燃煤电站锅炉系统能效评价方法研究
发布时间：2022-02-12
摘 要:传统的燃煤电站锅炉能源利用效率分析是以热力学第一定律为基础，不能深入分析系统能源利用本质。为深入分析锅炉系统能效水平，以火用分析理论为基础，结合环境影响因素和燃料管理因素，建立了电站锅炉系统能效评价指标体系。引入偏好系数，采用熵权法和专家评议法相结合的评价方法确定权重，并基于改进模糊综合评价方法，建立了电站锅炉系统能效评价模型。运用上述方法，针对某 350 MW 燃煤电站锅炉进行具体能效评价，分析表明:该锅炉效率指标和燃料管理指标较高，属于良好等级;但由于 NOx排放较多，环保指标仅为中等，脱硝系统的投入率以及效率都应增强。该分析结果与机组实际热力试验相符。
关键词:火用理论;能效评价;锅炉系统;燃煤电站
能效，即能源效率。1995 年，世界能源委员会 (world energy council，WEC) 在《应用高技术提高能效》中将其定义为:减少提供同等能源服务的能源投入。按照物理学的观点，能源效率是指在利用能源的各项活动(从开采到终端利用)中，有效利用的能源量与实际消费的能源量之比[1]。
在当今节能减排大背景下，能效水平的高低越来越受到关注。燃煤电站作为用能大户，消耗大量的原煤，而经济高速发展对电力的需求量又日益增加。同时随着哥本哈根会议席卷全球，全球气候变化及环境问题也愈加深入人心，这就要求电力企业在提高发电效率的同时降低污染物的排放。锅炉作为燃煤电站三大主机之一，能效水平是影响电站能效水平的决定性因素。而目前锅炉系统的运行存在诸多问题:煤质对燃烧具有重大影响，而煤的工业分析却没有得到重视;没有足够的节约用能意识，对于锅炉系统的节能监测，分析评价不能做到定期考核等[2 - 4]。在这样严峻的背景下，科学评价电站锅炉能效水平的研究是很有意义的。
目前能效分析方法主要有:以热力学第一定律为基础的热平衡法、等效热降法;以热力学第二定律为基础的火用分析法、熵分析法等。由于热平衡法无法深入分析锅炉系统内部的燃烧损失和传热损失，熵分析方法概念抽象，至今未被广泛应用。而火用分析理论不仅能揭示能源利用的本质，分析热力设备的热力学完善程度，同时，对于锅炉系统，能够深入分析其内部火用损失，以此为根据进行评价，最终指导运行操作能够从能量利用本质上减少能量损失，进而提高能效。Rosen M A[5]和 Regulagadda P[6]分别运用热平衡和火用平衡对燃烧过程及换热器传热过程进行计算，结果显示火电厂最多的火用损失发生在锅炉侧，火电厂最大的不可逆过程也在锅炉侧;Connell 和 Koshiland[7]研究化石燃料能量损失效率是火用损失和输入火用值的比值，得出锅炉主要火用损失过程为燃烧和传热过程;陈莉[8]依据火用理论建立了锅炉火用分析模型，通过对一台 410 t / h 的锅炉进行热力计算，得出各个工况下的锅炉效率及各部位的火用 损失，以及各传热面的火用 损失的类别;董厚忱[9]以火用分析理论为基础，对锅炉设计时的燃料火用、其他物质的火用、火用的有效利用率和各项损失率间的平衡关系进行分析，来判断能源利用的合理性，并对各受热面火用 效率进行分析，得出高温区域火用效率较高的主要原因。
火电厂在进行能效评价时普遍采用以热平衡法为基础的各类方法，同样，在构建能效评价指标体系时也是如此，对于锅炉系统，在进行能效评价时，通常采用小指标法进行判断，尚未提出一套合理的指标体系。本文结合环境影响指标和燃料管理指标建立全新的锅炉系统能效评价指标体系，对锅炉系统进行科学评价。
在评价模型的选择上，通常采用单一赋权的综合评价方法，这往往会造成权重确定的过程受主观影响或是权重值趋于均衡。本文引入偏好系数，采用熵权法和专家评议法相结合的评价方法进行赋权，主客观相结合，使赋权结果更加合理，最后运用模糊综合评价方法[7]建立模型，以期对锅炉系统能效水平进行科学评价。本文提出的电站锅炉综合能效评价方法适用于煤粉锅炉和循环流化床锅炉，但由于两者燃烧方式的不同，在能效评价体系方面会存在一定的区别。
1 燃煤电站锅炉系统能效模型的构建
依据火用平衡理论，进入系统的火用和离开系统的火用在数值上是相等的，据此可以建立锅炉系统火用平衡模型[10]，如图 1 所示。
2 燃煤电站锅炉系统能效评价指标体系的建立
燃煤电站锅炉系统能效评价指标体系的建立是一项复杂的系统工程，既要考虑锅炉系统的能效状况，又要评价锅炉系统对环境是否造成污染，与此同时，燃料管理也已经成为电厂节能管理中重要的组成部分，对燃料管理指标进行评价也是十分必要的[11]，建立的评价指标(U)体系见表 1。
表 1 中，效率指标选用上文中确定的能效评价关键指标火用损系数，对于辅助系统，采用耗电率评价其能效水平;环境指标选用对环境影响较大的粉尘、二氧化硫和氮氧化物的排放浓度作为指标;燃料管理指标则选用入厂煤入炉煤热值差和入炉煤质合格率作为指标。在进行评价时，需要一个基准值，即最佳值。以指标实际值与最佳值的偏差系数作为具体评价体系指标值，这样可以增强不同机组之间的可比性。效率指标最佳值通过不同工况下的设计值数据，拟合出不同工况下各指标的最佳值曲线。
表 2，3 分别为火电厂污染物排放限值和特别排放限值(其值来源于《中国国家标准火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)中关于火电厂排放 物的控制要求相关规定[12])。表 4 ～ 6 分别为火电厂二氧化硫、氮氧化物及烟尘排放量等级与评分(其值是根据对国内多家火电厂排放概况的长期统计分析，并组织相关节能评审获得)。
3 电站锅炉系统能效评价模型的构建
3. 1 评价集的建立
依据上文的评价指标体系建立电站锅炉能效评价因素集[13]。共有 3 个一级指标，分别为效率指标、环境指标、燃料管理指标，每个一级指标有若干个二级指标，共同组成了评价因素集。
3. 2 评语集的确定
将评价指标的评语分为 5 类，分别为优秀、良好、中、中下和差。
3. 3 隶属度函数的确定
由于本文是以燃煤电站锅炉及辅助系统能效评价为研究对象，所涉及到的评价指标大多是以定量指标为主，在该指标体系下，对目标进行评价时，选用分级函数法建立隶属度函数，采用等腰三角形来确定隶属度。
4 能效评价方法的工程应用
以山西某发电公司 2 号锅炉作为研究对象进行能效评价。机组是 350 MW 燃煤机组，锅炉为日本三菱重工制造的 1 205 t / h 亚临界、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、固态排渣、辐射、强制循环汽包型燃煤露天锅炉，该炉为倒“U”型布置，采用山西临汾洗中煤与牢寨原煤以 3∶ 2 比例混合的煤种。利用本文所提出的能效评价方法对该锅炉在进行燃烧优化前后进行详细的评价分析。
4. 1 机组参数
机组主要参数见表 7，8。
取该锅炉大修前 300 MW 负荷下的运行数据进行分析，并对此工况下的能效状况进行评价，运行数据见表 9。 4. 2 指标值的确定根据最佳值与运行数据值进行计算，得出效率指标值(表 10)。对应表 2 ～ 6，可以得出案例中环境指标的二级指标即污染物的分值，SO2为 0. 5 分，NOx为 0. 4 分，烟尘为 0. 5 分。
再运用专家评议法进行权重的确定，共收回有效排序结果的专家数目为 60 人，对这 60 位专家排序结果进行两两比较，并利用统计方法将统计结果列于表 11。
5 结 论
(1)采用将熵权法和专家评议法相结合的组合赋权法对指标进行赋权，使得权重的确定过程更具科学性。
(2)采用改进模糊综合评价方法，建立了电站锅炉系统能效评价模型，评价结果具有实际工程意义。
(3)运用本文方法，针对某燃煤电站锅炉进行具体能效评价分析，得到该锅炉机组的能效薄弱环节，分析结果与机组实际热力试验相符，说明本方法在实际应用中的准确性高、可信度强。——论文作者：何成兵，刘 京，顾煜炯
参考文献:
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