電站鍋爐新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)性能分析

呂 劍，韓 宇，徐 鋼

(1．神華神東電力有限責(zé)任公司 新疆米東熱電廠，新疆 烏魯木齊830019;2．華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206)

0 引言

能源問(wèn)題是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)非常重要的因素，解決能源問(wèn)題如今已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一［1］。電站是我國(guó)工業(yè)耗能的最大戶，因此電站節(jié)能在我國(guó)節(jié)能減排戰(zhàn)略中有著尤為重要的地位。

余熱利用是解決我國(guó)電站高能耗的重要手段，在鍋爐尾部煙道設(shè)置余熱利用系統(tǒng)不僅可以有效地回收尾部煙氣余熱，降低煤耗，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益［2］，同時(shí)也可以減少?gòu)U熱的排放，有著很好的環(huán)境效益［3］?；诘蜏厥∶浩鞯膫鹘y(tǒng)余熱利用技術(shù)已在我國(guó)電站得到了廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)雖然余熱利用率有限，不過(guò)其設(shè)備投資少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。自1985 年開始，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)春第二熱電廠、開封電廠、十里泉電廠、龍口發(fā)電廠、琿春發(fā)電廠、通遼發(fā)電總廠等相繼成功設(shè)計(jì)投運(yùn)了低壓省煤器［4］，普遍降低排煙溫度25～30 ℃，靜態(tài)投資回收期一般2～4 年，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益［5］，與此同時(shí)，山東大學(xué)黃新元等學(xué)者針對(duì)低溫省煤器的節(jié)能理論進(jìn)行了詳細(xì)分析［6，7］，華北電力大學(xué)黃圣偉、杜艷玲等學(xué)者分別針對(duì)集成方式以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了深入研究［8，9］，浙江省能源集團(tuán)有限公司、商丘裕東發(fā)電有限責(zé)任公司等機(jī)構(gòu)則針對(duì)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入探討［10，11］。近年來(lái)，德國(guó)Nideraussem 電站首次提出旁路煙道技術(shù)，并應(yīng)用于德國(guó)科隆Nideraussem 1 000 MW 級(jí)褐煤發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組把部分煙氣引入旁通煙道內(nèi)加熱凝結(jié)水，從而充分利用煙氣余熱、進(jìn)一步降低排煙溫度［12］。整體來(lái)看，旁路煙道技術(shù)在余熱利用的效果上優(yōu)于傳統(tǒng)的低溫省煤器技術(shù)，其回收的煙氣余熱品位有著一定程度的提高，可以排擠更高級(jí)別的汽輪機(jī)抽汽，達(dá)到更好的節(jié)能效果。

本文以德國(guó)科隆Nideraussem 1 000 MW 級(jí)褐煤發(fā)電機(jī)組的旁路煙道技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了一種適用于我國(guó)電站的新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)，并針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了熱力分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效降低鍋爐排煙溫度，提高機(jī)組熱效率，大幅降低電站煤耗，有著很好的節(jié)能效益與經(jīng)濟(jì)效益。

1 新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)的構(gòu)造

新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)是基于旁路煙道技術(shù)，適合于中國(guó)電廠的余熱利用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠更好地收集鍋爐尾部煙氣余熱，利用更高品位的煙氣廢熱，較大程度地提高機(jī)組熱效率。新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)將鍋爐尾部煙道從省煤器出口之后分隔成兩部分——主煙道和旁路煙道。主煙道中布置空氣預(yù)熱器，加熱進(jìn)入鍋爐前的冷空氣，旁路煙道中布置兩級(jí)低溫省煤器，即高溫?zé)熕畵Q熱器和低溫?zé)熕畵Q熱器。其中，遵循能量對(duì)口梯級(jí)利用的原則，并且結(jié)合中國(guó)電廠的實(shí)際情況，高溫?zé)熕畵Q熱器入口通入3 號(hào)或2號(hào)高壓加熱器入口給水，加熱后的給水打回至1號(hào)或2 號(hào)高壓加熱器出口;低溫?zé)熕畵Q熱器入口通入6 號(hào)低壓加熱器入口凝結(jié)水，加熱后的凝結(jié)水打回至5 號(hào)低壓加熱器或除氧器的出口。在主煙道和旁路煙道出口處兩股煙氣匯合流入?yún)R合煙道，在匯合煙道中設(shè)置冷風(fēng)預(yù)熱器來(lái)加熱冷空氣，彌補(bǔ)由于旁路煙道分流煙氣導(dǎo)致的空氣吸熱量不足。新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)有著較大的優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)利用了省煤器出口的高溫?zé)煔鉄崃?，利用煙氣余熱的品位遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)，因此該系統(tǒng)可以加熱較高溫度的鍋爐給水，排擠汽輪機(jī)較高品位抽汽。同時(shí)并聯(lián)系統(tǒng)設(shè)置冷風(fēng)預(yù)熱器來(lái)彌補(bǔ)空氣在空氣預(yù)熱器中吸熱量的不足，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。圖1 為新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)的構(gòu)造圖。

圖1 新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)構(gòu)造圖

2 新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

2.1 案例機(jī)組概況

國(guó)內(nèi)某600 MW 超臨界機(jī)組，鍋爐為600 MW超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，汽輪機(jī)為超臨界、一次中間再熱、單軸凝汽式汽輪機(jī)，回?zé)嵯到y(tǒng)為三高四低一除氧形式，高壓加熱器與低壓加熱器疏水采用逐級(jí)自流方式，除氧器為匯集式加熱器，軸封加熱器疏水至凝汽器。表1 為案例機(jī)組THA 工況的主要參數(shù)。

表1 案例機(jī)組THA 工況主要熱力參數(shù)

2.2 系統(tǒng)集成原則

為了達(dá)到最好的節(jié)能效果，同時(shí)滿足工程實(shí)踐的要求，需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)滿足如下原則:

(1)基于防腐蝕材料的發(fā)展現(xiàn)狀，為了使系統(tǒng)的熱力性能達(dá)到較高水平，同時(shí)又盡量避免防低溫腐蝕材料成本過(guò)于昂貴，將最終排煙溫度(冷風(fēng)預(yù)熱器出口煙溫)定為100 ℃。

(2)傳熱學(xué)上考慮，為使換熱器的面積不至于過(guò)大，并且符合工程傳熱條件，計(jì)算時(shí)滿足高、低溫?zé)熕畵Q熱器的最小換熱溫差不低于20 ℃。

(3)在保證空氣預(yù)熱器正常工作的前提下，盡可能提高空氣預(yù)熱器入口空氣溫度來(lái)獲取高品位余熱資源。

(4)為了更高效地利用旁路煙氣余熱，熱量盡可能多分配給高溫?zé)熕畵Q熱器。

(5)考慮能量對(duì)口梯級(jí)利用原則，基于案例機(jī)組的熱力參數(shù)，設(shè)計(jì)高溫?zé)熕畵Q熱器入口為從3 號(hào)高壓加熱器入口抽出的給水，加熱后的給水打回至1 號(hào)高壓加熱器出口;低溫?zé)熕畵Q熱器入口為從6 號(hào)低壓加熱器入口抽出的凝結(jié)水，加熱后的凝結(jié)水打回至除氧器出口。

2.3 冷風(fēng)預(yù)熱器熱力學(xué)分析

結(jié)合3．2 節(jié)中討論的系統(tǒng)優(yōu)化原則，根據(jù)熱平衡原理進(jìn)行計(jì)算，將冷風(fēng)預(yù)熱器的熱力學(xué)參數(shù)匯總于表2 中。

表2 冷風(fēng)預(yù)熱器熱力參數(shù)

通過(guò)表中可以看出，冷風(fēng)預(yù)熱器將空氣預(yù)熱器的入口空氣溫度由環(huán)境的23．7 ℃提升到58 ℃，排煙溫度由124 ℃降低至100 ℃，有效地回收了鍋爐排煙中的余熱，回收熱量高達(dá)17．4 MW，與此同時(shí)，冷風(fēng)預(yù)熱器的對(duì)數(shù)溫差為71 ℃，傳熱溫差足夠大，滿足工程實(shí)踐的要求，傳熱面積可以設(shè)計(jì)在一個(gè)合理的范圍，有利于控制換熱器成本。

2.4 空氣預(yù)熱器熱力學(xué)分析

結(jié)合3．2 節(jié)中討論的系統(tǒng)優(yōu)化原則，對(duì)空氣預(yù)熱器進(jìn)行熱力計(jì)算，現(xiàn)將原始空氣預(yù)熱器以及優(yōu)化后的新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)中的空氣預(yù)熱器熱力參數(shù)對(duì)比于表3 中。

表3 空氣預(yù)熱器熱力參數(shù)

通過(guò)對(duì)比可以看出，改造后的空氣預(yù)熱器對(duì)數(shù)溫差比原空氣預(yù)熱器降低了12．3 ℃，換熱溫差的合理降低必然會(huì)使得空氣預(yù)熱器的換熱鈉損降低，熱力性能有所提高，同時(shí)，優(yōu)化后的空氣預(yù)熱器依然能夠保持44．1 ℃的傳熱溫差，滿足工程上的傳熱需求，使換熱面積能夠保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

2.5 煙水換熱器熱力學(xué)分析

結(jié)合3．2 節(jié)中討論的系統(tǒng)優(yōu)化原則，同時(shí)依據(jù)熱平衡原理，進(jìn)行熱力計(jì)算，將高、低溫?zé)熕畵Q熱器的熱力參數(shù)匯總于表4 中。

計(jì)算結(jié)果表明，高溫?zé)熕畵Q熱器可加熱的1，2，3 級(jí)鍋爐給水流量達(dá)到31．4 kg/s，回收高品位煙氣余熱13．3 MW，低溫?zé)熕畵Q熱器可加熱的4，5，6 級(jí)鍋爐凝結(jié)水流量為15．7 kg/s，回收煙氣余熱6．3 MW。

表4 煙水換熱器熱力參數(shù)

2.6 系統(tǒng)節(jié)能效果

鍋爐熱效率能夠反映鍋爐的熱力學(xué)完善程度，新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)增設(shè)了兩級(jí)煙水換熱器和冷風(fēng)預(yù)熱器，進(jìn)一步降低了排煙溫度，使得鍋爐的排煙熱損失明顯減少，有效吸熱量上升，因此電站鍋爐的總熱效率有所上升，經(jīng)計(jì)算，鍋爐排煙余熱共回收了17．4 MW，可使鍋爐效率由原來(lái)的93．13%提升至94．30%。

標(biāo)準(zhǔn)煤耗率表明一個(gè)電廠范圍內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的技術(shù)完善程度，也反映其管理水平和運(yùn)行水平。熱耗率、節(jié)約燃煤收益等熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也能從其他方面反映系統(tǒng)的節(jié)能效果［13］。通過(guò)熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)的具體節(jié)能效益與經(jīng)濟(jì)效益如表5 所示。

通過(guò)表5 可以看出，新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)供電標(biāo)煤耗降低3．72 g/kW·h，機(jī)組熱力性能有了大幅提高，年節(jié)約標(biāo)煤超過(guò)1 萬(wàn)t，節(jié)能效果顯著，年節(jié)約燃煤收益達(dá)到836．46 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

3 結(jié)論

在高度提倡節(jié)能減排的今天，燃煤電站的余熱利用技術(shù)發(fā)展十分迅速，本文提出了基于旁路煙道技術(shù)的適合中國(guó)電廠實(shí)際情況的新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)，以國(guó)內(nèi)某600 MW 超臨界機(jī)組為案例，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了熱力計(jì)算，得出了以下結(jié)論:

(1)在節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)收益方面，新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)在熱力學(xué)上增加發(fā)電功率7．89 MW，降低供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗3．72 g/ kW·h，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤11 553 t，年收益836．4 萬(wàn)元，可以看出，新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)的機(jī)組熱效率有大幅提高，節(jié)能效果十分顯著，能夠給電站帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)設(shè)置的冷風(fēng)預(yù)熱器能夠?qū)㈠仩t排煙溫度由124 ℃降低至100 ℃，大幅回收原系統(tǒng)的排煙廢熱，回收用來(lái)預(yù)熱冷空氣的熱量高達(dá)17．4 MW。

(3)新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)將空氣預(yù)熱器的換熱溫差降低了12．3 ℃，有效地提高了空氣預(yù)熱器的熱力學(xué)完善程度，降低換熱鈉損，同時(shí)將換熱溫差保持在44．1 ℃這個(gè)較為合理的溫差，保證了工程上的傳熱要求。

(4)新型旁路煙道型余熱利用系統(tǒng)設(shè)置了高、低溫?zé)熕畵Q熱器，考慮案例機(jī)組的實(shí)際情況，高溫?zé)熕畵Q熱器與1，2，3 號(hào)回?zé)峒訜崞鞑⒙?lián)，低溫?zé)熕畵Q熱器與4，5，6 號(hào)回?zé)峒訜崞鞑⒙?lián)，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，大幅回收高品位煙氣余熱。

［1］宋之平，王加璇．節(jié)能原理［M］．北京:水利電力出版社，1985．

［2］Dexin Wang，Aman Bao，Walter kunc，et al．Coal power plant flue gas waste heat and water recovery［J］．Applied Energy，2011，91(1):341-348．

［3］樊泉桂．鍋爐原理［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2008．

［4］黃新元．最優(yōu)化技術(shù)在龍口發(fā)電廠低壓省煤器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．山東電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，1998，1(1):11-14．

［5］張方煒．鍋爐煙氣余熱利用研究［J］．電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2010，(4):48-52．

［6］黃新元，王立平．火力發(fā)電廠低壓省煤器系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)的通用數(shù)學(xué)模型［J］．電站系統(tǒng)工程，1999，15(5):20-25．

［7］黃新元，孫奉仲，史月濤．低壓省煤器系統(tǒng)節(jié)能理論及其在火電廠的應(yīng)用［J］．山東電力技術(shù)，2008，(2):3-6．

［8］黃圣偉，徐鋼，楊勇平，等．電站鍋爐煙氣余熱利用的熱力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)原則［J］．現(xiàn)代電力，2013，30(1):75-80．

［9］杜艷玲，李斌，李露，等．220MW 機(jī)組增設(shè)低壓省煤器的經(jīng)濟(jì)性分析［J］．電力科學(xué)與工程，2012，28(10):53-56．

［10］胡如松，吳斌，王建強(qiáng)，等．200MW 燃煤機(jī)組鍋爐低溫省煤器設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］．浙江電力，2014，(4):38-41．

［11］金文成，陳延章，徐英杰．2 ×315MW 機(jī)組低溫省煤器的改造方案研究［J］．河南化工，2013，30(10):15-19．

［12］葉勇健，申松林．歐洲高效燃煤電廠的特點(diǎn)及啟示［J］．電力建設(shè)，2011，32(1):54-58．

［13］鄭體寬．熱力發(fā)電廠［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2008．