項(xiàng)建偉

(浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司， 浙江寧波 315208)

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余熱鍋爐優(yōu)化改造可行性探討

項(xiàng)建偉

(浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司， 浙江寧波 315208)

摘要：介紹了燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐的系統(tǒng)和不同模式運(yùn)行下的性能參數(shù)，提出優(yōu)化改造的方案，根據(jù)性能參數(shù)和實(shí)際的結(jié)構(gòu)布置對(duì)改造方案進(jìn)行了分析和計(jì)算，最終優(yōu)先考慮采用保留現(xiàn)有除氧方式供熱水的改造方案。

關(guān)鍵詞：余熱鍋爐； 排煙溫度； 改造

某300 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站由2臺(tái)100 MW燃?xì)廨啓C(jī)(簡(jiǎn)稱燃機(jī))發(fā)電機(jī)組，2臺(tái)立式、無(wú)補(bǔ)燃、單壓余熱鍋爐和1臺(tái)100 MW蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組組成。燃機(jī)是由美國(guó)GE公司提供的PG9171E機(jī)組，為重載、單軸、快裝式的發(fā)電機(jī)組。原燃機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)燃料為180重油，由于重油的含硫量較高，考慮到受熱面的低溫腐蝕，設(shè)計(jì)的余熱鍋爐排煙溫度較高。經(jīng)過(guò)改造后天然氣作為燃料，機(jī)組運(yùn)行時(shí)余熱鍋爐出口排煙溫度和現(xiàn)設(shè)計(jì)燃燒天然氣的發(fā)電機(jī)組相比，排煙溫度高了70 K左右，嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。為了優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行，降低余熱鍋爐排煙溫度，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，提出了余熱鍋爐優(yōu)化改造。

1余熱鍋爐系統(tǒng)及主要參數(shù)

1.1 余熱鍋爐系統(tǒng)

該余熱鍋爐為立式無(wú)補(bǔ)燃單壓強(qiáng)制循環(huán)，露天布置，由荷蘭NEM公司設(shè)計(jì)制造，部分承壓部件由國(guó)內(nèi)鍋爐廠制造。受熱面自下而上依次為高壓過(guò)熱器1、高壓過(guò)熱器2、高壓蒸發(fā)器、高壓省煤器、低壓蒸發(fā)器。每臺(tái)鍋爐有獨(dú)立的汽包、除氧器，但共用一個(gè)連排擴(kuò)容器、定排排污擴(kuò)容器和疏水?dāng)U容器。

鍋爐總長(zhǎng)53.349 m，總寬13.3 m，汽包中心標(biāo)高23.6 m，除氧器中心標(biāo)高29.925 m，旁路煙囪標(biāo)高40 m，主煙囪標(biāo)高100 m(地坪標(biāo)高5 m)。高壓過(guò)熱器1、高壓過(guò)熱器2、高壓蒸發(fā)器、高壓省煤器、低壓蒸發(fā)器都是箱式水平布置，通過(guò)箱體，全部受力由大板梁承受，鍋爐能自由向下膨脹，受熱面都是翅片管，錯(cuò)列布置，高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器為順流布置，其他為逆流布置。

余熱鍋爐進(jìn)口與燃機(jī)排氣煙道相連接，通過(guò)燃機(jī)排氣余熱加熱凝結(jié)水產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽供汽輪機(jī)發(fā)電。凝結(jié)水通過(guò)除氧器除氧再經(jīng)低壓蒸發(fā)器循環(huán)加熱，經(jīng)給水泵補(bǔ)水到汽包，再經(jīng)高壓蒸發(fā)器循環(huán)加熱成濕蒸汽，在汽包中汽水分離后，飽和蒸汽通過(guò)導(dǎo)汽管到高壓過(guò)熱器2，再經(jīng)減溫水調(diào)節(jié)后到高壓過(guò)熱器1，出來(lái)的過(guò)熱蒸汽經(jīng)過(guò)主蒸汽管道到汽輪機(jī)。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行后的熱力試驗(yàn)和計(jì)算，不同環(huán)境溫度下余熱鍋爐的各運(yùn)行技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　主要技術(shù)參數(shù)

2余熱鍋爐不同運(yùn)行模式下的性能參數(shù)

為了建立熱力計(jì)算模型，進(jìn)行了燃燒天然氣條件下的余熱鍋爐測(cè)試，分作一拖一和二拖一運(yùn)行兩個(gè)工況，測(cè)量了余熱鍋爐各級(jí)受熱面進(jìn)出口煙溫以及工質(zhì)參數(shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)的參數(shù)建立了熱力計(jì)算模型，結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)實(shí)測(cè)和DCS數(shù)據(jù)顯示，一拖一運(yùn)行時(shí)，余熱鍋爐入口煙溫為545 ℃，排煙溫度為156.7 ℃；二拖一運(yùn)行時(shí)，余熱鍋爐入口煙溫為545 ℃，排煙溫度為166.0 ℃。

表2　不同運(yùn)行工況下余熱鍋爐性能參數(shù)

3余熱鍋爐優(yōu)化改造的目的

為了使燃機(jī)的排氣余熱能夠在余熱鍋爐中充分利用，應(yīng)盡可能降低排氣離開(kāi)余熱鍋爐時(shí)的溫度值。

優(yōu)化改造余熱鍋爐時(shí)，追求的目標(biāo)是：(1)提高余熱鍋爐的當(dāng)量效率；(2)燃?xì)鈧?cè)的壓力損失小，以防燃機(jī)的功率和效率下降過(guò)多。事實(shí)上這兩個(gè)目標(biāo)很難同時(shí)滿足，因?yàn)橛酂徨仩t內(nèi)的換熱過(guò)程屬于低溫?fù)Q熱范疇，幾乎全部依靠對(duì)流換熱的作用。為了提高余熱鍋爐的當(dāng)量效率，就必須盡可能地減少排氣的溫度，這樣就會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱面積增大，燃?xì)鈧?cè)的流阻損失會(huì)相應(yīng)地增高。為了減少流阻損失，燃?xì)獾牧魉賾?yīng)該取得低一些，但是低的燃?xì)饬魉賲s會(huì)降低燃?xì)獾谋砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)，從而促使換熱面積增大。

余熱鍋爐優(yōu)化改造時(shí)，節(jié)點(diǎn)溫度應(yīng)控制在8～20 ℃：節(jié)點(diǎn)溫差減少時(shí)，余熱鍋爐的排氣溫度會(huì)下降，燃?xì)獾姆艧崃繉⒓哟?，蒸汽產(chǎn)量會(huì)增加，總的換熱面積要增大，余熱鍋爐的投資費(fèi)用和單位熱回收費(fèi)用都會(huì)增大。接近點(diǎn)溫差應(yīng)控制在5～20 K：接近點(diǎn)溫差增大時(shí)，余熱鍋爐的換熱面積和投資費(fèi)用會(huì)增加；但是為了防止低負(fù)荷工況下或啟動(dòng)期間省煤器內(nèi)可能發(fā)生汽化現(xiàn)象，有必要在設(shè)計(jì)時(shí)使接近點(diǎn)溫差取得大些。

余熱鍋爐優(yōu)化改造時(shí)，燃機(jī)的背壓控制在1.40～3.43 kPa。注意減少余熱鍋爐的壓力損失是需要綜合研究的問(wèn)題，因?yàn)槿紮C(jī)的背壓每提高1%，機(jī)組的功率會(huì)下降0.5%～0.8%，當(dāng)選用節(jié)點(diǎn)溫差小的余熱鍋爐時(shí)，受熱面積就會(huì)增大，流阻損失隨之加大，就出現(xiàn)了一個(gè)促使聯(lián)合循環(huán)效率下降的負(fù)效應(yīng)。應(yīng)該從聯(lián)合循環(huán)效率和比投資費(fèi)用最優(yōu)化的角度來(lái)考慮余熱鍋爐的優(yōu)化改造汽水系統(tǒng)方案?？紤]節(jié)點(diǎn)溫差、接近點(diǎn)溫差以及流阻損失對(duì)換熱面積的影響關(guān)系。

4余熱鍋爐優(yōu)化改造方案

4.1 方案的設(shè)想

機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)，余熱鍋爐排煙溫度為160 ℃左右。如果能降低排煙溫度，則具有明顯的節(jié)能增效潛力。為了更好地利用回收這部分熱量，考慮了3種改造方案：(1)增加主蒸汽蒸發(fā)量來(lái)增加發(fā)電量或供熱；(2)增加中壓蒸汽受熱面供熱；(3)增加低溫受熱面供熱水。

4.2 改造的限制因素

通過(guò)收集機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際計(jì)算、測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，根據(jù)機(jī)組現(xiàn)有設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)，余熱鍋爐優(yōu)化改造的限制因素主要是：高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器的節(jié)點(diǎn)溫差(蒸發(fā)器出口煙溫與蒸發(fā)器出口工質(zhì)溫度的差值)；省煤器接近點(diǎn)溫差(省煤器出口水溫與相應(yīng)工作壓力下飽和溫度的差值)；受熱面系統(tǒng)煙阻的增加；受熱面的空間限制以及承重限制等四個(gè)方面，其中最主要的限制因素是高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器的節(jié)點(diǎn)溫差。余熱鍋爐一般設(shè)計(jì)時(shí)通常取節(jié)點(diǎn)溫差為8～20 K，而經(jīng)測(cè)量機(jī)組現(xiàn)有余熱鍋爐運(yùn)行參數(shù)的節(jié)點(diǎn)溫差正好在8～20 K[1]。

以二拖一運(yùn)行為例，目前高壓蒸發(fā)器出口工質(zhì)溫度為291 ℃，煙氣溫度為308.4 ℃，節(jié)點(diǎn)溫差為17.4 K，處于合理設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；而一拖一運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)溫差更小，只有9.1 K。如果增加蒸發(fā)量，將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)溫差降低，高壓蒸發(fā)器無(wú)法正常工作。解決高壓蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差限制的方法是降低高壓蒸發(fā)器運(yùn)行溫度，即降低汽包壓力，但目前一拖一運(yùn)行時(shí)的汽包壓力只有4.5 MPa左右，運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)的調(diào)門(mén)已全開(kāi)，因而不具備更低壓力運(yùn)行的條件。

低壓蒸發(fā)器的節(jié)點(diǎn)溫差則限制了低壓蒸發(fā)器的出口煙溫，即限制了排煙溫度的高低。以二拖一運(yùn)行為例，低壓蒸發(fā)器出口工質(zhì)溫度為145 ℃，煙氣溫度為166 ℃，節(jié)點(diǎn)溫差為21 K，與設(shè)計(jì)范圍非常接近(一拖一運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)溫差為22.7 K)。為了保證除氧系統(tǒng)的正常工作，進(jìn)入除氧器的蒸汽溫度需要142.4 ℃(對(duì)應(yīng)除氧器工作壓力0.29 MPa的飽和溫度)，與實(shí)際工質(zhì)溫度差距很小。因此，如果在低壓蒸發(fā)器前增加工質(zhì)吸熱量，使得煙氣溫度降低，將會(huì)導(dǎo)致低壓蒸發(fā)器吸熱量減少，工質(zhì)出口溫度降低，最終導(dǎo)致進(jìn)入除氧器的蒸汽溫度過(guò)低，除氧器將無(wú)法正常工作。

如果要解決低壓蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差限制的方法，可以考慮除氧器化學(xué)除氧等其他除氧方式，但要拆除低壓蒸發(fā)器受熱面。

根據(jù)測(cè)量和熱力計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)有余熱鍋爐的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)，增加蒸汽流量發(fā)電或供熱的方案受限制于高壓蒸發(fā)器的節(jié)點(diǎn)溫差限制是不可行的。根據(jù)機(jī)組實(shí)際一拖一運(yùn)行，省煤器后的煙氣溫度有210 ℃左右；低壓蒸發(fā)器后的煙氣溫度有156 ℃左右，因此煙氣的余熱用于加熱水來(lái)供熱水比較理想。

5余熱鍋爐煙氣余熱供熱水方案

余熱供熱水是利用燃機(jī)煙氣余熱，在煙道尾部加裝低溫加熱器加熱工質(zhì)達(dá)到用戶的使用要求。綜合現(xiàn)場(chǎng)條件與實(shí)際情況，有兩種供熱水方案可供分析選擇：(1)保留現(xiàn)有除氧器除氧方式供熱水；(2)改造現(xiàn)有除氧器除氧方式供熱水。

5.1 保留現(xiàn)有除氧器除氧方式供熱水

由于排煙溫度受到低壓蒸發(fā)器的節(jié)點(diǎn)溫差限制，低壓蒸發(fā)器后的煙氣溫度只有156 ℃左右，因此熱水溫度不可能高于低壓蒸發(fā)器后的煙氣溫度。選取熱水參數(shù)以140 ℃、0.7 MPa計(jì)算(增加一組熱水受熱面15 008 m2)，熱平衡計(jì)算見(jiàn)表3。

表3　熱平衡計(jì)算

這種供應(yīng)熱水方案具有改造周期短、費(fèi)用低、設(shè)備改動(dòng)少，以及對(duì)原鍋爐系統(tǒng)沒(méi)有干擾等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)煙阻增加有限，只要解決低溫加熱器承重問(wèn)題就可實(shí)現(xiàn)改造。擬采用的低溫加熱器(熱水加熱器)布置方式見(jiàn)圖1。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，余熱鍋爐布置低溫加熱器加熱熱水，低溫加熱器出口排煙溫度為90 ℃時(shí)，單臺(tái)爐運(yùn)行最多能供應(yīng)233.15 t/h熱水，兩臺(tái)爐運(yùn)行最多能供應(yīng)254.96 t/h熱水。在保持現(xiàn)有布置不變的情況下，新增的受熱面增加煙阻最大約450.8 Pa左右。

5.2 改造除氧器除氧方式供熱水

如用戶對(duì)熱水品質(zhì)要求較高，可以對(duì)現(xiàn)有的除氧系統(tǒng)進(jìn)行改造。根據(jù)前文敘述，除氧系統(tǒng)中受限制于低壓蒸發(fā)器的節(jié)點(diǎn)溫差，低壓蒸發(fā)器出口煙溫存在制約(出口煙溫最低需130 ℃以上，對(duì)應(yīng)除氧器工作壓力0.13 MPa，工作溫度121 ℃)。改造現(xiàn)有除氧系統(tǒng)可以解決提高熱水品質(zhì)的問(wèn)題，改造除氧方式后熱水參數(shù)預(yù)計(jì)達(dá)到190 ℃、1.4 MPa左右，擬采用兩級(jí)低溫加熱器。根據(jù)不同除氧方式的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)除氧后給水溫度一般在60 ℃左右，熱平衡計(jì)算見(jiàn)表4，布置方式見(jiàn)圖2。

表4　熱平衡計(jì)算

圖2改造除氧方式供高溫?zé)崴桨覆贾脠D

經(jīng)過(guò)計(jì)算，改造除氧系統(tǒng)供應(yīng)高溫?zé)崴螅蜏丶訜崞?出口排煙溫度90 ℃時(shí)，供應(yīng)熱水參數(shù)為192 ℃、1.4 MPa，單臺(tái)爐運(yùn)行最多能供應(yīng)237.09 t/h熱水，兩臺(tái)爐運(yùn)行最多能供應(yīng)301.22 t/h熱水。改造后新增的受熱面增加煙阻約568.4 Pa左右。

6結(jié)語(yǔ)

(1) 根據(jù)測(cè)量和熱力計(jì)算，結(jié)合余熱鍋爐的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)，增加蒸汽流量發(fā)電或供熱的方案由于受限制于高壓蒸發(fā)器的節(jié)點(diǎn)溫差限制是不可行。

(2) 余熱鍋爐煙氣余熱回收利用的方案中，優(yōu)先考慮保留現(xiàn)有除氧方式供熱水，在煙道尾部加裝低溫加熱器是最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方案。由于改造周期短、費(fèi)用低、設(shè)備改動(dòng)少，改造后能供應(yīng)低溫?zé)崴?140 ℃左右)230～260 t/h，增加一組熱水受熱面15 008 m2，同時(shí)增加煙道阻力約450.8 Pa。改造后排煙溫度為90 ℃左右。

參考文獻(xiàn)：

[1] 焦樹(shù)建. 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

Feasibility Study on Optimization Retrofit of a Waste Heat Boiler

Xiang Jianwei

(Zhejiang Zheneng Zhenhai Power Generation Co., Ltd., Ningbo 315208, Zhejiang Province, China)

Abstract：System configuration and performance parameters of a gas turbine waste heate boiler were introduced under different modes, to which various optimization schemes were proposed. By analyzing the retrofit schemes according to performance parameters and actual layout of the boiler, the one keeping its original deaerating way to supply hot water was eventually adopted.

Keywords：waste heat boiler; exhaust gas temperature; retrofit

收稿日期：2015-10-12

作者簡(jiǎn)介：項(xiàng)建偉(1973—)，男，工程師，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)管理工作。E-mail: xiangjianwei2648@163.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TK229.929

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-086X(2016)03-0206-04