利用IF函數(shù)和VLooKUP函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,然后再根據(jù)電廠鍋爐運(yùn)行的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)來驗(yàn)證Excel制作得是否正確,是否適用于該鍋爐的熱力計(jì)算。

目前,該電廠鍋爐長期保持出力在25t/h左右。原因一,電廠沒有35t/h蒸汽的生產(chǎn)需求;原因二,根據(jù)電廠實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù),在負(fù)荷達(dá)到26t/h時,鍋爐尾部排煙溫度已高達(dá)168.5C,若繼續(xù)增加鍋爐負(fù)荷,排煙溫度持續(xù)升高,不僅會造成大量的能源浪費(fèi),還存在毀壞尾部布袋除塵器的可能。所以,無法根據(jù)目前電廠實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步了解鍋爐在滿負(fù)荷狀態(tài)下工作的真實(shí)情況,當(dāng)然也不能以鍋爐滿負(fù)荷作為前提,驗(yàn)證制作的熱力計(jì)算Excel表格的正確性。應(yīng)以電廠實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)對應(yīng)的負(fù)荷為前提進(jìn)行熱力計(jì)算,改造之前的熱力計(jì)算結(jié)果匯總于表1。

在鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下,實(shí)測排煙溫度已經(jīng)達(dá)到196.8C,超過該鍋爐的設(shè)計(jì)排煙溫度20C,該鍋爐的設(shè)計(jì)排煙溫度為170C。該鍋爐排煙溫度過高的原因與鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān),受熱面不足,因此需要從增強(qiáng)換熱的角度來降低排煙溫度。

5鍋爐改造方案

鍋爐結(jié)構(gòu)是造成排煙溫度較高的原因,故首先研究生物質(zhì)鍋爐兩級空預(yù)器。冷空氣通過空預(yù)器被煙氣加熱升溫后送入爐膛,為燃料燃燒提供了充分的氧氣,提高了鍋爐效率,但與此同時也提高了理論燃燒溫度,強(qiáng)化了爐膛的輻射傳熱。通過Excel表計(jì)算得知,30C的冷空氣通過空預(yù)器后被加熱到160C,然后由送風(fēng)機(jī)送入鍋爐爐膛,生物質(zhì)燃料較煤更易點(diǎn)火燃燒,因此送入爐膛的熱空氣溫度不宜過高。結(jié)合電廠鍋爐實(shí)際運(yùn)行情況分析,送入爐膛的熱風(fēng)溫度達(dá)到100C時就可滿足燃燒要求?？疹A(yù)器占據(jù)空間巨大,換熱效果卻十分差,結(jié)合上述內(nèi)容,提出改造思路:將鍋爐原有兩級空預(yù)器移除一級,并利用節(jié)省出的空間加裝與移除空預(yù)器同等尺寸的煙氣一水換熱器,水的傳熱能力遠(yuǎn)超空氣,此方法可加強(qiáng)換熱,降低排煙溫度,熱風(fēng)溫度雖略有下降,但也能保證鍋爐運(yùn)行實(shí)際需要。

加裝的煙氣一水換熱器與省煤器結(jié)構(gòu)一樣,不同之處在于換熱介質(zhì)水沒有進(jìn)行除氧,溫度接近普通水溫,壓力也處于常壓狀態(tài)。改造后的流程為普通水除鹽后進(jìn)入換熱器參與換熱,溫度升高后進(jìn)入除氧器進(jìn)行除氧處理,然后作為鍋爐給水送入鍋爐中。具體流程如圖4所示。

加裝的換熱器與省煤器工作原理相似,因此考慮采用與鍋爐省煤器相同的錯列形式進(jìn)行布置。但錯列布置管束不易清灰,同時移除上級或下級空預(yù)器也會產(chǎn)生不同的效果,因此共提出以下4個可供選擇的改造方案。

方案1:移除下級空預(yù)器,換熱器受熱管束采用錯列布置,熱力計(jì)算結(jié)果匯總于表2。

方案2:移除上級空預(yù)器,換熱器受熱管束采用錯列布置,熱力計(jì)算結(jié)果匯總于表3。

方案3:移除下級空預(yù)器,換熱器受熱管束采用順列布置,熱力計(jì)算結(jié)果匯總于表4。

方案4:移除上級空預(yù)器,換熱器受熱管束采用順列布置,熱力計(jì)算結(jié)果匯總于表5。

圖5為4種方案中各受熱部件出口處的煙溫值,各受熱部件編號為1~8,分別代表爐膛、凝渣管、高溫過熱器、低溫過熱器、上級省煤器、下級省煤器、空氣預(yù)熱器以及增加的換熱器。

對比以上圖表可獲得以下結(jié)論:

采取方案3,也就是移除下級空預(yù)器,換熱器受熱管束順列布置時,排煙溫度最低,最終測得的排煙溫度是149℃。

比對方案1與方案2,在采用錯列的管束布置以及換熱器結(jié)構(gòu)相同的條件下,方案1移除了下級空預(yù)器,整體傳熱溫差小于方案2,換熱比較弱,但最終通過檢測排煙溫度,獲得了較低的排煙溫度值。這是因?yàn)樵驹阱仩t上級的空預(yù)器與下級空預(yù)器結(jié)構(gòu)尺寸并不相同,上級空預(yù)器的受熱面積大于下級空預(yù)器的受熱面積,移除上級空預(yù)器相當(dāng)于移除了更大的受熱面積。

與順列布置方案相比,理論上錯列布置方案得到的排煙溫度應(yīng)更低一些,因?yàn)殄e列布置的傳熱效果好于順列布置,但實(shí)際結(jié)果卻正相反,這是由于在順列布置的方案中,縮小了管束間的橫向節(jié)距,布置了更多的管束,即增加了更多的受熱面參與換熱。

方案2的排煙溫度為176.5℃,高于170℃,不符合要求:而方案4得到的熱空氣溫度為90℃,低于100℃,也不符合要求,因此放棄方案2和4。

6結(jié)語

本文介紹了某生物質(zhì)鍋爐基本情況,之后對鍋爐熱力計(jì)算進(jìn)行了說明,并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用Excel表格,采用兩種函數(shù)方法簡化Excel熱力計(jì)算的步驟,節(jié)省工作時間。同時,通過對鍋爐整體進(jìn)行熱力計(jì)算分析得出排煙溫度過高的原因,決定采用改造尾部受熱面的方法降低排煙溫度,并提出了4種改造方案。通過計(jì)算理論排煙溫度值,排除了不符合要求的方案2和4。