復(fù)合相變換熱器在鍋爐排煙余熱深度利用中的應(yīng)用研究

呂夢菲，曹 棟

（1.北京國電電力大連開發(fā)區(qū)熱電廠，遼寧 大連 116600；2.中電神頭發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036002）

0 引言

鍋爐作為火電機組重要設(shè)備之一，每年消耗的煤炭量占我國全部煤炭消耗總量的55%。盡管大型火電機組鍋爐的效率達到90%以上，但是其排煙溫度仍高達110～150 ℃之間，排煙損失占鍋爐熱損失的65%以上，采用余熱利用技術(shù)將鍋爐煙氣中的熱量重新利用起來，將會極大提高鍋爐效率，對火電機組的節(jié)能運行具有重要意義。

直接利用鍋爐煙氣余熱的常用方法是在鍋爐尾部煙道加裝空氣預(yù)熱器和省煤器，加熱凝結(jié)水或熱網(wǎng)水；此外將高壓給水換熱器和低壓凝結(jié)水換熱器布置在旁路煙道，充分利用旁路空氣預(yù)熱器中的部分煙氣熱量加熱給水和凝結(jié)水，也可實現(xiàn)煙氣余熱深度利用[1]。省煤器的特點是加熱給水效果最直接，給水焓值增加，且工藝簡單。其缺點是如果間斷給水，效果不理想[2]?？疹A(yù)器加熱進風(fēng)，因為空氣比熱容比水低很多，效果較差。另外，煙氣通道如果灰塵較多容易堵死，造成鍋爐負壓不足。近年來有學(xué)者采用有機朗肯循環(huán)回收鍋爐排煙中的余熱。朗肯循環(huán)是以低沸點有機物為工質(zhì)，工質(zhì)通過低溫下的蒸發(fā)、膨脹做功和凝結(jié)等過程，將低溫?zé)煔饣厥盏臒崃哭D(zhuǎn)化成為高品位的機械能或者電能。有機朗肯循環(huán)的特點是系統(tǒng)簡單，改造成本小，但其也有明顯的缺陷，如運行中的安全問題和設(shè)備運行維護量大，余熱利用效率低等，導(dǎo)致其得不到廣泛應(yīng)用[3]。

近年來出現(xiàn)的復(fù)合相變換熱技術(shù)，利用相變潛熱較高的傳熱效率，突破了低溫余熱利用的瓶頸。該技術(shù)將最低壁溫控制在煙氣酸露點之上，同時縮小了壁溫與排煙溫度之間的溫差。該技術(shù)的創(chuàng)新之處還在于換熱器壁溫整體可控可調(diào)，在確保受熱面不結(jié)露的前提下有效回收鍋爐排煙余熱，從而獲得較好的節(jié)能效果[4]。

1 復(fù)合相變換熱器工作原理

復(fù)合相變換熱器是利用水在密閉的管排束構(gòu)件內(nèi)通過相變潛熱進行傳熱，水在熱管下端面加熱后變成飽和蒸汽后移動至熱管上端，蒸汽放熱后冷凝成水，然后飽和水經(jīng)過汽水分離后再次進入受熱段加熱汽化。如此不斷地循環(huán)，從而實現(xiàn)熱量傳遞[5]。復(fù)合相變換熱器的主要核心部件是“相變段”，它利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化使熱管換熱器中相互獨立的部分重構(gòu)成互相關(guān)聯(lián)的整體。充分利用汽液兩相同向流動促進相變換熱和工質(zhì)自然循環(huán)。

作為一種設(shè)計原理新穎、高效可靠的節(jié)能技術(shù)，復(fù)合相變換熱器與其他換熱器相比在模塊構(gòu)成、工作壓力范圍、抗腐蝕性和灰堵能力和節(jié)能效益等方面具有較大優(yōu)勢，其主要特點有以下幾方面：大幅度降低排煙溫度，有效回收中低溫?zé)崃?，?jīng)濟效益顯著；可將最低壁溫控制在煙氣酸露點之上，有效解決了結(jié)露腐蝕和堵灰的難題；利用寬幅度的調(diào)節(jié)能力，維持相對穩(wěn)定的排煙溫度和壁面溫度，從而更好地適應(yīng)鍋爐煤種和運行負荷的變化，復(fù)合相變換熱器原理如圖1所示。

圖1 復(fù)合相變換熱器原理示意圖

2 復(fù)合相變換熱器鍋爐排煙余熱利用方案

本文將復(fù)合相變換熱器技術(shù)應(yīng)用于國內(nèi)某電廠2 號機組鍋爐排煙深度余熱利用技術(shù)改造項目，并進行方案設(shè)計和效益分析。

2.1 項目情況簡述

國內(nèi)某電廠2 號鍋爐是引進美國B&W（巴布科克·威爾科克斯）公司技術(shù)的B&WB-670/13.7-M 型單汽包、一次中間再熱的自然循環(huán)鍋爐，其結(jié)構(gòu)特點是采用Π 型布置的單爐膛和平衡通風(fēng)，爐膛采用膜式水冷壁，尾部煙道呈倒L 型。屏式過熱器布置于爐膛的上部，且二級高溫過熱器布置于爐膛折焰角的上方，高溫再熱器設(shè)置于水平煙道中，隔離墻將尾部的豎井分隔成兩部分，分別布置低溫再熱器、一級過熱器和省煤器。蒸汽溫度采用兩級噴水減溫調(diào)節(jié)。在尾部煙道設(shè)置上、下兩組管式空氣預(yù)熱器。鍋爐主要參數(shù)如表1 所示。

表1 鍋爐主要參數(shù)

2.2 鍋爐煙氣余熱利用方案設(shè)計

某電廠2 號鍋爐空預(yù)器后煙道加裝復(fù)合相變換熱器，如圖2 所示。煙氣酸露點為95 ℃，為了避免設(shè)備的酸露腐蝕，將相變換熱器最低壁面溫度設(shè)定于103 ℃。將復(fù)合相變換熱器的排煙溫度從148 ℃下降至118 ℃?；厥諢崃坑糜趯? 號低壓加熱器入口引出的148.3 t/h、36.07 ℃凝結(jié)水加熱到95 ℃，后與2 號低壓加熱器進口的凝結(jié)水混合，節(jié)省部分汽機抽汽熱能。由于鍋爐排煙溫度及換熱器壁面溫度受鍋爐負荷或風(fēng)溫等因素影響，為了適應(yīng)鍋爐運行參數(shù)變化，避免設(shè)備低溫腐蝕，系統(tǒng)將控制合理的最低壁面溫度。

圖2 系統(tǒng)示意圖

2 號鍋爐復(fù)合相變換熱系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表2 所示，由表2 可知：鍋爐排煙溫度降到118 ℃，凝結(jié)水控制出水溫度95 ℃以上。受熱面增加后，煙氣阻力不超過400 Pa。

表2 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)某電廠2 號機組的設(shè)備情況，可采用兩種技術(shù)方案：第一種方案是將復(fù)合相變換熱器加裝在空預(yù)器后、電除塵器之前。此方案的優(yōu)點是低溫?zé)煔鉄崃磕軌蜃畲蠡幕厥?；超溫時保護除塵器安全、延長使用壽命；安裝位置相對充足，且便于施工。缺點是煙氣中含灰量大，換熱器受熱面磨損稍嚴重，需采取防磨措施。第二種方案是將復(fù)合相變換熱器加裝在電除塵器之后、引風(fēng)機之前。此方案的優(yōu)點是換熱器受熱面磨損較輕，不需采用防磨措施。其缺點是起不到對電除塵的保護作用，安裝位置有局限性，凝結(jié)水管路較長投資增加，經(jīng)除塵器之后煙氣溫度降低5 ℃，可回收熱量減少。通過綜合比較后選擇第一種方案。

2.3 鍋爐煙氣余熱利用經(jīng)濟效益評價

2.3.1 回收熱量計算

相變換熱器可回收熱量公式為：

式中：Q 為低溫受熱面回收煙氣熱量，kW；Vg為煙氣流量，取900000 Nm3/h；ρg為煙氣密度，取1.09 kg/Nm3；Cpg為煙氣比熱，取1.295 kJ/（kg·℃）；ΔT 為低溫受熱面前、后排煙溫度溫差，取148～118℃；φ 為系統(tǒng)熱損失系數(shù)，取0.98。

將數(shù)值帶入式（1）可得低溫受熱面回收煙氣熱量為10375 kJ/s。

2.3.2 節(jié)能效益計算

加熱冷凝水可節(jié)約1 號、2 號低壓加熱器抽汽。1 號低壓加熱器原進口水溫及焓值分別為36.07 ℃、152.8 kJ/kg，2 號低壓加熱器原進口水溫及焓值分別為74.42 ℃和313.2 kJ/kg；進入1 號、2 號低壓加熱器的熱量公式為：

式中：Qi為相變換熱器回收熱量，kW；m 為被加熱的凝結(jié)水流量，取148.3×103kg/h；hwi為相變換熱器進口凝結(jié)水焓值，取1 號低壓加熱器凝結(jié)水焓hwi1為152.8kJ/kg、2 號低壓加熱器凝結(jié)水焓hwi2為313.2kJ/kg；hwo為相變換熱器出口凝結(jié)水焓值，取1 號低壓加熱器出口水焓hwo1為313.2 kJ/kg、2 號低壓加熱器出口水焓hwo2為398.2 kJ/kg；φ 為系統(tǒng)熱損失系數(shù)，取0.98；由式（2）可得進入1 號、2 號低壓加熱器的熱量分別為6475.4 kJ/s 和3431.5 kJ/s。

加裝相變換熱器后，可以節(jié)省的1 號、2 號低壓加熱器抽汽量Gi計算公式為：

式中：hi、hdi分別為低壓加熱器抽汽焓和疏水焓，取1號低加熱器疏水焓hd1為326.7 kJ/kg，取1 號低加熱器抽汽焓h1為2655.9 kJ/kg，取2 號低加熱器疏水焓hd2為462.15 kJ/kg、抽汽焓h2為2861.8 kJ/kg；由式（3）可得1 號、2 號低壓加熱器抽汽量分別是2.78 kg/s和1.43 kg/s。

由于2 號低加節(jié)省了抽汽，導(dǎo)致進入1 號低加凝結(jié)水量減少，即減少了輸入熱量，使得1 號低加抽汽量增加，1 號低加抽汽增加量公式：

式中：hd2為2 號低壓加熱器疏水焓，取2 號低加熱器疏水焓hd2為462.15 kJ/kg；hwo1為1 號低壓加熱器出口水焓，取313.2 kJ/kg；h1、hd1分別為1 號低壓加熱器抽汽焓和疏水焓，1 號低加熱器抽汽焓h1為2655.9 kJ/kg，取1 號低加熱器疏水焓hd1為326.7 kJ/kg。

由式（4）可得1 號低加抽汽增加量為0.091 kg/s。

節(jié)省的2 號低加抽汽如用于發(fā)電，折合功率P 如式（5）所示：

式中：h2為號2 低加抽蒸汽焓，取2861.8 kJ/kg；hc為汽輪機出口蒸汽焓，取2407.8 kJ/kg；ηe為汽輪機軸效率，取99%；ηm為發(fā)電機效率，取98.9%。

由式（5）可得折合功率為1288.82 kW。

按2 號機組平均年發(fā)電利用小時數(shù)5000 h，供電煤耗350g/kWh 計，折合年增發(fā)電量為6444100kWh，折合年節(jié)約標(biāo)煤量為2255.4 t。

2.3.3 增加電耗計算

1）煙道增加阻力消耗功率（兩側(cè)煙道合計）公式為：

式中：Vy為總煙氣流量，取6.95×105Nm3/h；t 為引風(fēng)機進口煙溫，取118℃；ΔPy為相變換熱器煙氣側(cè)實際增加阻力，取183.7 Pa；ηy為引風(fēng)機效率，取75%。

由式（6）可得煙道增加阻力消耗功率67.7 kW。

2）增壓泵增加能耗由式（7）所示：

式中：qv為水流量，取427.1kg/s；H 為水泵揚程，取30m；ηb為水泵的效率，取75%。

由式（7）可得增壓泵增加能耗46.5 kW。

3）年增加耗電量及耗煤量。由上述計算可得年增加耗電量及耗煤量分別為571000 kWh 和199.85 t，扣除增加的能耗后，實際節(jié)約標(biāo)煤量為2055.6 t。標(biāo)煤單價按900 元計，每年可節(jié)約購煤資金185.0 萬元。

3 項目實施及經(jīng)濟效益分析

3.1 系統(tǒng)改造與設(shè)備型號選擇

相變換熱器安裝于除塵器之前的豎直煙道內(nèi)，與主凝結(jié)水形成并聯(lián)系統(tǒng)，其進水取自2 號低壓加熱器進口（電動門前）的凝結(jié)水，通過系統(tǒng)所增設(shè)的管道泵，經(jīng)相變換熱器加熱后返回2 號低加入口電動門后的凝結(jié)水。在每臺機組空預(yù)器出口至除塵器入口的4 條煙道上，分別布置1 套相變下段，每臺爐4 套。改造時將相變下段嵌入改造煙道中。

根據(jù)2 號機組實際情況選取的復(fù)合相變換熱器和新省煤器型號具體設(shè)置參數(shù)如表3、表4 所示。

表3 煙氣復(fù)合相變換熱器（型號：1dc.2t13）設(shè)計參數(shù)

表4 新省煤器（型號：1dc.2t13.04）設(shè)計參數(shù)

3.2 復(fù)合相變換熱器性能評價分析

某廠2 號汽輪機是由哈爾濱汽輪機廠有限公司生產(chǎn)的CC140/N200-12.75/535/535 型超高壓、中間再熱、雙抽冷凝式汽輪機，經(jīng)通流部分改造后額定功率為220 MW。汽輪機的8 段非調(diào)整抽汽分別送至高壓加熱器、除氧器及低壓加熱器。其中汽輪機的1～2 段抽汽分別向2 臺高加提供加熱蒸汽，5～8 段抽汽向4 臺低加提供加熱蒸汽。工業(yè)抽汽取自3 段，采暖抽汽取自6 段。額定抽汽流量50 t/h，額定抽汽壓力1.054 MPa，額定抽汽溫度260 ℃，額定采暖抽汽流量300 t/h，額定采暖抽汽壓力0.245 MPa。機組設(shè)置了2 臺蒸汽冷卻器和1 臺疏水冷卻器。

復(fù)合相變換熱器節(jié)能技術(shù)改造的實際運行效果與設(shè)計值基本一致，如圖3 所示。

圖3 設(shè)計及運行情況對比

通過改造后測定機組在3VWO 工況下的復(fù)合相變換熱器進出水壓力、溫度、流量等參數(shù)，評估復(fù)合相變換熱器的節(jié)能效果。試驗結(jié)果表明：投入復(fù)合相變換熱器后，在3VWO 工況時，確保尾部受熱面不腐蝕的條件下，鍋爐排煙溫度從123.75 ℃下降至113.75 ℃，降低熱耗率25.54 kJ/kWh，折合發(fā)電煤耗降低約0.966 g/kWh。復(fù)合相變換熱器設(shè)計煙氣阻力為小于300 Pa，而在3VWO 工況下相變段煙氣阻力135.60 Pa，但由于引風(fēng)機功耗值，與煙氣量有關(guān)，因此就煙氣阻力無法判斷引風(fēng)機功耗是否高于設(shè)計功耗。

經(jīng)過實際運行數(shù)據(jù)計算，若年利用小時按5500 h計，煤價按900 元/t 計，每年可回收熱量約55000 GJ，每年可節(jié)約運行成本137.5 萬元。驗證了復(fù)合相變換熱器在余熱利用中的節(jié)能效果明顯。

4 結(jié)語

本文對比分析了復(fù)合相變換熱器技術(shù)的基本原理及技術(shù)特點，總結(jié)了其在模塊構(gòu)成、工作壓力范圍、抗腐蝕性及灰堵能力和節(jié)能效益等方面的技術(shù)優(yōu)勢。針對國內(nèi)某電廠2 號鍋爐提出了將復(fù)合相變換熱器加裝在空預(yù)器后、電除塵器之前的煙氣余熱利用技術(shù)方案，并進行了改造后的經(jīng)濟效益分析。

改造后的性能考核試驗結(jié)果表明，在3VWO 工況時，確保尾部受熱面不腐蝕的條件下，鍋爐排煙溫度從123.75 ℃下降至113.75 ℃，降低熱耗率25.54 kJ/kWh，折合發(fā)電煤耗降低約0.966 g/kWh，達到了預(yù)期技術(shù)指標(biāo)，驗證了復(fù)合相變換熱器煙氣余熱利用的節(jié)能效果。經(jīng)過實際運行數(shù)據(jù)計算，若年利用小時按5500 h 計，煤價按900 元/t 計，每年可回收熱量約55000 GJ，可節(jié)約運行成本137.5 萬元，具有明顯的經(jīng)濟效益。