CN107748955B - 一种燃煤电厂超低排放环保岛能效评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃煤电厂超低排放环保岛能效评估方法，首先，结合相关运行资料和数据，针对待评估系统特性提出系统运行能效评估方法，建立燃煤电厂环保岛系统能耗计算模型，并设立了考虑环保岛系统运行效果的能效评估指标，从总体上对环保岛系统的运行能耗水平进行全面分析和评估，同时对各子系统中的主要能耗设备及系统的用能情况进行重点分析和评估，在此基础上，通过控制变量方法，得到了不同因素对系统能耗的影响规律，并针对电厂实际运行状况，提出优化节能运行控制策略。本发明可对燃煤电厂超低排放环保岛系统的运行能耗特性进行评估分析，能够全面详细的分析环保岛系统的能耗特性，同时为电厂操作人员与管理人员的决策提供参考。
Description
技术领域
本发明属于能源、环保、信息技术领域，具体涉及一种燃煤电厂超低排放环保岛能效评估方法。
背景技术
燃煤产生的污染物是导致我国当前严峻的大气污染问题的重要原因，而燃煤发电行业消耗了我国一半以上的煤炭，煤电行业是我国主要的大气污染物排放源之一。为控制燃煤电厂大气污染物排放，环保部最新颁布了《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)，规定燃煤机组二氧化硫、氮氧化物和颗粒物排放浓度限值分别为100mg/Nm3、100mg/Nm3和30mg/Nm3。在重点地区，雾霾频发等大气污染事件促进了更加严格的燃煤机组超低排放标准的推广实施，二氧化硫、氮氧化物和颗粒物排放浓度限值将会进一步降低到35mg/Nm3、50mg/Nm3和10mg/Nm3。
目前燃煤机组超低排放环保岛系统主流的技术路线之一是“选择性催化还原脱硝系统+静电除尘系统+石灰石石膏湿法脱硫系统+湿式电除尘系统”，该技术路线可以实现对SO2、NOx、PM等污染物的高效控制，本发明主要以该技术路线为案例进行模型建立和分析。除此之外，该系统中还包括高效空预器、GGH系统、除雾器等运行辅助系统。现有的超低排放燃煤机组的环保岛系统的运行评估结果表明，燃煤机组超低排放环保岛系统运行可靠稳定，但是其运行能耗水平偏高，对燃煤机组运行经济性有不利影响。
目前电厂环保岛系统运行能效分析主要依靠工作人员抄表统计来计算环保岛系统的整体用电情况和占厂用电比例，即统计环保岛系统的电源线输入接口的电表读数，一般主要是统计阶段时间内的环保岛系统的用电情况。根据电厂工程案例，该环保岛电源线供电对象包括电除尘系统的高压和低压电源和脱硫系统中各类型水泵与风机系统，部分电厂的湿电系统中高压电场和循环水泵等系统电源线是从脱硫系统电源线中接入。基于以上情况可知，现有的电厂环保岛用电统计方法并不能够全面有效的反映环保岛系统的整体用能情况，也不能够反映不同因素对环保岛系统用能情况的影响。
超低排放环保岛系统的运行能耗除了相关设备运行过程中的电耗之外，还有克服整体烟道阻力的风机功耗、相关外部辅助系统的运行功耗等等。对环超低排放保岛系统的各用能设备进行全面的分析统计，可以较为全面的体现超低排放环保岛系统的用能特性。因此，传统的方法仅能够统计部分关键设备的运行能耗，难以对超低排放环保岛系统的运行能耗进行详细全面的分析，也难以反应动态的能耗特性，需要开发能够全面反应环保岛系统用能特性和动态能耗信息的评估方法。
发明内容
目前对燃煤电厂环保岛系统的运行能耗监测只是通过电厂内部电表读数统计来进行测算，而且只能够反应一段时间内的环保岛系统的能耗情况，并不能反应系统运行能耗的变化趋势以及不同运行因素对能耗变化的影响。本发明提供了一种燃煤电厂超低排放环保岛系统的能效评估方法，并基于环保岛系统的实际设备清单和动态运行数据，建立对应的能效评估系统。
本发明采用的技术方案为：
一种燃煤电厂超低排放环保岛能效评估方法，在现有DCS系统运行参数监测的基础上，结合待评估电厂超低排放环保岛系统的相关运行资料和数据，包括主要用能设备清单，针对待评估电厂环保系统的技术路线特性建立系统能效评估方法，能够实现不同运行工况下的各系统的运行能耗，基于实时的系统设备的运行能耗反应一段时间内的各系统及关键设备的能耗变化情况，并能够提出针对关键设备运行的能效优化方案，除此之外，该方法还会基于评估阶段内环保岛系统的运行能耗生成数据报表，对该短时间内的运行能耗数据进行存储整理，方便查阅。该方法包括下述步骤：
(1)建立设备清单
对待评估目标进行初步调研分析，研究环保岛系统的技术路线特性，提出针对该电厂环保岛系统用能设备运行数据的监测方案，同时，针对环保岛系统的运行能耗评估提出评估指标，结合评估指标对运行能耗的评估需求，在监测方案的基础上，制定信息采集方案；
(2)建立运行功率计算模型
在步骤(1)基础上，通过文献调研和设备清单研究，建立不同类型设备的运行功率计算方法，然后根据环保岛系统中各系统的设备组成情况建立环保岛系统的运行功率计算模型；
(3)评估环保岛系统运行能耗
获得原始数据以及建立运行功率计算模型后，对原始数据进行处理，然后利用模型计算分析环保岛系统的运行能耗特性。
本发明首先结合待评估机组的相关运行资料和数据，针对待评估机组的超低排放环保岛系统的技术路线特性提出了系统运行能效评估方法，建立燃煤电厂环保岛系统能耗计算模型，并设立了考虑环保岛系统运行效果的能效评估指标，从总体上对环保岛系统的运行能耗水平进行全面分析和评估，同时对各子系统中的主要能耗设备及系统的用能情况进行重点分析和评估，在此基础上，通过控制变量方法，得到了不同因素对系统能耗的影响规律，并针对电厂实际运行状况，提出优化节能运行控制策略。
作为优选，步骤(1)中，分别针对每种污染物控制系统的用能设备和子系统进行分析，用能设备涉及SCR脱硝系统、电除尘系统、石灰石-石膏湿法脱硫系统和湿式电除尘系统中的主要用能设备及辅助系统；
SCR脱硝系统的能耗包括：用于克服SCR脱硝反应器对烟气的阻力的引风机能耗，用于提供SCR脱硝系统的还原剂的设备能耗，用于提供反应器内相关设备的能耗；
电除尘系统的能耗包括：用于克服电除尘器本体对烟气的阻力的引风机能耗，用于电除尘器内高压电场运行的能耗，用于电除尘器的相关辅助设备和低压用电系统的能耗；
石灰石-石膏湿法脱硫系统的能耗包括：吸收剂制备与供给能耗，主要是储备石灰石，配置石灰石浆液并向吸收塔提供新鲜的石灰石浆液，然后吸收塔功能组控制石灰石浆液加入吸收塔所产生的能耗；为烟气提供克服整个脱硫系统的烟道和反应器阻力的能耗，吸收塔本体内的所有设备的能耗，处理脱硫系统的副产品的设备能耗，对脱硫过程中产生的废水进行处理降低毒害和净化过程的能耗；
湿式电除尘系统的能耗包括：用于克服湿式电除尘本体对烟气的阻力的增压风机能耗，用于湿式电除尘系统内高压电场运行的能耗，用于湿式电除尘系统内部水循环系统的相关设备和低压用电系统的能耗。
作为优选，SCR脱硝系统的还原剂的设备能耗包括氨站相关设备能耗、稀释风机能耗，反应器内相关设备的能耗包括吹灰器能耗，若采用蒸汽吹灰还有吹灰用蒸汽的折算能耗；电除尘器的相关辅助设备能耗包括振打清灰器能耗、灰斗加热器能耗；石灰石-石膏湿法脱硫系统的能耗还包括工艺水系统、排放系统和环保系统中检修、照明、供暖、电控及其他相关系统的能耗。
作为优选，待评估期间环保岛系统运行总能耗计算公式为：
环保岛系统平均运行功率计算公式为：
环保岛系统实时运行功率计算公式为：
其中，Ei是指监测期间环保系统总能耗，T为监测时间长度，i从1到3分别代表环保系统中的脱硫、脱硝或者电除尘系统；
是Ei监T测期间环保系统i的平均运行功率；Pi是指环保系统i的实时运行功率，Pi,j是指环保系统i中设备j的运行功率，而环保系统i中共有n个用电设备，其中k为连续运行设备数量，n-k为间断运行设备数量，F(t)表示该间断运行设备是否处于运行状态，运行则取值为1，不运行取值为0。
作为优选，平均单位发电量环保岛系统运行能耗计算公式为：
实时单位发电量环保岛系统运行能耗计算公式为：
其中，Ai是监测期间平均单位发电量环保系统i运行能耗，GE是监测期间的机组总发电量，ai(t)是实时单位发电量环保系统i运行能耗，Pi是第i个环保系统的实时运行功率，UL是实时机组负荷。
作为优选，平均单位污染物减排量环保岛系统运行能耗计算公式为：
实时单位污染物减排量环保岛系统运行能耗计算公式为：
其中，Bi是监测期间平均单位污染物减排量系统运行能耗，Q(t)是t时刻的标态下机组烟气流量，ci,in(t)是环保系统的入口污染物浓度，ci,out(t)是环保系统的出口污染物浓度，bi是实时单位污染物减排量系统运行能耗。
作为优选，脱硫系统运行能耗计算公式为：ESO2＝∑Eob+∑Eeg+∑Eobt+∑Egd+∑Ewt+∑Eother，其中，ESO2是电厂脱硫系统的总运行能耗，∑Eob是吸收剂制备供给系统能耗，∑Eeg是脱硫烟气系统能耗，∑Eobt是吸收塔本体系统能耗，∑Egd是石膏脱水系统能耗，∑Ewt是废水处理系统能耗，∑Eother是其他系统设备能耗；脱硝系统运行能耗计算公式为：ENOx＝∑ENH3+∑Ereact+∑Egd+Esteam，其中，ENOx是电厂脱硫系统的总运行能耗，∑ENH3是脱硝制氨系统能耗，∑Ereact是脱硝反应器系统能耗，∑Egd是脱硝烟风系统能耗，Esteam是用于催化剂吹灰的蒸汽能耗；电除尘系统运行能耗计算公式为：EPM＝∑Ert+∑Eh+∑Eds+∑Egd，其中，EPM是电除尘系统的总运行能耗，∑Ert是整流变系统能耗，∑Eh是加热系统能耗，∑Eds是振打清灰系统能耗，∑Egd是电除尘烟风系统能耗。
作为优选，湿式电除尘系统运行能耗计算公式为：EWESP＝∑EEF+∑Ews+∑Egd，其中，∑EEF是湿式电除尘系统电场运行能耗，∑Ews是水系统运行能耗，∑Egd是湿式电除尘系统烟风系统运行能耗。
环保岛系统中不同用能设备的运行方式及能耗完全不同，因此计算各设备的运行功率时，需要考虑当前设备的运行状态以及运行方式。作为优选，对于有实时的运行数据的环保岛系统中的用能设备，运行功率通过对应的实时运行状态参数进行计算；对于其他相关的辅助运行设备并没有实时的运行数据或者是处于间断运行状态，不能够分析其实时的运行功率时，考虑到这部分间断运行设备和辅助设备的运行功率远小于环保岛系统的运行总功率，可通过专家咨询和工程经验，采用获取辅助设备的额定功率，然后通过取样分析对应设备的实际运行功率以及间断设备的运行周期，对这部分设备的运行功率进行估算。
作为优选，步骤(3)的具体操作为：首先利用模型获得待评估期间的环保岛系统的运行总能耗情况，其次得到环保岛系统中各系统的运行能耗及其子系统的能耗组成占比，按照评估流程中设备清单中列举的系统分类方法，然后，结合机组的运行工况，分析不同运行工况下的环保岛系统及其各系统的运行功率情况，最后结合实际运行情况分析节能增效运行建议。
本发明中的运行能耗，除了对待评估时间段内的环保岛系统的运行能耗进行分析计算外，还需要对环保岛系统中脱硫系统、脱硝系统、电除尘系统、湿式电除尘系统的各子系统能耗情况，同时，对机组不同运行工况下的各子系统运行能耗的结果需要进行分析，研究不同因素对子系统运行能耗的影响。
本发明可以利用燃煤电厂超低排放环保岛系统的运行状态监测数据实现对主要用能设备的运行功率的实时监测，可以得到不同运行状态下环保岛系统的运行功率，此外，由于该方法中根据电厂的环保岛技术路线对各系统的用能设备进行了全面的统计分析，因此相比传统的方法，该方法对环保岛系统的能耗情况统计较为准确，对用能设备的统计分析较为全面。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明所要保护的范围并不限于此。
一种燃煤电厂超低排放环保岛能效评估方法，包括下述步骤：
(1)建立设备清单
对待评估目标-即电厂超低排放环保岛系统进行初步调研分析和设备清单研究，提出对该电厂环保岛系统用能设备的相关运行数据的监测方案，如某些关键设备的运行状态数据，还要考虑到其它制约条件，同时，针对环保岛系统的运行能耗评估提出几项评估指标，结合评估指标对运行能耗的评估需求，在监测方案的基础上，制定信息采集方案，主要包括DCS系统中的相关动态运行数据，以及其他辅助设备的运行方式及电负荷清单；此部分工作的主要目的是获得环保岛系统的设备清单和基本运行情况；
以“SCR脱硝技术+电除尘技术+石灰石-石膏湿法脱硫技术+湿式电除尘技术”技术路线为例，分别针对每种污染物控制系统的用能设备和子系统进行分析；
SCR脱硝系统中包括的能耗部分有：用于克服SCR脱硝反应器对烟气的阻力的引风机能耗；用于提供SCR脱硝系统的还原剂的相关设备的能耗，主要是氨站相关设备能耗、稀释风机能耗等；用于提供反应器内相关设备的能耗，如吹灰器能耗，若采用蒸汽吹灰应还有吹灰用蒸汽的折算能耗；
电除尘系统中包括的能耗部分有：用于克服电除尘器本体对烟气的阻力的引风机能耗；用于电除尘器内高压电场运行的能耗；用于电除尘系统的相关辅助设备和低压用电系统的能耗，如振打清灰器、灰斗加热器等；
石灰石-石膏湿法脱硫系统中用能设备较多，是环保岛系统中的主要用能系统，其系统的设备组成较为复杂，包括的能耗系统分别为：吸收剂制备与供给系统，主要是储备石灰石，配置石灰石浆液并向吸收塔提供新鲜的石灰石浆液，然后吸收塔功能组控制石灰石浆液加入吸收塔；脱硫烟气系统，主要是为烟气提供克服整个脱硫系统的烟道和反应器阻力的能耗；吸收塔本体系统，主要是吸收塔本体内的所有设备的能耗；石膏脱水系统，主要是处理脱硫系统的副产品的设备能耗；废水处理系统，主要是对脱硫过程中产生的废水进行处理降低毒害和净化过程的能耗；其他设备系统，主要包括工艺水系统、排放系统和环保系统中检修、照明、供暖、电控等其他相关系统的能耗；
湿式电除尘系统包括的能耗部分有：用于克服湿式电除尘本体对烟气的阻力的增压风机能耗；用于湿式电除尘系统内高压电场运行的能耗；用于湿式电除尘系统内部水循环系统的相关设备和低压用电系统的能耗；
(2)建立运行功率计算模型
在步骤(1)基础上，通过文献调研，获得设备清单中不同类型的设备的运行功率计算方法，然后根据环保岛系统中各系统的设备组成情况建立环保岛系统的运行功率计算模型；该计算模型中需要区分设备的运行方法；环保岛系统中主要用能设备的运行功率可通过对应的实时运行状态参数进行计算，但是也存在其他相关的辅助运行设备并没有实时的运行数据或者是处于间断运行状态，不能够分析其实时的运行功率；由于考虑到这部分辅助设备的运行能耗相比整个环保岛系统的运行能耗比例很小，因此可以通过专家咨询和工程经验，对这部分设备的运行功率进行估算，具体方法可采用获取某些辅助设备的额定功率，然后通过取样分析对应设备的实际运行功率以及间断设备的运行周期，来估算这部分设备运行功率；模型中部分相关计算公式如表1和2所示：
表1
表2
(3)评估环保岛系统运行能耗
获得原始数据以及建立运行功率计算模型后，对原始数据进行处理，然后利用模型计算分析环保岛系统的运行能耗特性；首先利用模型获得待评估期间的环保岛系统的运行总能耗情况，其次得到环保岛系统中各系统的运行能耗及其子系统的能耗组成占比，按照评估流程中设备清单中列举的系统分类方法，然后，结合机组的运行工况，分析不同运行工况下的环保岛系统及其各系统的运行功率情况，最后结合实际运行情况分析节能增效运行建议。
本发明可以实现对超低排放环保岛系统的实时运行功率和待评估时间段内的能耗情况的分析，能够全面详细的分析环保岛系统的能耗特性，同时为电厂操作人员与管理人员的决策提供参考。
Claims (5)
1.一种燃煤电厂超低排放环保岛能效评估方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)建立设备清单
对待评估电厂进行初步调研分析，研究环保岛系统的技术路线特性，提出针对该电厂环保岛系统用能设备运行数据的监测方案，同时，针对环保岛系统的运行能耗评估提出评估指标，结合评估指标对运行能耗的评估需求，在监测方案的基础上，制定信息采集方案；
(2)建立运行功率计算模型
在步骤(1)基础上，通过文献调研和设备清单研究，建立不同类型设备的运行功率计算方法，然后根据环保岛系统中各环保系统的设备组成情况建立环保岛系统的运行功率计算模型；
对于有实时的运行数据的环保岛系统中的用能设备，运行功率通过对应的实时运行状态参数进行计算；对于没有实时的运行数据或者是处于间断运行状态的其他相关的辅助设备，不能够分析其实时的运行功率时，通过专家咨询和工程经验，采用获取辅助设备的额定功率，然后通过取样分析对应设备的实际运行功率以及间断设备的运行周期，对这部分设备的运行功率进行估算；环保岛系统各环保系统总能耗计算公式为：
环保岛系统各环保系统平均运行功率计算公式为：
环保岛系统各环保系统实时运行功率计算公式为：
其中，Ei是指监测期间环保岛系统各环保系统总能耗，T为监测时间长度，i分别代表环保岛系统中的脱硫、脱硝、电除尘系统，记为SO2、NOx、PM，所述脱硫、脱硝、电除尘系统为环保岛系统中的环保系统；
是监测期间环保系统i的平均运行功率；Pi是指环保系统i的实时运行功率，Pi,j是指环保系统i中设备j的运行功率，而环保系统i中共有n个用能设备，其中k为连续运行设备数量，n-k为间断运行设备数量，F(t)表示该间断运行设备是否处于运行状态，运行则取值为1，不运行取值为0；
平均单位发电量环保岛系统各环保系统运行能耗计算公式为：
实时单位发电量环保岛系统各环保系统运行能耗计算公式为：
其中，Ai是监测期间平均单位发电量环保系统i运行能耗，GE是监测期间的机组总发电量，ai(t)是实时单位发电量环保系统i运行能耗，Pi是环保系统i的实时运行功率，UL是实时机组负荷；
平均单位污染物减排量环保岛系统各环保系统运行能耗计算公式为：
实时单位污染物减排量环保岛系统各环保系统运行能耗计算公式为：
其中，Bi是监测期间平均单位污染物减排量系统运行能耗，Q(t)是t时刻的标态下机组烟气流量，ci,in(t)是环保系统i的入口污染物浓度，ci,out(t)是环保系统i的出口污染物浓度，bi是实时单位污染物减排量系统运行能耗；
(3)评估环保岛系统运行能耗
获得原始数据以及建立运行功率计算模型后，对原始数据进行处理，然后利用模型计算分析环保岛系统的运行能耗特性；首先利用模型获得环保岛系统中各环保系统的运行能耗情况，其次得到环保岛系统总运行能耗及各环保系统的能耗组成占比，按照评估流程中设备清单中列举的系统分类方法，然后，结合机组的运行工况，分析不同运行工况下的环保岛系统及其各环保系统的运行功率情况，最后结合实际运行情况分析节能增效运行建议。
2.根据权利要求1所述的燃煤电厂超低排放环保岛能效评估方法，其特征在于：步骤(1)中，用能设备涉及SCR脱硝系统、电除尘系统、石灰石-石膏湿法脱硫系统和湿式电除尘系统中的主要用能设备及辅助设备，
SCR脱硝系统的能耗包括：用于克服SCR脱硝反应器对烟气的阻力的引风机能耗，用于提供SCR脱硝系统的还原剂的设备能耗，用于提供反应器内相关设备的能耗；
电除尘系统的能耗包括：用于克服电除尘器本体对烟气的阻力的引风机能耗，用于电除尘器内高压电场运行的能耗，用于电除尘器的相关辅助设备和低压用电系统的能耗；
石灰石-石膏湿法脱硫系统的能耗包括：吸收剂制备与供给能耗，为烟气提供克服整个脱硫系统的烟道和反应器阻力的能耗，吸收塔本体内的所有设备的能耗，处理脱硫系统的副产品的设备能耗，对脱硫过程中产生的废水进行处理降低毒害和净化过程的能耗；
湿式电除尘系统的能耗包括：用于克服湿式电除尘本体对烟气的阻力的增压风机能耗，用于湿式电除尘系统内高压电场运行的能耗，用于湿式电除尘系统内部水循环系统的相关设备和低压用电系统的能耗。
3.根据权利要求2所述的燃煤电厂超低排放环保岛能效评估方法，其特征在于：SCR脱硝系统的还原剂的设备能耗包括氨站相关设备能耗、稀释风机能耗，反应器内相关设备的能耗包括吹灰器能耗；电除尘器的相关辅助设备能耗包括振打清灰器能耗、灰斗加热器能耗；石灰石-石膏湿法脱硫系统的能耗还包括工艺水系统、排放系统和检修、照明、供暖、电控及其他相关系统的能耗。
4.根据权利要求1所述的燃煤电厂超低排放环保岛能效评估方法，其特征在于：脱硫系统运行能耗计算公式为：ESO2＝∑Eob+∑Eeg+∑Eobt+∑Egd+∑Ewt+∑Eother，其中，ESO2是电厂脱硫系统的总运行能耗，∑Eob是吸收剂制备供给系统能耗，∑Eeg是脱硫烟气系统能耗，∑Eobt是吸收塔本体系统能耗，∑Egd是石膏脱水系统能耗，∑Ewt是废水处理系统能耗，∑Eother是其他系统设备能耗；评估期间脱硝系统运行能耗计算公式为：ENOx＝∑ENH3+∑Ereact+∑Egd+Esteam，其中，ENOx是电厂脱硝系统的总运行能耗，∑ENH3是脱硝制氨系统能耗，∑Ereact是脱硝反应器系统能耗，∑Egd是脱硝烟风系统能耗，Esteam是用于催化剂吹灰的蒸汽能耗；评估期间电除尘系统运行能耗计算公式为：EPM＝∑Ert+∑Eh+∑Eds+∑Egd，其中，EPM是电除尘系统的总运行能耗，∑Ert是整流变系统能耗，∑Eh是加热系统能耗，∑Eds是振打清灰系统能耗，∑Egd是电除尘烟风系统能耗。
5.根据权利要求4所述的燃煤电厂超低排放环保岛能效评估方法，其特征在于：湿式电除尘系统运行能耗计算公式为：EWESP＝∑EEF+∑Ews+∑Egd，其中，EWESP是湿式电除尘系统的总运行能耗，∑EEF是湿式电除尘系统电场运行能耗，∑Ews是水系统运行能耗，∑Egd是湿式电除尘系统烟风系统运行能耗。
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