段景衛(wèi)，李建剛，陳傳平，劉俊峰

(1.洛陽陽光熱電有限公司，河南 洛陽 471000； 2.鄭州電力高等專科學(xué)校，鄭州 450000；3.西安熱工研究院有限公司，西安 710000)

0 引言

給城市用戶提供穩(wěn)定、清潔的熱源是熱電企業(yè)的重要責(zé)任，對(duì)設(shè)備不斷改進(jìn)，使之節(jié)能、環(huán)保是熱電企業(yè)追求發(fā)展的目標(biāo)之一，也是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。某熱電公司原鍋爐滾筒冷渣器冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中使用工業(yè)水冷卻，引起2個(gè)問題：一是鍋爐排渣熱量沒有得到有效的回收利用，白白浪費(fèi)，且對(duì)環(huán)境造成熱污染；二是流過冷渣器的工業(yè)水量大，水溫升高的幅度大，致使其他使用工業(yè)水冷卻的設(shè)備流量不足，設(shè)備運(yùn)行存在安全隱患，所以需要對(duì)其進(jìn)行改造，提升經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)備及系統(tǒng)概況

某熱電公司安裝2臺(tái)HG-440/13.7-LYM22型超高壓、一次中間再熱、單汽包自然循環(huán)、平衡通風(fēng)循環(huán)流化床鍋爐，該鍋爐設(shè)計(jì)工況參數(shù)見表1。每臺(tái)鍋爐配套CC110/N135-13.24/0.98/0.34/535/535型135 MW中間再熱雙抽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，給水系統(tǒng)共有7級(jí)回?zé)幔?臺(tái)低壓加熱器(以下簡稱低加)、1臺(tái)除氧器、2臺(tái)高壓加熱器，凝結(jié)水泵從熱井抽水后流經(jīng)軸封加熱器(以下簡稱軸加)、#7低加、#6低加、#5低加、#4低加、除氧器進(jìn)水調(diào)整門后進(jìn)入除氧器。工業(yè)額定抽汽壓力為0.98 MPa，抽汽流量為50 t/h，額定采暖抽汽壓力為0.34 MPa，抽汽流量為80 t/h，抽汽背壓為3.6 kPa(絕對(duì)壓力)；回?zé)嵯到y(tǒng)正常投運(yùn)時(shí)，汽輪機(jī)在額定進(jìn)汽參數(shù)、額定背壓、額定抽汽參數(shù)的情況下，凝汽器熱井補(bǔ)水量為50 t/h，最大抽汽工況下補(bǔ)水量為80 t/h。每臺(tái)鍋爐配置4臺(tái)滾筒冷渣器，均布置于爐前，冷卻后的渣通過二級(jí)鏈斗輸渣系統(tǒng)排入渣倉，再用汽車運(yùn)送到綜合利用場地。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)工況參數(shù)

原滾筒冷渣器參數(shù)見表2，全部冷渣器采用工業(yè)水冷卻，冷卻水母管進(jìn)口連接電廠工業(yè)冷卻水進(jìn)水母管，回水排到?jīng)鏊?。每臺(tái)鍋爐冷渣器進(jìn)水母管通徑為200 mm，回水母管通徑為250 mm；根據(jù)現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)，進(jìn)渣溫度為920 ℃，排渣溫度為150 ℃，冷卻水進(jìn)口溫度為28 ℃，進(jìn)口壓力為0.3 MPa，冷卻水出口溫度為50 ℃，總耗水量為160 t/h；4臺(tái)冷渣器由工業(yè)水帶走的熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤為0.504 t/h，2臺(tái)鍋爐年運(yùn)行時(shí)間按5 000 h計(jì)算，每年損失的熱量折合成標(biāo)準(zhǔn)煤為5 040 t。

表2 滾筒冷渣器參數(shù)

2 改造方案分析

2.1 改造方案系統(tǒng)概述

冷渣器冷卻水進(jìn)水取自軸加出口凝結(jié)水，為保證軸加用水量，系統(tǒng)不再單獨(dú)設(shè)立管道升壓泵，冷卻水流經(jīng)手動(dòng)閘閥和電動(dòng)閘閥后進(jìn)入鍋爐側(cè)冷渣器冷卻水母管，流經(jīng)并聯(lián)的4臺(tái)冷渣器，回水分別連接到#6低加水側(cè)進(jìn)口管和出口管上，流經(jīng)#5，#4低加經(jīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入除氧器。靠近汽輪機(jī)側(cè)的冷卻水進(jìn)、回水母管上各安裝1個(gè)溫度計(jì)，運(yùn)行人員可以按照冷卻水回水溫度和#6低加水側(cè)進(jìn)出口溫度匹配原則切換回水接入點(diǎn)。在回水母管上安裝1臺(tái)遠(yuǎn)傳流量計(jì)，用于運(yùn)行時(shí)監(jiān)視總冷卻水流量和熱工斷水保護(hù)，當(dāng)冷卻水系統(tǒng)由于某種原因(如金屬軟連接斷裂)發(fā)生大流量泄漏時(shí)，應(yīng)緊急關(guān)閉冷卻水系統(tǒng)母管上的進(jìn)、回水電動(dòng)門，解列冷渣器冷卻水系統(tǒng)，同時(shí)打開#7低加進(jìn)口電動(dòng)門，維持凝汽器熱井水位在正常值。冷渣器出力大小由轉(zhuǎn)速控制，最大出力應(yīng)根據(jù)冷渣器出口冷卻水溫度進(jìn)行調(diào)整，每臺(tái)冷渣器冷卻水出口管上設(shè)置遠(yuǎn)傳溫度測點(diǎn)和壓力測點(diǎn)，監(jiān)視調(diào)整冷卻水出口溫度不高于90 ℃，當(dāng)溫度超過90 ℃或壓力低于0.6 MPa時(shí)，跳閘該冷渣器。出口母管上布置1個(gè)安全閥，整定值為2.0 MPa，運(yùn)行中管道內(nèi)發(fā)生超壓時(shí)動(dòng)作泄壓，此種情況一般出現(xiàn)在冷卻水系統(tǒng)母管進(jìn)、回水電動(dòng)閥全關(guān)時(shí)，冷渣器超溫致使冷卻水沸騰而超壓，進(jìn)而引發(fā)容器爆炸事故。將#7低加入口電動(dòng)閘閥更換成電動(dòng)調(diào)節(jié)閥并加裝1道手動(dòng)閘閥，正常運(yùn)行時(shí)通過調(diào)節(jié)#7低加入口電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度改變冷卻水系統(tǒng)流量，手動(dòng)閘閥的作用是檢修#7低加時(shí)能將其徹底隔離。

熱工連鎖保護(hù)邏輯：

(1)冷渣器允許啟動(dòng)條件為冷卻水母管進(jìn)水和回水電動(dòng)門開，且母管流量大于10 t/h；

(2)當(dāng)冷卻水母管流量低于50 t/h時(shí)，延時(shí)30 s跳閘所有冷渣器；

(3)任意一冷渣器出口冷卻水回水溫度高于90 ℃時(shí)，延時(shí)10 s跳閘該冷渣器；

(4)冷渣器冷卻水母管進(jìn)水或回水電動(dòng)門全關(guān)時(shí)，聯(lián)開#7低加進(jìn)口電動(dòng)門；

(5)任意一臺(tái)冷渣器出口回水壓力高于1.8 MPa時(shí)，延時(shí)20 s跳閘該冷渣器；出口壓力低于0.6 MPa時(shí)，延時(shí)20 s關(guān)閉母管進(jìn)、回水電動(dòng)門，同時(shí)聯(lián)開#7低加進(jìn)口電動(dòng)門。

鍋爐冷渣器冷卻水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 冷渣器冷卻水系統(tǒng)

2.2 管道水力損失計(jì)算

冷卻水母管管徑的選取要滿足鍋爐最大排渣量工況且有一定裕量，同時(shí)要兼顧汽輪機(jī)負(fù)荷最大而凝汽器進(jìn)汽量和補(bǔ)水量較少的工況，即采暖抽汽最大工況。假設(shè)進(jìn)、排渣溫度分別為920 ℃和120 ℃，渣的比熱容c1為1.046 kJ/(kg·℃)，排渣量qm1為25.1 t/h，冷卻水從35 ℃升至50 ℃，水的比熱容c2為4.2 kJ/(kg·℃)，按公式c1qm1Δt1=c2qm2Δt2得冷渣器的冷卻水流量qm2=333.33 t/h，在汽輪機(jī)最大抽汽工況下凝結(jié)水和補(bǔ)水總量為195.68 t/h，綜合考慮選擇DN 200 mm的無縫鋼管作為進(jìn)回水母管。

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備位置測量安裝的管道距離l=170 m，管道通徑D=200 mm，使用20個(gè)90°彎頭，流量為160 t/h，流速v=1.41 m/s，取30 ℃的水，黏度μ=0.798×10-3Pa·s，當(dāng)量粗糙度Δ=0.015 mm，得雷諾數(shù)

局部水力損失

式中：n為彎頭數(shù)量，20；根據(jù)90°彎頭D/R=0.66(R為彎頭中心線的曲率半徑)查表得局部損失系數(shù)ζ=0.172。

通過計(jì)算可得hj=0.349 m。

冷卻水管道總水力損失

hLT=∑hL+∑hj=hc+hj+hz+hk，

式中：hz為冷渣器的水力損失，10 m；hk為流量孔板的水力損失，10 m。

通過計(jì)算可得hLT=21.6 m。

在高負(fù)荷時(shí)，除氧器額定工作壓力為0.65 MPa，最高工作壓力為0.82 MPa，現(xiàn)場測試每個(gè)低加的水力損失為0.1 MPa，根據(jù)冷卻水管道總水力損失可計(jì)算出軸加出口壓力不得低于1.25 MPa，凝結(jié)水泵出口壓力不得低于1.40 MPa，為了保證高負(fù)荷凝結(jié)水流量滿足機(jī)組運(yùn)行要求，凝結(jié)水泵出口的壓力應(yīng)高于1.40 MPa。凝結(jié)水泵型號(hào)為ZD12NLT-220，軸功率為276 kW，流量為426 t/h，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，揚(yáng)程為196 m，效率為82%，該泵經(jīng)過多年運(yùn)行后效率有所下降，凝結(jié)水流量為390 t/h時(shí)，出口壓力只有1.30 MPa，凝結(jié)水無法進(jìn)入除氧器，鍋爐負(fù)荷無法繼續(xù)提高。后來返廠進(jìn)行維修更換葉輪之間的密封，修整葉型擴(kuò)大流道，高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)泵的出口壓力達(dá)到1.70 MPa，滿足機(jī)組運(yùn)行要求。

2.3 典型運(yùn)行工況分析

在電力用煤緊張時(shí)期，電廠煤質(zhì)不受控制，當(dāng)鍋爐排渣量為40 t/h，冷渣器進(jìn)渣溫度為950 ℃，排渣溫度為150 ℃，進(jìn)水溫度為35 ℃，冷卻水進(jìn)水量按照居民采暖最大工況時(shí)選取190 t/h(因?yàn)樵诖斯r下居民采暖抽汽通過熱網(wǎng)凝結(jié)水泵回到#4低加進(jìn)口，不流經(jīng)冷渣器)時(shí)，按公式計(jì)算得冷卻水回水溫度為77.1 ℃< 90.0 ℃，說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是安全的。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 鍋爐冷渣器節(jié)能效益分析

鍋爐燃燒變化對(duì)經(jīng)濟(jì)計(jì)算的影響較大，取負(fù)荷110 MW，主蒸汽流量395 t/h，鍋爐燃料量88 t/h，進(jìn)渣溫度920 ℃，平均排渣溫度105 ℃，冷渣器水側(cè)進(jìn)口溫度30 ℃，回水溫度59 ℃，冷卻水流量qm為140 t/h，機(jī)組年運(yùn)行5 000 h進(jìn)行計(jì)算。

有效吸熱量=cqmΔt=4.2×140×1 000×(59-30)=17 052 000 (kJ/h)，折算成標(biāo)準(zhǔn)煤量為581.84 kg/h。

年節(jié)約煤量581.84×5 000÷1 000=2 909.2(t)，按標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格900元/t計(jì)算，年節(jié)省費(fèi)用900×2 909.2÷10 000=261.83(萬元)。

3.2 汽輪機(jī)做功效益分析

運(yùn)行工況接近額定工況，部分?jǐn)?shù)據(jù)采用汽輪機(jī)額定抽汽工況參數(shù)，汽機(jī)輪低加熱平衡圖如圖2所示。依照等效熱降法理論，該冷渣器余熱利用屬于外部熱量流出、進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)，引起的做功變化用下式計(jì)算

圖2 汽輪機(jī)低加熱平衡圖

ΔW=αf[(hf-h2)η3+Δh1η1+Δh2η2] ，

式中：αf為冷渣器的抽水份額，αf=qm1/qm0；qm1為冷渣器的抽水量，140 t/h；qm0為主蒸汽流量，390 t/h；η1，η2，η3分別為#7，#6，#5低加抽汽效率，η1=4.30%，η2=12.21%，η3=21.10%；Δh1，Δh2分別為#7，#6低加凝結(jié)水焓升，Δh1=43.54 kJ/kg，Δh2=73.21 kJ/kg；hf為冷渣器出口比焓，247.99 kJ/kg；h2為#6低加出口凝結(jié)水比焓，243.81 kJ/kg。

計(jì)算得ΔW=4.197 kJ/kg，即引起的做功增量為4.197 kJ/kg，按該廠發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗0.34 kg/(kW·h)、每年運(yùn)行5 000 h計(jì)，年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤772.95 t。按標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格900元/t計(jì)，年節(jié)省費(fèi)用69.6萬元。

2種計(jì)算方法結(jié)果相差較大，原因是一種計(jì)算方法是按冷渣器冷卻水吸收熱量直接換算成標(biāo)準(zhǔn)煤量，另一種計(jì)算方法是從汽輪機(jī)做功出發(fā)，利用發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗來折算，冷卻水吸收的一部分熱量排擠低加抽汽熱量，使主蒸汽進(jìn)入凝汽器的量增加，熱損失增大，抵消冷卻水吸收熱量的做功能力，相當(dāng)于冷卻水吸收的部分熱量從凝汽器排掉，因此后一種算法更接近實(shí)際效益。

4 結(jié)論

(1)改造后機(jī)組的安全性得到進(jìn)一步提高，鍋爐燃燒變化不再影響工業(yè)冷卻水系統(tǒng)，能夠保證其他輔機(jī)安全運(yùn)行。

(2)改造后機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益顯著，依照等效熱降法理論計(jì)算得出的效益更接近實(shí)際情況。

(3)設(shè)計(jì)方案時(shí)，熱工保護(hù)邏輯和系統(tǒng)上閥門的設(shè)置以汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行和輔機(jī)在線檢修為考慮重點(diǎn)，然后考慮鍋爐側(cè)冷渣器本身的安全運(yùn)行，兼顧運(yùn)行安全和投資費(fèi)用。

(4)冷渣器冷卻水母管通徑的選取應(yīng)按照鍋爐最大排渣量工況對(duì)應(yīng)的冷卻水量，不應(yīng)按照單臺(tái)冷渣器最大出力所需冷卻水量，并且要考慮采暖抽汽量最大而凝結(jié)水量較小的典型工況。

參考文獻(xiàn)：

[1]景思睿，張鳴遠(yuǎn).流體力學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

[2]李勤道，劉志真.熱力發(fā)電廠熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算分析[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]郭增良，袁雄俊.490 t/h循環(huán)流化床供熱機(jī)組滾筒冷渣器余熱利用改造及優(yōu)化[J].華電技術(shù)，2010，(32)12 ：41-45.