劉鶴忠，連正權(quán)

(華東電力設(shè)計院，上海 200063)

1 概述

對于火力發(fā)電廠的熱力系統(tǒng)而言，可以采用以下三種方法提高全廠的熱效率。①提高蒸汽參數(shù)。②降低汽輪機的排汽參數(shù)。③減少鍋爐煙氣的排放熱損失。

低溫省煤器的熱力連接方式：

低溫省煤器在熱力系統(tǒng)中的連接方式，直接影響到它的經(jīng)濟效果和分析計算的方法以及運行的安全、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，只有兩種連接系統(tǒng)：①低溫省煤器串聯(lián)于熱力系統(tǒng)中，簡稱串聯(lián)系統(tǒng)；②低溫省煤器并聯(lián)于熱力系統(tǒng)中，簡稱并聯(lián)系統(tǒng)。

低溫省煤器的串聯(lián)系統(tǒng)，見圖1。從低壓加熱器NOj-1出口引出全部凝結(jié)水DH(kg/h)，送入低溫省煤器，在低溫省煤器中加熱升溫后，全部返回低壓加熱器NOj的入口。從凝結(jié)水流的系統(tǒng)看，低溫省煤器串聯(lián)于低壓加熱器之間，成為熱力系統(tǒng)的一個組成部分。串聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點是流經(jīng)低溫省煤器的水量最大，在低溫省煤器的受熱面一定時，鍋爐排煙的冷卻程度和低溫省煤器的熱負荷Qd(kJ/s)較大，排煙余熱利用的程度較高，經(jīng)濟效果較好。其缺點是凝結(jié)水流的阻力增加，所需凝結(jié)水泵的壓頭增加。

圖1 串聯(lián)低溫省煤器系統(tǒng)

低溫省煤器的并聯(lián)系統(tǒng)，見圖2。從低壓加熱器NOj-1出口分流部分凝結(jié)水Dd去低溫省煤器，加熱升溫后返回?zé)嵯到y(tǒng)，在低壓加熱器NOj+1的入口處與主凝結(jié)水相匯合。從凝結(jié)水流系統(tǒng)看，低溫省煤器與低壓加熱器NOj成并聯(lián)方式，與之并聯(lián)的低壓加熱器也可是多個。并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點是，可以不增加凝結(jié)水泵揚程。因為低溫省煤器繞過一、兩個低壓加熱器，所減少的水阻力足以補償?shù)蜏厥∶浩骷捌渎?lián)接管道所增加的阻力。這對改造舊電廠較為有利，除此以外，還可以方便的實現(xiàn)余熱梯級開發(fā)利用。缺點是低溫省煤器的傳熱溫壓將比串聯(lián)系統(tǒng)低，因為分流量小于全流量，即Dd

對于具體的工程，兩種方式都可以考慮。對于低溫省煤器的切入點選擇，即低溫省煤器串聯(lián)或并聯(lián)在哪一級或哪幾級低壓加熱器上，可通過具體的經(jīng)濟性分析來決定，因為不同級的低壓加熱器抽汽做功能力不同，因此造成低溫省煤器不同的串、并聯(lián)方式，在經(jīng)濟性上也有差別。外高橋三期工程在管道連接上實現(xiàn)了低溫省煤器即可并聯(lián)運行又可串連運行。

圖2 并聯(lián)低溫省煤器系統(tǒng)

通過經(jīng)濟性分析，串連運行在防止低溫省煤器低溫腐蝕和提高經(jīng)濟性上均優(yōu)于并聯(lián)運行，一般情況下推薦采用串連運行。

2 低溫省煤器的應(yīng)用情況

某660 MW級機組電廠的鍋爐排煙設(shè)計溫度為127℃左右，但由于受燃料特性改變及運行環(huán)境變化，鍋爐實際運行排煙溫度也將會改變。雖然加裝低溫省煤器后煙氣阻力有所上升，但是煙氣阻力的耗電量還不到節(jié)約成本的10%～20%，因此低溫省煤器能有效的提高機組效率、節(jié)約能源，減少生產(chǎn)成本，具有良好的應(yīng)用前景。目前在國內(nèi)已有電廠進行了低溫省煤器的安裝和改造工作。

以山東某發(fā)電廠為例，電廠兩臺容量100 MW發(fā)電機組所配鍋爐是武漢鍋爐廠設(shè)計制造的WGZ410/100—10型燃煤鍋爐，由于燃用煤種含硫量較高，且鍋爐尾部受熱面積灰、腐蝕和漏風(fēng)嚴重，鍋爐排煙溫度高達170℃，為了降低排煙溫度，提高機組的運行經(jīng)濟性，在尾部加裝了低溫省煤器。

北京某300 MW級熱電廠，就采用低溫省煤器來加熱供熱回水，已經(jīng)投運超過5年。

在國外，低溫省煤器同樣較早就得到了應(yīng)用。原蘇聯(lián)為了減少排煙損失而改裝鍋爐機組時，在鍋爐對流豎井的下部裝設(shè)低溫省煤器加熱熱網(wǎng)回水之用。對于近期發(fā)展起來的超超臨界發(fā)電機組而言，同樣也能找到低溫省煤器的痕跡，德國Schwarze Pumpe電廠2×800 MW褐煤發(fā)電機組在靜電除塵器和煙氣脫硫塔之間加裝了煙氣冷卻器，利用煙氣加熱鍋爐凝結(jié)水，其原理同低溫省煤器一致。德國科隆Nideraussem1000 MW級褐煤發(fā)電機組采用分隔煙道系統(tǒng)充分降低排煙溫度，把低溫省煤器加裝在空氣預(yù)熱器的旁通煙道中，在煙氣熱量足夠的前提下引入部分煙氣到旁通煙道內(nèi)加熱鍋爐給水。日本的常陸那珂電廠采用了水媒方式的管式GGH。煙氣放熱段的GGH布置在電氣除塵器上游，煙氣被循環(huán)水冷卻后進入低溫除塵器(煙氣溫度在90℃～100℃左右)，煙氣加熱段的GGH布置在煙囪入口，由循環(huán)水加熱煙氣。煙氣放熱段的GGH的原理和低溫省煤器一樣。

低溫省煤器在國內(nèi)和國外已經(jīng)有運用業(yè)績，從上述的例子中我們發(fā)現(xiàn)，在德國鍋爐排煙溫度較高，均達到170℃左右(這是因為這些鍋爐燃用的是褐煤)，而加裝低溫省煤器后排煙溫度下降到100℃左右，回收的熱量是相當(dāng)可觀的。因此低溫省煤器對于高排煙溫度的鍋爐的節(jié)能效果更加明顯。

國內(nèi)大部分工程日本的情況較為相似，鍋爐設(shè)計排煙溫度不是很高(125℃左右)，經(jīng)過低溫省煤器后煙氣溫度可降低到85℃～98℃左右。

3 低溫省煤器的布置方案

3.1 方案一：低溫?zé)煔鈸Q熱器布置在電器除塵器的進口

由于低溫省煤器的傳熱溫差低，因此換熱面積較大，占地空間也較大，所以在加裝低溫省煤器時，需合理考慮其在鍋爐現(xiàn)場煙道的布置位置?？梢圆捎檬軣崦鎯?yōu)化設(shè)計方法來縮小低溫省煤器的外型尺寸，緩解布置上的困難。如采用翅片管代替光管，增加換熱面積，可以大大減少管排的數(shù)量。

同時低溫省煤器處于高塵區(qū)工作，因此低溫省煤器還應(yīng)考慮飛灰對管壁的磨損影響。

低溫省煤器放置在空預(yù)器出口與電除塵器進口之間的煙道中，見圖3。

圖3 低溫省煤器電除塵器進口前的布置方案

日本的不少大型火電廠，如常陸那珂電廠(1000MW)和Tomato-Atsuma電廠(700 MW)等都有類似的布置(圖4)。管式的GGH煙氣放熱段布置在空預(yù)器和除塵器之間。管式GGH將煙氣溫度降低到90℃左右，并采用低溫電氣除塵器。低溫電氣除塵器就是指入口煙氣溫度在100℃以下的電氣除塵器。煙氣溫度從125℃冷卻到85℃，其飛灰比電阻可從1012Ω.cm下降到1010Ω.cm，這樣可大大提高電氣除塵器的收塵效率。

另外低溫省煤器布置在除塵器的進口，除塵器下游的煙氣體積流量降低了約5%，因此其煙道、引風(fēng)機、增壓風(fēng)機等的容量也可相應(yīng)減少，降低了廠用電。據(jù)計算，每臺660 MW級機組可節(jié)約引風(fēng)機和增壓風(fēng)機廠用電約1000 kW。

圖4 日本管式GGH的布置流程

這種布置方式最大的風(fēng)險是腐蝕。因為經(jīng)過低溫省煤器后的煙氣溫度已經(jīng)接近煙氣的酸露點溫度，除塵器、煙道、引風(fēng)機、增壓風(fēng)機均可能存在腐蝕風(fēng)險。

根據(jù)日本的有關(guān)技術(shù)資料，未經(jīng)除塵器收塵的煙氣中含有較多的堿性顆粒，可中和煙氣中凝結(jié)的硫酸微滴，低溫除塵器及其下游的設(shè)備并不需要進行特別的防腐考慮，而且日本的不少大機組運行低溫除塵器也有良好的業(yè)績，因此，這種布置方式是可行的。但是，我們對日本說稱的“不需要進行特別的防腐考慮”還存在著疑慮：

⑴是不是僅僅依靠煙氣中的灰顆粒就能中和大部分SO2，而大大降低低溫?zé)煔獾母g性？中和反應(yīng)的徹底程度肯定與燃煤的特性有關(guān)(如含硫量，含灰量，灰分中堿性物質(zhì)如CaO。K2O的數(shù)量等)，是不是還與別的因素有關(guān)？

⑵ 對于低溫電氣除塵器與常規(guī)除塵器的區(qū)別還需要進一步研究。根據(jù)我們目前掌握的資料，為了防止低溫除塵器灰斗中的灰板結(jié)，其灰斗的加熱面積要大于普通除塵器。由于缺乏更多的資料，如果采用這種布置方式需要進行大量的資料收集和相關(guān)研究工作要做。

對一些煤電聯(lián)營的電廠，由于煤源比較確定、煤質(zhì)變化較小，對應(yīng)的將來鍋爐煙氣露點溫度變動較小，采用低溫電氣除塵器的風(fēng)險相對較小。

3.2 方案二：低溫?zé)煔鈸Q熱器布置在脫硫吸收塔的進口

德國一些燃燒褐煤的鍋爐將低溫省煤器布置在吸收塔入口較多。圖5是Nideraussem電廠低溫省煤器(Flue gas cooler)的簡單系統(tǒng)圖。低溫省煤器將煙氣溫度從160℃降低到100℃后進入吸收塔，被煙氣加熱的凝結(jié)水再加熱冷二次風(fēng)。

低溫省煤器實際上起到管式GGH加熱器中煙氣冷卻的作用。煙氣經(jīng)過除塵效率高達99.72%的除塵器后，低溫省煤器處于低塵區(qū)工作，因此飛灰對管壁的磨損程度將大大減輕。由于煙氣中的堿性顆粒幾乎被除塵器捕捉，其出口煙氣的帶有酸腐蝕性。但是由于其布置位置在除塵器、引風(fēng)機、增壓風(fēng)機之后，煙氣并不會對這些設(shè)備造成腐蝕，因而避免了方案一的腐蝕風(fēng)險。因為吸收塔內(nèi)本來就是個酸性環(huán)境，煙氣離開吸收塔時溫度約為45℃。塔內(nèi)進行了防腐處理。這種布置方式只要考慮對低溫省煤器的低溫段材料和低溫省煤器與吸收塔之間的煙道進行防腐。

圖5 Nideraussem電廠低溫省煤器系統(tǒng)圖

在外高橋三期工程中，華東院按方案二為二臺1000 MW機組設(shè)計了低溫省煤器系統(tǒng)，已投運一年以上，達到了設(shè)計要求。

采用這種布置方式較方案一的不足是無法利用煙氣溫度降低帶來的提高電氣除塵器效率、減少引風(fēng)機和增壓風(fēng)機功率的好處；其次，其布置位置遠離主機，用于降低煙氣溫度的凝結(jié)水管較方案一長，凝結(jié)水泵需克服的管道阻力相對要高些。

3.3 方案三：低溫?zé)煔鈸Q熱器布置按串聯(lián)兩級設(shè)置

將低溫省煤器分為串連的兩級，第一級布置在除塵器的進口。第二級布置在吸收塔的進口。

低溫省煤器第一級布置在空預(yù)器出口與電除塵器進口之間的煙道中，見圖3。

對于第一級低溫省煤器著重考慮的是其煙氣出口溫度應(yīng)高于煙氣的酸露點溫度，以避免其下游設(shè)備的腐蝕。

在系統(tǒng)中設(shè)置第一級低溫省煤器的凝結(jié)水旁路，并設(shè)置調(diào)節(jié)閥，在低負荷工況下，部分凝結(jié)水走第一級低溫省煤器的旁路，減少吸收煙氣的熱量，使得低溫省煤器出口煙氣始終在煙氣的酸露點溫度之上，避免了除塵器、煙道、增壓引風(fēng)機腐蝕的風(fēng)險。

低溫省煤器第二級布置在脫硫吸收塔入口，見圖6。

圖6 低溫省煤器吸收塔進口前的布置方案

綜上所述，方案一、方案二及方案三均有國內(nèi)外成功運行的業(yè)績，方案一、三可以采用低溫電氣除塵器，提高除塵效率；節(jié)省廠用電；但同時應(yīng)關(guān)注腐蝕和磨損問題，還需要進一步了解和分析研究。

對一些國內(nèi)外煤電聯(lián)營的火力發(fā)電廠，由于煤源相對比較確定、煤質(zhì)變化較小，對應(yīng)的鍋爐煙氣露點溫度變動較小，采用方案一或三的腐蝕風(fēng)險相對較小。

4 加裝低溫省煤器需要考慮的問題

4.1 低溫省煤器的低溫腐蝕

對于防止低溫腐蝕的方法有如下兩種：

方法一，采用有限腐蝕的低溫省煤器系統(tǒng)。通過控制低溫省煤器壁溫，使金屬壁溫在這個區(qū)間的腐蝕速度在可以接受的范圍內(nèi)(一般小于0.2 mm/a)。這種方法適用于排煙溫度高的褐煤鍋爐，對于國內(nèi)排煙溫度較低(小于130℃)的工程如采用本方法則低溫省煤器回收的熱量較少，低溫省煤器系統(tǒng)的費用投入與獲得的經(jīng)濟效益比優(yōu)越性不明顯。

方法二， 選用合適的耐腐蝕材料。國內(nèi)鍋爐排煙溫度較低(小于130℃)的工程采用本方法是適宜的，但針對低溫省煤器布置方案二或三，存在低溫省煤器酸腐蝕的可能性，因此選擇合適的、性價比高的材料是非常重要的。

為此，對方法二低溫省煤器推薦采用的材料主要有：不銹鋼材料，耐腐蝕的低合金碳鋼，復(fù)合鋼管及碳鋼表面搪瓷處理等，對具體工程實施時需進一步通過招、投標(biāo)程序和技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。

4.2 換熱面管的積灰、防堵和防磨損

低溫省煤器的換熱面管可以采用光管、螺旋肋片管和高頻焊翅片管。與普通光管相比，螺旋肋片管和高頻焊翅片管傳熱性好。即使肋片和翅片間距較大時，其換熱面積也比同種規(guī)格光管要小，因此可減小低溫省煤器的外形尺寸和管排數(shù)，減少煙氣流動阻力。

但是螺旋肋片管和高頻焊翅片管易于積灰。其積灰的程度與煤灰特性及煙氣流速有關(guān)。因此在設(shè)計時可適當(dāng)提高煙速。選擇合適間距的螺旋肋片管和翅片管以減少省煤器管壁積灰。

低溫省煤器布置方案如果采用方案一、三時，對于處于高塵區(qū)工作的低溫省煤器還應(yīng)考慮飛灰對管壁的磨損影響，選擇合適的煙氣流速和換熱面材料是關(guān)鍵。

在低溫省煤器管排間將通過增加部分蒸汽吹灰器。對于低溫省煤器在布置上必須考慮可拆卸的形式，并在低溫省煤器上設(shè)置水清洗系統(tǒng)和沖洗水回收系統(tǒng)，利用機組停役期間進行定期水清洗。

4.3 其他

不同的工程應(yīng)該請主機廠和設(shè)計院，結(jié)合不同的低溫省煤器設(shè)置方案，進行熱平衡、燃燒系統(tǒng)和煙風(fēng)系統(tǒng)等復(fù)核計算工作。

5 低溫省煤器的經(jīng)濟性初步分析

對采用串連運行方式時，低溫省煤器在凝結(jié)水側(cè)串連在6、7號低壓加熱器之間，660 MW機組在運行時，7號低加出口的100%的凝結(jié)水經(jīng)低溫省煤器加熱后進入6號低加。當(dāng)機組在低負荷工況運行時，由于7號低加出口的凝結(jié)水溫度低，會引起低溫省煤器腐蝕，故低溫省煤器需設(shè)置凝結(jié)水管旁路或采用自動控制傳熱管金屬壁溫系統(tǒng)，避免機組低負荷時低溫省煤器的腐蝕問題。

660 MW機組在VWO工況運行時，加裝低溫省煤器前后各級低加運行參數(shù)比較見表1(高、中壓缸進汽參數(shù)不變)：

表1 加裝低溫省煤器前后各級低加運行參數(shù)比較

從表中可看到，加裝低溫省煤器后，除7、8號低加抽汽分別增加了0.394和0.606 kg/s外，5、6號低加抽汽分別少0.637和8.402 kg/s，低加少抽的蒸汽繼續(xù)在汽輪機內(nèi)做功。從VWO工況熱平衡圖看到，在汽輪機高、中壓缸進汽參數(shù)不變的情況下，汽輪機功率由719.301 MW增大到723.271 MW，低加少抽汽可以增加發(fā)電量3.97 MW。

機組在VWO工況運行時，低溫省煤器運行參數(shù)見表2：

表2 低溫省煤器運行參數(shù)

低溫省煤器回收了部分煙氣熱量，節(jié)約了燃煤，其經(jīng)濟效益是非常明顯的。從表中可看到，煙氣換熱器回收的熱量為約22.64 MJ/s，根據(jù)汽機廠的熱平衡圖，在THA工況下，汽輪機熱耗從7343 kJ/kWh下降到7307 kJ/kWh，機組的絕對效率提高0.24%，全廠發(fā)電效率提高0.22%，由此降低發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗1.2 g/kWh，以750元/t的標(biāo)煤價計算，如年等效運行小時為5500 h，則每臺機組全年的燃料成本可下降約750.75萬元。

低溫省煤器布置在吸收塔進口，煙氣系統(tǒng)的阻力增加約600 Pa，由此增加的電耗800 kW/機組。

將低溫省煤器布置在脫硫吸收塔的上游，降低了進入脫硫吸收塔的煙氣溫度。可節(jié)約用水約70 t/h。如果脫硫系統(tǒng)采用的工業(yè)水，按每噸工業(yè)水0.5元計，如年等效運行小時為5500 h，一年節(jié)水的費用是19.25萬元。

具體的比較如表3(單臺機組)。

表3 低溫省煤器的技術(shù)經(jīng)濟分析(THA工況)

加裝低溫省煤器后需考慮：

一是低溫省煤器在運行中要關(guān)注它的防腐和防煙塵堵塞，需要一定的維護工作量。具體工程可根據(jù)已經(jīng)投運的經(jīng)驗，考慮煙氣腐蝕、阻力、磨損和價格等因素選擇合適的換熱管材料和形式、設(shè)置吹灰器和清洗水系統(tǒng)等具體措施。

二是660 MW級機組如采用鍋爐引風(fēng)機與增壓風(fēng)機合并的方案，煙道中布置低溫省煤器，則風(fēng)機的阻力將新增約600 Pa，電機的功率增加400 kW左右，風(fēng)機所配套電機的功率在8000 kW以下，電廠廠用電系統(tǒng)采用6 kV電壓等級可以滿足啟動要求。

6 結(jié)論

綜上所述，采用低溫省煤器可提高機組熱效率，節(jié)約煤耗，并且節(jié)水效果顯著，符合國家“節(jié)能減排”的政策。

針對660 MW級機組采用低溫省煤器，可使全廠發(fā)電效率提高0.22%，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低1.2 g/kWh，以750元/t的標(biāo)煤價計算，如機組年等效利用小時為5500 h，每臺機組全年的燃料成本可下降約750.75萬元，可節(jié)約用水約70 t/h，投資回收年限： 2.96～3.8年。

低溫省煤器可以通過加熱凝結(jié)水、供熱回水等提高機組熱效率，雖在國內(nèi)的運用還屬于起步階段，但在國外大機組上的運用已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗。隨著國內(nèi)工程的運用和推廣，可以積累更多的設(shè)計、制造和運行維護經(jīng)驗，進一步降低設(shè)備造價，達到 “節(jié)能減排”，提高經(jīng)濟效益的目的。