電廠鍋爐煙氣余熱應(yīng)用系統(tǒng)的熱力學(xué)研究及優(yōu)化方案

徐大朋安徽池州九華發(fā)電公司發(fā)電部，安徽池州 247103

電廠鍋爐煙氣余熱應(yīng)用系統(tǒng)的熱力學(xué)研究及優(yōu)化方案

徐大朋
安徽池州九華發(fā)電公司發(fā)電部，安徽池州 247103

通過對(duì)煙氣余熱應(yīng)用系統(tǒng)的熱力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)鍋爐煙氣余熱進(jìn)行利用改造，不僅能提高電廠的熱經(jīng)濟(jì)，還能減少動(dòng)力燃料的浪費(fèi)，同時(shí)還能減輕對(duì)環(huán)境污染的程度。本文通過對(duì)電廠鍋爐煙氣余熱應(yīng)用系統(tǒng)和熱力學(xué)的分析，進(jìn)一步提出了具體的優(yōu)化方案，不僅提高了電廠的經(jīng)濟(jì)效益，還能為其他高耗能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展借鑒電廠余熱利用方式。

電廠鍋爐；煙氣余熱；熱力學(xué)；優(yōu)化方案

隨著經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展，能源需求急劇增加，能源匱乏問題越來越突出，進(jìn)而激發(fā)了能源供需之間的矛盾。面對(duì)能源緊缺的現(xiàn)狀，我們一邊要提高能源利用率，另一邊要不斷進(jìn)行新能源的開發(fā)和利用，才能逐步緩解能源供需矛盾。電廠鍋爐會(huì)產(chǎn)生各種熱損失，而排煙帶走的熱損失占的比例最多，由于能源緊張，能源價(jià)格不斷上升，對(duì)煙氣余熱利用的研究受到了廣泛關(guān)注。

1 電廠鍋爐煙氣余熱利用原則與應(yīng)用系統(tǒng)

1.1 盡量減少熱損失

電廠鍋爐的熱損失是因?yàn)闊崃坎豢赡嬖斐傻?，煙氣余熱的有效利用就是減少不可逆帶來的損失。要根據(jù)實(shí)際需求保質(zhì)保量地供能，一方面盡量減少傳熱中因溫差、避免節(jié)流和摩擦帶來的不可逆損失，另外，還要在數(shù)量上滿足需求，并且質(zhì)量更要符合要求。

1.2 應(yīng)用總能系統(tǒng)

總能系統(tǒng)由煙氣余熱能量的高低決定，然后進(jìn)行能力、量匹配和利用，把動(dòng)能、熱能以及勢(shì)能等能量之間進(jìn)行配合和轉(zhuǎn)換利用。要對(duì)熱力、經(jīng)濟(jì)以及環(huán)保等因素進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)要全面提高設(shè)備的能源利用率，使能源利用達(dá)到最優(yōu)值。

煙氣余熱利用，是為了提高能源利用率，降低能源浪費(fèi)，不能為了回收而進(jìn)行回收，設(shè)計(jì)余熱利用方案要保證余熱回收后，系統(tǒng)還能正常進(jìn)行，且煙氣余熱利用設(shè)備是否能降低污染程度。

2 煙氣余熱應(yīng)用系統(tǒng)的熱力學(xué)研究

2.1 煙氣余熱應(yīng)用熱力學(xué)分析方法

根據(jù)能量守恒定律，總結(jié)出熱力系統(tǒng)常用的煙氣余熱應(yīng)用方法有：熱平衡法、等效焓降法、矩陣法等。

2.1.1 熱平衡法

熱平衡法是熱力系統(tǒng)最基本的分析方法，需要分別寫出熱力系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的能量平衡式，再成立方程求解，這是串聯(lián)算法。熱平衡法是在原來的汽水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過把原有汽水引入系統(tǒng)熱平衡中，進(jìn)而改變熱平衡結(jié)構(gòu)，然后再重新計(jì)算整個(gè)汽水系統(tǒng)的熱平衡，最后得出煙氣余熱利用系統(tǒng)的結(jié)果，并且這個(gè)方法適用范圍非常廣。在進(jìn)行手工計(jì)算時(shí)，要對(duì)每個(gè)方程式進(jìn)行計(jì)算，就是為了保證每個(gè)計(jì)算方程式中只能有一個(gè)未知數(shù)，計(jì)算要按照次序由高到低。

熱平衡法的計(jì)算方式是應(yīng)用了熱力學(xué)的第一定律，其原理簡(jiǎn)單明了，計(jì)算結(jié)果也比較可靠，但是計(jì)算過程比較繁瑣，工作量大且復(fù)雜。

2.1.2 等效焓降法

等效焓降法是根據(jù)熱力學(xué)中的熱能轉(zhuǎn)換原理，基于設(shè)備、熱力結(jié)構(gòu)和參數(shù)等特點(diǎn)，來研究熱能轉(zhuǎn)換的效率和熱量利用率。它是根據(jù)已經(jīng)確定的蒸汽參數(shù)和回?zé)釁?shù)，把燃料的燃燒量和機(jī)組蒸汽的流動(dòng)量都作為固定值，并且熱力系統(tǒng)的微小改變對(duì)各級(jí)抽汽產(chǎn)生影響，利用簡(jiǎn)單的局部運(yùn)算來代替整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算。

鍋爐煙氣變換熱量的前后焓值的變化量就時(shí)鍋爐余熱利用的熱量，通過鍋爐燃料數(shù)據(jù)，再結(jié)合熱力學(xué)的知識(shí)，就能計(jì)算出煙氣的組成部分和煙氣的排放的數(shù)值，從而再根據(jù)煙氣釋放熱量得到加熱過后凝結(jié)水的熱量。

2.2 尾部煙道側(cè)煙余熱回收子系統(tǒng)

為了減少空氣在鍋爐爐腔內(nèi)吸熱，在尾部煙道安置一個(gè)空氣余熱器，進(jìn)入鍋爐的空氣經(jīng)過余熱對(duì)煙氣釋放熱量Qk，為了能有效降低排煙的溫度，應(yīng)在預(yù)熱器出口處安裝一個(gè)低溫省煤器，可以回收更多的熱量。由于降低后的排煙溫度還會(huì)受到熱量轉(zhuǎn)換器材料低溫腐蝕性的局限，決定了煙氣余熱回收子系統(tǒng)能回收到的熱量Qd有最大值Qmax，由下面的計(jì)算公式計(jì)算可得：

（Qtot為排煙溫度降低到控制范圍內(nèi)的尾部煙氣的總熱量）

2.3 回?zé)嵯到y(tǒng)側(cè)排擠抽汽做功子系統(tǒng)

在電廠系統(tǒng)中，需要從汽機(jī)中抽取蒸汽來加熱凝結(jié)成水，所要抽取的蒸汽可以用于提高凝結(jié)水的溫度，相對(duì)應(yīng)的也可以節(jié)省抽蒸汽返回汽輪繼續(xù)做功。因此，是在消耗燃料量不改變的前提下，增加機(jī)組的總出功，進(jìn)一步提高了回?zé)嵯到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

熱功轉(zhuǎn)換也可以用等效焓降法來進(jìn)行分析?；?zé)嵯到y(tǒng)側(cè)排擠抽汽做功子系統(tǒng)回收到的熱量，其值可以根據(jù)下面這個(gè)公式計(jì)算：

（Do表示為機(jī)組的蒸汽流量，npj為低壓省煤器熱量的平均抽汽率）

3 基于能量梯級(jí)利用的系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 常規(guī)余熱利用系統(tǒng)節(jié)能效果有限的原因

百萬(wàn)千瓦的電廠機(jī)組鍋爐的排煙溫度一般都是在130℃左右，與汽機(jī)側(cè)回?zé)嵯到y(tǒng)中加熱器人口處的凝結(jié)水的溫度相比，我們可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)低溫省煤器回收的余熱熱量只能排擠出低壓加熱器部分的回?zé)?。如果再?duì)相關(guān)工程的約束進(jìn)一步考慮，余熱利用排擠抽汽的平均最高能達(dá)到第七級(jí)。

因此，高能級(jí)排汽對(duì)高品位、高質(zhì)量熱量的需求，與尾部煙氣回收的余熱質(zhì)量品味之間的能級(jí)品味差的矛盾，就是常規(guī)余熱利用系統(tǒng)節(jié)能效果有限的主要原因。因此，如何通過優(yōu)化余熱回收系統(tǒng)和排擠做功的能量匹配，以此來提高熱量做功的轉(zhuǎn)換效率，以便能利用可以回收的尾部煙氣的有限熱量來獲得更多的熱量，是提高煙氣余熱利用的重要問題。

3.2 能量梯級(jí)利用在余熱利用系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用

在熱能的利用過程中，既要保證數(shù)量滿足用戶的需求，還要能報(bào)證熱能的品味問題。高溫度高壓下的熱量比低溫度低壓下的熱能品味要高，因此，從能量轉(zhuǎn)換守恒的基本定律出發(fā)，采用能量梯級(jí)方法對(duì)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，不斷優(yōu)化能量利用方式，能大大減少能量品味的消耗，從而達(dá)到節(jié)能減排、提高能源利用率的效果。

主要根據(jù)溫度對(duì)口、能級(jí)匹配的原則，對(duì)鍋爐煙氣余熱回收子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在仍然使用原有空氣余熱加熱器，將鍋爐煙氣余熱回收子系統(tǒng)與空氣余熱加熱器串聯(lián)，從省煤器出口排出的高溫?zé)煔獠糠诌M(jìn)入到了旁邊的煙道中，進(jìn)行余熱回收，所回收到的煙氣余熱溫度將會(huì)得到很大的提高，進(jìn)一步提高了凝結(jié)水側(cè)的抽出點(diǎn)溫度，排擠抽氣的熱功也將得到很明顯的提升。但是由于能進(jìn)入到空氣余熱加熱器的煙氣熱量不斷減少，進(jìn)入到鍋爐中的空氣溫度降低后就會(huì)在鍋爐內(nèi)吸收大量的熱量。因此，必須在空氣余熱加熱器的出口添置一個(gè)冷空氣余熱加熱器，用較低品味的余熱對(duì)冷空氣進(jìn)行余熱后再送到空氣預(yù)熱器中。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)的熱力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析，從中可以發(fā)現(xiàn)，煙氣余熱利用率提高與煙氣在回收過程中的能量匹配有著密不可分的關(guān)系?；谀芰刻菁?jí)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，符合溫度對(duì)口，梯級(jí)利用的能源使用原則，從而大幅度提高了余熱回收的熱力特性。

根據(jù)對(duì)電廠鍋爐煙氣余熱應(yīng)用系統(tǒng)的熱力學(xué)研究，我們提出了優(yōu)化系統(tǒng)的方案，不僅能提高電廠鍋爐煙氣余熱回收率，最大限度減少了煙氣余熱帶走的熱量，減少動(dòng)力燃料的浪費(fèi)，從而促進(jìn)了電廠的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還能減輕對(duì)環(huán)境污染的程度。電廠的鍋爐煙氣余熱應(yīng)用系統(tǒng)的熱力學(xué)研究的方案不斷進(jìn)行優(yōu)化，比其他行業(yè)領(lǐng)先很多，總結(jié)了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)其他高耗能、能源需求大的行業(yè)提供了借鑒意見和方案。

［1］張?chǎng)?鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2015.

［2］楊勇平，黃圣偉，徐鋼，等.電站鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)的熱力學(xué)分析和優(yōu)化［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014（1）：78-83.

［3］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（1）：75-80.

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1674-6708（2016）168-0192-02

徐大朋，安徽池州九華發(fā)電公司發(fā)電部。