淺談1240MW機(jī)組電廠煙氣余熱再利用

曾銀佳

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

1 工程大氣污染物排放執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

按照國家標(biāo)準(zhǔn)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，工程屬于非重點(diǎn)地區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)煙塵允許排放濃度為30mg/Nm3（干基）。但為了響應(yīng)國家《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》文件對企業(yè)污染治理要確保達(dá)標(biāo)排放，甚至達(dá)到近零排放的要求，擴(kuò)建工程的煙塵排放濃度指標(biāo)具有前瞻性，煙塵排放濃度執(zhí)行燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，即電廠煙囪出口的煙塵排放濃度不超過10mg/Nm3。

2 工程除塵方案

為了滿足煙囪出口煙塵排放濃度不超過10mg/Nm3的標(biāo)準(zhǔn)，工程推薦采用干式除塵器的除塵方案。工程干式除塵器推薦選用三室五電場靜電除塵器，靜電除塵器采用低低溫電除塵器+高頻電源的強(qiáng)化除塵措施。

低低溫靜電除塵器設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是入口煙溫應(yīng)選擇恰當(dāng)，煙氣溫度高于露點(diǎn)溫度太多，粉塵微孔內(nèi)吸附的SO3不能凝結(jié)成電解質(zhì)，除塵效果會(huì)大打折扣；煙氣溫度低于露點(diǎn)溫度太多，除塵內(nèi)一些存在漏風(fēng)的局部低溫區(qū)域會(huì)結(jié)露，會(huì)引起設(shè)備腐蝕或者電氣短路的問題。按照國外長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，煙氣溫度控制在酸露點(diǎn)左右運(yùn)行效果最好[2]。

3 輸入資料

3.1 煤質(zhì)資料

設(shè)計(jì)煤種屬于中高揮發(fā)分、中等灰分、中等水分、中等熱值的煙煤，煤質(zhì)資料見表1。

表1 煤質(zhì)資料

3.2 主機(jī)規(guī)范

鍋爐爐型：鍋爐為高效超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐、一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式布置。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量3700t/h，出口蒸汽參數(shù)為29.4MPa（a）/605/623℃。

汽輪機(jī)形式：一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)，額定功率1240MW，主蒸汽流量3700t/h，入口參數(shù)為28MPa（a）/600/620℃。

3.3 低溫省煤器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算的其他邊界條件

低溫省煤器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算的其他邊界條件包括鍋爐設(shè)計(jì)排煙溫度為121℃、主要燃用設(shè)計(jì)煤種以及機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為7500h。

4 低溫省煤器方案的技術(shù)分析

4.1 低溫省煤器方案設(shè)想

4.1.1 低溫省煤器金屬安全壁溫

在低溫省煤器的實(shí)際應(yīng)用中，排煙溫度過低會(huì)使換熱器的低溫受熱面壁溫低于酸露點(diǎn)，引起受熱面金屬的嚴(yán)重腐蝕，危及鍋爐運(yùn)行安全。根據(jù)受熱面低溫腐蝕隨金屬壁溫的變化規(guī)律（如圖1所示），當(dāng)受熱面壁溫接近酸露點(diǎn)（E點(diǎn)）時(shí)，腐蝕速度隨壁溫的降低而增加，在露點(diǎn)溫度下20℃～45℃（D點(diǎn)）出現(xiàn)最大露點(diǎn)腐蝕速度；壁溫繼續(xù)降低時(shí)，腐蝕速度也下降，在水露點(diǎn)與酸露點(diǎn)之間某個(gè)值（B點(diǎn)）達(dá)到最低；壁溫如果再降低，特別是低于水露點(diǎn)（A點(diǎn)）時(shí)，腐蝕速度急劇增加。

低溫省煤器壁溫一般不會(huì)低于水露點(diǎn)，即不選在圖1中的A～C區(qū)域，而選在酸露點(diǎn)E點(diǎn)附近，因此煙氣酸露點(diǎn)是判斷換熱器是否發(fā)生低溫腐蝕的重要依據(jù)。

圖1 低溫腐蝕速度隨壁溫變化示意圖

對煙氣露點(diǎn)的計(jì)算，前人總結(jié)了很多方法，該文采用規(guī)程DL/T5240—2010的公式，如公式（1）～公式（3）所示。

需要簡化計(jì)算時(shí)Ks可以取0.9，也可以按DL/T5240—2010推薦的公式（4）、公式（5）計(jì)算。

η為除塵器除塵效率，進(jìn)行除塵器前的煙氣酸露點(diǎn)計(jì)算時(shí)，η=0；進(jìn)行除塵器后的煙氣酸露點(diǎn)計(jì)算時(shí)，η=除塵器設(shè)計(jì)效率。

結(jié)合設(shè)計(jì)煤種及規(guī)程DL/T5240—2010的公式，由表2得出煙氣酸露點(diǎn)數(shù)值（見表2），可以看出設(shè)計(jì)煤種的酸露點(diǎn)相對校核煤種稍高，因此該文接下來的分析將結(jié)合設(shè)計(jì)煤種進(jìn)行[1]。

表2 煤質(zhì)煙氣酸露點(diǎn)計(jì)算表（BMCR工況）

4.1.2 煙氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低溫省煤器的設(shè)置方案一般有兩種。

方案一：單級低溫省煤器，布置于除塵器入口，如圖2所示。

圖2 單級低溫省煤器設(shè)置方案一

低溫省煤器設(shè)置在除塵器入口，煙氣含塵濃度高，總吸附表面積很大。根據(jù)酸露點(diǎn)計(jì)算值及國外以往工程長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，換熱器出口煙氣溫度控制在酸露點(diǎn)左右，推薦取值在90℃至95℃，可有效防止換熱元件低溫腐蝕。

優(yōu)點(diǎn)為可減少煙氣比電阻，提高除塵器效率，電除塵器的電耗有所降低。缺點(diǎn)是飛灰濃度高容易對低溫省煤器的換熱元件造成磨損、腐蝕等問題。

方案二：單級低溫省煤器，布置于引風(fēng)機(jī)出口，如圖3所示。

圖3 單級低溫省煤器設(shè)置方案二

低溫省煤器方案設(shè)置在引風(fēng)機(jī)出口，由于煙氣含塵量下降，因此該處的酸露點(diǎn)溫度升高。為充分利用煙氣余熱、提高經(jīng)濟(jì)性，一般推薦省煤器出口煙氣溫度取值100℃左右。

優(yōu)點(diǎn)為引風(fēng)機(jī)出口煙道中心較低，可以充分利用引風(fēng)機(jī)對煙氣的壓縮溫升。缺點(diǎn)是不利于引風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，容易造成振動(dòng)，引風(fēng)機(jī)克服換熱器阻力增加的電功率會(huì)增加，除塵器電耗并未減少。

綜上所述，余熱再利用可適當(dāng)提高除塵器效率，降低電耗，減少廠用地，因此推薦在除塵器入口設(shè)置低溫省煤器（每臺(tái)機(jī)組共6個(gè)）方案。

4.1.3 水側(cè)凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低溫省煤器水側(cè)凝結(jié)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響它的運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性。國內(nèi)外相關(guān)研究表明，低溫腐蝕的最大速率并不是恰好在酸露點(diǎn)溫度值，而是發(fā)生在煙氣酸露點(diǎn)溫度下10℃～30℃范圍內(nèi)以及水露點(diǎn)溫度以下，因此將換熱器的壁溫Tb與計(jì)算酸露點(diǎn)TDP2的差距控制在10℃以內(nèi)。為了防止換熱元件低溫腐蝕，低溫省煤器水側(cè)進(jìn)口的凝結(jié)水水溫控制在80～85℃是比較合適的，該文推薦將以下計(jì)算值暫定為80℃。根據(jù)熱平衡圖，低加出口水溫詳見表3。

表3 各低加出口水溫

從表3可看出，各低加水溫都不滿足低溫省煤器水側(cè)進(jìn)口的凝結(jié)水水溫的要求。9號低加出口水溫在THA工況時(shí)較為接近89.9℃的凝結(jié)水溫要求，但機(jī)組負(fù)荷降低后9號低加出口水溫又遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求了。因此，推薦低溫省煤器水側(cè)入口接入點(diǎn)選取9號低加進(jìn)口及出口的混溫凝結(jié)水，原9號低加至10號低加的主路閥門全關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)。凝結(jié)水取自9號低加進(jìn)口及出口，一部分凝結(jié)水經(jīng)過低溫省煤器加熱后與其余不經(jīng)過低溫省煤器加熱的凝結(jié)水混合后回到8號低加入口。

低溫省煤器在熱力系統(tǒng)中的連接方式直接影響它的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的安全可靠性。低溫省煤器聯(lián)入熱力系統(tǒng)的方案很多，就其本質(zhì)而言，主要有兩種連接系統(tǒng)，一是并聯(lián)系統(tǒng)，二是串聯(lián)系統(tǒng)。

并聯(lián)系統(tǒng)：即將部分凝結(jié)水從某級低加前接出至低溫省煤器，經(jīng)過低溫省煤器，與煙氣換熱后，再回到該級低加出口或下一級低加出口。并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以不增加凝結(jié)水泵揚(yáng)程。缺點(diǎn)是低溫省煤器的傳熱溫差比串聯(lián)系統(tǒng)低，分流量小，需要增加換熱面積。同時(shí)并聯(lián)系統(tǒng)的系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)較為復(fù)雜。

巴里坤膨潤土礦與某些膨潤土礦床的對比(表4)可以看出，巴里坤膨潤土礦的膠質(zhì)價(jià)、膨脹容、比表面積性能比較好，離子交換量較高，說明巴里坤膨潤土的品位較高，其利用價(jià)值也比較高。礦石的主要可交換陽離子為Ca2+、Na+、K+、Mg2+，Na+交換容量為95mmol/100g，Ca2+交換容量為13.3mmol/100g，ENa2+/CEC為83.5%，參照前蘇聯(lián)的劃分標(biāo)準(zhǔn)[14]，可知巴里坤膨潤土為鈉基膨潤土。

串聯(lián)系統(tǒng)：即將全部凝結(jié)水從某級低加后接出至低溫省煤器，經(jīng)過低溫省煤器，與煙氣換熱后，再回到下一級低加前。串聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是流經(jīng)低溫省煤器的水量最大，在低溫省煤器的受熱面一定時(shí)，鍋爐排煙的冷卻程度和低溫省煤器的熱負(fù)荷較大，排煙余熱利用的程度較高，經(jīng)濟(jì)效果較好。其缺點(diǎn)是凝結(jié)水流的阻力增加，所需凝結(jié)水泵的壓頭增加。

因此，暫取低溫省煤器換熱效率為96%，進(jìn)而增加汽輪機(jī)組的出力，推薦的并聯(lián)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 并聯(lián)系統(tǒng)示意圖

4.2 低溫省煤器選型結(jié)果

結(jié)合前述，該文推薦并聯(lián)方案，低溫省煤器選型計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 低溫省煤器選型計(jì)算結(jié)果

5 采用低溫省煤器的經(jīng)濟(jì)性分析

為了滿足近零排放的要求，靜電除塵器需要采用低低溫電除塵器+高頻電源的綜合強(qiáng)化除塵措施，通過降低煙氣溫度提高靜電除塵器的除塵效率。在除塵器入口設(shè)置低溫省煤器（每臺(tái)機(jī)組共6個(gè)），并根據(jù)汽輪機(jī)熱平衡圖中各級低加凝結(jié)水溫度，推薦凝結(jié)水取自9號低加進(jìn)口和出口混合水，對該低溫省煤器設(shè)置方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析如下。

5.1 經(jīng)濟(jì)性比較方法

在總調(diào)度電量一定的情況下，通過計(jì)算兩種方案因上網(wǎng)電量不同所產(chǎn)生的差額收入，以計(jì)及資金時(shí)間價(jià)值的動(dòng)態(tài)理論計(jì)算投資差額回收年限n，如公式（6）所示[2-3]。

式中：ΔZ為方案投資差額；ΔC為年差額收益；i為基準(zhǔn)收益率；n為差額回收年限；（A/P，i，n）為等額分付資金回收系數(shù)。

5.2 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

按工程實(shí)際情況確定經(jīng)濟(jì)比較的邊界條件：標(biāo)煤價(jià)格為1000元/t（稅前），電廠基準(zhǔn)收益率為8%，機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)7500h[1]。

5.2.2 初投資（ΔZ）

關(guān)于低溫省煤器所增加的靜態(tài)投資費(fèi)用，經(jīng)詢價(jià)設(shè)備材料等的費(fèi)用詳見表5。

表5 低溫省煤器所增加的靜態(tài)投資費(fèi)用，經(jīng)詢價(jià)設(shè)備材料等的費(fèi)用

5.2.3 年運(yùn)行小時(shí)數(shù)

對火力發(fā)電廠而言，機(jī)組的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)模式見表6。

表6 機(jī)組的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)

5.2.4 年利潤差額（ΔC）

增設(shè)低溫省煤器的正面運(yùn)行效益[2-3]：1）提高了凝結(jié)水溫，節(jié)約了抽汽量，進(jìn)而提高了汽輪發(fā)電機(jī)組出力。2）降低脫硫系統(tǒng)入口煙溫，進(jìn)而節(jié)約水量，并節(jié)約脫硫系統(tǒng)工藝水泵運(yùn)行軸功率。

增設(shè)低溫省煤器的負(fù)面運(yùn)行效益[2-3]：1）增加了煙氣側(cè)阻力，進(jìn)而增加了引風(fēng)機(jī)運(yùn)行功耗。2）增加了水側(cè)阻力，從而凝結(jié)水泵運(yùn)行功耗率。3）低溫省煤器系統(tǒng)相對復(fù)雜，每年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用會(huì)有所增加，暫按照10萬元/年估計(jì)。

由于機(jī)組不可能全年都只在THA工況下運(yùn)行，有一定時(shí)間是處于低負(fù)荷工況下的，此時(shí)煙氣溫度較低，因此可以利用的熱量較少，甚至可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)面運(yùn)行效益大于正面運(yùn)行效益的情況。將增設(shè)低溫省煤器后的運(yùn)行效益進(jìn)行綜合計(jì)算，見表7和表8。30%THA工況低溫省煤器煙氣入口溫度為90℃，煙氣放熱量為0，已滿足低低溫靜電除塵器運(yùn)行要求，因此低溫省煤器停運(yùn)不進(jìn)行綜合計(jì)算。

表7 增設(shè)低溫省煤器后的輔機(jī)運(yùn)行功率核算

表8 增設(shè)低溫省煤器后的年運(yùn)行收益核算

從以上計(jì)算來看，設(shè)置低溫省煤器后年運(yùn)行收益較好，動(dòng)態(tài)回收年限較短，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

根據(jù)以往國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，低溫省煤器可以設(shè)置在除塵器入口或引風(fēng)機(jī)出口，前者耐低溫腐蝕效果較好，后者防磨損效果更好。由于引風(fēng)機(jī)出口含塵量降低，酸露點(diǎn)溫度升高，其腐蝕問題也較難得到解決。因此從技術(shù)上來說，優(yōu)先推薦在除塵器入口設(shè)置低溫省煤器的方案。

污染物排放需要執(zhí)行《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，為了達(dá)到此排放標(biāo)準(zhǔn)，需要采用低低溫靜電除塵器。通過在除塵器入口設(shè)置低溫省煤器，可以降低除塵器入口煙溫、煙氣流量及煙氣比電阻，進(jìn)而提高除塵器的除塵效率，保證將除塵器出口煙塵排放濃度控制在≤20mg/Nm3。

該文推薦將低溫省煤器凝結(jié)水側(cè)接入點(diǎn)設(shè)置在9號低加進(jìn)口及出口，一部分凝結(jié)水經(jīng)過低溫省煤器加熱后與其余不經(jīng)過低溫省煤器加熱的凝結(jié)水混合后回到9號低加出口。由于利用了部分煙氣熱量，因此可以節(jié)約部分抽汽量，進(jìn)而增加汽輪機(jī)組的出力。設(shè)置低溫省煤器后，供電標(biāo)煤耗有所降低。經(jīng)濟(jì)性較好，動(dòng)態(tài)回收年限約為5.95年。

綜上所述，得出的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果基本上可以反映實(shí)際情況。由此推薦在除塵器入口增設(shè)低溫省煤器，一方面回收部分煙氣熱量，另一方面也可以進(jìn)一步降低煙塵排放濃度，以更好地滿足嚴(yán)格的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。