多變量因素下的鍋爐低壓省煤器節(jié)能效果測(cè)試與分析

王學(xué)棟，仲昭偉，董洋，朱同兵

（1．華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030；2．華電龍口發(fā)電股份有限公司，山東省 龍口市 265700）

0 引言

國(guó)內(nèi)燃煤鍋爐普遍存在排煙溫度偏高的問(wèn)題，排煙溫度嚴(yán)重超溫不僅影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，而且還影響空氣預(yù)熱器運(yùn)行的安全性，因此，降低排煙溫度對(duì)于節(jié)能降耗、提高鍋爐的安全可靠性具有重要的實(shí)際意義。目前鍋爐煙氣余熱回收方案主要有加熱凝結(jié)水方案、加熱空氣預(yù)熱器入口冷空氣方案、加熱空氣預(yù)熱器入口冷空氣與加熱凝結(jié)水逐級(jí)利用聯(lián)合方案。對(duì)于鍋爐排煙溫度嚴(yán)重高于設(shè)計(jì)值問(wèn)題，在鍋爐尾部煙道加裝低壓省煤器能夠有效利用鍋爐排煙余熱，具有良好的節(jié)能效果[1-2]。

西安交通大學(xué)的林萬(wàn)超利用等效焓降理論對(duì)低壓省煤器系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了深入的分析；東北電力大學(xué)的周振起等利用等效焓降原理對(duì)燃煤機(jī)組增裝低壓省煤器的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，計(jì)算出其節(jié)能效果；山東大學(xué)黃新元等對(duì)電站系統(tǒng)低壓省煤器優(yōu)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行了深入的研究，提出了電站系統(tǒng)低壓省煤器優(yōu)化設(shè)計(jì)的通用數(shù)學(xué)模型。以上學(xué)者偏重于低壓省煤器節(jié)能效果的理論分析，而許多文章中所廣泛報(bào)道的低壓省煤器節(jié)能效果都是利用等效焓降法或熱力性能試驗(yàn)法對(duì)機(jī)組投、停低壓省煤器的幾個(gè)運(yùn)行工況進(jìn)行試驗(yàn)和計(jì)算[3-8]，還沒(méi)有文章和專著對(duì)各種工況下低壓省煤器的節(jié)能效果進(jìn)行分析和論述。本文對(duì)低壓省煤器運(yùn)行工況和節(jié)能效果進(jìn)行多變量的性能測(cè)試，并用等效焓降法計(jì)算了典型工況下的節(jié)能效果，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)低壓省煤器的運(yùn)行方式和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以得到最佳的運(yùn)行方式和運(yùn)行參數(shù)。

圖1 低壓省煤器熱力系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of thermal system of theLP economizer

1 低壓省煤器的節(jié)能原理

1.1 低壓省煤器的連接方式

低壓省煤器裝在鍋爐尾部煙道，結(jié)構(gòu)與一般省煤器相仿，典型的低壓省煤器熱力系統(tǒng)如圖 1所示。低壓省煤器與主凝結(jié)水系統(tǒng)成并聯(lián)布置，其進(jìn)口水取自汽輪機(jī)的低壓回?zé)嵯到y(tǒng)，低壓省煤器的進(jìn)水量、進(jìn)水溫度均可在運(yùn)行中調(diào)節(jié)，進(jìn)入低壓省煤器的凝結(jié)水吸收鍋爐排煙熱量后，回到凝結(jié)水系統(tǒng)與主凝結(jié)水匯合。這種連接方式，進(jìn)入低壓省煤器的凝結(jié)水跨過(guò)若干級(jí)加熱器，利用級(jí)間壓降克服低壓省煤器本體及連接管路的流阻，不必增設(shè)水泵，提高了運(yùn)行可靠性，同時(shí)有效實(shí)現(xiàn)了排煙余熱的梯級(jí)利用[9-11]。

1.2 低壓省煤器節(jié)能效果分析方法

低壓省煤器把煙氣余熱輸入凝結(jié)水回?zé)嵯到y(tǒng)中會(huì)減少部分低加抽汽，增加了汽輪機(jī)的冷源損失，導(dǎo)致熱力循環(huán)效率降低，并且減少的部分抽汽量會(huì)增加凝汽器的排汽使汽輪機(jī)真空有所降低。但增設(shè)低壓省煤器后，大量煙氣余熱進(jìn)入機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)，汽輪機(jī)組從外部獲取了這部分熱量，減少的抽汽在汽輪機(jī)低壓缸中繼續(xù)做功，新增了一定的做功能力，這個(gè)新增的額外熱功遠(yuǎn)大于因減少抽汽和汽輪機(jī)真空微降所引起的熱功損失，所以在一定程度上提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。目前分析低壓省煤器熱經(jīng)濟(jì)性的兩種主流方法是：等效焓降法和汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)法。

1）等效焓降法。等效焓降法是將低壓省煤器回收的排煙余熱作為純熱量輸入系統(tǒng)，而鍋爐產(chǎn)生1 kg新汽的能耗不變，熱系統(tǒng)所有排擠抽汽所增發(fā)的功率，都使汽輪機(jī)組的熱效率增加。所謂等效焓降法，是根據(jù)已選定的蒸汽初、終參數(shù)和回?zé)釁?shù)，并以機(jī)組的新蒸汽流量和燃料供熱量均系定值為前提，在這樣的條件下，熱力系統(tǒng)任何影響熱經(jīng)濟(jì)性的微小變化，只與機(jī)組的功率變化有關(guān)，不會(huì)使各級(jí)抽汽流量全部發(fā)生變化，只對(duì)某幾級(jí)的抽汽流量和熱量進(jìn)行定量計(jì)算，即可求得整個(gè)熱力系統(tǒng)變化的經(jīng)濟(jì)效果。

2）汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)法。熱力性能試驗(yàn)法是直接對(duì)機(jī)組投、停低壓省煤器的運(yùn)行工況進(jìn)行性能試驗(yàn)，由得到的機(jī)組熱耗率的變化分析低壓省煤器的節(jié)能效果。低壓省煤器回收的排煙余熱作為純熱量輸入系統(tǒng)，而鍋爐產(chǎn)生1 kg新汽的能耗不變，熱系統(tǒng)所有排擠抽汽所增發(fā)的功率，都使汽輪機(jī)的效率增加、熱耗率降低，而降低的熱耗率即為投運(yùn)低壓省煤器的節(jié)能效果。

2 多變量因素下的低壓省煤器節(jié)能效果測(cè)試

低壓省煤器節(jié)能效果測(cè)試在某220 MW機(jī)組上進(jìn)行，通過(guò)測(cè)試低壓省煤器多個(gè)運(yùn)行參數(shù)變化及相應(yīng)工況下的節(jié)能效果，比較不同工況、不同低壓省煤器運(yùn)行方式下的節(jié)能效果，以進(jìn)一步確定低壓省煤器運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行方式對(duì)節(jié)能效果的影響。

2.1 低壓省煤器連接方式與性能參數(shù)

機(jī)組低壓省煤器連接方式屬于混合型的連接方式，從6號(hào)低加、7號(hào)低加、8號(hào)低加分別引出凝結(jié)水經(jīng)混合后依次送往脫硫低壓省煤器和鍋爐低壓省煤器(以下統(tǒng)稱“低壓省煤器”)加熱，加熱后的凝水回到5號(hào)低加出口或6號(hào)低加出口，與主凝結(jié)水一起進(jìn)入除氧器，具體系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 低壓省煤器連接系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of LP economizer connection system

低壓省煤器設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 低壓省煤器設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1 Design parameters of LP economizer

2.2 低壓省煤器多變量因素下節(jié)能效果測(cè)試

針對(duì)以上低壓省煤器系統(tǒng)，通過(guò)變化低壓省煤器多個(gè)運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行不同目的試驗(yàn)：低壓省煤器最佳分水流量試驗(yàn)、低壓省煤器出口至主凝結(jié)水系統(tǒng)最佳回水位置試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牟煌O(shè)計(jì)了不同的試驗(yàn)工況。

2.2.1 低壓省煤器最佳分水流量試驗(yàn)

進(jìn)入低壓省煤器的凝水來(lái)自于7號(hào)低加或6號(hào)低加出口，經(jīng)低壓省煤器加熱后引至5號(hào)低加出口，為比較7號(hào)低加出口與6號(hào)低加出口凝水量對(duì)低壓省煤器節(jié)能效果的影響，進(jìn)行如下工況的試驗(yàn)：1）180 MW工況下，6號(hào)低加出水進(jìn)低壓省煤器流量100、150、200、270 t/h；7號(hào)低加出水進(jìn)低壓省煤器流量100、150、200、270 t/h；2）220 MW工況下，6號(hào)低加出水進(jìn)低壓省煤器流量150、190、240、300 t/h；7號(hào)低加出水進(jìn)低壓省煤器流量150、190、240、300 t/h。

2.2.2 低壓省煤器出口最佳回水位置試驗(yàn)

進(jìn)入低壓省煤器的凝水來(lái)自于8號(hào)低加或7號(hào)低加出口，經(jīng)低壓省煤器加熱后引至5號(hào)低加或6號(hào)低加出口，為分析比較凝水經(jīng)低壓省煤器加熱后引至主凝水系統(tǒng)不同位置的節(jié)能效果，進(jìn)行如下工況的試驗(yàn)：1）220 MW工況下，低壓省煤器出口凝結(jié)水引至5號(hào)低加出口，低壓省煤器出口煙溫99 ℃；2）220 MW工況下，低壓省煤器出口凝結(jié)水引至6號(hào)低加出口，低壓省煤器出口煙溫96 ℃；3）110 MW工況下，低壓省煤器出口凝結(jié)水引至6號(hào)低加出口，低壓省煤器出口煙溫91 ℃。

3 低壓省煤器多變量因素變化下的節(jié)能效果

3.1 低壓省煤器最佳分水流量試驗(yàn)結(jié)果

利用等效焓降法計(jì)算低壓省煤器最佳分水流量試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果如表2—3所示。

由表2—3可以看出，在180 MW和220 MW工況下，當(dāng)?shù)蛪菏∶浩鬟M(jìn)水流量較大時(shí)(200~270 t/h)，6號(hào)低加出水進(jìn)低壓省煤器的節(jié)能效果比較好，分析原因是7號(hào)低加出水低壓省煤器雖然使6號(hào)低加抽汽量減少，但低壓省煤器出水溫度低于5號(hào)低加出水溫度，導(dǎo)致除氧器抽汽量增加，高品質(zhì)的抽汽量增加，機(jī)組低壓缸做功量減少，經(jīng)濟(jì)性降低，因此建議投用6號(hào)低加出水進(jìn)低壓省煤器的運(yùn)行方式。

由以上試驗(yàn)結(jié)果做出220 MW工況下，6號(hào)低加出水進(jìn)低壓省煤器流量對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響的趨勢(shì)圖，以確定6號(hào)低加出口的最佳分水流量，如圖3所示。

表2 220 MW工況下6號(hào)、7號(hào)低加出水進(jìn)低壓省煤器流量變化試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Test results of change condensate water flow into LP economizer from NO.6 or NO.7 LP heater outlet under the condition of 220 MW

表3 180 MW工況下6號(hào)、7號(hào)低加出水進(jìn)低壓省煤器流量變化試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Test results of change condensate water flow into LP economizer from NO.6 or NO.7 LP heater outlet under the condition of 180 MW

由圖3所示，機(jī)組在220 MW工況下，6號(hào)低加出水進(jìn)低壓省煤器最佳流量為250 t/h左右。從以上兩個(gè)工況的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在高流量運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入低壓省煤器的流量變化對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響變化量較小。以220 MW工況為例，進(jìn)水流量分別為 240、270 t/h時(shí)，機(jī)組熱效率分別提高0.645 1%、0.635 5 %，差值為0.01%，按機(jī)組熱耗率8500 kJ/(kW·h)計(jì)算，影響熱耗率差值為0.85 kJ/(kW·h)，說(shuō)明高流量之間的節(jié)能效果相差很小。

圖3 220 MW工況最佳分水流量趨勢(shì)圖Fig. 3 Trend chart of the optimal water flow rate under 220 MW condition

3.2 低壓省煤器出口最佳回水位置試驗(yàn)結(jié)果

利用等效焓降法計(jì)算低壓省煤器出水至主凝結(jié)水系統(tǒng)最佳回水位置的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表4中試驗(yàn)結(jié)果可以看出，增加低壓省煤器進(jìn)水流量可以降低排煙溫度，但同時(shí)低壓省煤器的出口水溫也隨著降低。由于該低壓省煤器設(shè)計(jì)出口是引至5號(hào)低加出口，當(dāng)?shù)蛪菏∶浩鞒隹谒疁氐陀?號(hào)低加出口水溫時(shí)勢(shì)必增加四段抽汽量來(lái)彌補(bǔ)加熱不足。因此只有當(dāng)?shù)蛪菏∶浩鞒隹跍囟嚷愿哂?5號(hào)低加出口水溫運(yùn)行時(shí)才比較經(jīng)濟(jì)，否則，增加低壓省煤器進(jìn)水流量，節(jié)能效果相比最佳工況降低。在管道阻力滿足運(yùn)行要求的前提下，如將低壓省煤器出水引至6號(hào)低加出口，如表中工況2所示，可以增加低壓省煤器的進(jìn)水流量，降低低壓省煤器的出水溫度和排煙溫度，鍋爐排煙余熱能夠得進(jìn)一步利用，機(jī)組熱效率提高更大。通過(guò)試驗(yàn)及模擬計(jì)算結(jié)果證明低壓省煤器出口凝水引至6號(hào)低加出口比引至5號(hào)低加出口經(jīng)濟(jì)性要好，上述工況2與工況1相比，機(jī)組熱效率提高的差值0.701%，熱耗率差59.6 kJ/(kW·h)。

4 低壓省煤器節(jié)能效果分析與運(yùn)行優(yōu)化

以上試驗(yàn)結(jié)果分析了某220 MW機(jī)組低壓省煤器不同系統(tǒng)運(yùn)行方式、不同多變量因素變化下的節(jié)能效果。由分析結(jié)果可以看出，低壓省煤器進(jìn)水流量、進(jìn)水溫度、出水溫度對(duì)節(jié)能效果影響最大，低壓省煤器運(yùn)行工況的調(diào)整直接影響其節(jié)能效果。即使同一個(gè)系統(tǒng)的不同次試驗(yàn)，進(jìn)入低壓省煤器的凝結(jié)水流量和溫度發(fā)生變化，造成低壓省煤器的出口水溫不同，低壓省煤器的節(jié)能效果也不同。

根據(jù)等效焓降法計(jì)算低壓省煤器性能試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果顯示在低壓省煤器進(jìn)口水溫一定的條件下，調(diào)節(jié)低壓省煤器入口凝水流量降低省煤器出口煙溫的同時(shí)，還要保證低壓省煤器出口水溫高于回到主凝水系統(tǒng)匯合點(diǎn)前的低加出口水溫，這時(shí)低壓省煤器的運(yùn)行才會(huì)比較經(jīng)濟(jì)，否則，增加低壓省煤器進(jìn)水流量，節(jié)能效果相比最佳工況降低。

在機(jī)組日常運(yùn)行投用低壓省煤器時(shí)，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化及燃燒的煤種，控制低壓省煤器出口煙溫不低于低壓省煤器出口的設(shè)計(jì)溫度，從而確定低壓省煤器的進(jìn)水流量和進(jìn)水溫度，確定低加出口進(jìn)低壓省煤器的分水流量。對(duì)于上文中的220 MW機(jī)組低壓省煤器系統(tǒng)，低壓省煤器出水回到主凝水系統(tǒng)中的5號(hào)低加出口時(shí)，則優(yōu)先利用6號(hào)低加出口的凝結(jié)水，在180~220 MW工況下，低壓省煤器的進(jìn)水流量在200~270 t/h之間，只要保證低壓省煤器的出水溫度不低于5號(hào)低加出水溫度，低壓省煤器的節(jié)能效果變化不大，在此工況下，可以不需頻繁地調(diào)節(jié)低壓省煤器的進(jìn)水流量，降低了運(yùn)行調(diào)整的工作量。

表4 低壓省煤器出口至凝水管道最佳回水位置試驗(yàn)結(jié)果表Tab. 4 Test results of optimal water returning location from LP economizer outlet to main condensate system

如鍋爐排煙溫度較高時(shí)，為進(jìn)一步降低排煙溫度，可以分流7號(hào)、8號(hào)低加出水進(jìn)低壓省煤器，在此工況下，應(yīng)使低壓省煤器出水引至6號(hào)低加出口，并使低壓省煤器出水溫度高于6號(hào)低加出水溫度，此時(shí)低壓省煤器的節(jié)能效果最佳，在220 MW試驗(yàn)工況下，從8號(hào)低加和7號(hào)低加出口抽取凝結(jié)水370 t/h，經(jīng)低壓省煤器加熱后回水至6號(hào)低加出口，排煙溫度降至96℃時(shí)，機(jī)組熱效率提高 2.003 %，如機(jī)組熱耗率取 8500 kJ/(kW·h)，可以使機(jī)組運(yùn)行熱耗率降低 170.3 kJ/(kW·h)，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明，低壓省煤器采用這種運(yùn)行方式，節(jié)能效果更佳，值得在類似的技改項(xiàng)目中借鑒。

5 結(jié)論

1）多變量條件下的低壓省煤器試驗(yàn)結(jié)果表明，在低壓省煤器進(jìn)口水溫一定的條件下，調(diào)節(jié)低壓省煤器入口凝水流量降低鍋爐排煙溫度的同時(shí)，還要保證低壓省煤器出口水溫高于回到凝水系統(tǒng)匯合點(diǎn)前的低加出口水溫，這時(shí)低壓省煤器的運(yùn)行才會(huì)比較經(jīng)濟(jì)，否則，增加低壓省煤器進(jìn)水流量，節(jié)能效果相比最佳工況降低，對(duì)不同的低壓省煤器運(yùn)行方式，都存在一個(gè)最佳回水位置和最佳進(jìn)水流量。

2）試驗(yàn)結(jié)果表明，來(lái)自于7號(hào)、8號(hào)低加出水進(jìn)入低壓省煤器，經(jīng)加熱后引至6號(hào)低加出口，并使低壓省煤器出水溫度高于6號(hào)低加出水溫度時(shí)，低壓省煤器的節(jié)能效果最佳。在220 MW試驗(yàn)工況下，從8號(hào)低加和7號(hào)低加出口抽取凝結(jié)水370 t/h，經(jīng)低壓省煤器加熱后回水至6號(hào)低加出口，排煙溫度降至 96 ℃時(shí)，機(jī)組熱效率提高2.003%。

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