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600MW火电机组锅炉吹灰系统节能综合改造

2023-11-22 132 上传者：管理员

摘要：为应对原机组磨煤机干燥能力不足，吹灰压力不稳定等问题，降低火电机组运行过程中的能耗损失，对空气预热器和蒸汽吹灰器进行节能综合改造，搭建全周期能耗平台，实现能耗在线分析。针对空预器进行反转向改造，将原设计转向改造为烟气→一次风→二次风，通过提高一次风温的方式来提高磨煤机干燥能力，同时严格控制一次风温在规程安全范围内；将蒸汽吹灰汽源由后屏过热器出口改造至低温再热器出入口，利用蒸汽引射器将低温再热器出入口蒸汽进行混合，有效降低煤耗；在电厂已有的虚拟服务器和全厂PI实时历史数据库的基础上，建立数据分析平台，对数据进行整合优化，多维展示，实现设备状态监测、故障预警、原因诊断的一体化。通过对空预器和蒸汽吹灰器节能改造以及搭建全周期能耗平台，有效降低火电机组运行过程中的能耗损失，实现火电厂各系统、设备能耗诊断智能化，提高安全性和经济性。

关键词：
“双碳”
空气预热器反转向改造
能耗损失
节能综合改造
蒸汽吹灰系统汽源改造
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随着“双碳”目标的提出和国家能源结构侧改革，可再生能源在发电机组中占比越来越重，传统火电面临着巨大的挑战，对火电机组进行节能改造和能耗分析势在必行。在运行过程中，锅炉难免会出现积灰、结渣、能耗高等现象，当前仅仅通过设计手段及运行调整手段还不能完全解决，因此在保证火电机组安全稳定运行的前提下，利用空预器防堵灰改造以及蒸汽吹灰改造，通过回收烟气热量，对降低机组吹灰过程损耗，精确减少能耗具有十分重要的意义。

目前，在空气预热器的改造和密封、锅炉吹灰汽源的优化以及能耗智能在线监测系统等方面都有很多研究。王法[1]等研究了在固定工况下，空气预热器烟气侧压差随吹灰时间的变化，在冷一次风侧安装了吹灰器，防止堵灰；李丁强[2]设计了一种柔性接触密封改造方案，有效降低了空气预热器的漏风率；张步庭[3]等对空气预热器进行了改造，降低了一次风温度，增加了一次风量，降低了排烟温度，并通过节能分析验证了改造方案的有效性；王云鹏[4]等对锅炉屏式过热器出口管进行了研究，将蒸汽提供给锅炉各受热面进行降温减压后的吹灰；陈开峰[5]等通过热平衡计算方法得到不同机组的热经济指标，并进行了对比计算；靖长财[6]等提出了亚临界锅炉吹灰系统低温再热器方案；骆丁玲[7]等提出了采用低再出口蒸汽作为吹灰蒸汽的方案；王俊娜[8]等人提出了一种实时采集生产现场数据进行现场优化的平台方案；余雪[9]等采用余热回收技术，在机组效率和能耗方面取得了一定的效果；曾磊[10]等通过基于大数据挖掘技术的能耗指标分析模型，实现了运行优化、节能降耗；顾治伟[11]等提出了一种基于IEC61850的建模方法，实现火电厂全网能耗和环保的智能监控。

本文针对当前火电机组面临的制粉系统干燥能力不足和吹灰系统调节门压损严重等问题进行研究，提出对空气预热器和蒸汽吹灰器的节能综合改造方案，并建立能耗智能全周期平台以应对能耗计算误差大，缺少对能耗、效率等二级指标的分析等问题。

1、空气预热器转向节能改造

1.1 空气预热器转向改造方案

国能河北定州发电有限责任公司4台机组的风、烟系统均设有三分区Ljunstoem空气预热器。转子内径13492mm，受热面高度2050mm，转速0.99r/min，旋转方向为“烟气→二次空气→一次风”。制粉系统采用中速磨煤机冷一次风正压直燃式制粉系统，每台锅炉配置6台中速磨煤器。

针对锅炉磨煤机干燥能力不足导致出力低的运行状况，结合内蒙古景隆发电厂和国华太仓发电厂的调研，设计了空气预热器的变桨方案。4台锅炉的空气预热器转子被改造成“烟气→一次风→二次空气”。因此，一次风温度得到了改善，二次风温度和锅炉热效率没有受到影响。具体方案如下：

1）拆除并更换空气预热器的热端和冷端径向密封部件，用新的柔性密封件更换冷端径向封部件。

2）更换原轴向密封件，及时更换密封板。

3）更换两台预热器的减速箱，并相应调整气动管路的接口位置。

4）原空气预热器冷端固定水冲洗管按顺序先经冷端水冲洗后，再经热端水冲洗。在改变预热器的方向后，单个水冲洗管被移动，使转子转向仍然首先通过冷端水冲洗管，然后通过热端水冲洗管道。如果热端和冷端水冲洗管的位置不动，则应先冲洗冷端，然后冲洗热端，并且不应同时冲洗冷端和热端。

5）原空气预热器冷端和热端吹灰器的管道布置是通过冷端吹灰机，然后根据转向通过热端吹烟机。在改变预热器转向后，需要移动热端或冷端吹灰器的管道，以满足转子在热端之前仍然首先通过冷端。如果吹灰器的管道没有移动，则需要改变吹扫方法，先进行冷端吹扫，完成后再进行热端吹扫。而不是同时进行，因为吹扫方法的DCS无法远程控制或无法实现逻辑。

6）更新空气预热器火灾报警装置的报警温度，避免误报。

1.2 改造效果

经计算，一次风出口温度将上升20℃，二次风出口气温将下降2℃，排烟温度将上升约1.6℃，空气预热器改造的方案对预热器本身的运行和锅炉的热效率没有影响。但改造后，磨煤机的干燥能力得到了一定提高，一次风机的能耗降低，机组的经济效益得到了提高。

1.2.1 可靠性分析

鉴于一次风温度升高会增加磨煤机和送粉管道的爆炸风险，有必要计算出空气预热器改造后磨煤机出口允许的最大风粉混合温度和含氧量，以防止磨煤机及送粉管道发生爆炸。

磨煤机出口风粉混合温度计算如下

式（1）中：Tm磨煤机出口处的煤粉温度；Vdaf是挥发性成分；Vdaf=36.44%为设计煤种；Vdaf=35.86%是实际的煤类型。

通过公式计算出设计煤出口风磨粉体温度为76℃，实际燃烧煤磨出口温度混合温度为77℃。由于煤磨与原设计煤的气化出口温度相差不大，可按程序控制温度，可以保证锅炉的运行安全和燃烧效率。

1.2.2 经济分析

空气预热器反向转向改造后，送风机和一次风机的电流将显著下降。根据两台一次风机电流综合下降20A，机组每年运行5000h，上网电价按0.35元/Kw·h计算：第一单元、第二单元一次风电机配套电压6kV，每台机组可节约效益21万元。第三单元与第四单元电机配套电压为10kV，每台机组可节约用电35万元。改变空气预热器改造的转向方式，可以有效地提高机组的经济效益。

图1 吹灰气源改造系统布置图

2、锅炉吹灰汽源改造

2.1 锅炉吹灰汽源改造方案

目前锅炉本体吹灰系统经过减压后为1.5 MPa～2.0MPa，汽源取自后屏过热器出口集箱，因调整门前后压差较大且磨损相当严重，其吹灰过程中压力波动较大，疏水门必须打开，若关闭系统会造成压力过大，大量工质损耗。为加大机组运行经济性，缩小煤耗，减少调节门前后压损，需要改造3号、4号锅炉蒸汽吹灰汽源。具体方案如下：

1）汽源取自低温再热器出入口混合蒸汽

利用蒸汽引射器将低温再热器出入口蒸汽进行混合。将蒸汽引射器引入蒸汽吹灰器中，可以充分利用蒸汽引射器结构简单，没有运动部件，不直接消耗机械能的特点，实现利用锅炉产生的高温低压和低压高温吹灰汽源进行混合调节，形成一种温度和压力负荷吹灰要求，蒸汽焓值较低的节能吹灰蒸汽汽源。

2）吹灰汽源改为低温再热器入口引出管

将蒸汽吹灰汽源取自低温再热器入口，加装相关管路及阀门，并入到原管路的调节门后，采用并行设计，原吹灰管路作为正常运行的备用。低温再热器入口蒸汽参数为：4.48MPa,315℃（BMCR）。

3）吹灰汽源改为低温再热器出口引出管

将蒸汽吹灰汽源取自低温再热器出口，加装相关管路及阀门，并入到原管路的调节门后，采用并行设计，原吹灰管路作为正常运行的备用。低温再热器出口蒸汽参数为：4.39MPa,476℃（BMCR）。

2.2 改造效果

2.2.1 项目方案

改造3号、4号锅炉蒸汽吹灰系统，将后屏过热器出口改至低温再热器出入口。

1）工艺系统

从锅炉低温再热器入口管道引出一路蒸汽作为高压驱动蒸汽引入蒸汽引射器喷嘴，再引出一路进入喷射器混合室，经过减压阀调整的蒸汽混合以后，接入原吹灰蒸汽减压站出口母管，系统图如图1所示。

2）热控系统

在原有控制系统设备不变的情况下，启用原吹灰控制系统进行机组的蒸汽吹灰控制，DCS及PLC内部增加控制选择功能，以保证再热器汽源无法满足要求时，选择蒸汽吹灰的类型。

为控制再热器蒸汽吹灰供气电动门以及压力调节门，在PLC内增加再热器蒸汽吹灰启动逻辑，同时控制原吹灰器以及相应吹灰疏水门。在原吹灰控制系统压力、温度测点不变的情况下，依旧连结原有自动压力调节部分以及温度联锁部分。

2.2.2 预期效果

根据沧东电厂已完成的改造经验粗略测算，吹灰蒸汽采用再热汽源与原采用一次汽源比较，缩小供电煤耗，每年单台机组缩减标煤近千吨，预计可节省几十万元人民币。同时由于参数降低，调阀压差变小，每年降低设备材料费6万元人民币，人工成本2万元，改造后3年可收回全部投资。

3、能耗智能全过程应用

3.1 能耗智能全过程改造方案

定电公司已建立完整的生产管理PI系统，系统将性能计算的结果储存在PI实时数据中，供相关部门进行指标分析。因此，能耗智能全过程应用系统的环境搭建可以充分利用现有的虚拟服务器和全厂PI实时历史数据库，在此基础上增加、完善所需测点，在满足系统使用的要求下减少硬件成本的投入。

图2 能耗智能全过程应用系统架构图

通过建立全周期能耗平台以及相应分析模块实现能耗在线分析，具体方案如下：

1）以电厂运行大数据为基础，结合实时在线监测、设备管理分析、数据整合优化，为能耗智能在线平台提供了充足、精确、可靠的数据保障。

2）为机组各主要设备、系统提供实时分析、报表、多维展示、流程检测、数据接入、安全告警等服务。

3）建立数据分析平台：接收并处理实时与非实时数据，按各生产、管理部门需求分类推送相关设备、系统的关键数据，并通过开发的各子模块对数据进行分析计算，同时综合考虑用户当前和今后一段时期内体系架构、生产情况、业务流程的实际需要和变化调整，在统一系统平台基础上，可以根据不同的角色和需要自由模块化拼接各子业务系统。

4）平台页面统一规划：考虑到客户的实际应用和操作习惯，在保证系统的可操作性、规范性、合理性和美观协调性基础上，对平台页面进行人性化设计，实现智能展现，包括系统图、三维可视化。

3.2 改造效果

3.2.1 工程主要内容

能耗智能全过程应用系统架构如图2所示。

为保证性能监测结果良好的重复性及较高的精度性，对机组上千个测点中的几十个测点着重规范、改造，有效降低了监测成本，从测试难度来看，大大降低了对专业人员的依赖性，减少了不确定因素的影响。

3.2.2 预期效果

1）火电厂能耗系统所涉及的各项指标已进行全面规范和标准化，监测结果的重复性与高精度得到了提高，测量不确定度和人为因素引起的安全、经济运行方面的问题也得到了显著改善。

2）全面推进了火电厂数据集成与信息化，集成和融合了能耗监测、安全管理、设备运行、经营管理等环节，进一步发挥各个信息系统的整体合力。

3）提高了火电厂各系统、设备能耗诊断智能化程度，大力促进了设备状态监测、故障预警、原因诊断的一体化。

4）充分利用集中管控、大数据分析、远程智能办公等手段，对能耗相关过程进行能量平衡建模，提升了管理效能与水平。

5）平台对机组各项数据的采集与处理高度自动化，大大降低了人力费用，减少了运行人员的工作量。

4、结论