火電機組節(jié)能改造技術(shù)研究

姚大春 張宏偉

摘 要：目前火力發(fā)電在我國電力行業(yè)中仍然占據(jù)著重要的位置，是電能生產(chǎn)的重要組成部分。隨著國家大力提倡、號召節(jié)能減排，逐步實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的能源戰(zhàn)略目標(biāo)，這就對火電廠的生產(chǎn)作業(yè)提出了更嚴(yán)格的要求，火電機組的運行也需要按照高標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。正是基于上述原因，火電機組的節(jié)能改造工作刻不容緩。本文以國電某發(fā)電廠600MW火電機組的設(shè)計方案和運行數(shù)據(jù)為依據(jù)，研究了低壓省煤器、暖風(fēng)器，以及暖風(fēng)器與低壓省煤器配合運行等余熱利用方案，將電驅(qū)動方式的給水泵替換為蒸汽方式驅(qū)動的給水泵?；诘刃峤捣ê推渌Ｒ?guī)的熱力學(xué)計算方法，分析了多種方案下的火電機組的煤炭消耗情況，并對比研究了多種方案的經(jīng)濟效果和節(jié)能效果，以及其適用范圍和優(yōu)缺點屬性。

關(guān)鍵詞：節(jié)能改造;等效熱降;余熱利用

中圖分類號：TM621? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）09-0155-05

Research On Thermal Power Unit Energy-Saving Retrofit Technology

Yao DaChun， Zhang Hongwei

（Tongliao Huolinhe Pithead Power Generration Co.，Ltd.， Tongliao 029200， China）

Abstract：At present， thermal power generation still occupies an important position in Chinas electric power industry and is an important part of electric energy production. As the country vigorously advocates and calls for energy conservation and emission reduction， and gradually realizes the energy strategy goal of energy conservation and environmental protection， which has put forward stricter requirements on the production and operation of thermal power plants， and the operation of thermal power units also needs to be carried out in accordance with high standards. Precisely for the above reasons， the energy-saving renovation of thermal power units cant be delayed. In this paper， based on the design scheme and operation data of a 600MW thermal power unit of a Guodian power plant， the waste heat utilization scheme such as low-pressure economizer， fan warmer， and the operation of fan warmer in cooperation with low-pressure economizer is investigated to replace the feedwater pump driven by electricity with the feedwater pump driven by steam. Based on the equivalent heat drop method and other conventional thermodynamic calculations， the coal consumption of thermal power units under various scenarios is analyzed， and comparative study of the economic and energy efficiency of various solutions， as well as their applicability and advantages and disadvantages attributes.

Key words：energy efficiency retrofits; equivalent heat loss; waste heat utilization

煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主體地位，但是對于煤炭的利用率與發(fā)達國家相比，還存在很大差距。我國在煤炭能源的應(yīng)用方面存在著巨大的節(jié)能潛力，節(jié)能減排是我國的一項重要戰(zhàn)略方針。特別是高能耗的火力發(fā)電行業(yè)，其節(jié)能改造工程刻不容緩。在火力發(fā)電行業(yè)必須要深入研究節(jié)能技術(shù)，提高火力發(fā)電效率，使得有限的煤炭資源得到高效的利用，獲得更高的經(jīng)濟效益。

1 等效熱降法

基于等效熱降法的精度較高的特點，其在熱力學(xué)分析中的應(yīng)用非常普遍。等效熱降法是一種熱平衡方法，能進行整體的熱力學(xué)計算，也能夠進行局部的定量分析。本文從熱系統(tǒng)節(jié)能理論的角度出發(fā)，對火電廠的工作原理、設(shè)備的節(jié)能技術(shù)等，采用等效熱降法搭建數(shù)學(xué)模型進行定量分析。

等效熱降法使用的基本原則是區(qū)分內(nèi)部熱量利用和外部熱量利用。這兩種能量利用對于設(shè)備的運行經(jīng)濟性會產(chǎn)生原則性影響。

內(nèi)部熱量利用情況下，循環(huán)功的增量為△H，這時的設(shè)備熱效率為：

其中：H為單位質(zhì)量新蒸汽所做的功，即等效熱降值;Q為循環(huán)吸熱量;△H為回收熱量所做的功。

由此可見，內(nèi)部熱量的回收利用都能夠提高設(shè)備的熱效率;外部熱量的利用，刨除回收熱量所做的功△H之外，循環(huán)吸熱量也會增加，即循環(huán)吸熱量由變?yōu)镼+△Q，這時的設(shè)備效率為：

由此可見，外部熱量的利用能夠降低設(shè)備的熱效率。

2 低壓省煤器技術(shù)

火電機組鍋爐的排煙溫度為120～140℃，當(dāng)使用高硫燃料時，其排煙溫度也對應(yīng)上升至150℃，為鍋爐配置暖風(fēng)器后，排煙溫度上升至160℃。排煙過程中損耗掉的熱能為電廠熱損耗的主要組成部分，所以說降低發(fā)電廠熱損耗的重要手段是對排煙余熱進行有效利用。低壓省煤器是一種對鍋爐排煙余熱進行有效利用的裝置。在對低壓省煤器進行分析的時候，將被循環(huán)利用的排煙余熱當(dāng)做余熱利用來處理。低壓省煤器主要分為串聯(lián)低壓省煤器和并聯(lián)低壓省煤器兩種，分別如圖1、圖2所示。

2.1 低壓省煤器數(shù)學(xué)模型

低壓省煤器的參數(shù)由鍋爐系統(tǒng)和汽輪機加熱系統(tǒng)兩大部分的熱力參數(shù)構(gòu)成，依據(jù)等效熱降法原理，搭建適用于火電機組低壓省煤器的常規(guī)數(shù)學(xué)模型。

（1）煙氣流通速率約束條件。最大值由管路磨損情況決定，最小值由管路堵塞情況決定，即：

（2）管壁溫度下限約束條件。管壁溫度下限需要高于煙氣酸露點，才能保證腐蝕程度盡量降低：

酸露點的求?。?/p>

其中，，。

式中，t1d為存在于煙氣中的水蒸氣的露點（單位為℃）;SII為經(jīng)過折算后然后中含硫百分比;AII為經(jīng)過折算后然后中含灰百分比;Sar和Aar為燃料中硫分和灰分的基含量百分比;Qar.net為燃料的低位基發(fā)熱量;ahf為飛灰量占總灰量的百分比。

（3）入口水溫約束條件。由約束條件（2）可知，管壁溫度下限值需要高于酸露點，又由于煙氣側(cè)的散熱系數(shù)要低于水側(cè)，所以管壁溫度近似等于水溫，所以入口水溫t0要低于出口的煙氣溫度t'y：

火電機組鍋爐的排煙溫度普遍是在120～150℃，該機組的排煙溫度為145.6℃。如果進水口的溫度高于89.5℃，則會降低換熱器的換熱效率，導(dǎo)致?lián)Q熱面積的增加。

（4）返回點約束條件。返回點的最遠(yuǎn)位置只能是除氧器：

其中PX為除氧器的序號。

（5）出水口溫度約束條件。為了抑制水沖擊的出現(xiàn)，出水口溫度t1必須低于對應(yīng)壓力下的飽和水溫，還必須有一定的富余;同時出水口溫度t1必須低于進口的煙氣溫度ty，并且加熱凝結(jié)水的水溫必須高于返回點位置的凝結(jié)水溫tc：

（6）分水流量約束條件。定義βd為分水流量與凝結(jié)水流量的比值，為了保證原有加熱器的工作穩(wěn)定性，要求該值必須小于0.5;βd的取值越低越利于低壓加熱器的工作，βd的下限值低于0.07時，對于水路的改造就無必要了：

（7）介質(zhì)焓升約束條件。為抑制下一級處理過程中的抽汽值為負(fù)，返回點位置的凝結(jié)水焓值不能高于下一級出水口的焓值，即：

（8）低壓省煤器煙側(cè)流阻約束條件。依據(jù)引風(fēng)機壓頭余量，煙側(cè)流阻要小于Pymax：

2.2 低壓省煤器技術(shù)改造方案

對比研究低壓省煤器布置在空預(yù)器后除塵器前，引風(fēng)機后脫硫塔前2種方式。方案1：會更好降低煙溫到100～120℃的最優(yōu)工作溫度，熱源溫度較高，凝結(jié)水經(jīng)余熱加熱后以更高的溫度返回?zé)崃ο到y(tǒng)，對煤炭能夠更好地實現(xiàn)節(jié)約;方案2：更利于延長換熱器的使用壽命，減小換熱面積，煤炭的節(jié)約量雖然低于方案1，煙氣中的堿性物質(zhì)已經(jīng)被除塵器吸收，煙氣呈現(xiàn)弱酸性，其布設(shè)位置不會對設(shè)備造成腐蝕，只需要對低壓省煤器的低溫材料部分和低壓省煤器與吸收塔之間的管路抗腐蝕進行考慮。最終確定采用方案2，其原理如圖3所示。

3 暖風(fēng)器與低壓省煤器配合運行技術(shù)

基于等效熱降法，單純從低壓省煤器的角度來分析系統(tǒng)的熱經(jīng)濟效益，無法完全反映實際的節(jié)能效果，需要結(jié)合暖風(fēng)器的工作情況，綜合分析暖風(fēng)器宇低壓省煤器配合運行時的節(jié)能效果。

3.1 暖風(fēng)器分析

3.1.1 暖風(fēng)器基本熱力學(xué)分析

煙氣中的SO2和SO3與水蒸氣之間發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)煙氣溫度達不到煙氣露點的情況下，在低溫受熱面上會出現(xiàn)低溫腐蝕現(xiàn)象，進而造成煙灰的積累，影響鍋爐的安全、穩(wěn)定運行。通常會采用暖風(fēng)器取汽機抽汽對空氣進行加熱處理，提高受熱面的溫度，抑制腐蝕效應(yīng)，但是會使得抽汽無法充分做功。這種方式不僅對系統(tǒng)的熱循環(huán)有好處，還使得空預(yù)器的進風(fēng)溫度得到了提高，從而改變了鍋爐的效率。配置暖風(fēng)器之后，整個系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性也發(fā)生了變化，即：

其中，δηg為鍋爐工作效率的相對變化率，qf為暖風(fēng)器單位吸熱量，δηco為系統(tǒng)熱經(jīng)濟性相對變化率，ηf為暖風(fēng)器汽源的抽汽工作效率，ηg為無暖風(fēng)器情況下鍋爐的工作效率，ηgd為管路熱傳導(dǎo)效率，ηi為系統(tǒng)的熱循環(huán)效率。

暖風(fēng)器基本熱力學(xué)分析是基于暖風(fēng)器自身的疏水抽汽加熱器前提進行的，該火力發(fā)電機組采用第4級抽汽對空氣進行預(yù)加熱，疏水經(jīng)由暖風(fēng)器傳輸?shù)匠跗骱投ㄅ艛U容器，本文的研究不考慮疏水方式對系統(tǒng)的影響。

3.1.2 暖風(fēng)器特性方程

暖風(fēng)器特性方程可以表示為：

抽汽效率臨界特性方程：

鍋爐經(jīng)濟指標(biāo)特性方程：

暖風(fēng)器熱量效益特性方程：

基于定風(fēng)溫的前提條件進行分析，即保證空預(yù)器不出現(xiàn)低溫硫腐蝕情況下最低入口風(fēng)溫保持恒定，對供氣源的臭氣效率差異引起的熱經(jīng)濟效益差異進行分析，發(fā)現(xiàn)僅僅是抽汽效率影響了熱經(jīng)濟效益。

3.2 暖風(fēng)器與低壓省煤器配合運行分析

采用暖風(fēng)器雖然能夠解決低溫硫腐蝕和灰塵堵塞，但是也造成了熱經(jīng)濟效益的降低，在參數(shù)設(shè)置不合適的情況下，會對系統(tǒng)的熱經(jīng)濟效益造成嚴(yán)重影響。在低壓省煤器投入運行的時候，暖風(fēng)器會造成低壓省煤器節(jié)能效果的減弱，所以說不能單獨分析二者各自獨立運行時的情況，必須對暖風(fēng)器與低壓省煤器的配合運行進行分析。

暖風(fēng)器和低壓省煤器配合運行時，系統(tǒng)的的經(jīng)濟效益為：

對暖風(fēng)器與低壓省煤器的配合運行進行分析能夠更精確的反映出低壓省煤器的節(jié)能效果;在運用低壓省煤器時，在能夠保證對空氣進行預(yù)加熱且不發(fā)生低溫腐蝕的時候，盡量利用低能級的抽汽對空氣進行預(yù)加熱。其應(yīng)用原理如圖4所示。

4 電驅(qū)動給水泵改造

由于給水泵是發(fā)電廠的核心，在對其進行配置時需要給與更多關(guān)注。由于我國的電網(wǎng)調(diào)度是基于發(fā)電機組的輸出功率作為基準(zhǔn)來進行的，所以當(dāng)發(fā)電機組的輸出功率一致時，采用汽動給水泵就能更大的輸出功率。對于該電廠的機組來說，當(dāng)周邊溫度較低的情況下，汽動給水泵的經(jīng)濟效益更高。結(jié)合熱力學(xué)公式及現(xiàn)場實際情況，計算得到汽動給水泵與電動給水泵的熱力學(xué)計算數(shù)據(jù)，如表1所示。

由表1的計算結(jié)果顯示，這種改變造成的影響為：

（1）由于進行了節(jié)能改造升級，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤炭消耗上升了3.69g/kW·h。

（2）對水泵配置變化進行分析可知，用兩臺汽動給水泵實現(xiàn)了對原先兩臺電動給水泵的替換，實現(xiàn)了系統(tǒng)用電率的降低，用電率總共降低了1.7%;所以在發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤炭消耗和系統(tǒng)用電率的共同作用下，供電標(biāo)準(zhǔn)煤炭消耗降低了3.26g/kW·h。

通過上述計算和分析可知，對于該發(fā)電廠的600MW直接空氣冷卻型火力發(fā)電機組來說，將其電動給水泵改造為汽動給水泵后，雖然小機需要單獨配置濕冷系統(tǒng)，但其最終總體上還是實現(xiàn)了供電標(biāo)準(zhǔn)煤炭消耗的降低。另外節(jié)能技術(shù)改造引起了發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤炭消耗的升高，但是由于系統(tǒng)用電率的下降，其總體結(jié)果是供電標(biāo)準(zhǔn)煤炭消耗的降低。該項節(jié)能技術(shù)改造能夠達到了節(jié)約能源的目的。

5 結(jié)論

（1）采用低壓省煤器對在用的火力發(fā)電機組進行節(jié)能改造的方案經(jīng)濟性較好，將排煙的余熱進行有效利用，對凝結(jié)水進行加熱，這是較為常規(guī)的余熱利用方式。改造技術(shù)無難點，易于實現(xiàn)，但是無法對余熱進行高效地利用，無法帶來顯著的節(jié)能效果。

（2）基于暖風(fēng)器的角度展開分析，對低壓省煤器和暖風(fēng)器配合運行工況的節(jié)能效果進行分析，能夠更為準(zhǔn)確的反映出低壓省煤器的節(jié)能效果，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。同時，對于暖風(fēng)器的供汽源要展開深入的分析、合理的設(shè)計，最大限度保證其抽汽效率能夠臨近或不高于臨界抽汽效率，最大限度使得暖風(fēng)器的熱經(jīng)濟效益得到提高，改善低壓省煤器的節(jié)能效果。

參考文獻

[1]張仁鋒，黃顯昌，孫希進.西北地區(qū)火電廠超低排放及節(jié)能改造技術(shù)路線選擇[J].電力科技與環(huán)保，2017，13（12）：29-33.

[2]沈峰，朱鵬達，譚銳.200MW機組三缸三排汽凝汽式汽輪機供熱改造研究[J].浙江電力，2017，11（16）：21-25.

[3]謝大幸，石永鋒，郝建剛，等.600MW等級亞臨界機組跨代升級改造技術(shù)應(yīng)用研究[J].發(fā)電與空調(diào)，2015，17（14）：57-63.

[4]施浩勛，孫永平，徐百成.適應(yīng)低負(fù)荷運行需求的600MW機組增效擴容改造技術(shù)分析與實踐[J].能源工程，2015，11（03）：21-25.

[5]何軍，馬大衛(wèi)，王正風(fēng)，等.安徽省煤電機組超低排放改造及CEMS驗收問題分析[J].中國電力，2018，13（19）：54-56.

[6]劉海峽，李前宇，王清.火電機組節(jié)能改造技術(shù)路線的綜合性研究[J].華北電力技術(shù)，2015，11（09）：27-30.

[7]沈峰，朱鵬達，譚銳.國產(chǎn)200MW供熱機型節(jié)能改造研究[J].能源與節(jié)能，2016，14（03）：13-17.

[8]郭永明，劉觀起，張豪，等.680MW超臨界機組軸流式引風(fēng)機變頻改造研究[J].中國電力，2015，11（19）：39-43.

[9]馬善軍，李少華，張莉，等.火電機組冷端系統(tǒng)優(yōu)化改造及分析[J].熱力發(fā)電，2017，15（09）：29-33.

[10]劉立華，魏湘，楊鐵峰，等.超臨界600 MW直接空冷機組雙背壓供熱改造技術(shù)[J].熱力發(fā)電，2018，17（11）：37-42.

[11]柳磊，王東，劉成，等.高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)在間接空冷機組上的應(yīng)用研究[J].電站系統(tǒng)工程，2019，13（07）：29-36.

[12]任淵源，沈又幸，李琪，等.600 MW級亞臨界機組提效升級和發(fā)展定位研究[J].電力勘測設(shè)計，2019，12（08）：19-23.

[13]何軍，馬大衛(wèi)，王正風(fēng)，等.安徽省煤電機組超低排放改造及CEMS驗收問題分析[J].中國電力，2018，16（06）：19-24.

[14]王偉，陳鋼，常東鋒，等.超級電容輔助燃煤機組快速調(diào)頻技術(shù)研究[J].熱力發(fā)電，2020，13（11）：39-43.

[15]曹沂，楊希剛，王雙童.燃煤機組節(jié)能降耗綜合提效技術(shù)研究及應(yīng)用[J].電力科技與環(huán)保，2018，11（09）：29-34.