吳 文，石奇光，曾大海

（上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090）

0 概 述

低壓省煤器是一種有效的節(jié)能設(shè)備，已在火電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。低壓省煤器是通過降低鍋爐的排煙溫度，回收煙氣中的余熱，加熱汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的凝結(jié)水，達(dá)到節(jié)能的目的。

在我國有關(guān)省煤器的文獻(xiàn)中，就有徐永康，林萬超等關(guān)于低壓省煤器節(jié)能技術(shù)［1，2］方面的論述，并定量分析了低壓省煤器的節(jié)能效果。任彥等［3］通過實(shí)際的電廠測量計(jì)算，驗(yàn)證了低壓省煤器也是節(jié)能的。張紅方等［4］通過等效焓降法，定量計(jì)算了330 MW機(jī)組應(yīng)用低壓省煤器后的省煤量?；鹆Πl(fā)電廠由三大熱力系統(tǒng)組成，即為鍋爐熱力系統(tǒng)、管道熱力系統(tǒng)和汽輪發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng)。機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性與三大系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行息息相關(guān)。然而，對于低壓省煤器的節(jié)能效果對三大熱力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，有關(guān)這方面的研究文獻(xiàn)仍不多見。

現(xiàn)以某300MW機(jī)組為例，定量分析低壓省煤器對鍋爐熱效率、管道熱效率和汽輪發(fā)電機(jī)組效率的影響。全面分析低壓省煤器的節(jié)能效果，所得結(jié)論在推廣應(yīng)用低壓省煤器及完善節(jié)能理論上均有實(shí)際意義。

1 低壓省煤器連接系統(tǒng)

低壓省煤器一般安裝在鍋爐空預(yù)器之后，除塵器之前，有串聯(lián)和并聯(lián)兩種布置方式［2］。并聯(lián)連接是指部分凝結(jié)水進(jìn)入低壓省煤器吸收煙氣余熱，與汽輪機(jī)的低壓加熱器并聯(lián)（或多臺并聯(lián)）。串聯(lián)連接是指低壓省煤器串聯(lián)在2臺低壓加熱器之間，凝結(jié)水全部或部分進(jìn)入其中加熱。

鍋爐的排煙溫度高，會增大排煙損失，降低鍋爐的熱效率，而低壓省煤器利用鍋爐的煙氣余熱，加熱凝結(jié)水，獲得了節(jié)能效果。

發(fā)電煤耗b：

其中：ηb—鍋爐熱效率；

ηp—管道熱效率；

ηe—汽輪發(fā)電機(jī)組效率；

q1—煤的低位發(fā)熱量，kJ／kg。

如式（1）和式（2）所示，電廠熱效率包括了鍋爐熱效率、管道熱效率和汽輪發(fā)電機(jī)組效率。提高了電廠的熱效率，機(jī)組的發(fā)電煤耗才會降低。分析低壓省煤器對火電廠的熱經(jīng)濟(jì)性影響，就應(yīng)該分析低壓省煤器對鍋爐熱力系統(tǒng)、管道熱力系統(tǒng)和汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)各個(gè)效率的影響。

根據(jù)熱力發(fā)電廠的系統(tǒng)布置，低壓省煤器處在鍋爐熱力系統(tǒng)邊界內(nèi)，其水側(cè)連接于汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 低壓省煤器與熱力系統(tǒng)的連接

2 低壓省煤器的熱經(jīng)濟(jì)性

以某315MW機(jī)組的原則性系統(tǒng)為例，定量分析低壓省煤器對三大熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的影響。熱力系統(tǒng)的布置，如圖2所示。

圖2 315MW機(jī)組原則性系統(tǒng)

該機(jī)組為亞臨界一次中間再熱300MW凝氣式機(jī)組，系統(tǒng)中的低壓省煤器采用了串聯(lián)連接方式。

2.1 對鍋爐熱效率的影響

根據(jù)熱力系統(tǒng)的布置，應(yīng)用低壓省煤器后，鍋爐的熱負(fù)荷Qb為：

鍋爐正平衡效率為［6］：

式（4）中，Qcp為全廠熱耗量。

鍋爐熱損失：

鍋爐反平衡效率為：

式（5）中：Q1為排煙熱損失，Q2為氣體不完全燃燒熱損失，Q3為固體不完全燃燒熱損失，Q4為散熱損失，Q5為其他熱損失。排煙熱損失所占的比重最大，而影響排煙熱損失的主要因素就是排煙溫度和煙氣容積。排煙溫度對鍋爐熱效率的影響曲線，如圖3所示。排煙溫度越高，熱損失就越大，排煙溫度提高15℃，鍋爐熱效率降低0.9%［7］。

圖3 排煙溫度對鍋爐熱效率影響［7］

從反平衡進(jìn)行分析，火電廠在應(yīng)用低壓省煤器后，鍋爐的排煙溫度是降低的。當(dāng)排煙熱損失減少，在其他損失基本不變的前提下，鍋爐熱效率是提高的。通過正平衡分析，同樣可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)用低壓省煤器后，鍋爐負(fù)荷比未應(yīng)用前多了一項(xiàng)Ddy（h0dy－h(huán)idny），即低壓省煤器回收了鍋爐煙氣余熱，提高了鍋爐熱效率。

2.2 對管道熱效率的影響

在火力發(fā)電廠的熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算中，通常取管道熱效率為99%。事實(shí)上，火力發(fā)電廠管道熱效率達(dá)不到該值。通過管道熱效率正平衡和反平衡方法，分別分析低壓省煤器對管道熱效率的影響是必要的。反平衡算法［8］是從管道損失的角度去考慮，管道損失ΔQp一般分為：一是散熱損失類，包括新蒸汽管道散熱損失q1，再熱蒸汽管道散熱損失q2，給水管道散熱損失q3；二是帶熱量工質(zhì)泄露損失類，如系統(tǒng)汽側(cè)和水側(cè)帶熱量工質(zhì)泄露熱損失q4；三是輔助系統(tǒng)損失類，如廠用輔助蒸汽系統(tǒng)熱損失q5和鍋爐連續(xù)排污熱損失q6。而在應(yīng)用低壓省煤器的機(jī)組中，如圖2的系統(tǒng)布置中，還需要考慮低壓省煤器冷段和熱段管道的散熱損失q7。

管道反平衡熱效率為：

管道熱損失：

管道正平衡熱效率為：

機(jī)組在應(yīng)用低壓省煤器后，管道的散熱損失多了一項(xiàng)q7，所以管道熱效率是降低的。

2.3 對汽輪發(fā)電機(jī)組效率的影響

汽輪發(fā)電機(jī)組效率ηe包括汽機(jī)絕對內(nèi)效率ηi和機(jī)電效率ηmg，當(dāng)機(jī)電效率保持不變時(shí)，只需分析低壓省煤器對絕對內(nèi)效率的影響。

當(dāng)汽輪機(jī)的汽耗量為D0時(shí)，其實(shí)際內(nèi)功為Wi，kJ／h；絕對內(nèi)效率ηi為［5］：

以汽輪機(jī)的進(jìn)汽為1kg計(jì)，它的比內(nèi)功ωi關(guān)系式：

式（12）中：ac—凝汽份額；aj—1至n號加熱器抽汽份額；Δhci—每kg凝汽流的實(shí)際焓降，kJ／kg；Δhri—回?zé)岢槠膶?shí)際焓降，kJ／kg。

當(dāng)使用低壓省煤器時(shí)，利用煙氣余熱加熱汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的凝結(jié)水，會排擠低壓加熱器的抽汽，增大機(jī)組凝汽流的流量，降低了汽輪發(fā)電機(jī)組的效率。

綜上所述，使用低壓省煤器后，鍋爐的熱效率會得到提高，管道熱效率和汽輪發(fā)電機(jī)組效率均會下降。

現(xiàn)通過實(shí)例計(jì)算，驗(yàn)證低壓省煤器對電廠三大熱力系統(tǒng)及全廠熱經(jīng)濟(jì)性的影響。

3 計(jì)算案例

某電廠鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、自然循環(huán)鍋爐。汽輪機(jī)為單軸、雙缸雙排汽一次中間再熱，高中壓缸合缸反動(dòng)凝氣式。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷為315MW時(shí)，運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 315MW機(jī)組參數(shù)

低壓省煤器為串聯(lián)布置，如圖2所示。省煤器水側(cè)的進(jìn)口在6號低壓加熱器的水側(cè)出口，被加熱后的凝結(jié)水通往5號低壓加熱器的水側(cè)進(jìn)口。低壓省煤器的設(shè)計(jì)參數(shù)：進(jìn)口煙氣溫度為152℃，煙氣焓為158.9kJ／kg，出口煙氣溫度為122.5℃，煙氣焓為127.6kJ／kg，煙氣質(zhì)量流量為1331.4t／h；進(jìn)口凝結(jié)水溫度為105.2℃，焓值為442.1kJ／kg，出口水溫為118.6℃，焓值為498.9kJ／kg，凝結(jié)水流量為733.74t／h。

3.1 節(jié)能效果分析

以反平衡方法計(jì)算管道熱效率時(shí)，新蒸汽管道、冷熱再熱管道和主給水管道是從鍋爐側(cè)連接到汽機(jī)側(cè)，由于距離較遠(yuǎn)，溫度一般會降低1～2K。計(jì)算時(shí)，統(tǒng)一以1K溫降為標(biāo)準(zhǔn)。在應(yīng)用低壓省煤器的機(jī)組中，管道是從汽機(jī)側(cè)到鍋爐側(cè)，需要考慮散熱損失。帶熱量工質(zhì)的泄漏產(chǎn)生了熱損失，近似認(rèn)為蒸汽泄漏主要集中在主蒸汽管道和再熱蒸汽管道兩處，泄漏量為8.669 1t／h。廠用蒸汽量為5.779 4 t／h，返回水份額為零?；?zé)峒訜崞鞯倪\(yùn)行參數(shù)，如表2所示。

表2 回?zé)峒訜崞鲄?shù) （kJ／kg）

根據(jù)熱力發(fā)電廠原理［5］，參照表2各回?zé)峒訜崞鞯膮?shù)，在額定功率315MW的情況下，按照公式1～12可得到應(yīng)用低壓省煤器前后鍋爐熱效率ηb、管道熱效率ηp、絕對內(nèi)效率ηi、全廠效率ηcp和發(fā)電煤耗的變化值，如表3、表4所示。

表3 四種案例參數(shù)對比

對比案例一和案例二，考慮管道熱效率后發(fā)電煤耗升高3.793g／（kW·h）。對比案例三和案例四，考慮管道熱效率后發(fā)電煤耗升高4.357 7 g／（kW·h），發(fā)現(xiàn)管道熱效率對發(fā)電煤耗影響很大，是不能忽略的。對比案例一和案例三，低壓省煤器降低了發(fā)電煤耗3.139 7g／（kW·h）。對比案例二和案例四，在考慮管道熱效率后，低壓省煤器降低了發(fā)電煤耗2.574 9g／（kW·h），可看出低壓省煤器具有明顯的節(jié)能作用，如果忽略管道熱效率，就會高估低壓省煤器的節(jié)能效果。

表4 案例四管道各部分損失所占份額 （%）

表4是案例四中管道各項(xiàng)損失所占比例?？煽闯龉艿罒嵝时纫话闳〉亩ㄖ?9%低了很多，在該案例中，管道熱效率為97.568 0%，相差1.432%。另外，在各項(xiàng)熱損失中，帶熱量工質(zhì)泄漏的熱損失和廠用汽熱損失約占70%，所以，減少工質(zhì)泄漏可有效提高管道熱效率。

3.2 低壓省煤器進(jìn)水量的影響

定義的分流流量系數(shù)，是指進(jìn)入低壓省煤器的凝結(jié)水占6號低加加熱器凝結(jié)水出水量的比例。以案例四為基礎(chǔ)，可得到不同分流流量系數(shù)條件下的鍋爐熱效率、管道熱效率、機(jī)組絕對內(nèi)效率和全廠熱效率的變化值，如表5和圖4所示。

表5 各個(gè)熱效率與分流流量系數(shù)的變化關(guān)系 （%）

分析計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)分流流量系數(shù)從0升至1后，鍋爐熱效率由91%提高到92.721 0%，管道熱效率由97.764 1%降至97.568 0%，機(jī)組絕對內(nèi)效率由46.426 8%降至46.046 9%，全廠熱效率從40.481 8%提升至40.827 8%。換算至電廠熱經(jīng)濟(jì)性的運(yùn)行成本上，無低壓省煤器投入時(shí)的發(fā)電煤耗為303.840 4g／（kW·h），應(yīng)用省煤器后的發(fā)電煤耗為 301.265 5g／（kW·h），發(fā)電煤耗降低了2.574 9g／（kW·h）。

圖4 各個(gè)效率隨分流流量系數(shù)的變化

由圖4可知，隨著分流流量系數(shù)的升高，回收的煙氣余熱也會增多，鍋爐熱效率是提高的，而機(jī)組絕對內(nèi)效率和管道熱效率都是降低的，但全廠熱效率是增高的。這表明對低壓省煤器節(jié)能效果的評價(jià)，必須依據(jù)電廠能量系統(tǒng)的作用原則進(jìn)行全面系統(tǒng)的考察。

6 結(jié) 語

（1）在火電機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算中，應(yīng)該考慮管道熱效率的實(shí)際值。管道熱效率取定值99%，會得到偏高的全廠熱效率。從計(jì)算案例可知，管道熱效率為97.568 0%，如果取定值99%，則全廠熱效率將上升至0.599 2%，發(fā)電煤耗降低4.357 7g／（kW·h）。忽略管道熱效率會高估低壓省煤器的節(jié)能效果，在本算例中會高估至0.564 8g／（kW·h）。

（2）低壓省煤器利用了鍋爐的余熱，會引起汽輪發(fā)電機(jī)組效率的降低，但是降低了鍋爐熱損失，提高了鍋爐熱效率。在算例中，煙氣降低29.5℃，明顯降低了煙氣的排煙損失，鍋爐熱效率提高1.721 0%。

（3）低壓省煤器具有顯著的節(jié)能效果。在計(jì)算案例中，應(yīng)用低壓省煤器后，鍋爐熱效率上升1.721 0%，管道熱效率降低0.196 1%，汽機(jī)絕對內(nèi)效率降低0.379 9%，全廠熱效率增加0.346 0%，全廠發(fā)電煤耗降低2.574 9g／（kW·h）。