燃煤鍋爐煙氣余熱回收與節(jié)能分析

劉婷婷

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦水暖隊(duì)，山西 大同 037017)

引 言

山西大同某發(fā)電站位于山西省大同市云岡區(qū)塔山工業(yè)園區(qū)，成立于2015年8月4日，占地190 770 m2。針對(duì)該公司一臺(tái)660 MW超臨界電站鍋爐的特點(diǎn)為其設(shè)計(jì)低溫省煤器，實(shí)現(xiàn)余熱回收與節(jié)能的目的。該電站鍋爐的熱效率比較高，都在90%以上，鍋爐尾部排煙溫度比較低，都在150 ℃左右。

1 技術(shù)要求和技術(shù)規(guī)范

該工程鍋爐是1臺(tái)660 MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的鍋爐設(shè)備，尾部煙氣的流程為：爐膛出口的尾部煙氣-脫硝SCR反應(yīng)器-空氣預(yù)熱器-除塵器-引風(fēng)機(jī)-脫硫吸收塔-煙囪。

低溫余熱回收省煤器將安裝在空氣預(yù)熱器和電除塵器之間的煙道上，共有4個(gè)并列煙道，煙道的截面尺寸為4 800 mm×4 200 mm，可利用的煙道長(zhǎng)度約為10 m。煙道接近地面，呈水平放置。

鍋爐容量和主要參數(shù)為：主蒸汽溫度為571 ℃，最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)為2 070 t/h，最終與汽輪機(jī)的VWO工況相匹配。在不同的發(fā)電負(fù)荷下排煙溫度的變化見(jiàn)表1所示。

表1 不同發(fā)電負(fù)荷下的排煙溫度

省煤器的給水引自凝結(jié)水系統(tǒng)，屬于煙氣加熱給水的低溫省煤器。為了防止露點(diǎn)腐蝕，換熱設(shè)備的低溫段采用ND鋼(09 CrCuSb)，ND鋼使用量不低于換熱面總質(zhì)量的50%。

每套煙氣余熱回收裝置必須配置有效的檢漏措施；換熱器需要進(jìn)行分組設(shè)計(jì)和制造，當(dāng)其中一組出現(xiàn)泄漏需要維修時(shí)，能退出余熱回收裝置，不影響其他分區(qū)的正常運(yùn)行[1-3]。

在每個(gè)煙氣的入口和出口處應(yīng)合理布置適當(dāng)數(shù)量的煙氣溫度測(cè)點(diǎn)、管道泄漏在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置。水側(cè)應(yīng)合理設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足傳熱和阻力的要求。應(yīng)考慮設(shè)置增壓泵并使用變頻調(diào)節(jié)來(lái)控制總流量。

2 技術(shù)數(shù)據(jù)

在鍋爐的煙氣總流量中，有并列4個(gè)進(jìn)入除塵器的排出煙道，在每個(gè)煙道上安裝一臺(tái)低溫省煤器，每臺(tái)省煤器的設(shè)計(jì)條件和結(jié)構(gòu)完全相同[4]。熱平衡計(jì)算的參數(shù)見(jiàn)第175頁(yè)表2所示。

表2 熱平衡計(jì)算參數(shù)表

3 環(huán)形翅片管省煤器設(shè)計(jì)方案

該方案特點(diǎn)：煙氣在水平煙道內(nèi)流動(dòng)，無(wú)須改變煙道方向。因環(huán)形翅片管排列緊密，換熱系數(shù)高，可使結(jié)構(gòu)緊湊，總質(zhì)量減少，成本較低。程序計(jì)算結(jié)果如下：

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)/單臺(tái)

煙氣流量：785 340 kg/h；煙氣入口溫度：140 ℃；煙氣出口溫度：95 ℃；水流量：308 526.4 kg/h；水入口溫度：70 ℃；水出口溫度：100 ℃；換熱量：10 798.4 kW。

3.2 翅片管規(guī)格

整體軋制環(huán)形翅片管，碳鋼/ND鋼。光管外徑：42 mm；光管內(nèi)徑：32 mm翅片厚度：1.2 mm；翅片節(jié)距：8 mm翅片高度：15 mm；翅化比：6.2。

3.3 傳熱計(jì)算結(jié)果

迎風(fēng)面質(zhì)量流速：4.81 kg/m2·s；最窄面質(zhì)量流速：10.0 kg/m2·s；翅片效率：0.73；翅片管外換熱系數(shù)：91.7 W/m2·℃；基管外換熱系數(shù)：435.8 W/m2·℃；單管程管子數(shù)：114支；管內(nèi)換熱系數(shù)：6 127.5 W/m2·℃；傳熱系數(shù)：310.8 W/m2·℃；傳熱溫差：28.7 ℃；計(jì)算傳熱面積：1 210.6 m2。

3.4 換熱器結(jié)構(gòu)

迎風(fēng)面積：45.325 m2；翅片管長(zhǎng)度：8.75 m，迎風(fēng)面寬度：5.18 m；翅片管橫向管間距：0.09 m；翅片管橫向管排數(shù)：57排；翅片管縱向管排數(shù)：20排；翅片管總數(shù)：1 140支；實(shí)取傳熱面積：1 331.7 m2；煙氣流動(dòng)阻力：884.5 Pa；單排翅片管流動(dòng)阻力：44.2 Pa。

3.5 質(zhì)量和造價(jià)

單支翅片管質(zhì)量：73.298 kg/支；單臺(tái)翅片管總質(zhì)量：83 559.72 kg；單臺(tái)設(shè)備總質(zhì)量(約)：133 695 kg/臺(tái)4臺(tái)設(shè)備總質(zhì)量：534.8 t。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 工程投資

換熱器造價(jià)2.0萬(wàn)元/t；4臺(tái)省煤器總質(zhì)量534.8 t；4臺(tái)省煤器造價(jià)1 069.6萬(wàn)元；4臺(tái)設(shè)備售價(jià)1 400萬(wàn)元；現(xiàn)場(chǎng)改造費(fèi)用約100萬(wàn)元；不可預(yù)見(jiàn)費(fèi)用100萬(wàn)元；總投資1 600萬(wàn)元。

4.2 投資效果

總回收熱量Q=43 192 kW；煤的低熱值Qdw=13 840 kJ/kg；鍋爐總熱效率m=0.9 251；每秒節(jié)煤量43 192 kg，每小時(shí)節(jié)煤量12 132 kg；每小時(shí)滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電量66 000 kW·h；1 h內(nèi)，每度電節(jié)煤量18.4 g煤炭。因?yàn)槿紵氖呛置?，熱值很低，所以?jié)煤量較大。

4.3 投資回收期

每天節(jié)煤量291.168 t；設(shè)每噸煤價(jià)為200元，每天收益為58 233.6元。設(shè)每天運(yùn)行成本為3 000元，每天凈收益為5.52萬(wàn)元。

投資回收期=總投資/每天凈收益=1 600萬(wàn)/5.53萬(wàn)/d=289 d說(shuō)明工程總投資不到1年即可回收。

5 省煤器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

省煤器結(jié)構(gòu)如圖1所示，縱向5組管屏，每管屏由2個(gè)管程，4排管組成，每管屏的翅片管總數(shù)為4×57支。

圖1 省煤器的組合結(jié)構(gòu)示意圖

圖中的尺寸大約為：A=0.6 m，B=5.8 m，C=9.2 m。各管屏的翅片管材質(zhì)：從煙氣人口：1、2、3管屏為20 g碳鋼，45管屏為ND鋼。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊要求：因?yàn)椴捎昧朔煮w式結(jié)構(gòu)，省煤器由幾個(gè)獨(dú)立的管屏組成，但在運(yùn)行時(shí)各管屏必須精密地結(jié)合在一起，因而在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)要給予特殊的考量：1) 安裝時(shí)，各管屏之間要用易拆卸結(jié)構(gòu)加以固定，管屏之間的安裝間隙要填入耐熱巖棉或其他柔軟的耐熱材料；2) 管屏之間的進(jìn)出水管安排在管箱上部，兩管屏之間的連接水管要采用易拆卸可伸縮結(jié)構(gòu)；3) 在管屏之間可以安裝測(cè)溫器或吹灰器；4) 每個(gè)管屏上方應(yīng)設(shè)有吊裝掛鉤，以方便安裝和維修[5-6]。

6 結(jié)論

上述設(shè)計(jì)參數(shù)是在用戶(hù)的招標(biāo)文件中提出的，設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，低溫省煤器的傳熱面積過(guò)大，縱向管排數(shù)過(guò)多，共20排，需要5組管屏，制造成本較高。經(jīng)過(guò)協(xié)商，決定修改設(shè)計(jì)參數(shù)：將原來(lái)的煙氣進(jìn)出口溫度：140 ℃～95 ℃修改為140 ℃～105 ℃，水的入口、出口溫度和其他參數(shù)不變。

綜上所述，對(duì)低溫排煙的余熱回收，不宜追求過(guò)高的余熱回收量和過(guò)高的余熱回收效率，否則將使工程的經(jīng)濟(jì)性大幅下降，不利于余熱回收項(xiàng)目的實(shí)行和推廣。