某600 MW機(jī)組煙氣余熱利用經(jīng)濟(jì)性分析

張 卿

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院，合肥 230011)

當(dāng)前火力發(fā)電廠(chǎng)鍋爐的各種熱損失中，鍋爐排煙熱損失占比達(dá)到一半或以上，燃煤機(jī)組空預(yù)器出口排煙溫度在130 ℃左右，有些電廠(chǎng)甚至達(dá)到160 ℃，排煙熱損失較大。為了減少排煙熱損失，合理利用煙氣余熱，火電行業(yè)對(duì)煙氣余熱利用開(kāi)展了廣泛研究[1-4]。

考慮煙氣余熱利用系統(tǒng)的初期投資和正常運(yùn)行時(shí)的機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益，目前余熱利用主要有以下幾種方式：

1)低溫省煤器系統(tǒng)。此類(lèi)煙氣余熱利用系統(tǒng)為目前采用最多的系統(tǒng)，此類(lèi)系統(tǒng)多采用1級(jí)或2級(jí)受熱面，受熱面安裝在電除塵器入口、脫硫吸收塔入口等位置?；厥盏臒崃坑糜诩訜岬蛪耗Y(jié)水。

2)低溫省煤器加暖風(fēng)器系統(tǒng)。此類(lèi)低溫省煤器系統(tǒng)煙氣換熱器布置在電除塵器入口，暖風(fēng)器布置在脫硫吸收塔入口。低溫省煤器主要用來(lái)加熱低壓凝結(jié)水，暖風(fēng)器主要采用閉式循環(huán)水作為換熱介質(zhì)來(lái)加熱空氣預(yù)熱器進(jìn)口一次風(fēng)、二次風(fēng)，該方案在國(guó)內(nèi)也有不少應(yīng)用?，F(xiàn)在還有一些機(jī)組采用低參數(shù)抽汽來(lái)加熱空氣預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)。

3)帶空氣預(yù)熱器旁路的余熱多能級(jí)利用系統(tǒng)[5-6]。該系統(tǒng)在空氣預(yù)熱器旁路中串聯(lián)布置加熱高壓給水的高溫省煤器(I級(jí))系統(tǒng)和加熱低壓凝結(jié)水的低溫省煤器(Ⅱ級(jí))系統(tǒng)；在空氣預(yù)熱器出口煙道設(shè)置暖風(fēng)器系統(tǒng)或低溫省煤器系統(tǒng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)煙氣熱量的梯級(jí)利用。

另外，還有出于環(huán)?？紤]而要求脫除白色煙羽，因而投用的低低溫?zé)煔馓幚硐到y(tǒng)(Mitsubishi recirculated nonleak type Gas-Gas Heater, MGGH)與低溫省煤器相結(jié)合的煙氣余熱利用系統(tǒng)等方案，此處不作贅述。

上述各種系統(tǒng)在新建項(xiàng)目中均有應(yīng)用，但對(duì)于現(xiàn)役機(jī)組改造，由于空間等條件限制，應(yīng)用相對(duì)較多的是低溫省煤器方案。

目前針對(duì)低溫省煤器的研究，主要集中在提出不同結(jié)構(gòu)的煙氣余熱利用系統(tǒng)方面。本文主要采用等效熱降理論建立計(jì)算模型，對(duì)煙氣余熱利用系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究。結(jié)合煙氣余熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算以及能量梯級(jí)利用的思想，本文介紹了一種新的煙氣余熱利用系統(tǒng)，能夠更高效地利用煙氣余熱，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

1 某600 MW機(jī)組余熱利用系統(tǒng)介紹

某超臨界600 MW機(jī)組鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠(chǎng)采用引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的HG-1900/25.4-YM4型、一次再熱、π型、變壓運(yùn)行直流鍋爐。汽輪機(jī)采用哈爾濱汽輪機(jī)廠(chǎng)制造的CLN600-24.2/566/566型凝汽式汽輪機(jī)。

煙氣余熱利用系統(tǒng)見(jiàn)圖1，采用傳統(tǒng)的低溫省煤器系統(tǒng)。低溫省煤器布置在空氣預(yù)熱器后、電除塵器前的水平煙道上。1臺(tái)爐布置4臺(tái)煙氣冷卻器，額定工況下將煙氣溫度由133.3 ℃降至95 ℃。

注：HTR為高壓加熱器

圖1 低溫省煤器汽機(jī)側(cè)布置圖

煙氣冷卻器工質(zhì)取自7號(hào)低壓加熱器出口，性能保證工況(THA工況)下取水溫度為75 ℃，水回流至6號(hào)低壓加熱器入口，回水溫度為101 ℃。為防止直接進(jìn)入煙氣冷卻器的凝結(jié)水水溫偏低，致使管束壁溫過(guò)低，產(chǎn)生低溫結(jié)露現(xiàn)象，本裝置需在凝結(jié)水進(jìn)出口管路間設(shè)置熱水的再循環(huán)系統(tǒng)，以保證煙氣冷卻器的進(jìn)口溫度能達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)溫度，保證設(shè)備安全運(yùn)行。另外，在機(jī)組部分負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，將部分煙氣冷卻器出口的凝結(jié)水與入口處較低溫度的凝結(jié)水按照一定比例混合，以達(dá)到提高煙氣冷卻器入口水溫的目的，這樣可以避免入口水溫較低而引起的機(jī)組安全性問(wèn)題。

2 熱力計(jì)算模型

火力發(fā)電廠(chǎng)煙氣余熱利用的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析方法，主要為適合于局部經(jīng)濟(jì)性診斷的等效熱降法[7]。等效熱降法是基于熱力學(xué)中的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)樽龉α康幕驹?，研究熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的一種方法。

等效熱降法分析的前提條件是已知機(jī)組的主蒸汽流量、供鍋爐燃燒的燃料量、熱力循環(huán)系統(tǒng)的起始和最終熱力參數(shù)，以及回?zé)嵯到y(tǒng)的參數(shù)。當(dāng)熱力系統(tǒng)中出現(xiàn)任何關(guān)乎熱力經(jīng)濟(jì)性的變動(dòng)時(shí)，機(jī)組出力和回?zé)嵯到y(tǒng)中的抽汽份額均會(huì)隨之產(chǎn)生變動(dòng)。根據(jù)以上理論分析，可進(jìn)行局部系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性診斷分析，得到回?zé)嵯到y(tǒng)各級(jí)的等效熱降和抽汽效率。

等效熱降Hj是單位質(zhì)量流量抽汽從j號(hào)加熱器抽汽口處返回汽輪機(jī)的真實(shí)做功能力，標(biāo)志著汽輪機(jī)各級(jí)抽汽口的蒸汽能級(jí)的高低。等效熱降表達(dá)式[7]為：

(1)

式中：hj為第j號(hào)加熱器抽汽焓，kJ/kg；hn為排汽焓，kJ/kg；r為第j號(hào)加熱器后更低壓力抽汽口腳碼；Ar根據(jù)加熱器類(lèi)型，取γr或者τr，如果第j號(hào)加熱器為匯集式加熱器，則用τr代替Ar,如果第j號(hào)加熱器為疏水自流式加熱器，則對(duì)于從第j號(hào)加熱器以下直到(包括)匯集式加熱器的部分，用γr代替Ar，γr為疏水在第r號(hào)加熱器中放熱量，kJ/kg；τr為凝結(jié)水或給水在第r號(hào)加熱器中的焓升，kJ/kg；Hr為第r級(jí)抽汽的等效焓降，kJ/kg；qr為抽汽在第r號(hào)加熱器中的放熱量，kJ/kg。

鍋爐煙氣通過(guò)煙氣深度冷卻系統(tǒng)(及低溫省煤器裝置)將余熱熱量輸入到汽輪機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)加熱器(如j號(hào)加熱器)。針對(duì)該情況，引入抽汽效率ηj的概念，其表達(dá)式為ηj=Hj/qj，物理意義為獲得的功與加入的熱量之比。

在如圖1所示的系統(tǒng)中，分析余熱利用經(jīng)濟(jì)性時(shí)，將來(lái)自爐側(cè)熱量作為純熱量進(jìn)行處理[8]。假設(shè)有熱量Qd通過(guò)低溫省煤器進(jìn)入回?zé)嵯到y(tǒng)，相對(duì)1 kg新蒸汽來(lái)說(shuō)，回?zé)嵯到y(tǒng)獲得的熱量為：

(2)

式中：D為新蒸汽量，kg/s；DH為凝結(jié)水經(jīng)過(guò)低溫省煤器的流量，kg/s；αH為凝結(jié)水經(jīng)過(guò)低溫省煤器的流量占新蒸汽量的比例；td1、td2為工質(zhì)進(jìn)、出低溫省煤器的焓值，kJ/kg。

按照等效熱降的基本法則，純熱量qd進(jìn)入回?zé)嵯到y(tǒng)時(shí)，新蒸汽的等效熱降增加量計(jì)算式如下：

ΔH=qd×ηj

(3)

投入低溫省煤器后裝置效率的提高值計(jì)算式如下：

(4)

式中：δηi為裝置效率。

熱耗率降低量計(jì)算式如下：

Δq=qδηi

(5)

式中：q為汽輪機(jī)熱耗率，kJ/(kW·h)。

標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低量計(jì)算式如下：

Δb=bbδηi

(6)

式中：bb為機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，g/(kW·h)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

采用性能測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)某600 MW機(jī)組在出力600 MW、450 MW以及300 MW工況下余熱利用實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算主要結(jié)果

機(jī)組在機(jī)組功率分別為600 MW、450 MW以及300 MW三種典型工況下熱耗降低值和節(jié)煤量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 余熱利用節(jié)能效益表

4 煙氣余熱梯級(jí)利用方案

上述低溫省煤器系統(tǒng)技術(shù)比較成熟，投產(chǎn)后運(yùn)行穩(wěn)定，但在煤種不斷變化的條件下，節(jié)能效果還有提高的空間。為此，改造時(shí)可采用相對(duì)復(fù)雜、節(jié)能量較大的方案，即梯級(jí)利用方案，見(jiàn)圖3。此方案采用2級(jí)低溫省煤器與暖風(fēng)器串聯(lián)布置的方式。

低溫省煤器布置在空氣預(yù)熱器出口與除塵器入口之間的水平煙道處，分2級(jí)布置，將5號(hào)低加入口設(shè)置為回水點(diǎn)。熱媒水在Ⅱ級(jí)低溫省煤器處吸熱后，將進(jìn)入空氣預(yù)熱器前的冷二次風(fēng)加熱到55 ℃左右。這樣可以提高空氣預(yù)熱器的冷端溫度，有效緩解空氣預(yù)熱器的堵塞。隨后，熱媒水返回I級(jí)低溫省煤器，吸熱后回到5號(hào)低加入口。低溫省煤器使煙溫降低至95 ℃后，使其進(jìn)入電除塵器。通過(guò)煙氣余熱梯級(jí)利用，有效提高了余熱利用效率，增加了節(jié)能量。

注：低省為低溫省煤器

圖3 煙氣余熱梯級(jí)利用方案

5 結(jié) 論

本文通過(guò)等效熱降方法，計(jì)算了煙氣余熱利用系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性，分析了三個(gè)典型工況下機(jī)組投用低溫省煤器系統(tǒng)時(shí)的節(jié)能量。通過(guò)分析可知，煙氣余熱利用系統(tǒng)在節(jié)約能源方面是很有意義的。今后的研究可以朝能量梯級(jí)利用方向繼續(xù)開(kāi)展。