包偉偉，張偉，劉彥寶，張少康，張宇

（1.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱，150046；神華國華永州發(fā)電有限責(zé)任公司，湖南永州，425000）

1 000 MW超超臨界機(jī)組煙氣余熱梯級(jí)利用設(shè)計(jì)思想

包偉偉1，張偉2，劉彥寶1，張少康1，張宇1

（1.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱，150046；神華國華永州發(fā)電有限責(zé)任公司，湖南永州，425000）

文章針對(duì)1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐尾部煙氣余熱高效利用的問題，提出了梯級(jí)利用的設(shè)計(jì)思想，并基于熱力系統(tǒng)的變工況分析計(jì)算方法，對(duì)該思想的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)性收益作了詳細(xì)的論述及分析。結(jié)果表明：采用梯級(jí)利用設(shè)計(jì)思想，在第4、5級(jí)回?zé)岢槠显O(shè)置蒸汽暖風(fēng)器，在0號(hào)高壓加熱器上并聯(lián)高位低溫省煤器，可使機(jī)組熱耗降低約26 kJ/ kW·h，經(jīng)濟(jì)性效果明顯。

汽輪機(jī)，超超臨界，余熱利用，蒸汽暖風(fēng)器，低溫省煤器，熱經(jīng)濟(jì)性

0 引言

1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐尾部煙氣余熱的高效利用方式始終是行業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)問題。常規(guī)的鍋爐設(shè)計(jì)主要通過設(shè)置空預(yù)器回收其尾部煙氣余熱。近年來，隨著國家節(jié)能減排政策對(duì)燃煤發(fā)電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性要求的不斷提高，大多數(shù)的新建項(xiàng)目機(jī)組均開始設(shè)置低溫省煤器以進(jìn)一步降低鍋爐的排煙溫度，回收煙氣余熱，并取得了一定的成果[1-3]?？疹A(yù)器以及低溫省煤器的設(shè)置單純從回收鍋爐尾部煙氣余熱的角度出發(fā)，并未考慮機(jī)爐熱力參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化。如果從機(jī)爐熱力參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化出發(fā)，是否還存在更為經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案呢？

常規(guī)鍋爐空預(yù)器入口的設(shè)計(jì)煙氣溫度一般在400～380℃，而回?zé)嵯到y(tǒng)的最終給水溫度一般在300～320℃?？梢?，常規(guī)設(shè)計(jì)的鍋爐空預(yù)器入口的煙氣溫度仍然較高，其高出最終給水溫度約80℃，顯然，這一溫度區(qū)間的煙氣在回?zé)嵯到y(tǒng)仍有可利用的價(jià)值。另外，空預(yù)器入口的空氣溫度基本上為-20～30℃的室溫，由于進(jìn)口空氣溫度低，很容易造成煙氣中的酸分凝結(jié)，從而對(duì)空預(yù)器造成腐蝕，因此，空預(yù)器的運(yùn)行始終面臨著低溫腐蝕的危險(xiǎn)。

如果利用回?zé)嵯到y(tǒng)低品質(zhì)的回?zé)岢槠麑?duì)空預(yù)器入口的空氣進(jìn)行一定的預(yù)熱，則不但可以改善空預(yù)器的運(yùn)行條件，還能減少空預(yù)器對(duì)高品質(zhì)煙氣的消耗，正好可以利用其加熱回?zé)嵯到y(tǒng)的部分給水，從而排擠高品質(zhì)的回?zé)岢槠?，這樣就可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐尾部煙氣余熱的梯級(jí)高效利用。

1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐尾部煙氣余熱采用梯級(jí)利用設(shè)計(jì)，可以降低相應(yīng)設(shè)備的換熱溫差，實(shí)現(xiàn)回?zé)嵯到y(tǒng)高、低品質(zhì)熱量的置換，達(dá)到能量品質(zhì)的梯級(jí)利用，從而更進(jìn)一步提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。筆者就以某高效1 000 MW超超臨界機(jī)組[4-7]為例，詳細(xì)論述其采用這一設(shè)計(jì)思想的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及對(duì)于機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 設(shè)計(jì)目的

1 000 MW超超臨界機(jī)組為了避免空預(yù)器產(chǎn)生低溫腐蝕，有的機(jī)組設(shè)計(jì)采用大功率的電暖風(fēng)對(duì)空預(yù)器入口的低溫空氣進(jìn)行預(yù)熱。眾所周知，電能是高品質(zhì)的能源，用電制熱在熱經(jīng)濟(jì)學(xué)上無疑是不經(jīng)濟(jì)的。聯(lián)合整個(gè)熱力系統(tǒng)來看，回?zé)嵯到y(tǒng)第4～7級(jí)的回?zé)岢槠哂幸欢ǖ倪^熱度且溫度較高，完全可以利用這部分蒸汽對(duì)空預(yù)器入口的空氣加熱。這樣既可以改善空預(yù)器的運(yùn)行條件，還能減少其對(duì)入口高品質(zhì)煙氣的消耗。

1 000 MW超超臨界機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)的最終給水溫度主要依靠第0級(jí)回?zé)岢槠訜釋?shí)現(xiàn)。由上所述，如果利用蒸汽暖風(fēng)所減少的高溫?zé)煔馊ゼ訜岵糠纸o水，完全可以將給水加熱到所規(guī)定的溫度，這樣就可排擠部分高品質(zhì)的回?zé)岢槠?，提高蒸汽的做功能力?/p>

因此，可以從回?zé)嵯到y(tǒng)高加0（0號(hào)高壓加熱器，下同）進(jìn)口引一路給水到新增設(shè)的高位低溫省煤器，并利用空預(yù)器入口的高溫?zé)煔?，將其加熱到額定給水溫度，這樣就可減少第0級(jí)回?zé)岢槠?；同時(shí)，引回?zé)嵯到y(tǒng)第5級(jí)回?zé)岢槠叫略鲈O(shè)的蒸汽暖風(fēng)器，利用其過熱度對(duì)空預(yù)器入口處的空氣進(jìn)行預(yù)熱，補(bǔ)充煙氣損失的熱量。

顯然，對(duì)于鍋爐尾部煙氣和空氣的換熱過程來說，總體的換熱量仍然是保持不變的，因此上述設(shè)計(jì)并不會(huì)對(duì)整個(gè)鍋爐的熱平衡產(chǎn)生大的影響。這樣，便可在爐側(cè)設(shè)計(jì)熱力參數(shù)保持不變的情況下，在機(jī)側(cè)實(shí)現(xiàn)高低品質(zhì)蒸汽的置換。這一置換加大了低品質(zhì)蒸汽的抽汽量，減少了高品質(zhì)蒸汽的抽汽量，從而提高了蒸汽的做功能力，可在熱力系統(tǒng)定熱量的條件下實(shí)現(xiàn)增發(fā)電功率的目的。

汽輪發(fā)電機(jī)組熱耗率的定義式為：

式中：Q為鍋爐吸熱量，kJ/h；W為機(jī)組電功率，kW。

對(duì)熱耗公式進(jìn)行小偏差線性化，可得：

由式（2）可知：在吸熱量不變的條件下，如果機(jī)組的電功率增加，則熱耗將降低，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性將提高，這就是鍋爐尾部煙氣余熱梯級(jí)利用設(shè)計(jì)思想產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)性收益的原理所在。

圖1 煙氣余熱梯級(jí)利用設(shè)計(jì)思想原理圖

1 000 MW超超臨界機(jī)組要實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)思想，需要增加兩個(gè)輔助換熱設(shè)備：一是需要在爐側(cè)增設(shè)一個(gè)高位低溫省煤器，二是需要增設(shè)相應(yīng)的蒸汽暖風(fēng)器，如圖1所示。雖然增加輔助換熱設(shè)備將加大系統(tǒng)的設(shè)備投資成本，但是在目前的超超臨界發(fā)電技術(shù)水平下，采用這一設(shè)計(jì)思想，可將機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步提高。同時(shí)，對(duì)于其他參數(shù)等級(jí)的燃煤發(fā)電機(jī)組的節(jié)能減排工作，這一設(shè)計(jì)思想也有一定的借鑒意義。

2 工作原理

該機(jī)組100%負(fù)荷工況時(shí)鍋爐空預(yù)器的設(shè)計(jì)煙氣流量為3 448.12 t/h，進(jìn)口煙溫為380℃，出口煙溫為156℃；進(jìn)口風(fēng)溫為30℃，出口風(fēng)溫為363℃?；?zé)嵯到y(tǒng)的給水流量為2 916.63 t/h，最終給水溫度為315℃；高加0的進(jìn)水溫度為297.3℃，第0級(jí)回?zé)岢槠繛?20.12 t/h；低加5的抽汽溫度為292.7℃，回?zé)岢槠繛?5.28 t/h，過熱度為138 K，可利用過熱熱量約為7 MW。

為了更加高效地利用煙氣余熱，采用梯級(jí)利用設(shè)計(jì)，并按圖1所示的設(shè)計(jì)方案設(shè)置蒸汽暖風(fēng)器及高位低溫省煤器，則高位低溫省煤器的進(jìn)水溫度為297.3℃。為了不對(duì)鍋爐的熱力參數(shù)造成影響，保持給水溫度不變，高位低溫省煤器的出水溫度取為315℃。高位低溫省煤器的上、下端差分別取10 K，則設(shè)計(jì)進(jìn)口煙溫可取為325℃，出口煙溫為307℃。高位低溫省煤器冷卻水的溫升△Tec為18 K。由上述分析可知，這一設(shè)計(jì)方案將對(duì)回?zé)嵯到y(tǒng)最高品質(zhì)的第0級(jí)回?zé)岢槠纬膳艛D，同時(shí)，將加大第5級(jí)回?zé)岢槠某槠?，整個(gè)過程所能置換的熱量Qh約為7 MW。

高位低溫省煤器需要的冷卻水量為：

高加0減少的抽汽量為：

低加5增加的抽汽量為：

由式（3）～（5）中：cpf為給水的定壓比熱容，5.211 kJ/（kg·K）；q0為高加0回?zé)岢槠姆艧崃浚? 868 kJ/kg；q5為低加5回?zé)岢槠姆艧崃浚? 474 kJ/kg。

由式（3）～（5）可分別算得，高位低溫省煤器的冷卻水量為280 t/h，高加0減少的抽汽量為13.3 t/h，低加5增加的抽汽量為10.1 t/h。排擠的抽汽在汽輪機(jī)中的做功量與該級(jí)抽汽的等效焓降有關(guān)。由文獻(xiàn)[3]可知，第0級(jí)回?zé)岢槠牡刃ъ式礖e0為1 235 kJ/kg，第5級(jí)回?zé)岢槠牡刃ъ式礖e5為673 kJ/kg。機(jī)組增加的機(jī)械功為：

將式（1）代入式（2）可知，機(jī)組降低的熱耗為：

式中：W0為該機(jī)組在100%負(fù)荷工況下的電功率，1 046 MW；QHR0為相應(yīng)的機(jī)組熱耗，7 183 kJ/ kW·h。

該機(jī)組在100%負(fù)荷工況時(shí)，由式（6）可得，第0級(jí)抽汽減少增加的機(jī)械功為4 562 kW，再熱器增加的吸熱量為2 439 kW，第5級(jí)抽汽增加減少的機(jī)械功為1 877 kW。該工況機(jī)組的機(jī)械傳遞效率為99.8%，發(fā)電機(jī)效率為99%，機(jī)組增發(fā)電功率為2 652 kW。由式（7）計(jì)算可知，機(jī)組熱耗可降低約10 kJ/kW·h。

以上計(jì)算僅僅是利用低加5回?zé)岢槠倪^熱度進(jìn)行梯級(jí)利用設(shè)計(jì)的結(jié)果，如果同時(shí)利用低加5以及除氧4回?zé)岢槠倪^熱度，則可利用的過熱熱量可達(dá)到約20 MW，排擠的抽汽量將達(dá)到38.5 t/h，機(jī)組的電功率增加將達(dá)到約7.0 MW，機(jī)組熱耗降低可達(dá)到約26 kJ/kW·h。可見，采用梯級(jí)利用的設(shè)計(jì)思想，選取的設(shè)計(jì)方案不同，則整個(gè)過程所置換的熱量也不相同。由此可見，梯級(jí)利用設(shè)計(jì)工作熱力過程所置換的高、低品質(zhì)的蒸汽熱量越多、蒸汽品質(zhì)相差越大，則產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性效益越高。

3 置換熱量

采用梯級(jí)利用設(shè)計(jì)思想后，通過利用一部分低品質(zhì)蒸汽的過熱度在低溫側(cè)加熱空氣，可置換相同數(shù)量的高品質(zhì)煙氣的熱量，用于在省煤器中加熱高加給水，排擠高品質(zhì)的回?zé)岢槠?，從而產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)性收益。由上分析，這一過程置換的蒸汽熱量越多、品質(zhì)差別越大，則對(duì)能量的梯級(jí)利用程度越高，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性收益也就越大。但是，梯級(jí)利用設(shè)計(jì)置換的熱量受到多方面因素的限制，并不是隨意而定的。

第一個(gè)影響置換熱量的因素是鍋爐的煙氣條件。該機(jī)組按上述方案設(shè)計(jì)，在100%負(fù)荷工況時(shí)，按全部煙氣溫降18 K來算，可利用的煙氣熱量僅約為20 MW。為了提高可利用的煙氣熱量，只有加大省煤器的上端差，提高煙氣的入口溫度，或者減小省煤器的下端差，降低煙氣的出口溫度。例如將入口煙溫提高到380℃，則可利用的煙氣熱量可達(dá)到約80 MW。如果利用全部高參數(shù)的煙氣去加熱給水，由于煙氣溫度降低，便不能再將空氣加熱到鍋爐的原設(shè)計(jì)參數(shù)，因此，這只是一個(gè)理論上的極限值，實(shí)際利用的熱量一般達(dá)不到這個(gè)數(shù)值。同時(shí)，需要注意的是雖然回?zé)嵯到y(tǒng)的蒸汽溫度也有高于380℃的，但是可置換的熱量有限。

第二個(gè)影響置換熱量的因素是回?zé)嵯到y(tǒng)的可利用過熱熱量。為了避免蒸汽在暖風(fēng)器中凝結(jié)，對(duì)暖風(fēng)器以及加熱器的運(yùn)行產(chǎn)生影響，這就要求暖風(fēng)器出口的回?zé)岢槠麘?yīng)留有一定的過熱度。低加8、低加9回?zé)岢槠捎谝呀?jīng)接近濕蒸汽且一般都打包布置在凝汽器喉部，安裝暖風(fēng)器的可行性不高，因此不予考慮。表1給出了回?zé)嵯到y(tǒng)其余各級(jí)低加回?zé)岢槠臐撛诳衫脽崃俊?/p>

表1 低加回?zé)岢槠衫脽崃繀R總

由表1可見，回?zé)嵯到y(tǒng)低加回?zé)岢槠淖畲罂衫脽崃考s為26 MW，這一數(shù)值在爐側(cè)來說并不大，在設(shè)計(jì)上還是比較可行的。以省煤器進(jìn)口煙溫380℃、出口煙溫307℃來算，約需1 000 t/h煙氣即可達(dá)到這一要求，尚留有71%的高品質(zhì)煙氣用來加熱鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)的空氣。如果扣除低加6、低加7回?zé)岢槠倪^熱熱量，則其余回?zé)岢槠目衫脽崃考s為20 MW，占最大可利用熱量的76%?？梢?，低加回?zé)岢槠衫贸潭缺容^高的蒸汽過熱度主要集中在除氧4以及低加5中。

第三個(gè)影響置換熱量的因素是蒸汽暖風(fēng)器、高位低溫省煤器以及空預(yù)器的具體設(shè)計(jì)。由于采用了高低參數(shù)熱量的置換，同時(shí)又要維持原設(shè)計(jì)的參數(shù)不變，因此，這勢必將對(duì)空預(yù)器的傳熱設(shè)計(jì)提出新的要求，特別是在蒸汽參數(shù)低于煙氣的條件下，為了維持原來的風(fēng)溫，用于省煤器加熱的煙氣流量勢必將受到限制。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐尾部煙氣余熱梯級(jí)利用設(shè)計(jì)按對(duì)省煤器、暖風(fēng)器增設(shè)位置的不同以及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)選取的不同，將會(huì)有很多方案。選擇不同的方案，所能置換的蒸汽品質(zhì)、熱量也不同，因此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性收益也不同。以在第4、5級(jí)回?zé)岢槠显鲈O(shè)蒸汽暖風(fēng)器，在0號(hào)高壓加熱器上并聯(lián)高位低溫省煤器的方案為例，在100%負(fù)荷工況，可實(shí)現(xiàn)置換熱量約20 MW，降低機(jī)組熱耗約26 kJ/kW·h。圖2是梯級(jí)利用設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性比較。

圖2 煙氣余熱梯級(jí)利用經(jīng)濟(jì)性曲線

由圖2可知，采用梯級(jí)利用設(shè)計(jì)之后，在40%到100%負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，機(jī)組熱耗可整體下降約26 kJ/kW·h。按鍋爐效率95%、管道效率99%計(jì)算，可使電廠發(fā)電煤耗降低約0.94 g/kW·h。按年利用小時(shí)數(shù)6 000 h、標(biāo)煤800元/t計(jì)算，每年可節(jié)約標(biāo)煤5 660 t，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益453萬元。

5 結(jié)論

本文對(duì)于1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐尾部煙氣余熱的高效利用問題，提出了梯級(jí)利用的設(shè)計(jì)思想，并對(duì)其設(shè)計(jì)目的、工作原理、置換熱量以及經(jīng)濟(jì)性收益等問題進(jìn)行了全面的論述及分析。結(jié)果表明：鍋爐尾部煙氣余熱采用梯級(jí)利用設(shè)計(jì)，在第4、5級(jí)回?zé)岢槠显O(shè)置蒸汽暖風(fēng)器，在0號(hào)高壓加熱器上并聯(lián)高位低溫省煤器，可使機(jī)組熱耗降低約26 kJ/kW·h，對(duì)于進(jìn)一步提高整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有一定的效果。

[1]張潤盤,董麗娟,辛建華.鍋爐煙氣余熱利用方案研究[J].熱力發(fā)電,2013,42(11):107-109.

[2]康曉妮,馬文舉,馬濤,等.320 MW機(jī)組鍋爐加裝低溫省煤器的經(jīng)濟(jì)性研究[J].熱力發(fā)電,2012,41(5):8-11.

[3]包偉偉,任偉,張啟林.大型空冷機(jī)組低真空供熱特性分析[J].區(qū)域供熱,2015,(4):73-75.

[4]包偉偉.1 000 MW超超臨界機(jī)組增設(shè)0號(hào)高壓加熱器經(jīng)濟(jì)性分析[J].發(fā)電設(shè)備,2015,29(3):172-175.

[5]包偉偉,余海鵬,劉世云.1 000 MW超超臨界機(jī)組增設(shè)外置式蒸汽冷卻器經(jīng)濟(jì)性分析[J].發(fā)電設(shè)備,2015,29(5):348-352.

[6]包偉偉,劉鑫,李積輝,等.1 000 MW超超臨界機(jī)組增設(shè)低溫省煤器經(jīng)濟(jì)性分析[J].發(fā)電設(shè)備,2015,29(6):397-401.

[7]包偉偉,高敏,龐浩城,等.1 000 MW超超臨界機(jī)組補(bǔ)汽調(diào)節(jié)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[J].發(fā)電設(shè)備,2016,30(1):11-15.

Flue Gas Waste Heat Echelon Utilization Design for 1 000 MW Ultra-supercritical Units

Bao Weiwei1，Zhang Wei2，Liu Yanbao1，Zhang Shaokang1，Zhang Yu1
(1.Harbin Turbine Co.,Ltd.,Harbin Heilongjiang,150046；2.Shenhua Guohua Yongzhou Power Co.Ltd,Yongzhou Hunan，425000)

As for the problem of boiler flue gas waste heat utilization of 1 000 MW ultra-supercritical unit,the flue gas waste heat eche?lon utilization technology which can improve the economy of the unit is presented.Based on the analysis and calculation method of ther?mal dynamic system,detailed discussion and analysis to the design feature and economy benefit of the echelon utilization technology are conducted.The result shows that the unit heat rate will be reduced by 26 kJ/kW·h after using the technology with low temperature econo?mizer on No.0 high pressure heater and steam air heater on No.4 and No.5 regenerative extraction.

steam turbine,ultra-supercritical units,waste heat utilization,steam air heater,low temperature economizer,thermal economy

TK219

A

1674-9987（2016）04-0008-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.003

包偉偉（1986-），男，工程師，2009年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)飛行器動(dòng)力工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事汽輪機(jī)熱力、氣動(dòng)以及強(qiáng)度方面的設(shè)計(jì)計(jì)算工作。