陳大為，吳紅峰

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

兩種余熱利用系統(tǒng)性能對比分析

陳大為，吳紅峰

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

現(xiàn)階段，我國對大型燃煤電站機(jī)組實際節(jié)能降耗的要求不斷提升，逐步提高電廠燃煤效率、降低對周圍環(huán)境的排放污染已成為我國今后發(fā)展煤電的重點。本文以能級理論為基礎(chǔ)，結(jié)合某百萬千瓦電站的實際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對兩種鍋爐排煙余熱利用系統(tǒng)的熱力性能及經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：優(yōu)化余熱利用系統(tǒng)在總投資為3032.81萬元的情況下，即可實現(xiàn)降低供電煤耗2.91g/kWh，年收益達(dá)1090.96萬元的節(jié)能減排目標(biāo)，系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于常規(guī)余熱利用系統(tǒng)（常規(guī)余熱利用系統(tǒng)投資約為1450.6萬元，供電煤耗降低1.55g/kWh，年節(jié)煤收益581.4萬元）。

煙氣余熱利用；熱力性能；技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)

0 引言

我國“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)決定了煤電在我國供電體系中的主導(dǎo)地位在較長時間內(nèi)不會發(fā)生變化，但傳統(tǒng)煤電所面臨的節(jié)能減排壓力卻日益嚴(yán)峻。為更好地滿足火力發(fā)電在整個電力體系中的主導(dǎo)地位，提升煤電高效清潔發(fā)展水平，必然成為今后我國大力發(fā)展煤電的重中之重[1]。

目前，可實現(xiàn)燃煤機(jī)組節(jié)能降耗的途徑較多，但歸結(jié)起來，主要有以下三種：一是優(yōu)化火力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步擴(kuò)大高參數(shù)機(jī)組、燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組及熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在煤電中的比重[2~4]；二是加強(qiáng)對已投運(yùn)機(jī)組的余熱、廢熱合理利用、全工況運(yùn)行優(yōu)化，降低發(fā)電單元設(shè)備和熱力系統(tǒng)的能耗，具體包括鍋爐尾部煙氣余熱回收利用、主汽參數(shù)優(yōu)化、冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化等[5-7]；三是根據(jù)煤質(zhì)、負(fù)荷和環(huán)境的變化，調(diào)整鍋爐運(yùn)行手段，引進(jìn)改造措施，提高機(jī)組熱功轉(zhuǎn)化效率。

在以上節(jié)能降耗措施中，改善鍋爐尾部結(jié)構(gòu)、降低排煙損失是較符合我國燃煤電站機(jī)組現(xiàn)行運(yùn)行特點的一種方案。目前，大型燃煤機(jī)組排煙熱損失占鍋爐總熱損失的比重超過50%。倘若能夠有效的對鍋爐尾部出口煙氣的熱能加以綜合處理，那么在提升鍋爐效率的同時，也能夠合理的減少整個燃煤電廠對外部環(huán)境的污染。

然而，常規(guī)余熱利用系統(tǒng)存在很多限制條件。如入口煙溫較低、出口煙溫要考慮材料耐腐蝕性能等。有鑒于此，本文結(jié)合能量梯級利用的思路，對常規(guī)余熱利用系統(tǒng)煙氣側(cè)進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合某百萬千瓦超超臨界機(jī)組實際運(yùn)行參數(shù)，對常規(guī)系統(tǒng)及優(yōu)化系統(tǒng)從熱力性能、投資估算、經(jīng)濟(jì)收益的角度進(jìn)行全面對比分析。

1 能級理論

熱能的傳遞轉(zhuǎn)換過程涉及質(zhì)與量兩部分。高溫高壓熱源的傳遞轉(zhuǎn)換潛力要遠(yuǎn)高于相同數(shù)量的低溫低壓熱源，也就是說熱源所對應(yīng)的參數(shù)越高，其轉(zhuǎn)換潛力越大。分析能源結(jié)構(gòu)并按質(zhì)用能、逐級多次用能可以更好的實現(xiàn)能源優(yōu)化配置，減少能量品位浪費(fèi)，進(jìn)而實現(xiàn)高效用能。

吳仲華教授從傳統(tǒng)的熱力學(xué)基本原理出發(fā)，闡明不同溫度能量之間的梯級傳遞轉(zhuǎn)化關(guān)系，提出能級品位概念，把合理高效利用能源提升到系統(tǒng)層面，通過對不同品位能量的梯度安排及系統(tǒng)內(nèi)不同單元的優(yōu)化匹配，進(jìn)而達(dá)到提升能源利用效率的目標(biāo)[8，9]。

“溫度對口、梯級利用”的用能思路主要包括兩個方面：

（1）選用溫度適宜的熱源參與換熱過程，合理控制傳熱溫差[10]。

（2）充分利用不同梯度品位的熱源。高溫?zé)嵩丛趨⑴c傳熱傳質(zhì)過程中，其溫度總是逐漸降低的，而每個換熱過程，均有一個最經(jīng)濟(jì)的換熱溫區(qū)。當(dāng)熱源溫度已降至適宜溫區(qū)以外時，可考慮對這部分熱源的低品位能量進(jìn)行二次利用，進(jìn)而提升對熱源的總利用率。

2 基于能量梯級利用的煙氣余熱利用系統(tǒng)

2.1 常規(guī)余熱利用系統(tǒng)

鍋爐尾部空氣預(yù)熱器出口煙溫通常維持在130～160℃。這部分低溫?zé)煔馔ㄟ^脫硫、除塵等凈化處理后直接排入周圍環(huán)境。由于排放時煙溫基本不變，即排煙熱能未加利用直接浪費(fèi)。這對周圍環(huán)境和電站能耗均造成較大影響。為了緩解這一問題，現(xiàn)階段大型燃煤機(jī)組均在鍋爐尾部空氣預(yù)熱器出口煙道中布置一級低溫省煤器，具體爐側(cè)布置情況如圖1所示。常規(guī)余熱利用系統(tǒng)利用低溫省煤器加熱部分回?zé)嵯到y(tǒng)中的凝結(jié)水，減少部分相應(yīng)回?zé)岢槠?，?jié)省的回?zé)岢槠祷仄啓C(jī)繼續(xù)膨脹做功，進(jìn)而在主蒸汽流量不變的情況下，提升機(jī)組熱功轉(zhuǎn)換效率。

圖1 常規(guī)余熱利用系統(tǒng)示意圖

低溫省煤器對爐膛整體燃燒過程及高溫區(qū)熱質(zhì)傳遞過程無影響，同時具有煤種適應(yīng)性強(qiáng)、檢修維護(hù)方便等優(yōu)點。但同時我們也注意到，空氣預(yù)熱器出口的煙氣溫度通常只有130～160℃，即流經(jīng)低溫省煤器的煙溫有限、品位較低，腐蝕磨損嚴(yán)重；此外，綜合考慮設(shè)備投資等實際工程約束，常規(guī)余熱利用系統(tǒng)最多只能替代7#回?zé)岢槠?jié)能收益有限。

2.2 優(yōu)化余熱利用系統(tǒng)

有鑒于此，本文結(jié)合“溫度對口、梯級利用”的用能思路，對鍋爐尾部煙氣流動情況進(jìn)行優(yōu)化處理，如圖2所示。優(yōu)化余熱利用系統(tǒng)是在確保空氣吸熱量不變的前提下，利用空氣預(yù)熱器與前置式空氣預(yù)熱器分級加熱空氣，并在兩級空氣預(yù)熱器之間布置煙水換熱器。省煤器出口煙氣依次流經(jīng)串聯(lián)布置于鍋爐尾部煙道的空氣預(yù)熱器、煙水換熱器和前置式空氣預(yù)熱器，并與入爐空氣（通過空氣預(yù)熱器和前置式空氣預(yù)熱器）和低壓凝結(jié)水（通過煙水換熱器）進(jìn)行熱交換。

相比于常規(guī)系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)增設(shè)了前置式空氣預(yù)熱單元，利用低品位排煙熱能先預(yù)熱溫度較低的入爐空氣，在空氣吸熱量不變的情況下，置換出部分較高品位的煙氣，并將這部分煙氣引入回?zé)嵯到y(tǒng)加熱5～6#低壓凝結(jié)水，增加機(jī)組出功。優(yōu)化系統(tǒng)通過改造爐側(cè)余熱回收子系統(tǒng)，進(jìn)而解決常規(guī)系統(tǒng)中低溫省煤器入口煙溫較低的制約。

圖2 優(yōu)化余熱利用系統(tǒng)示意圖

3 熱力性能分析

3.1 熱力學(xué)計算結(jié)果

本文以某典型百萬千瓦燃煤電站實際運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行鍋爐尾部余熱利用方案的定量分析計算。該機(jī)組主汽參數(shù)分別為26.25MPa/600℃，一次再熱蒸汽溫度為600℃。鍋爐效率約為94%。汽機(jī)側(cè)熱力參數(shù)見表1。

表1 案例機(jī)組THA工況主要熱力參數(shù)

結(jié)合案例機(jī)組基本參數(shù)，對常規(guī)系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行熱力性能計算。其中，為滿足工程實際需求，新增換熱設(shè)備對數(shù)溫差均控制在15℃以上且最終排煙溫度限制為90℃。各級加熱器熱力設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 各級加熱器熱力設(shè)計參數(shù)

結(jié)合等效焓降法、工質(zhì)流動阻力、換熱器設(shè)計的相關(guān)公式，對常規(guī)系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)的新增設(shè)備換熱量、廠用電耗增量、供電煤耗節(jié)約量等參數(shù)進(jìn)行對比計算，相關(guān)熱力性能結(jié)果見表3。

表3 熱力性能對比

計算結(jié)果表明：1）優(yōu)化系統(tǒng)提升了引入汽機(jī)側(cè)回?zé)嵯到y(tǒng)中的煙氣能級品位。在煙氣放熱量不變的情況下，機(jī)組性能改善優(yōu)于常規(guī)方案；2）優(yōu)化系統(tǒng)新增煙水換熱器、前置式空氣預(yù)熱器等設(shè)備，這就使得優(yōu)化系統(tǒng)需要增加若干供能設(shè)備來提供工質(zhì)流動過程中阻力的增加，通過計算，最終優(yōu)化系統(tǒng)廠用電耗提高了1.09MW，較常規(guī)系統(tǒng)增加約0.41MW；3）優(yōu)化系統(tǒng)改善了空氣預(yù)熱過程和回?zé)峒訜徇^程的能量匹配關(guān)系，將170～131℃的煙氣熱能引入回?zé)嵯到y(tǒng)，進(jìn)而使機(jī)組供電煤耗值降低2.91 g/kW·h，機(jī)組凈出功增加9.58MW的節(jié)能效果。

3.2 各級回?zé)岢槠c做功變化分析

圖3、圖4分別給出了常規(guī)余熱利用系統(tǒng)及優(yōu)化余熱利用系統(tǒng)的回?zé)岢槠孔兓白龉α孔兓疽鈭D。其中，各級回?zé)岢槠兴鶞p少時，網(wǎng)狀柱處于x軸上方；反之則處于x軸下方。機(jī)組發(fā)電功率增加時，實心柱處于x軸上方；反之則處于x軸下方。通過對圖3、圖4的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)：

圖3 常規(guī)余熱利用系統(tǒng)

圖4 優(yōu)化余熱利用系統(tǒng)

（1）在常規(guī)系統(tǒng)中，低溫省煤器利用131～90℃煙氣的低品位熱能加熱回?zé)嵯到y(tǒng)中的7#凝結(jié)水，節(jié)約20.25kg/s 7#低壓抽汽的同時，增加機(jī)組發(fā)電功率5.98MW。同時我們也注意到，7#回?zé)岢槠康淖兓沽魅?#回?zé)峒訜崞鞯氖杷坑兴档?，最終常規(guī)系統(tǒng)共節(jié)約回?zé)岢槠?8.73kg/s，機(jī)組發(fā)電功率增加約5.84MW。

（2）在優(yōu)化系統(tǒng)中，前置式空氣預(yù)熱器利用131～ 90℃的低溫?zé)煔忸A(yù)熱空氣，提升引入空氣預(yù)熱器中的空氣溫度，置換出170～131℃的煙氣熱能，并結(jié)合“溫度對口、梯級利用”的相關(guān)原理，將這部分高品位煙氣熱能引入回?zé)嵯到y(tǒng)加熱5#、6#凝結(jié)水，分別節(jié)約5#、6#回?zé)岢槠?.51kg/s和9.79kg/s，發(fā)電功率分別增加了6.01MW和5.1MW。綜合考慮5#、6#抽汽量的變化對整個回?zé)嵯到y(tǒng)的影響，最終優(yōu)化系統(tǒng)共節(jié)約回?zé)岢槠?6.91kg/s，機(jī)組發(fā)電功率增加約10.79MW。

（3）各級回?zé)岢槠淖龉δ芰Υ嬖诤艽蟛町?，高級別抽汽的做功能力明顯優(yōu)于同質(zhì)量的低級別抽汽，因而雖然優(yōu)化系統(tǒng)節(jié)約的回?zé)岢槠康陀诔Ｒ?guī)系統(tǒng)，但機(jī)組發(fā)電功率增加值仍約為常規(guī)系統(tǒng)的2倍。有鑒于此，更合理的利用機(jī)爐兩側(cè)的低品位熱能，有效的提升引入回?zé)嵯到y(tǒng)中的熱能能級品位，可以更好地提升機(jī)組熱功轉(zhuǎn)換效率。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

為進(jìn)一步分析煙氣余熱利用系統(tǒng)在工程實際應(yīng)用過程中給電站帶來的經(jīng)濟(jì)收益，本文在分析系統(tǒng)熱力性能的同時，也充分考慮了設(shè)備投資、運(yùn)行維護(hù)、廠用電耗的變化給電站帶來的相關(guān)費(fèi)用增加。

4.1 設(shè)備初投資

本文利用規(guī)模因子法對新增設(shè)備及管道造價進(jìn)行投資估算[11]，具體公式如下：

式中a，b—代表新增設(shè)備及參考設(shè)備；

Iinstall—設(shè)備投資造價，萬元；

Size—規(guī)模參數(shù)，在計算過程中，鑒于新增設(shè)備的材料等實際情況與參考設(shè)備相似，因而本文取設(shè)備面積為參考規(guī)模；

f—規(guī)模因子；

GDP—變化因子；

CE—化工設(shè)備價格索引因子；

K—地區(qū)因子。

具體新增設(shè)備參考數(shù)據(jù)見表4。

常規(guī)余熱利用系統(tǒng)和優(yōu)化余熱利用系統(tǒng)的新增設(shè)備投資估算見表5，其中，土建安裝費(fèi)用取為設(shè)備總投資的17%[12]。對常規(guī)余熱利用系統(tǒng)而言，低溫省煤器的引入使得總投資增加了1370.60萬元，如若在考慮泵、管道等相關(guān)費(fèi)用，最終常規(guī)系統(tǒng)總投資為1697.20萬元。優(yōu)化系統(tǒng)中空預(yù)器入口風(fēng)溫提高到170℃，高于常規(guī)系統(tǒng)（入口風(fēng)溫為25℃），因而煙氣-空氣換熱量和對數(shù)換熱溫差均較常規(guī)系統(tǒng)有所降低，在換熱系數(shù)變化不明顯的情況下，可知空氣預(yù)熱器換熱面積有所減少，因而原空氣預(yù)熱器滿足實際優(yōu)化需求，改造投資可近似忽略；同時，煙水換熱器、前置式空氣預(yù)熱器的引入分別造成投資成本增加839.76萬元、1662.39萬元。如若考慮泵與風(fēng)機(jī)、土建安裝等相關(guān)費(fèi)用，最終優(yōu)化系統(tǒng)總投資達(dá)3032.82萬元。

表4 新增設(shè)備參考數(shù)據(jù)

表5 新增設(shè)備投資估算萬元

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

本文在新增設(shè)備投資估算的基礎(chǔ)上，從低溫?zé)煔庥酂崂酶脑煊芰Φ慕嵌?，對常?guī)系統(tǒng)及優(yōu)化系統(tǒng)的工程設(shè)計合理性進(jìn)行論證[13~15]。其中，以動態(tài)分析為主，建設(shè)投資和經(jīng)營成本估算為基礎(chǔ)，計算改造的財務(wù)凈現(xiàn)值、投資收益率等經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)，具體計算結(jié)果見表6。

由表6可知，優(yōu)化系統(tǒng)在改造投資僅增3032.81萬元的情況下，機(jī)組凈功率提高9.58MW，供電煤耗減少2.91g/kWh，年節(jié)煤收益達(dá)1090.96萬元，三項指標(biāo)均明顯優(yōu)于常規(guī)系統(tǒng)（常規(guī)系統(tǒng)中，機(jī)組凈功率提高5.10MW，供電煤耗減少1.55g/kWh，節(jié)煤收益為581.40萬元）。同時，優(yōu)化系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期與常規(guī)系統(tǒng)相近。由此可知，優(yōu)化系統(tǒng)在改造投資較省的情況下，即可實現(xiàn)降耗效果明顯和經(jīng)濟(jì)收益顯著的雙重目標(biāo)。

表6 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

5 結(jié)語

本文從熱力性能、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析的角度，對比分析常規(guī)余熱利用系統(tǒng)與優(yōu)化余熱利用系統(tǒng)，深入研究得出以下結(jié)論：

（1）綜合考慮低溫省煤器的占地面積、投資成本與節(jié)能收益，低溫省煤器凝結(jié)水側(cè)最高可與7#回?zé)峒訜崞鞑⒙?lián)布置，不僅提高了機(jī)組功率，還使供電煤耗降低。

（2）本文提出的優(yōu)化余熱利用系統(tǒng)，更好的實現(xiàn)空氣預(yù)熱過程、余熱利用過程和回?zé)峒訜徇^程的能量梯級利用，實現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)組的進(jìn)一步深度節(jié)能。

（3）優(yōu)化系統(tǒng)在節(jié)約回?zé)岢槠康陀诔Ｒ?guī)系統(tǒng)的情況下，機(jī)組發(fā)電功率增加值仍約為常規(guī)系統(tǒng)的2倍。

（4）本文提出的優(yōu)化系統(tǒng)，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性能明顯優(yōu)于常規(guī)系統(tǒng)。在總投資有限的情況下（增加3032.81萬元），每年節(jié)約標(biāo)煤1.45萬t，扣除運(yùn)行維護(hù)成本（約121.31萬元）后，年收益達(dá)1090.96萬元。

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Performance Comparison and Analysis of Low-temperature Flue Gas Waste Heat Utilization System

CHEN Da-wei，WU Hong-feng
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

As a consequence of the rapidly increasing energy price and more and more stringent energy-saving and emission reduction policies，corresponding measures are taken by the majority of the coal-fired plants in China，including improving the power plant efficiency，reducing the unit standard coal consumption rate as well as CO2emissions.In this paper，based on the design data of a typical 1000 MW ultra-supercritical coal-fired power plant，the thermal performance and economic performance of two low-temperature flue gas waste heat utilization system is contrastive analyzed on the basis of the energy cascade utilization principles.Results show that the total investment of the optimized system is only 30.3281 million CNY，while the supply coal consumption reduces by 2.91g/kWh，saving on 10.9096 million CNY for coal investment annually.In terms of the conventional system，these aforementioned performance parameters are 14.506 million CNY，1.55g/kWh and 5.814 million CNY，respectively.The optimized system has better performance.

flue gas waste heat utilization；thermodynamic analysis；technical economics

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.005

TK115

B

2095-3429（2015）06-0014-05

2015-11-02

修回日期：2015-12-21

陳大為（1982-），男，遼寧沈陽人，碩士，工程師，主要從事鍋爐燃燒技術(shù)等方面試驗研究工作。