一、引言

目前，随着国家“双碳”目标的正式提出，对我国的能源结构的调整发展提出更为严格的要求。同时在新能源保持较快发展态势下，截止2020年年底，我国火力发电量仍占全年发电总量的71%以上^[1]，燃煤机组依旧承担国内电力供应的重任。随着煤电企业由支撑性作用向兜底保供应的转变，需进一步挖掘燃煤电站的节能潜力，探索燃煤电站锅炉低碳发电技术，因此对燃煤电站锅炉展开能效状态健康管理意义重大。

二、锅炉本体系统设备概述

燃煤电站锅炉能效状态研究主要侧重于对锅炉运行过程中异常状态的有效识别，属于锅炉运行健康管理的范畴。考虑到燃煤电站锅炉系统复杂，设备繁多，如何从机组运行数据库中提取合理有效特征参数，以达到对锅炉本体系统的实时能效状态健康管理。

燃煤电站锅炉是含有多个协同配合的设备系统综合体，而锅炉本体系统是锅炉的主要组成部分。锅炉本体系统的主要是在满足电网负荷调峰情况下，产生具有特定参数的蒸汽。燃煤电站锅炉运行的能效状态直接关系整个机组经济可靠运行。因此，通过对锅炉本体系统设备功能特点研究，完成锅炉本体系统设备划分，分析各设备关联特征指标参数，可以有效地掌握锅炉本体系统实时运行的能效状态，并为后续燃煤发电机组智慧化管理做铺垫。

燃煤电站锅炉可划分为锅炉本体和辅机设备两大部分，其中锅炉本体系统主要包括炉膛、省煤器、水冷壁、过热器、再热器、以及相关联的管道附件等。锅炉本体系统的功能主要体现在实现各换热面内的工质与烟气侧的良好换热。为确保锅炉本体系统处于良好的能效状态，应组织好锅炉内工质侧和烟气侧的换热，产生满足一定参数要求的过、再热蒸汽，以提高锅炉的热效率。同时应保持炉膛内的良好燃烧，降低锅炉系统辅机设备的耗电率，提高锅炉运行热效率，最大限度达到降低机组供电煤耗率的目的，提升锅炉本体系统能效状态管理水平。

三、锅炉本体系统设备结构功能分析

本文以某燃煤电站1000MW超超临界塔式锅炉为研究对象展开分析，依次对锅炉本体系统的关联设备的结构功能展开分析。燃煤电站锅炉的运行状态与机组运行数据密切关联，能否正确获取机组能效状态的特征指标十分重要。能效状态研究的主要任务是从锅炉实际运行数据中获取与其运行状态相关联的特征指标，且是对其状态变化关联性最强的特征指标。

1.炉膛设备结构功能分析

燃煤电站锅炉可分为自然循环锅炉、控制循环锅炉和直流锅炉三种方式。其中自然循环锅炉和控制循环锅炉设置有汽包，汽包将来自蒸发管中的汽水混合物进行汽水分离，获得高洁净度的蒸汽。直流锅炉结构简单，没有汽包，可采用超临界参数运行，具有启停时间短，经济效益好的特点。现代大容量、超临界参数大多采用直流锅炉。锅炉按照其结构形式可分为形布置、塔式布置等多种方式，其中塔式锅炉的受热面设置在炉膛的上部，具有易于疏水，可降低蒸汽凝结在管内导致管道腐蚀的特点。

2.省煤器设备结构功能分析

省煤器是布置在锅炉尾部烟道的热交换装置，省煤器是通过吸收低温烟气的热量，从而降低锅炉的排烟温度，减少热量浪费提高热效率。由于长期处于高温环境中，锅炉省煤器可用来代替部分造价高的蒸发换热面，此外工质通过在省煤器内完成换热，可以提升进入后续换热面的工质温度，降低工质与换热面的热偏差，从而降低换热面的热应力。省煤器在运行过程中会出现氧化腐蚀情况，这样会缩短省煤器的使用寿命，降低省煤器的换热效率，因此需要关注省煤器表面的积灰磨损情况。

3.水冷壁设备结构功能分析

水冷壁是锅炉水循环回路中的基本部件，水冷壁的可靠性，会直接影响机组的安全可靠运行。水冷壁吸收炉膛内的高温辐射热量，产生饱和蒸汽，提升进入下一级换热面的工质温度。此外水冷壁可以通过吸收辐射热量，保护炉墙，维持锅炉的安全可靠运行。在运行过程中，水冷壁的腐蚀和磨损不可避免。可通过监测进入和流出水冷壁工质的参数实现对其的状态评估。

4.过热器和再热器设备结构功能分析

过热器和再热器是电站锅炉的两个重要受热面，由于过热器和再热器在锅炉中同属高温换热器，考虑到其结构和功能的相似性，因此将过热器和再热器放在一起分析。以过热器结构功能分析为例，过热器的出口工质参数应达到锅炉的设计的额定参数，在实际运行过程中，过热器要具有可靠的调温手段，应保证过热器出口工质参数的稳定性，尽量减少平行管件的热偏差，防止因热应力过大，影响锅炉安全可靠运行。

直流锅炉的主蒸汽温度可以通过喷水减温器实现细微调节。其中喷水减温器的作用是控制和保持主蒸汽和再热蒸汽达到其设定值，以免造成过热器和再热器过热，发生管道高温腐蚀。在运行过程中，可以通过监测过热器出口温度、再热器出口温度、过热器出口压力、再热器出口压力、过热器减温水量、再热器减温水量等参数实现对过热器和再热器的能效状态评估。

四、构建能效状态特征指标体系

构建电站锅炉本体系统能效状态指标体系是实现锅炉能效状态实时监测的基础工作，从锅炉运行过程中众多参数中合理选取准确有效的特征指标参数。根据锅炉本体系统的设备结构特点以及与其能效状态的相关因素，构建锅炉能效状态特征指标体系。综合考虑燃煤电站各设备特性，关联电站机组运行的经济性、安全性，建立可以评价燃煤电站锅炉能效状态的特征指标体系。

评价燃煤电站锅炉能效状态特征指标有：锅炉热效率、锅炉侧设备耗电率等。其中锅炉热效率是衡量燃煤电站锅炉能效状态的综合特征指标，可以通过反平衡方法计算。其计算公式为：

%

锅炉各项热损失用q₂ ~ q₆依次表示：排烟热损失、化学和机械未完全燃烧热损失、散热损失和灰渣热损失。其中锅炉排烟热损失在各项损失之中占比最大。排烟热损失是指由于排烟而导致的热损失，可以通过优化炉膛内部的燃烧调整，确保锅炉效率维持在良好状态^[2]。

通过锅炉本体系统的功能特性分析，提取合理的能效特征特征指标，用于表征锅炉系统的运行能效状态。换热面的清洁状态可用清洁因子表示，清洁因子是换热面实际换热系数与理想换热系数的比值^[3]。因此当省煤器腐蚀积灰严重时，会导致其出口烟温变化，进而影响后续换热面的排烟温度，导致锅炉热效率发生变化。因此可以用省煤器清洁因子来表征省煤器的能效状态。换热面的清洁因子的计算式如下：

式中：K——运行状态下受热面换热系数；

K’——理想状态下受热面换热系数。

清洁因子表示换热器在实际运行过程中的换热系数与理想状态下的换热系数的比值。省煤器清洁因子的变化会引起省煤器出口烟温变化，从而影响锅炉排烟温度，进一步的反馈到锅炉效率、机组供电煤耗的变化。假设省煤器清洁因子下降，省煤器换热系数下降，首先会导致省煤器换热量下降，省煤器出口烟温上升。由于锅炉尾部换热器进口烟温升高，造成排烟温度升高，影响锅炉的能效状态。因此，在锅炉本体系统中，省煤器清洁因子变化会引起锅炉效率变化，最终反映到机组供电煤耗。可以选取省煤器清洁因子为锅炉本体系统的能效状态特征指标。

锅炉省煤器出口给水温度是电站运行中的重要监测特征参数，同时也是燃煤机组运行优化的重要调整参数。当省煤器出口给水温度变动时，会影响锅炉热效率。当省煤器出口给水温度下降，其他参数不变时，会导致锅炉燃煤量增加，炉膛燃煤量增加对排烟温度的影响体现在两个方面：一方面，送入炉内的燃煤量增加，锅炉的出口烟温升高，排烟温度也随之升高。另一方面，由于燃煤量增加，炉膛烟道烟气流速增加，从而使炉膛尾部烟道对流换热面换热量增加，引起锅炉的出口烟温下降，导致锅炉效率下降，锅炉的燃煤量又有一定程度的减少。在锅炉运行中，工质从省煤器流出进入水冷壁中继续换热，而水冷壁是炉膛内的主要换热面，布置在锅炉的炉膛四周，由数排钢管组成，省煤器出口给水温度关联水冷壁的能效状态，因此，可以选取省煤器给水温度为锅炉本体系统的能效状态特征指标。

过热器减温水量和再热器减温水量分别可实现对锅炉过热器出口工质参数的调整，而过热器和再热器的出口工质的参数也会反映锅炉本体系统能效状态，因此可以选取过热器出口温度、过热器出口压力、过热器减温水量、再热器出口温度、再热器出口压力、再热器减温水量为锅炉本体系统能效状态特征指标。

综上所述，锅炉本体系统的能效状态特征指标如下：

表格1锅炉本体系统的能效状态特征指标

根据燃煤电站锅炉的设备功能结构分析以及与其能效状态的关联因素，对其进行能效特征指标体系构建。反映燃煤电站锅炉本体系统的能效状态指标有：省煤器清洁因子、省煤器出口给水温度、过热器出口温度、过热器出口压力、过热器减温水量、再热器出口温度、再热器出口压力、再热器减温水量，对应的顶层综合特征指标为锅炉热效率。这些设备的能效状态特征指标构成燃煤电站锅炉的能效状态指标体系，可直接反映锅炉本体系统的实际能效状态。在机组运行调整过程中，根据建立的能效状态指标体系，获取与锅炉本体系统关联的特征指标，可依据特征指标对锅炉运行优化调整，促进锅炉本体系统能效状态健康管理。

五、结语

燃煤电站锅炉本体系统具有设备复杂、参数耦合性强的特点，通过对锅炉本体系统的设备功能结构特点分析，获取用于表征锅炉本体系统的能效状态特征指标，建立锅炉本体系统能效状态指标体系，可以为锅炉本体系统的能效状态监测、状态评估奠定基础，促进燃煤电站锅炉本体系统的健康管理。

参考文献

[1]国家统计局能源统计司.中国能源统计年鉴 [J].中国统计出版, 2020.

[2]孔国权.电厂锅炉水循环特性分析及在线监测[D].华北电力大学,2014.

[3]王佳辉.燃煤锅炉中过/再热器工质温差与积灰程度关联研究[J].热能与动力工程,2019,07.014