汽轮机抽汽预干燥褐煤热经济性分析

王志超1，杨忠灿1，刘家利1，赵勇纲2，李 炎1，姚 伟1

(1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054;2.神华神东电力有限责任公司，陕西 西安 710075)

摘 要：为实现褐煤提质梯级利用以及褐煤机组大型化，将蒸汽管回转式干燥装置与机组锅炉系统耦合，采用汽轮机低压抽汽作为干燥介质，建立了汽轮机抽汽预干燥褐煤机组经济性分析模型，提出了预干燥所需蒸汽流量与机组经济性评价方法。结果表明，与参考机组相比，采用汽轮机抽汽预干燥工艺将38%水分褐煤分别干燥至27%、20%和14%，采用汽轮机第5级抽汽时机组发电标准煤耗分别增加1.99、3.89和5.05 g/kWh，采用汽轮机第6级抽汽时机组发电标准煤耗分别增加0.84、2.26和3.31 g/kWh。汽轮机抽汽预干燥褐煤机组发电标准煤耗普遍增加；褐煤预干燥程度越浅，机组经济性越好；汽轮机抽汽品质越低，机组经济性越好。

关键词：褐煤；汽轮机抽汽；蒸汽预干燥；发电标准煤耗率

0 引 言

褐煤是煤化程度最低的煤，具有挥发分高、水分高、热值低等特点。我国褐煤预测资源量1900亿t，已探明褐煤保有储量1300亿t，占全国煤炭储量的13%，主要分布在内蒙古东部，云南东部、东北，华南也有少量[1-2]。褐煤在我国电力行业主要用于直接燃烧发电，截至目前，全国已建和在建燃用褐煤的大型火力发电厂总装机容量不超过37GW，约占全国火力发电总装机容量的3%～5%[3]。褐煤的高水分低热值导致锅炉蒸汽量大、排烟温度高，造成锅炉体积庞大、效率普遍偏低、机组大型化困难，目前我国仅有600 MW等级超临界褐煤机组投运，1000 MW等级超(超)临界褐煤机组仍然空缺。随着我国《能源发展战略行动计划(2014—2020年)》的实施以及国家《商品煤质量管理暂行办法》的颁布，大量褐煤的就地煤电高效转化成为褐煤利用的解决之道。利用褐煤发电过程中的部分能量在褐煤进入锅炉前对其进行预干燥以降低入炉燃料的水分，可以实现燃煤发电过程中的能量梯级利用，有望为褐煤机组大型化铺平道路[4]。褐煤干燥提质技术可以分为蒸发干燥和非蒸发脱水两大类[5-7]。前者可以分为蒸汽干燥和烟气干燥，蒸汽干燥主要包括蒸汽管式干燥、蒸汽管回转式干燥以及蒸汽流化床干燥等，烟气干燥主要包括滚筒烟气干燥、气流干燥以及振动干燥等；后者主要包括热水干燥工艺(HWD)、冷干工艺(Coldry)、UBC工艺(Upgrading Brown Coal)、机械热压脱水工艺(MTE)等。其中蒸汽干燥技术由于其安全性能高、工艺成熟而成为当前研究热点。严俊杰等[8]与Guo等[9]提出了一种高效褐煤发电系统，并利用等效热降法进行了理论分析。阎维平等[10]分析了褐煤干燥对锅炉、制粉系统以及风机系统等的影响。高正阳等[11]分析了褐煤预干燥对锅炉传热及运行特性的影响。王禹朝[12]与吴威[13]分别对褐煤干燥与发电厂的集成及性能开展研究。郑乐宇等[14]对比了采用预干燥技术与常规方案的系统布置与投资经济性。苏杰等[15]分析了褐煤干燥及冷凝回收技术对电厂的影响。目前，褐煤蒸汽预干燥系统的研究主要集中在方案对比、系统设计和参数选择方面，缺乏对蒸汽预干燥与电站锅炉耦合的经济性分析。为此，笔者根据采用汽轮机抽汽预干燥技术的褐煤机组建立经济性分析模型，对采用汽轮机抽汽预干燥技术后机组的经济性进行计算分析，以期为蒸汽干燥提质褐煤提供理论分析和评判依据。

1 汽轮机抽汽预干燥褐煤机组

汽轮机抽汽预干燥褐煤的机组示意如图1所示。原煤仓的褐煤经干燥给煤机送入蒸汽管回转式干燥装置[16]，与来自汽轮机低压级抽出的蒸汽进行间接换热，蒸汽在干燥机管程放热以加热壳程内的煤，使煤中水分蒸发。蒸汽在干燥装置出口变为冷凝水，经疏水泵送至除氧器，返回锅炉汽水系统；携带蒸发水分的乏气经细粉分离器分离出细煤粉后排空或进入余热水回收系统；分离出的细粉与干燥后的褐煤经给煤机送入制粉系统。

根据《电站磨煤机及制粉系统选型导则》，磨制褐煤的Mtgt;30%，需选用风扇磨煤机，但大容量电站锅炉特别是百万等级机组存在风扇磨煤机选型困难的问题。采用蒸汽预干燥褐煤后，干燥褐煤的水分大大降低，不仅完全可以选用当前应用成熟的中速磨煤机，而且干燥褐煤的热值增加，入炉燃料量减少，能够有效减少蒸汽量和蒸汽中水分，从而降低制粉系统，送、引风机等电耗以及排烟温度，提高锅炉效率。

2 理论计算模型

以直接燃烧褐煤机组作为参考基准，对比采用汽轮机抽汽预干燥褐煤技术后对机组经济性的影响。对参考机组和汽轮机抽汽预干燥褐煤机组做以下基本假定：①锅炉有效利用热不变，即保证2个机组的负荷相同；②2个机组的气体不完全燃烧热损失q3、固体不完全燃烧热损失q4、锅炉散热损失q5、灰渣物理热损失q6均相同；③2个机组的管道效率ηp、发电机效率ηg、机械效率ηm均相同。与参考机组相比，汽轮机抽汽预干燥机组由于入炉燃料的水分降低、热值增加，其排烟热损失q2有望降低，锅炉效率ηb将增大；但由于汽轮机抽汽使得做功减少，虽然冷端损失同样减小，但汽轮机热耗率将增大。因此，这2项的综合作用决定了汽轮机抽汽预干燥褐煤机组的经济性。这里暂不考虑干燥后乏气的余热利用和水回收。

2.1 汽轮机抽蒸汽量计算

针对图1中蒸汽管回转式干燥装置，褐煤中水蒸发消耗的热量、褐煤加热消耗的热量以及载湿气体升温消耗的热量之和等于所抽蒸汽释放的热量，则有

Qwx=B0(2500+Cwtdo-4.187tc0)(4)

式中,Qdf为蒸汽释放的热量，kJ/h；Qcx为加热燃料消耗的热量，kJ/h；Qwx为燃料中水蒸发消耗的热量，kJ/h；Qax为载湿气体升温消耗的热量，kJ/h；Ddv为所抽蒸汽质量流量，kg/h；hdi与hdo分别为蒸汽进出干燥机的焓，kJ/kg；ηd为干燥机热效率，%；B0为蒸汽预干燥褐煤机组褐煤燃用量，kg/h；Mt0、Mt1分别为褐煤干燥前后的全水分，%；Cdc为干煤的比热容，kJ/(kg·℃)；tc0、tc1分别为褐煤进出干燥机的温度，℃；td0为干燥机出口含湿乏气温度，℃；Cw为td0温度下水蒸汽的比热容，kJ/(kg·℃)；ma为载湿气体质量流量，kg/h；Ca为td0温度下载湿气体的比热容，kJ/(kg·℃)。

根据公式(1)～(5)可以计算出干燥所需汽轮机抽汽的质量流量Ddv。

2.2 汽轮机抽汽预干燥褐煤机组经济性计算

采用汽轮机抽汽预干燥褐煤后，入炉煤水分降低、热值增加、入炉煤量减少，因此烟气量减少，排烟温度降低，锅炉排烟热损失减少，锅炉效率增加。机组锅炉效率计算公式为

从汽轮机低压级抽汽预干燥褐煤时，蒸汽在换热器中放热凝结后送至除氧器，这部分蒸汽在汽轮机中做功减少，为达到与参考机组相同的负荷，汽轮机抽汽预干燥褐煤机组的汽轮机新蒸汽量将增加，因此，必须对汽轮机做变工况计算。

汽轮机抽汽预干燥褐煤机组的汽轮机功率方程中应减去干燥抽汽带走的热量，其功率方程为

N=D0(h0+σ-hc)-(hi+σ-hc)Di-

式中，N为汽轮机输出功，kJ/h；D0和Di分别为主蒸汽和第i级抽汽的流量，kg/h；h0、hc、hi和hdv分别为主蒸汽、排汽、第i级抽汽和预干燥抽汽的焓值，kJ/kg；σ为1 kg工质的再热吸热量，kJ/kg。

结合汽轮机功率方程、汽水方程和吸热方程可计算出主蒸汽流量和各级抽汽流量；假设一个凝汽器压力，根据弗留格尔公式计算各级抽汽压力和温度，然后建立能量平衡方程计算此时的凝汽器压力，迭代计算直至结果收敛；据此重新计算进汽参数，建立系统状态方程，得到新的主蒸汽流量，迭代计算直至结果收敛，得到新工况下汽轮机各级参数[17]，即可得到汽轮机热耗率。

根据锅炉效率ηb、汽轮机热耗率q和管道效率ηp即可得到汽轮机抽汽预干燥褐煤机组的发电标准煤耗b为

对比参考机组与汽轮机抽汽预干燥褐煤机组的发电标准煤耗，即可得出汽轮机抽汽预干燥对系统的经济性影响。

3 计算流程及条件

根据上述理论模型，结合图2所示经济性分析计算流程，即可开展汽轮机抽汽预干燥褐煤机组经济性分析。

以某1000 MW空冷机组作为参考机组，汽轮机计算基准为热耗率验收工况(THA工况)，发电功率1000 MW、汽轮机热耗率7460 kJ/kWh、管道效率99%、锅炉效率91.37%、电厂发电效率43.83%，发电标准煤耗量281.74 g/kWh。

锅炉燃用的褐煤全水分为38%，采用蒸汽管回转式干燥装置分别干燥到全水分27%、19.7%和14%，干燥前后化验的煤质分析见表1。

表1 干燥前后褐煤煤质分析
Table 1 Lignite quality data before and after drying

参考机组排烟温度为146 ℃，采用汽轮机抽汽预干燥褐煤机组排烟温度降至125 ℃。干燥装置出口煤温75 ℃、乏气温度90 ℃，干燥机热效率取99%。采用汽轮机第5级或第6级抽汽均满足要求，汽轮机抽汽参数见表2。

表2 汽轮机低压缸抽汽参数
Table 2 Parameters of low pressure turbine extraction steam

4 结果分析

参考机组与蒸汽预干燥褐煤机组的热经济性计算结果见表3。由表3可知，锅炉效率随褐煤干燥程度的升高而增加，与燃用38%水分褐煤的参考机组相比，燃用27%、20%和14%水分的干燥褐煤时锅炉效率分别增加了1.79%、2.05%和2.08%。

表3 预干燥褐煤机组热经济性计算结果
Table 3 Calculation results of pre-drying lignite power plant thermal economy

采用汽轮机第5级抽汽作为汽源，将38%水分褐煤干燥到27%、20%和14%时分别需要抽蒸汽量161.9、223.1和254.2 t/h；主蒸汽量分别增加99.1、136.7和154.2 t/h；汽轮机热耗分别增加200、272和306 kJ/kWh；发电煤耗分别增加1.99、3.89和5.05 g/kWh。

采用汽轮机第6级抽汽作为汽源，将38%水分褐煤干燥到27%、20%和14%时分别需要蒸汽量164.2、226.3和257.8 t/h；主蒸汽量分别增加81.6、113.7和129.6 t/h；汽轮机热耗分别增加169、228和259 kJ/kWh；发电煤耗分别增加0.84、2.26和3.31 g/kWh。

汽轮机抽汽预干燥机组主蒸汽流量和汽轮机热耗率变化如图3所示，燃用不同干燥程度褐煤的机组经济性指标如图4所示。由图3、图4可知，褐煤预干燥程度越深，所抽蒸汽量越大，汽轮机热耗率越大，发电标准煤耗越大，机组经济性越差；汽源品质对机组经济性影响较大，在相同干燥程度下，蒸汽汽源品质越低，对汽轮机热耗率和发电煤耗的影响越小。

5 结 论

1)采用汽轮机第5级抽汽将38%水分褐煤分别干燥到27%、20%和14%，机组发电标准煤耗分别增加1.99、3.89和5.05 g/kWh；

2)采用汽轮机第6级抽汽将38%水分褐煤分别干燥到27%、20%和14%，机组发电标准煤耗分别增加0.84、2.26和3.31 g/kWh；

3)仅考虑汽轮机预干燥褐煤将使机组发电煤耗增加，必须采用适当的方式将干燥乏气带走的热量和水分予以回收并综合利用，才能为机组带来整体的经济效益，这将为后续工作指明方向。

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Thermal economic analysis of turbine extraction steam pre-drying lignite

WANG Zhichao1,YANG Zhongcan1,LIU Jiali1,ZHAO Yonggang2,LI Yan1,YAO Wei1

(1.Xi'an Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710054,China;2.Shenhua Shendong Electric Power Co.,Ltd.,Xi'an 710075,China)

Abstract:To achieve cascade utilization of lignite and large-scale lignite unit,through coupling the rotary steam tube dryer together with the boiler system,and using the low-pressure turbine extraction steam as drying medium,the theoretical analysis model of turbine extraction steam pre-drying lignite was established.And the methods which calculated the steam flow for pre-drying as well as the unit economy were proposed.Compared with the reference unit,using pre-drying,the moisture of lignite was decreased from 38% to 27%,20% and 14% by turbine extraction steam,the coal consumption rate increased by 1.99,3.89 and 5.05 g/kWh when using the fifth stage turbine extraction steam.The coal consumption rate increased by 0.84,2.26 and 3.31 g/kWh when the sixth stage turbine extraction steam was used.The results showed that the coal consumption rate of turbine extraction steam unit had a general increase.The lower pre-drying lignite dryness level,the better the unit economy.And the lower turbine extraction steam quality,the better the unit economy.

Key words:lignite;turbine extraction steam;steam pre-drying;coal consumption rate

中图分类号：TK11

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2016)01-0038-05

收稿日期：2015-10-30；责任编辑白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.01.008

基金项目：中国华能集团公司总部科技项目(HNKJ13-H02)

作者简介：王志超(1986—)，男，河南信阳人，工程师，博士，主要从事燃料特性与褐煤干燥研究。E-mail：wangzhichao@tpri.com.cn

引用格式：王志超，杨忠灿，刘家利,等.汽轮机抽汽预干燥褐煤热经济性分析[J].洁净煤技术，2016，22(1)：38-42,32.

WANG Zhichao,YANG Zhongcan,LIU Jiali,et al.Thermal economic analysis of turbine extraction steam pre-drying lignite[J].Clean Coal Technology，2016，22(1)：38-42,32.