王玉召，李建鋒

（1.承德石油高等專科學(xué)校，承德067000；2.中國電力企業(yè)聯(lián)合會，北京100055）

據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計，我國規(guī)模以上火力發(fā)電機(jī)組2011年的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤消耗總量超過12億t.在可以預(yù)見的將來，我國以燃煤為主的發(fā)電方式不會有很大的改變.大量煤炭的燃燒帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，如產(chǎn)生大量的SO2、NOx和粉塵等污染物，同時也會產(chǎn)生大量的CO2，引發(fā)較嚴(yán)重的溫室效應(yīng).為了降低燃煤消耗量，科研工作者在努力研究各種新的技術(shù)或方法來提高發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率［1-9］.

與直接提高發(fā)電效率相比，降低火力發(fā)電廠的廠用電率是提高火力發(fā)電廠效率最直接的手段之一.目前，火力發(fā)電廠常用的降低廠用電率的方法有變頻調(diào)速技術(shù)、電磁調(diào)速技術(shù)及小型汽輪機(jī)驅(qū)動技術(shù)等.除非機(jī)組的輔機(jī)設(shè)備選型偏大，否則在采用變頻或電磁調(diào)速技術(shù)時，節(jié)電效果受機(jī)組負(fù)荷的影響較大，尤其是在高負(fù)荷下，該技術(shù)節(jié)電效果更有限.而且在采用變頻技術(shù)時，由于風(fēng)機(jī)或者水泵轉(zhuǎn)速的改變，其工作狀態(tài)往往會偏離設(shè)計工況，風(fēng)機(jī)或者水泵本身效率會降低.采用小汽輪機(jī)驅(qū)動給水泵或者風(fēng)機(jī)的方式可以降低火力發(fā)電廠的廠用電率，但由于小汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率遠(yuǎn)低于主汽輪機(jī)的低壓缸內(nèi)效率，再加上抽汽時的節(jié)流損失、管道損失以及排汽損失，所以采用小型汽輪機(jī)驅(qū)動的方式降低廠用電率時，在火力發(fā)電廠負(fù)荷較高的情況下，火電廠的供電煤耗反而會有所上升.

因此，為了降低廠用電率，提高火電機(jī)組的系統(tǒng)效率，李建鋒等通過移植渦扇航空發(fā)動機(jī)技術(shù)［10-11］，提出了一種空氣透平系統(tǒng)與火力發(fā)電機(jī)組相耦合的新的技術(shù)方案［12-14］.該技術(shù)方案通過在鍋爐送風(fēng)機(jī)的出口抽取少部分鍋爐給風(fēng)，經(jīng)過壓氣機(jī)進(jìn)一步壓縮后送入一個高溫?fù)Q熱器中加熱，加熱后的高溫高壓空氣驅(qū)動透平，做功后的空氣作為二次風(fēng)送入鍋爐爐膛，透平的輸出功除驅(qū)動壓氣機(jī)外，還可以取代部分廠用電，高溫?fù)Q熱器的熱源為高溫?zé)煔?與采用小型汽輪機(jī)降低廠用電率相比，采用該技術(shù)方案相當(dāng)于將小汽輪機(jī)的排汽熱損失用于加熱鍋爐送風(fēng)，所以提高了系統(tǒng)效率.

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)機(jī)組為薩拉齊電廠300 MW 循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組，該機(jī)組采用亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、一次中間再熱國產(chǎn)循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐緊身封閉布置.鍋爐容量和主要參數(shù)與300 MW 空冷汽輪機(jī)參數(shù)相匹配，鍋爐機(jī)組的相關(guān)參數(shù)見表1，鍋爐的熱流分布見圖1.

制定試驗(yàn)方案的首要目的是驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性，所以盡管比較合理的機(jī)組廠用電率的降低幅度約為2%～3%［12-13］，但綜合考慮試驗(yàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和風(fēng)險性以及國產(chǎn)煙氣輪機(jī)系列型號和性能參數(shù)后，空氣透平系統(tǒng)的輸出功率確定為1 400kW，廠用電率的降低幅度僅為0.5%.根據(jù)對國產(chǎn)煙氣輪機(jī)以及壓氣機(jī)型號的調(diào)研，空氣透平系統(tǒng)的設(shè)備性能參數(shù)見表2.其中，高溫?fù)Q熱器采用熱管式換熱器，由于鍋爐爐膛內(nèi)部容積有限，所以高溫?fù)Q熱器布置在鍋爐的外面.壓氣機(jī)直接從環(huán)境中吸取空氣，從而可以避免對風(fēng)機(jī)風(fēng)道進(jìn)行改造，降低試驗(yàn)成本.另外，考慮到換熱器的材質(zhì)及造價，取換熱器出口空氣溫度為650℃.從提高機(jī)組效率的角度來看，因?yàn)轳詈狭诵碌南到y(tǒng)，一部分空氣將流經(jīng)壓氣機(jī)，造成空氣預(yù)熱器的空氣流量減小，導(dǎo)致排煙溫度升高.為了防止排煙溫度升高，需要對空氣預(yù)熱器進(jìn)行相應(yīng)改造.因此，根據(jù)對空氣預(yù)熱器改造與否又制定了3種試驗(yàn)方案.

表1 薩拉齊300 MW 循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組的相關(guān)參數(shù)Tab.1 Operational parameters of Salaqi 300 MW CFB boiler unit

圖1 300 MW 循環(huán)流化床鍋爐熱流圖Fig.1 Heat flow diagram of the 300 MW CFB boiler

表2 空氣透平系統(tǒng)主要設(shè)備的性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of main test facilities in the air turbine system

方案1：不改造空氣預(yù)熱器，僅在原鍋爐機(jī)組上耦合空氣透平系統(tǒng)，即從鍋爐爐膛出口開孔，抽取部分煙氣，該部分高溫?zé)煔庠诟邷負(fù)Q熱器內(nèi)放熱后一直冷卻到與空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度相同，該部分煙氣可以直接并入空氣預(yù)熱器，利用空氣預(yù)熱器處煙氣與鍋爐爐膛出口處煙氣的壓差自動抽取高溫?zé)煔猓瑥亩梢越档驮囼?yàn)成本.

方案2：除了改造空氣預(yù)熱器外，其余部分以及性能參數(shù)與方案1中相同.在方案2中，通過增加空氣預(yù)熱器的受熱面來保持排煙溫度不變，但是鍋爐的熱風(fēng)溫度會得到較大幅度的提高.

方案3：不改造空氣預(yù)熱器，但是增加高溫?fù)Q熱器低溫段的換熱面積，即通過冷空氣來降低抽出煙氣的溫度，一直將排煙溫度降至與鍋爐排煙溫度大致相同，約為135℃，然后將高溫?fù)Q熱器的排煙直接送入除塵器.

2 3種方案的性能比較

3種試驗(yàn)方案的系統(tǒng)熱流分布圖見圖2，性能試驗(yàn)參數(shù)的比較見表3.在圖2中，取0 ℃為熱流計算的基準(zhǔn)點(diǎn)，其中送風(fēng)溫度39.89 ℃為一次風(fēng)溫和二次風(fēng)溫的加權(quán)平均值.

從圖2可以看出，機(jī)組耦合了空氣透平系統(tǒng)后，高溫?fù)Q熱器從煙氣中吸收的熱量除了轉(zhuǎn)換為功外，其余大部分通過透平排氣又送回了鍋爐爐膛.對比圖1和圖2可以看出，在耦合了空氣透平系統(tǒng)后，空氣預(yù)熱器出口的熱風(fēng)溫度得到不同程度的提高，尤其是在方案2中，由于改造了空氣預(yù)熱器，熱風(fēng)溫度提高幅度最高，達(dá)到11K，而且方案2中由于改造了空氣預(yù)熱器，所以煤耗量的增幅最小.在方案1中，因?yàn)闆]有改造空氣預(yù)熱器，所以排煙溫度最高，排煙熱損失也最大.在計算耦合系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)時，假定除排煙熱損失外，其他熱損失保持不變.

表3 3種方案性能參數(shù)的對比Tab.3 Comparison of performance parameters among the three schemes

從表3可以看出，由于耦合了空氣透平系統(tǒng)后鍋爐機(jī)組的煤耗量增加，所以機(jī)組的熱耗量也會增加，方案2的煤耗量最少，因此熱耗量也最少，空氣透平系統(tǒng)的發(fā)電效率最高；方案1由于沒有改造空氣預(yù)熱器，所以排煙溫度升高，額外帶走了一部分熱量，導(dǎo)致空氣透平系統(tǒng)的效率最低.在計算中，取空氣透平系統(tǒng)的發(fā)電效率為其輸出功率與機(jī)組增加熱耗量的比值.

由于透平的排汽作為鍋爐的二次風(fēng)送入爐膛，因此透平系統(tǒng)可以節(jié)省一部分風(fēng)機(jī)電耗，考慮節(jié)省的風(fēng)機(jī)電耗后，空氣透平系統(tǒng)的供電效率最高可以達(dá)到90.31%，接近鍋爐效率.

原鍋爐機(jī)組空氣預(yù)熱器的換熱溫差為76.72 K，如果采用方案1，則換熱溫差降低至74.9K，意味著換熱量減少，排煙溫度升高；如果采用方案2，因?yàn)闊犸L(fēng)溫度提高，則換熱溫差進(jìn)一步降低至70.16K，需要增加較多的換熱面積.另一方面，對于高溫?fù)Q熱器而言，如果煙氣溫度降至301℃，則換熱溫差為227.2K，如果通過增加換熱面積將煙氣冷卻至135 ℃，換熱溫差將降低至89.25K，仍然高于空氣預(yù)熱器的換熱溫差，所以整體增加的換熱面積小于方案2中增加的換熱面積.方案3的空氣預(yù)熱器換熱溫差降低，但是煙氣與空氣流量均有減小，所以排煙溫度為135.5 ℃，與鍋爐原來的排煙溫度相差不大.

經(jīng)初步估算，采用方案1、方案2和方案3的投資成本分別為2 319萬元、2 871萬元和2 439萬元，考慮到系統(tǒng)的效率以及投資，方案3的投資成本較小、效率較高，且對鍋爐改動較小，應(yīng)該是最佳方案.

圖2 耦合系統(tǒng)的熱流分布圖Fig.2 Heat flow diagram of the coupling system

3 幾個重要問題的探討

在試驗(yàn)過程中，耦合空氣透平系統(tǒng)后對燃燒的影響、換熱器的結(jié)構(gòu)形式、煙氣的抽取與回送以及系統(tǒng)的調(diào)節(jié)是很重要的幾個問題，需要對其進(jìn)行認(rèn)真分析與研究.

考慮了透平的排氣熱量后，對入爐風(fēng)溫加權(quán)計算的結(jié)果表明，耦合了空氣透平系統(tǒng)后，鍋爐整體的送風(fēng)溫度提高，在改造空氣預(yù)熱器的情況下，最高可以提高20K 以上，見表3.因此，耦合空氣透平系統(tǒng)后對鍋爐的整體燃燒狀況有利，因?yàn)槿紵枰銐虻难鯕?、燃料以及足夠高的溫度，提高入爐風(fēng)溫，能夠有效促進(jìn)燃燒并提高燃燒效率，降低飛灰含碳量，這對于飛灰含碳量較高的鍋爐或者燃用不易著火煤種的鍋爐有利.

在綜合考慮了現(xiàn)有高溫?fù)Q熱器的結(jié)構(gòu)形式后，熱管換熱器具有阻力小、可靠性高、能夠承受較大的煙氣溫度波動的優(yōu)點(diǎn)，所以在本試驗(yàn)方案的制定過程中，熱管換熱器為首選形式.但是因?yàn)榭諝鈧?cè)的壓力相對較高，煙氣側(cè)的壓力為常壓，熱管換熱器中間的隔板既要受到兩面熱氣的烘烤，又要承受空氣的壓力，所以材質(zhì)的選擇與強(qiáng)度設(shè)計有一定困難，尤其是采用逆流布置方式時熱空氣出口／熱煙氣進(jìn)口處困難更明顯.

目前的解決方案主要有2個：一是在中間隔板靠近熱空氣出口／熱煙氣進(jìn)口處安裝冷卻管道，管道中通有一定量的冷卻水，從而可以使隔板溫度保持在一定范圍內(nèi)，提高隔板強(qiáng)度，但是會降低換熱器的換熱效率；第二個方案如圖3所示，即在靠近熱空氣出口部分安裝折流板，使大部分冷空氣與熱煙氣的換熱采用逆流布置方式，而少部分空氣則采用先順流再逆流的布置方式，以便對熱空氣出口／熱煙氣進(jìn)口處隔板進(jìn)行冷卻，降低隔板溫度.當(dāng)然，兩部分冷空氣量的比例以及折流板的安裝位置和長度還需要通過進(jìn)一步計算確定.

圖3 熱管換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of the heat pipe exchanger

在采用方案1和方案2時，經(jīng)過計算，當(dāng)抽取煙氣量為13.64kg／s時（方案3為10.8kg／s），如果煙氣流速為10m／s，則需要在鍋爐爐膛上部開2個2.56m2的孔；由于煙氣溫度降低后，煙氣體積流量減少，所以在鍋爐尾部煙道空氣預(yù)熱器前開2個大小為1.21m2的孔即可.當(dāng)然，在采用方案3時，煙氣回送位置放在空氣預(yù)熱器后，由于煙氣流量僅有10.8kg／s，且煙氣溫度更低，回送位置的負(fù)壓更低，所以開孔的面積更小.

另一方面，為了便于安裝調(diào)試系統(tǒng)和檢修，在高溫?zé)煹篮透邷負(fù)Q熱器后的低溫?zé)煹郎暇鶓?yīng)安裝煙氣風(fēng)門.在運(yùn)行中，高溫側(cè)的煙氣風(fēng)門全開，煙氣流量依靠低溫側(cè)風(fēng)門調(diào)節(jié)，從而可以防止調(diào)節(jié)風(fēng)門被高溫?zé)煔饧訜嶙冃魏罂ㄋ?，系統(tǒng)可靠性提高.高溫?zé)煔怙L(fēng)門的安裝位置也需要認(rèn)真考慮，因?yàn)樵谙到y(tǒng)退出的時候，為了防止煙氣風(fēng)門受到爐膛內(nèi)高溫?zé)煔獾闹苯雍婵井a(chǎn)生變形，可以將高溫?zé)煔怙L(fēng)門遠(yuǎn)離爐膛開孔，而且最好安裝在與開孔位置有一定距離的豎直段中，如圖4所示.這樣，擋板上方的拐角能夠阻擋爐膛高溫火焰產(chǎn)生的熱輻射，同時擋板上方的煙氣還可以起到隔熱作用.

圖4 煙氣的抽取與回送Fig.4 Extraction and return of flue gas

4 結(jié) 論

在火電機(jī)組耦合了壓縮機(jī)、高溫?fù)Q熱器以及空氣透平后，機(jī)組的廠用電率可以有較大的節(jié)能潛力.因此，如果火力發(fā)電機(jī)組與空氣透平耦合系統(tǒng)能夠在電廠得以實(shí)施，最終可較大幅度地降低電廠的供電煤耗.經(jīng)過對3種試驗(yàn)方案進(jìn)行詳細(xì)分析，方案3應(yīng)該是最佳方案，該方案與方案1相比，由于排煙溫度較低，所以系統(tǒng)的節(jié)能效果較好；與方案2相比，由于不改動空氣預(yù)熱器，所以對鍋爐部分的改動最小，因此整個試驗(yàn)對系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響也最小.但為了更好地發(fā)揮系統(tǒng)的節(jié)能效果，在今后實(shí)際實(shí)施該系統(tǒng)時，空氣預(yù)熱器也應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)改造.

［1］李建鋒，呂俊復(fù)，李斌，等.新型燃?xì)廨啓C(jī)與流化床鍋爐耦合系統(tǒng)性能的分析［J］.動力工程學(xué)報，2011，31（8）：630-637.LI Jianfeng，Lü Junfu，LI Bin，etal.Performance analysis of the system coupling gas turbine and CFB boiler［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31（8）：630-637.

［2］YUE Guangxi，LüJunfu，ZHANG Hai，etal.Design theory of circulating fluidized bed boilers［J］.Proc of the 18th Inter Conf on CFB.Toronto：ASME，2005：135-146.

［3］李建鋒，郝峰，郝繼紅，等.一種新型空氣預(yù)熱器及其性能分析［J］.動力工程，2008，28（4）：585-588.LI Jianfeng，HAO Feng，HAO Jihong，etal.The anal-ysis on the capability of one kind of new air pre-heater［J］.Journal of Power Engineering，2008，28（4）：585-588.

［4］李建鋒，朱超，冷杰，等.降低鍋爐排煙溫度的2種方式比較［J］.中國電力，2012，45（7）：28-33.LI Jianfeng，ZHU Chao，LENG Jie，etal.Comparison of two methods for reducing boiler exhaust flue gas temperature［J］.Electric Power，2012，45（7）：28-33.

［5］李建鋒，呂俊復(fù).熱力塔系統(tǒng)用于空冷發(fā)電余熱利用的研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2009，29（26）：19-24.LI Jianfeng，LüJunfu.A study of the chimney power used in the recuperation of the power plant［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29（26）：19-24.

［6］VANROOYEN J A，KROGER D G.Performance trends of an air-cooled steam condenser under windy conditions EJ-t［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2008，130（2）：1-7.

［7］李建鋒，呂俊復(fù).熱力塔系統(tǒng)用于濕冷火電廠余熱利用及水回收研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30（23）：24-33.LI Jianfeng，LüJunfu.Studies on application of chimney power system in water-cooling power plants for waste heat utilization and water recovery［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30（23）：24-33.

［8］黃河，何芬，李政，等.中國整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電廠的經(jīng)濟(jì)性估算模型［J］.動力工程，2008，28（4）：633-638.HUANG He，HE Fen，LI Zheng，etal.Integrated gasification combined cycle economic estimation model of China［J］.Journal of Power Engineering，2008，28（4）：633-638.

［9］堯國富，李建鋒，李斌.鍋爐與汽輪機(jī)等高設(shè)計研究［J］.工程設(shè)計學(xué)報，2012，19（2）：143-149.YAO Guofu，LI Jianfeng，LI Bin.Research on same height design of boiler and turbine［J］.Chinese Journal of Engineering Design，2012，19（2）：143-149.

［10］李建鋒，呂俊復(fù).渦輪燃燒技術(shù)在渦扇航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用分析［J］.空氣動力學(xué)學(xué)報，2010，28（3）：358-362.LI Jianfeng，LüJunfu.Performance study of technology of combustion inside turbine using in fanjet［J］.Acta Aerodynamic Sinica，2010，28（3）：358-362.

［11］廉筱純，吳虎.航空發(fā)動機(jī)原理［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［12］李建鋒，李斌，堯國富，等.燃?xì)廨啓C(jī)與鍋爐耦合系統(tǒng)提高電廠供電效率的研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32（14）：7-13.LI Jianfeng，LI Bin，YAO Guofu，etal.Research on systems coupled with gas turbines and boilers for power supply efficiency improvement of thermal power plants［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（14）：7-13.

［13］李斌，李建鋒，張全勝，等.燃?xì)廨啓C(jī)與鍋爐耦合系統(tǒng)降低電廠風(fēng)機(jī)電耗的研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32（8）：50-57.LI Bin，LI Jianfeng，ZHANG Quansheng，etal.Research on systems coupled with gas turbines and boilers for power consumption reduction of fans in thermal power plants［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（8）：50-57.

［14］李建鋒，李斌，呂俊復(fù).渦扇發(fā)動機(jī)技術(shù)用于降低火電機(jī)組廠用電分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2012，48（18）：137-143.LI Jianfeng，LI Bin，LüJunfu.Analysis of transplanting turbofan engine technology to reducing power consumption rate of thermal power unit［J］.Journal of Mechanical Engineering，2012，48（18）：137-143.