生物质气化与燃煤机组耦合发电系统中生物质能供电量的计算方法研究

刘启军，赵兴春

(1.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021；2.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，西安 710075)

生物质气化与燃煤机组耦合发电技术是在现有大型燃煤机组基础上，耦合了生物质气化模块，将两者有机地结合在一起[1]。生物质经破碎至合适粒径和长度并经预干燥后进入气化炉，气化炉产生的燃气送至大型燃煤锅炉燃烧产生高参数的蒸汽后送至高效的汽轮发电机组做功发电。由于利用了大型高效燃煤发电机组设备，与生物质直燃发电相比该系统提高了生物质发电效率、降低了生物质综合利用系统的投资、实现了生物质发电系统的超低排放、减少了CO2温室气体排放量。在生物质气化与燃煤机组耦合发电系统中，由于两种燃料的价格不同、政府对两种能源利用的产业政策不同、耦合项目与常规煤电项目的投资方不同等原因，因此有必要分清生物质能的发电量和供电量。

1 生物质气化与燃煤机组耦合发电系统构成

生物质气化与燃煤机组耦合发电系统主要包括生物质物料输送系统、气化炉本体系统、生物质气化炉灰渣输送系统、燃气输送及燃烧系统等(统称为生物质气化岛)，以及常规燃煤机组发电系统。耦合发电系统流程见图1。

图1 生物质气化与燃煤机组耦合发电系统

2 生物质气化装置输入到燃煤锅炉的热量

生物质燃料进入气化炉后产生的生物质燃气经过燃气风机输送至燃煤锅炉内燃烧放热。生物质气化装置输入到燃煤锅炉的热量包括生物质燃气中可燃气体完全燃烧提供的低位热值和生物质燃气的物理显热。

2.1 生物质燃气中可燃气体的低位热值

生物质燃气中可燃气体的低位热值是指在标准状态下，燃气中可燃物热值的总和。生物质燃气中可燃气体的组成和热值体现出燃气的品质。生物质燃气的组成通常采用容积分率表示，其中CO、H2、CH4，C2H4等为有效组分，N2为惰性组分，CO2、H2S等为杂质。生物质燃气的低位热值，可通过简化公式(1)计算[2]：

QV=126φCO+108φH2+35φCH4+665φCnHm

(1)

式中：QV为生物质燃气的低位热值；φCO，φH2，φCH4，φCnHm分别为CO，H2，CH4以及不饱和碳氢化合物总和的体积分数。

生物质燃气中可燃物的成分可以通过燃气在线组份分析仪测量燃气中各种成分含量，从而实时计算出生物质燃气的低位热值。燃气在线组分分析仪主要由预处理单元、气体分析单元、反吹单元等组成，预处理单元对检测的燃气进行粉尘过滤、煤油清洗、水洗、活性炭吸附等后送至气体分析单元，燃气分析控制柜气体分析单元对预处理合格的燃气进行气体在线分析检测，同时测量并显示燃气中的CO、CO2、CH4、H2、O2、C2H2、C2H4组分的体积分数，自动计算并显示燃气热值。反吹单元由压缩空气及蒸汽反吹装置按照控制程序对预处理单元进行定期反吹，保证系统清洁。

2.2 生物质燃气的物理显热

生物质燃气显热大小与燃气的温度、燃气的组份等有关。燃气的比定压热容是指标准状态下1 m3燃气温度升高或降低1 ℃所吸收和释放的热量，用kJ/(m3·℃)表示。根据燃气比定压热容数据可以计算燃气温度变化时所放出或吸收的热量，混合气体的平均比热容可以按(2)式计算。

C=∑yiCi/100

(2)

式中：C为混合气体的平均比热容；Ci为单一气体的比热容；yi为单一气体的容积成分，指混合气体中单个组分的分容积(Vi)与混合气体的总容积(V)百分率，按式(3)计算。

(3)

生物质燃气的物理显热可以通过燃气在线组分分析仪测得的生物质燃气组分、体积浓度，以及在生物质燃气输送系统中装设的热电偶测得温度值，计算出生物质燃气的物理显热。

2.3 生物质燃气输入到锅炉的热量

生物质气化炉出口的生物质燃气可通过燃气流量计测得其体积流量Dd，生物质燃气可燃成份输入的热量为Qd.v，生物质燃气的物理显热为Qd.xr。生物质燃气输送至锅炉的热量Qd可按(4)式计算。

Qd=Qd.v+Qd.xr

(4)

式(4)中生物质燃气中可燃成分输入热量Qd.v和生物质燃气的物理显热Qd.xr分别按式(5)、式(6)计算。

Qd.v=QV×Dd

(5)

Qd.xr=C×(trk-thj) ×Dd

(6)

式中：Dd为生物质燃气的体积流量；C为生物质燃气进入燃煤锅炉时的平均比热容；trk为生物质燃气进入燃煤锅炉时的温度；thj为环境参比温度，一般取25 ℃。

3 生物质能在燃煤机组中分摊的发电量的计算方法

生物质燃气进入燃煤锅炉后利用了常规燃煤机组发电设备，其发电量的多少与生物质能量份额、燃煤机组发电效率、机组负荷率等因素有关。本文推荐的生物质能在燃煤机组中分摊的发电量是按入炉的生物质能与燃煤输入能量的比例分摊机组的发电量。生物质燃气输入锅炉的热量可以按式(4)方法计算，燃煤输入到锅炉的热量按如下方法计量。

3.1 燃煤输入到锅炉的热量计算方法

燃煤输入到锅炉的热量等于燃煤进入锅炉的质量流量乘以燃煤的低位发热量：

Qc=Dc×Qnet.ar×103

(7)

式中：Qc为燃煤输入到锅炉的热量；Dc为燃煤进入锅炉的质量流量；Qnet.ar为燃煤的收到基低位发热量。

燃煤进入锅炉的质量流量可以通过炉前的给煤机测得的给煤量确定。按照燃煤火力发电厂的燃料管理制度，厂内每个运行班组都要对入炉原煤进行采样和化验，实际燃煤的收到基低位发热量Qnet.ar可以采用上个工作日厂内所有运行班组化验的收到基低位发热量的平均值。

3.2 与纯凝汽式机组耦合时的发电量计算

统计计算周期dt时间段内的机组平均发电功率为Pfd，按生物质能占燃煤锅炉总输入热量的比例进行发电量分摊，则计算周期内生物质能的平均发电功率为：

(8)

在计算周期dt时间段内，生物质燃气进入锅炉能量为Qd×dt，燃煤进入锅炉的热值为Qc×dt。生物质能总的发电量为每个计算周期生物质能发电量的累计之和。

3.3 与抽汽凝汽式供热机组耦合时的发电量计算

燃煤抽汽凝汽式供热机组的产品包括热能和电能，由于每台机组的热电比不同、供热参数不同、供热方式不同、供热价格不同，生物质气化与燃煤抽汽凝汽式供热机组耦合时，本计算方法中生物质能按全部用于发电计量。计算方法为生物质能按机组负荷率所对应的发电标煤耗折算发电量：

(9)

表1 依托煤电机组负荷(出力)动态修正系数

动态负荷系数可按锅炉的输入热量(包括生物质燃气热量和燃煤热量)与机组额定负荷时锅炉输入热量的比值确定：

(10)

式中：Pe为煤电机组纯凝汽式运行工况下的额定发电功率。

4 生物质能在燃煤机组中分摊的供电量的计算方法

(11)

式中：Pcy为依托煤电机组实时厂用电功率，即发电机出口发电功率减去主变出口的供电功率；Pr1为依托煤电机组输煤及燃料制备系统实时厂用电功率；Pgr为依托煤电机组供热系统实时厂用电功率。

生物质能在燃煤机组中分摊的供电量为生物质能发电量减去生物质能的厂用电量：

(12)

5 结束语

生物质气化与燃煤机组耦合发电是生物质能综合利用的重要方式，为了清晰界定生物质气化与燃煤机组耦合发电时生物质能的发电量和供电量，本文做了上述分析和研究工作。计算的总体思路是生物质能发电量按生物质能占燃煤锅炉总输入热量的比例进行分配。计算过程中需实时获取生物质燃气的流量、组分、热值、温度等数据，从而计算生物质能输入到锅炉的热量；燃煤输入到锅炉的热量可通过锅炉实时燃煤量及燃煤低位发热量计算。计算过程中所需的其他数据均可在燃煤发电机组的综合管理系统中调取并应用。在此基础上可以编制统计计算程序，自动计算生物质能的发电量和供电量数值，从而为生物质气化与燃煤机组耦合发电项目的投资和运营方提供重要的数据支撑，促进生物质气化与燃煤机组耦合发电项目的大力发展。