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(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

目前，大型燃煤火電機組仍在總發(fā)電容量中占據(jù)主導地位。但是，我國大多火電機組存在發(fā)電煤耗過高、污染物排放嚴重等問題，這與國家對電力高效、環(huán)保、節(jié)能的要求仍然有較大差距。為了響應國家節(jié)能減排的號召，近幾年來，提高機組的運行效率、挖掘節(jié)能潛力已成為各電廠日益重視的課題[1]。鍋爐已經(jīng)有近百年的發(fā)展歷史，作為發(fā)電的主要能源設備，人們對于其效率研究幾乎達到了極限。雖然，當鍋爐的排煙溫度降低之后，可以降低燃料的消耗，同時能夠提高機組運行的經(jīng)濟性，但是當排煙溫度過低時，鍋爐煙道尾部的受熱面可能會產生低溫腐蝕現(xiàn)象，影響機組運行。造成受熱面發(fā)生低溫腐蝕的原因主要有兩個方面，一是酸露點，另一個即為受熱面溫度，當受熱面溫度降低到酸露點以下時受熱面就會產生低溫腐蝕現(xiàn)象，給設備帶來損壞，設備無法正常運行，從而影響到機組運行，帶來嚴重的損害。

為切實解決低溫腐蝕問題，并同時避免排煙熱損失，上海交通大學的楊本洛教授綜合運用“傳熱學、熱力學、現(xiàn)代計算技術、自動控制技術、鍋爐汽輪機原理等”等多學科的理論知識，首創(chuàng)發(fā)明了FXH即復合相變換熱器技術與裝置的專利[2]，該技術通過改變鍋爐的尾部溫度和最低壁面溫度之間的線性關系，使得鍋爐排煙溫度過低時所引起的低溫腐蝕的難題得到了有效解決，并且鍋爐余熱的思路得到了新的發(fā)展，鍋爐節(jié)能的思路也得到了拓展[3]，提供了科學的技術支持。

復合相變換熱器技術是一種在防止低溫腐蝕的前提下讓低溫煙氣余熱得到充分利用的技術。在電廠投運使用的情況可以看出FXH技術在回收低溫余熱這一領域帶來了革命性的突破[4]。復合相變換熱器技術能夠充分發(fā)揮相變潛熱在傳輸熱量方面的優(yōu)勢，并且換熱器的各個組成部分能夠得到靈活的配置，既能有效避免低溫腐蝕，相變傳熱的高效性也能得到充分的發(fā)揮，這樣就可以維持換熱器壁面溫度與出口的煙溫之間的溫差在一個較小的范圍之內。受熱面結露的可能性大大降低，同時高效的降溫節(jié)能和提高熱效率的目的也能夠實現(xiàn)。

復合相變換熱器技術和常規(guī)的空預器的壁溫設計理念不同，也和一般的節(jié)能技術如熱管技術存在著差異。熱管作為一種傳熱元件具有高效導熱的導熱能力，它通過在全封閉的真空管殼內通過工質的蒸發(fā)與凝結來傳遞熱量，其有許多優(yōu)點比如：極高的導熱性、不錯的等溫性、可以任意改變冷熱兩側傳熱面積，并且還可遠距離傳送熱量、對溫度可控可調等。但相比別的換熱技術它的抗氧化與耐高溫的能力較差。不過，一般通過在裝置前部安裝一套陶瓷換熱器可以有效改善[5-6]。對于低壓省煤器換熱器而言，需具備換熱系數(shù)高，防磨，抗腐等優(yōu)點，但是當系統(tǒng)排煙溫度較低時，壁面溫度會低于酸露點。當壁面溫度確定后，即使壁溫可以實現(xiàn)可調控，但是其調整的進出口煙溫的變化范圍比較小，相比于復合相變換熱器其節(jié)能效益較差[7]。

通過以上比較，可以發(fā)現(xiàn)復合相變換熱器不僅可以大幅度地降低排煙溫度，讓大量的低溫余熱得到有效的回收利用[8]；而且在降低排煙溫度同時，保持煙道尾部換熱器的壁面溫度始終高于煙氣的酸露點，減緩結露引起的堵灰和低溫腐蝕的現(xiàn)象，大大減少了設備的維護費用；同時保證了換熱器的最低壁面溫度始終處于運行人員可調可控的狀態(tài)，使其具備一定幅度的溫度調節(jié)能力，讓排煙溫度和壁溫保持相對的穩(wěn)定，以便能適應鍋爐工作燃燒時發(fā)生的變化[9]。復合相變換熱器是一個比傳統(tǒng)換熱器更加高效，經(jīng)濟，安全的換熱設備。

本文的研究對象為山西興能古交600 MW機組的復合相變換熱器系統(tǒng)，針對該系統(tǒng)進行了相應的仿真實驗，分析其運行特性。所做的工作主要有以下三點：

(1)通過分析，建立相變換熱器系統(tǒng)各設備的數(shù)學模型，數(shù)學模型的建立以質量、動量和能量平衡方程為基礎。并且在數(shù)學模型建立完成之后開發(fā)對應的仿真算法。

(2)建立相變換熱器系統(tǒng)的仿真模型，之后將該仿真模型集成到原600 MW機組仿真系統(tǒng)中，通過仿真實驗研究相變換熱器系統(tǒng)的運行特性。

(3)通過在100%負荷工況下投入相變換熱器系統(tǒng)的仿真實驗，分析了投入相變換熱器對機組運行特性的影響。通過閥門擾動試驗對相變換熱器系統(tǒng)的動態(tài)特性進行相應的研究。通過降負荷仿真實驗，分析機組運行特性，并分析該系統(tǒng)對機組運行經(jīng)濟性的影響。

1 復合相變換熱器系統(tǒng)模型及建模

1.1 復合相變換熱器系統(tǒng)數(shù)學模型

首先需要根據(jù)質量、能量、動量守恒原理建立復合相變換熱器系統(tǒng)的數(shù)學模型。在建模的過程中可以根據(jù)實際情況進行合理的簡化，這樣有助于進行實時仿真，此時需要注意，簡化時要保證模型具有一定的精度，否則會影響仿真結果。數(shù)學模型的建立有助于將該系統(tǒng)和原機組耦合。

1.1.1 工質側換熱系數(shù)

當水露點的溫度高于工質溫度時，管壁傳給工質的顯熱Qsh和工質中的汽化潛熱Qr共同組成了管壁對工質的傳熱量

(1)

式中η——對數(shù)溫壓修正系數(shù)；

hwater——工質換熱系數(shù)；

Tmetal——管壁溫度；

sq——換熱面積；

Din——管內徑；

Dout——管外徑。

在求解工質汽化潛熱的時候，可以通過計算換熱過程的析水量，計算出進口處的汽化潛熱和出口處的汽化潛熱，再求得平均值，這樣我們就得到了換熱過程的汽化潛熱。在計算汽化潛熱時進行了一定的簡化，因為實際中想要準確計算汽化潛熱是十分困難的，簡化沒有影響到結果精度

Qr=Mwaterr

(2)

上述公式中，r為工質進口和出口的汽化潛熱量的平均值，汽化潛熱的求解可以通過計算進出口溫度下的飽和水焓和飽和汽焓，該溫度下的汽化潛熱即為兩者相減得到的差值。這樣就可以得到r，即為進口汽化潛熱和出口汽化潛熱的平均值。

管壁對工質的換熱量即為顯熱和汽化潛熱的和

Qwatermet=Qsh+Qr

(3)

1.1.2 工質側換熱系數(shù)煙氣對管壁的換熱量

依據(jù)換熱方程，再加上對管徑的修正，我們可以得到煙氣對管壁的換熱量，即為

(4)

式中hgas——煙氣側換熱系數(shù)；

Tgin——進口煙氣溫度；

Tgout——出口煙氣溫度。

1.1.3 對數(shù)溫壓修正系數(shù)

在進行計算時，需要引入一個修正系數(shù)對熱量進行修正，這主要是因為平均溫度在計算時會有一定的偏差，影響計算結果的精度。此處用來修正熱量的修正系數(shù)采用的是對數(shù)溫壓修正系數(shù)，這樣計算的結果會更加正確，接近實際情況。

對數(shù)溫差的計算

ΔTm1=Tgin-Twout

(5)

ΔTm2=Tgout-Twin

(6)

(7)

對數(shù)溫壓系數(shù)的確定

(8)

式中η——對數(shù)溫壓修正系數(shù)；

ΔTm——對數(shù)溫差；

Tgin、Twin——進口煙氣、工質溫度；

Tgout、Twout——出口煙氣、工質溫度。

1.1.4 壁溫的求解

當壁面的內側和外側換熱量沒有達到平衡狀態(tài)時，由于換熱過程是一個動態(tài)過程，所以壁面溫度一直處于不停變化的狀態(tài)，當壁面內外的換熱量平衡時，壁溫不再發(fā)生變化

(9)

式中Mmetal——金屬的質量；

Cmetal——金屬比容。

1.1.5 出口工質溫度的求解

想要求解工質出口溫度，首先要知道工質出口壓力和焓值，工質出口溫度則可以根據(jù)兩者之間的關系得到，下面給出出口工質焓的計算公式

(10)

式中ρwater——工質平均密度；

Vwater——冷卻器工質的容積；

hwout——出口工質焓；

fmw——工質進出口質量流量。

這樣出口工質溫度Twout就可以通過已知的工質焓值hwout和出口壓力Pwout求得

Twout=f(Pwout,hwout)

(11)

1.1.6 煙氣出口溫度的求解

煙氣出口溫度的求解與工質出口溫度的求解方法有一定的相似性，但通過定比熱容法可以直接求得煙氣出口溫度，這里可以用進口和出口的平均比熱容作為煙氣的比熱容

(12)

式中ρgas——平均煙氣密度；

Cpgas1——煙氣平均比熱容；

Vgas——冷卻器煙氣的容積；

fmgin和fmgout——進口煙氣質量流量、出口煙氣質量流量；

Cpgas11和Cpgas12——進口煙氣比容、出口煙氣比容；與對數(shù)溫壓修正系數(shù)的計算中一樣;

Tgin和Tgout——進口煙氣溫度、出口煙氣溫度。

1.2 復合相變換熱器仿真模型

對于復合相變換熱器模塊(FXH)，建立的模塊示意圖如圖1所示。

圖1 復合相變換熱器模塊

與圖1中輸入、系數(shù)、輸出相互對應的說明見表1所示。

表1 復合相變換熱器算法說明表

2 復合相變換熱器系統(tǒng)動態(tài)仿真實驗

2.1 投入復合相變換熱器系統(tǒng)實驗

文中利用PanySimu仿真支撐系統(tǒng)建立的復合相變換熱器模型進行了相關的仿真實驗，仿真模型的基礎是古交電廠600 MW仿真模型，首先對100%負荷工況下，投入復合相變換熱器系統(tǒng)的情況進行了模擬，通過觀察該條件下各參數(shù)的變化情況，分析機組運行特性。此時凝結水經(jīng)過復合相變換熱器的流量為186.59 t/h。本次仿真實驗得到參數(shù)動態(tài)響應曲線如圖2所示。

圖2 復合相變換熱器系統(tǒng)投運后參數(shù)動態(tài)響應曲線

初始階段，火電機組在600 MW額定工況下穩(wěn)定運行一段時間。之后選擇將復合相變換熱器系統(tǒng)投入使用，由通過入口的閥門控制約有總凝結水流量的五分之一進入相變換熱器進行加熱。當投入系統(tǒng)后，有凝結水進入相變換熱器，由于剛開始沒有水在加熱器中所以剛開始水的溫度為0 ℃，之后被尾部煙氣加熱后到達86 ℃左右穩(wěn)定，尾部的煙氣放出熱量后維持在107 ℃。換熱器中的水流出換熱器后與凝結水混合后一起進入低壓加熱器，換熱器中流出的水由于在換熱器中有熱量交換，所以攜帶一部分熱量，凝結水溫度由原來的54 ℃提高到了61 ℃。投運復合相變換熱器系統(tǒng)后，該系統(tǒng)能夠與原機組保持良好的耦合狀態(tài)，該耦合系統(tǒng)運行情況較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)不良狀況，并且各熱力參數(shù)變化趨勢與系統(tǒng)工作原理一致，沒有出現(xiàn)沖突。所以利用該模型進行實時仿真是可行的。

2.2 閥門擾動實驗

在原機組600 MW工況下，投入復合相變換熱器系統(tǒng)，并保證該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行時，主凝結水經(jīng)過軸封加熱器后分成兩股流量，一部分凝結水先流入復合相變換熱器系統(tǒng)，最后混合進入低壓加熱器，另一部分凝結水則直接進入低壓加熱器，機組穩(wěn)定運行一段時間后，此時調節(jié)凝結水進入復合相變換熱器的閥門開度，使進入的凝結水流量由186.59 t/h增加到246.24 t/h，得到的一系列參數(shù)動態(tài)響應曲線如圖3所示。

圖3 凝結水量擾動后參數(shù)動態(tài)響應曲線

由圖中看出，進入相變換熱器的凝結水流量由186.592 t/h增加到246.24 t/h，由于凝結水流量增加，從復合相變換熱器流出的凝結水溫度降低，由94 ℃下降到89 ℃，尾部煙道的煙氣溫度也由126 ℃變?yōu)?18 ℃，相變換熱器的金屬壁溫由118 ℃下降為113 ℃。這是由于參加換熱的總凝結水量增加，這樣會有更多的熱量被凝結水吸收，出口煙溫因此而降低，換熱器的出口煙氣溫度同時會引起換熱器壁溫的降低。通過DCS的協(xié)調控制，改變閥門開度對整個機組的穩(wěn)定運行沒有影響。

2.3 降負荷實驗

在原機組滿負荷的工況下，投入復合相變換熱器系統(tǒng)，通過DCS的協(xié)調控制，耦合機組在穩(wěn)定運行后進行降負荷實驗，在DCS協(xié)調控制下，將降負荷速率設定為為12 MW/min，使負荷降低至420 MW，降負荷過程中得到一系列參數(shù)動態(tài)響應曲線如圖4所示。

圖4 降負荷后參數(shù)動態(tài)響應曲線

在機組降負荷時，直接導致主汽流量降低，主汽壓力降低，煙氣流量降低。但是通過降負荷時的參數(shù)動態(tài)響應曲線發(fā)現(xiàn)，主汽溫度、排煙溫度和換熱器的金屬壁溫下降幅度不大，并且后面三者還有一個上升的趨勢。那是因為隨著負荷的下降，鍋爐的效率不斷下降。由于低效率，給煤量增多，導致排煙溫度變化不明顯，后面反而有升高的趨勢。換熱器的壁面溫度變化基本與排煙溫度變化一致。

3 結論

本文研究對象為某600 MW機組的復合相變換熱器系統(tǒng)，通過一系列的仿真實驗對該系統(tǒng)的運行特性進行了研究。得到的結論如下：

(1)該復合相變換熱器系統(tǒng)的耦合方案為：從機組軸封加熱器出口引出一部分凝結水并使其流入復合相變換熱器，在復合相變換熱器中吸收煙氣余熱，有效提高機組運行的經(jīng)濟性。該方案是通過分析復合相變換熱器系統(tǒng)的結構特點得出的。

(2)通過仔細分析復合相變換熱器系統(tǒng)的原理，利用質量、能量、動量守恒原理建立了復合相變換熱器的數(shù)學模型。復合相變換熱器系統(tǒng)仿真模型的建立主要運用模塊化建模方法，并通過仔細分析三種工質的流程建立，之后把建立好的仿真模型集成到600 MW火電機組仿真系統(tǒng)中。

(3)對各模塊分別設置仿真參數(shù)進行調試，做了一系列仿真實驗。通過投入復合相變換熱器系統(tǒng)的仿真實驗、閥門擾動實驗以及降負荷實驗發(fā)現(xiàn)，在復合相變換熱器系統(tǒng)投運后，原火電機組運行情況良好，發(fā)電功率也沒有受到不良影響，各參數(shù)變化符合工作原理；說明用來進行實時仿真所建立的模型是可行的，該復合相變換熱器系統(tǒng)的運行特性得到了準確地反映，而且集成后原火電機組能運行沒有受到不良影響，機組經(jīng)濟性也能得到有效的提高。

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