火力发电节能关键技术 2020年版 文贤尴 等著.pdf

火力发电节能关键技术文贤馗等著国家科学技术学术著作出版基金资助出版火力发电节能关键技术贵州电网有限责任公司电力科学研究院文贤越等著码等结应iJ-.北京内容简介火力发电节能技术洒盖火力发电主要环节及系统。本书从入炉煤质辨识人手，历经机组启动优化、低挥发分媒W型火焰锅炉燃烧调整、机组级实时监测优化、全厂级自动发电控制优化，直至电网层煤耗监测，基于全流程提出火力发电节能关键技术。本书适用于火力发电行业设计、运行、检修和管理人员，对于科技工作者和高校师生也有一定的参考价值。图书在版编自(CIP)数据火力发电节能关键技术/文贤尴等著.一北京科学出版社，2020.11ISBN 978-7-03-066443-3 I火E文圃火力发电-节能川TM611中国版本图书馆C!P数据核字(2020)第201051号责任描辑:叶革革/责任校对:甜甜甜责任印制:罗科/封面设计:墨创立化品中等必d收矿、出版北京东货城根;，街16号邮政编码1四717h晦p何-四-战部曲，*I嘈根量他也区司印刷科学出版社发行各地新华书店经销*20:且0年11月第一版开本，B5(720 x1oo0)2020年11月第一次印刷印张103/4 宇数220阻泪定价，139，00元(如有印装质量问题，我社负责调换)本书编写组 主要编写人员：文贤馗 其他编写人员：钟晶亮 石 践 张锐锋 邓彤天 罗小鹏 陈玉忠 侯玉波 柏毅辉 何洪流 陈 宇 李前敏 刘大猛 吴 鹏 i 序 本书介绍的火力发电节能关键技术，系贵州电网有限责任公司电力科学研究院团队多年来在科研、生产、调试等各方面深入研究的工作成果。该成果获 2017年贵州省科技进步奖二等奖，成果应用已有 10 余年，节约了发电成本，有效降低了污染物排放，取得了良好的环保效益和社会效益。该成果具有多项自主知识产权，迄今已获得 12 项发明专利、12 项实用新型专利、3 项软件著作权授权、1 项国家行业标准、1 项贵州地方标准。本团队发表学术论文 27 篇，其中国家核心期刊 13 篇、EI 收录 4 篇、国际会议宣读 1 篇。本书介绍的火力发电节能关键技术包含 5 个子项，涵盖火力发电主要环节及系统，渗透火力发电企业电能生产各环节的技术层面和管理层面，涉及锅炉燃烧优化及改造、锅炉启动节能关键技术、火力发电机组实时性能监测及优化指导、厂级负荷优化调度与自动控制技术、电网侧远程在线监测煤耗指标准确性保障等具体内容。特别是在锅炉燃烧方面，获取了低气压条件下典型低挥发分煤的燃烧特性参数和反应动力学参数及其变化规律，提出一种以有限空间射流动量矩守恒为基础的锅炉双拱燃烧分析方法和稳燃、燃尽准则，丰富了锅炉双拱燃烧理论，并成功应用于贵州不同容量、多种炉型的改造和优化调整。在厂级负荷优化调度与自动控制技术方面，构建国内首例火力发电厂厂级自动发电控制结构体系，提出厂级自动发电控制多目标多约束优化控制算法以及随机组工况变化的自适应性能算法，实现性能计算、控制策略、优化算法等多技术集成应用，为提高火力发电厂供电可靠性、保证电网安全经济运行和火力发电厂节能减排发挥重要的作用。本书在撰写过程中，虽经反复推敲，仍难免有不妥或者疏漏之处，恳请广大读者提出宝贵意见。火力发电节能关键技术编写组 2020 年 7 月 iii 前言 受能源禀赋影响，在未来相当长的一段时期内，煤电仍将在我国电源结构中占据主导地位。火力发电厂的安全、稳定和高效运行仍然是电力生产中需要研究解决的重要课题。在节能方面，以往的专著多聚焦于经济运行、燃烧调整，视角较为单一。作者所在的贵州电网有限责任公司电力科学研究院紧扣节能减排的主题，组织跨企业、跨专业协作，开展了贵州火力发电节能关键技术与应用的技术攻关。历经 10余年的探索，以降低火力发电机组发电成本为目标，以火力发电生产工艺流程为导向，诊断电能生产过程中能源损失的分布，从锅炉侧、汽轮机侧、控制及管理等多个层面寻找节能降耗突破点，提出了火力发电节能关键技术。本书提出的火力发电节能关键技术已经得到成功应用，在提高机组运行经济性、可靠性和安全性的同时，有效减少了包括 SOx、NOx、PM2.5等各类污染物的排放，取得了良好的经济效益、环保效益和社会效益。与国内外已出版的图书比较，本书视角全面、立意新颖，在国内外有一定的参考价值，特别是入炉煤质在线辨识技术和燃烧无烟煤 W 型火焰锅炉燃烧优化调整技术，在国内有相当大的借鉴作用。本书共八章，第一章和第八章对本书涉及的火力发电节能关键技术及应用情况进行整体介绍，建立其内在联系，力图向读者呈现一个全景视角，由文贤馗主持撰写。第二章介绍火力发电机组入炉煤质在线辨识技术，由张锐锋、陈宇主持撰写。第三章介绍基于低挥发分煤燃烧特性的 W 型火焰锅炉燃烧系统改造与优化调整，由石践主持撰写。第四章介绍大容量高参数锅炉启动节能关键技术，由罗小鹏主持撰写。第五章介绍火力发电机组实时性能监测及优化指导技术，由钟晶亮、邓彤天主持撰写。第六章介绍基于节能发电调度的火力发电厂厂级自动发电控制技术，由张锐锋、何洪流主持撰写。第七章介绍电网侧远程在线监测煤耗指标准确性保障技术，由文贤馗主持撰写。本书在撰写过程中，得到了相关高校、企业及诸多同仁的大力支持，在此一并表示感谢。文贤馗 2020 年 8 月 v 目录 序 i 前言 iii 第一章 概述 1 第一节 火力发电节能技术的意义 1 第二节 技术路线 2 第二章 火力发电机组入炉煤质在线辨识技术 7 第一节 概述 7 第二节 锅炉侧宏观质量/能量衡算模型 7 一、锅炉侧宏观能量衡算模型建模方法 8 二、锅炉侧宏观能量衡算模型验证 11 第三节 锅炉侧机理建模及燃煤放热量估计 12 一、水冷壁吸热量估计模型 13 二、高温烟气能量衡算模型 16 三、燃煤放热量估计模型的计算结果与分析 19 第四节 入炉煤低位发热量估计模型 20 第五节 支持并行调用的工质和烟气物性参数数据库 24 一、工质物性参数数据库 24 二、烟气物性参数数据库 30 第六节 空预器漏风率实时监测模型 30 一、空预器漏风率的实时监测基于烟气含氧量测量的方法 30 二、空预器漏风率的实时监测基于空预器出、入口温度的方法 32 第三章 基于低挥发分煤燃烧特性的 W 型火焰锅炉燃烧系统改造与优化调整 36 第一节 几种主流 W 型火焰锅炉的技术特点 36 一、FW 公司 W 型火焰锅炉燃烧技术特点 37 二、B&W 公司 W 型火焰锅炉燃烧技术特点 38 三、MBEL 公司 W 型火焰锅炉燃烧技术特点 39 第二节 W 型火焰锅炉存在的主要问题 40 一、燃尽性能差 40 二、燃烧稳定性差 41 vi 三、炉壁结渣 41 四、氮氧化物排放量高 41 第三节 技术路线与研究内容 42 第四节 低挥发分煤燃烧特性的实验室研究 42 一、高海拔条件下煤粉燃烧特性的热重试验研究及计算 42 二、平面火焰携带流反应系统试验(煤粉的着火延迟试验)46 三、金属丝网反应器试验(煤的着火温度测试试验)47 第五节 低挥发分煤 W 型火焰锅炉燃烧数值模拟研究 47 一、数学模型及计算方法 47 二、FW 公司 W 型火焰锅炉炉内燃烧过程的数值模拟 54 三、B&W 公司 W 型火焰锅炉炉内燃烧过程的数值模拟 57 四、缝隙式燃烧器 W 型火焰锅炉炉内燃烧过程的数值模拟及技术改造 59 第六节 W 型火焰锅炉稳燃、燃尽准则的建立 63 第七节 W 型火焰锅炉燃烧系统改造及优化燃烧调整试验 65 一、FW 公司 W 型火焰锅炉燃烧系统改造 66 二、MBEL 公司缝隙式燃烧器 W 型火焰锅炉燃烧系统改造 73 三、B&W 公司双调风旋流燃烧器 W 型火焰锅炉燃烧特性试验 79 第四章 大容量高参数锅炉启动节能关键技术 86 第一节 分系统启动阶段 86 一、超临界直流锅炉热力系统清洗技术优化 86 二、超临界直流锅炉吹管技术 93 第二节 整组启动阶段 104 一、锅炉启动带负荷优化措施 104 二、机、炉协调配合的优化技术 112 第五章 火力发电机组实时性能监测及优化指导技术 114 第一节 基础平台及网络构架 114 第二节 热力学模型的建立及完善 118 第三节 基于流量平衡和热量平衡的数据调和技术 119 第四节 虚拟传感器技术 120 第五节 火力发电机组热力性能分析的期望值指标体系 121 第六节 影响因素分析 123 第六章 基于节能发电调度的火力发电厂厂级自动发电控制技术 125 第一节 厂级负荷优化分配系统功能确定与总体结构设计 125 一、厂级负荷优化分配系统主要功能 125 二、厂级负荷优化分配系统总体结构 126 三、硬接线及数据通信并行数据采集 127 vii 四、采集软件系统 128 第二节 高精度发电机组性能计算方法 129 一、热力系统拓扑结构矩阵分析法 130 二、机组性能稳定判定条件 133 第三节 多约束负荷分配算法 134 一、问题描述 134 二、优化算法 134 第四节 参数在线修正技术 135 第五节 多执行回路控制系统限幅方法 136 第七章 电网侧远程在线监测煤耗指标准确性保障技术 139 第一节 立足解决的问题 139 一、系统组成 139 二、突出的问题 141 第二节 煤耗在线监测系统计算模型确定 142 第三节 检测煤耗在线监测系统监测准确性的测试方法 144 第四节 煤耗在线监测系统中异常数据的判定及替换系统 145 第五节 确保煤耗在线监测系统公平、公正、公开运行的方法 146 第六节 汽轮机阀门流量特性试验及管理曲线优化 147 一、测试依据 148 二、数据的补偿计算 148 三、测试内容、测试条件及测试步骤和具体方法 149 第八章 总结 152 参考文献 154 第一章 概述 第一节 火力发电节能技术的意义 我国的能源结构呈现多煤、缺油、少气、贫铀的特点。2016 年我国已探明煤炭储量约 2440 亿 t，占已探明化石能源储量的 94%；已探明天然气储量为 3600 亿 m3，约合 2.6 亿 t 标准煤；铀的进口依存度已超过 90%，核电已不能成为主要的能源提供方；水电装机容量已达 3.32 亿 kW，开发度已经达到 75%。以上都决定了我国“以煤为主”的能源格局在相当长时间内难以改变。据中国电力企业联合会统计，2017年年底，全国电力装机容量达 17.5 亿 kW，其中，水电装机容量达 3.4 亿 kW，核电装机容量达 0.4005 亿 kW，并网风电装机容量达 1.7 亿 kW，并网太阳能装机容量达 0.97 亿 kW，生物质能发电装机容量达 0.135 亿 kW，非化石能源发电装机容量占比约 38%。火力发电装机容量“三分天下有其二”的格局没有发生根本转变，火力发电机组将继续承担发电的主要任务，火力发电依然是能源消耗的主要角色。受国内资源保障能力和环境容量制约以及全球性能源安全和应对气候变化的影响，资源环境约束日趋强化，电力行业节能减排形势十分严峻，任务十分艰巨。为了全面控制温室效应，中国的碳排放量将在 2030 年达到峰值，此后逐年下降。为了达到这一目标，除了要降低全社会一次能源消费强度、提高非化石能源发电比重，提高化石能源能效和排放水平依然是主要方向。火力发电必然成为确保完成节能减排指标任务的重点行业。提高现有火力发电机组能效，也自然成为降低全社会排放量的重要手段。另外，随着经济增长方式的转变和经济结构的优化，全社会单位国内生产总值的用电量将逐渐下降，全社会用电增速将逐渐减缓。此时，装机容量占主导的火力发电，其发电量占比将进一步降低。如何在较低的利用率下取得较高的经济效益，保持较高的排放水平，是火力发电行业急需解决的问题。目前，我国火力发电行业全国平均供电煤耗在 321g/(kWh)。按照国家发展改革委、环境保护部、国家能源局发布的 煤电节能减排升级与改造行动计划(20142020年)，2020 年，现役燃煤发电机组改造后的平均供电煤耗应低于 310g/(kWh)。造成平均供电煤耗偏高的原因非常复杂：有的是没有手段和能力感知全流程成本要素，只有传统手