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(1.神東電力山西河曲發(fā)電有限公司,山西 忻州 036500;2.中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì),北京 100761;3.北京國(guó)化聯(lián)經(jīng)濟(jì)信息咨詢有限公司,北京 100143;4.青島嘉能海諾電力設(shè)備有限公司,山東 青島 266300;5.清華大學(xué) 熱科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)
截至2017年底,我國(guó)燃煤裝機(jī)容量為9.81億kW,占全國(guó)裝機(jī)總?cè)萘康?5.21%;燃煤機(jī)組發(fā)電總量為41 498億kWh,占全國(guó)發(fā)電總量的64.67%。相比較2016年,我國(guó)燃煤機(jī)組的裝機(jī)容量和發(fā)電量占比均有所下降,但絕對(duì)量依上升:燃煤機(jī)組裝機(jī)容量同比增加3.7%,發(fā)電量同比增加5.2%。因此,我國(guó)以煤電為主的電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)還將持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。在燃煤利用過(guò)程中,煤炭開(kāi)采與分選過(guò)程產(chǎn)生了大量低熱值燃料。由于循環(huán)流化床鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣和低排放特性,這些低熱值燃料的大規(guī)模利用途徑主要是采用循環(huán)流化床鍋爐燃燒發(fā)電。在我國(guó)有關(guān)政策的支持下,我國(guó)循環(huán)流化床鍋爐的裝機(jī)數(shù)量與總?cè)萘康玫窖杆侔l(fā)展,截至目前,我國(guó)已投運(yùn)350 MW等級(jí)超臨界循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組近20臺(tái)。相比較煤粉鍋爐,循環(huán)流化床鍋爐所用低熱值燃料灰分普遍較高[1-2],底渣量相對(duì)較大,如果底渣熱量不能充分利用,則鍋爐灰渣的物理熱損失比較高。所以對(duì)循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組所排出的底渣物理熱進(jìn)行必要回收利用可有效提高能源利用率,實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn),消除熱渣傷人或引起火災(zāi)等安全事故。
在我國(guó)循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展初期,底渣熱能利用并沒(méi)有受到重視,冷渣設(shè)備僅起到冷渣作用,冷卻水一般直接接入電廠循環(huán)水中。隨著節(jié)能工作不斷深入,為了回收循環(huán)流化床鍋爐底渣熱量,曾出現(xiàn)過(guò)各種類型的冷渣設(shè)備[3]。我國(guó)循環(huán)流化床鍋爐使用的冷渣設(shè)備從多種形式逐步集中成2個(gè)主要類型:風(fēng)水聯(lián)合流化床冷渣器和滾筒冷渣機(jī)[4-9]。與流化床冷渣器相比,滾筒冷渣機(jī)對(duì)底渣粒度的要求比較寬松,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝及操作方便、設(shè)備造價(jià)與運(yùn)行電耗低、能效指標(biāo)較高、可直接控制鍋爐料位、可靠性較高等特點(diǎn)[10]。隨著滾筒冷渣機(jī)傳熱機(jī)理與傳熱過(guò)程研究的不斷深入[7-8],目前大容量滾筒冷渣機(jī)的出力甚至可達(dá)到30 t/h,因此目前我國(guó)絕大部分循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組裝備了滾筒冷渣機(jī)[11-13]。滾筒冷渣機(jī)出現(xiàn)之初,由于冷卻水在套管間流動(dòng),套管不僅作為冷渣機(jī)的外殼,同時(shí)也是冷渣機(jī)的主要受熱面,其整體尺寸較大,所以冷卻水的壓力不能太高,相應(yīng)的出水溫度也不能太高。根據(jù)熱力學(xué)原理,冷渣機(jī)的出水溫度越高,其回收的熱量品質(zhì)也就越高,而套管式結(jié)構(gòu)限制了水溫提高,所以冷渣機(jī)能效指標(biāo)并不高,這也是相當(dāng)部分機(jī)組直接用循環(huán)水冷卻熱渣的原因所在,此時(shí)冷渣機(jī)僅起到冷卻底渣的作用。
為了提高冷卻水的壓力,進(jìn)而提高冷卻水的出水溫度,清華大學(xué)提出了膜式冷渣機(jī)的概念[14],即利用鍋爐膜式水冷壁作為冷渣機(jī)的外殼,翅片連接的管排就形成了冷渣機(jī)的主要冷卻受熱面,由于管排的抗壓能力增加,冷卻水壓力得到極大提高,為提高水溫打下基礎(chǔ)。隨著滾筒冷渣機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,逐漸發(fā)展出分倉(cāng)結(jié)構(gòu)的冷渣機(jī)和雙管排模式冷渣機(jī),其內(nèi)部受熱面大大增加,這樣冷渣機(jī)的結(jié)構(gòu)可以更加緊湊,冷渣能力提高,進(jìn)一步提高冷卻水溫度,為底渣余熱的高效利用提供了技術(shù)條件[11,15]。此時(shí)的滾筒冷渣機(jī)已不是僅作為冷渣設(shè)備存在,而是承擔(dān)了底渣余熱利用的功能??芙ㄓ竦萚16]對(duì)滾筒冷渣機(jī)的冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,將滾筒冷渣機(jī)與7號(hào)低壓加熱器進(jìn)行并聯(lián),認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便易行的余熱利用方法。袁雄俊等[17]研究了滾筒冷渣機(jī)與300 MW CFB空冷供熱機(jī)組1號(hào)、2號(hào)低壓加熱器并聯(lián)或串聯(lián)接入1號(hào)低壓加熱器時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。上述研究成果對(duì)于指導(dǎo)冷渣機(jī)發(fā)展有一定的參考價(jià)值,但鮮見(jiàn)采用冷凝水回收灰渣余熱進(jìn)入回?zé)嵫b置的系統(tǒng)性研究。因此,有必要對(duì)滾筒冷渣機(jī)對(duì)機(jī)組能效指標(biāo)的影響進(jìn)行更深入分析,為滾筒冷渣機(jī)的發(fā)展提供技術(shù)參考。
滾筒冷渣機(jī)本體熱平衡示意如圖1所示。
圖1 滾筒冷渣機(jī)熱平衡Fig.1 Heat balance diagram of drum slag cooler
圖1中質(zhì)量流量mw、溫度tw,i的冷卻水進(jìn)入滾筒冷渣機(jī)內(nèi),與冷卻溫度tash,i、質(zhì)量流量mash的熱渣換熱后,冷卻水的出水溫度為tw,o,冷渣的出渣溫度為tash,o,忽略冷渣機(jī)表面散熱后,滾筒冷渣機(jī)的能量平衡為
mashcash(tash,i-tash,o)=mw(hw,o-hw,i)
(1)
式中,cash為灰渣比熱容,kJ/(kg·℃);hw,i、hw,o分別溫度為tw,i、tw,o冷卻水進(jìn)出水焓,kJ/kg。
在滾筒冷渣機(jī)中,如果水壓較高,水一般以液態(tài)存在,如果水流方向與熱渣流向相反,則滾筒冷渣機(jī)看成是一個(gè)逆流式換熱器,其換熱量與換熱溫差可表示為
cashmash(tash,i-tash,o)=
(2)
式中,k為滾筒冷渣機(jī)總換熱系數(shù),W/(m2·℃);A為滾筒冷渣機(jī)總換熱面積,m2。
如果認(rèn)為熱渣的比熱不隨溫度變化,那么滾筒冷渣器的熱效率ηt可表示為
(3)
式中,t0為環(huán)境溫度,℃。
由于循環(huán)流化床鍋爐熱渣量較大,且排渣溫度很高,一般在800 ℃以上,因此需將熱渣所攜帶熱量送入機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)中,這樣才能實(shí)現(xiàn)熱渣余熱的充分利用,減少汽輪機(jī)的抽汽量,增加汽輪機(jī)的發(fā)電量,進(jìn)而增加電廠效益。
滾筒冷渣機(jī)接入機(jī)組熱力系統(tǒng)示意如圖2所示。
圖2 冷渣機(jī)接入熱力系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of drum slag cooler accessing thermal system
由圖2(a)可知,滾筒冷渣機(jī)的出水可根據(jù)水溫匹配原則接入任一低壓加熱器出口,即假定接入口處低壓加熱器的水溫與滾筒冷渣機(jī)的出口水溫相等。如果冷渣機(jī)的出水溫度較高,甚至可直接進(jìn)入除氧器中。由圖2(b)可知,如果進(jìn)一步提高冷渣機(jī)的壓力和水溫或采用兩段式冷渣機(jī),滾筒冷渣機(jī)的出水甚至可用來(lái)加熱高壓加熱器,在高壓加熱器內(nèi)釋放熱量后再進(jìn)入除氧器中。結(jié)合目前我國(guó)滾筒冷渣機(jī)的技術(shù)進(jìn)展,本文只討論冷渣機(jī)出口熱水接入低壓加熱器的方式,即圖2(a)中的能效計(jì)算。
圖2(a)中,由于燃煤機(jī)組所用加熱器均為表面式加熱器,抽汽加熱給水后凝結(jié)。其中高壓加熱器逐級(jí)自流入除氧器中,低壓加熱器凝結(jié)水逐級(jí)自流入凝汽器熱井中,冷渣機(jī)出水接入低壓加熱系統(tǒng)后,將對(duì)整個(gè)低壓加熱系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響。因此需計(jì)算每一個(gè)低壓加熱器的抽汽量變化,從而計(jì)算低壓加熱器中接入冷渣機(jī)出水后對(duì)系統(tǒng)效能的影響。
第i級(jí)低壓加熱器的熱平衡如圖3所示。
圖3 第i級(jí)表面式低壓加熱器熱平衡Fig.3 Heat balance diagram of i class surface low pressure heater
在忽略低壓加熱器表面散熱時(shí),加熱器的熱平衡方程為
(4)
式中,hci為第i級(jí)抽汽焓,kJ/kg;mci為第i級(jí)抽汽流量,kg/s;mgs為凝結(jié)水泵流量,kg/s;hgsi為流入加熱器的給水焓,kJ/kg;hgsi-1為流出加熱器的給水焓,kJ/kg;hnji為流出加熱器的抽汽凝結(jié)水焓,kJ/kg;mcj為低壓加熱器凝結(jié)水流量,kg/s;hnji-1為流入加熱器的抽汽凝結(jié)水焓,kJ/kg;λ為流量系數(shù),當(dāng)冷渣機(jī)出水接入低壓加熱器時(shí),沿給水流向接入口后面的加熱器熱平衡方程中,λ=1,而之前的加熱器熱平衡方程中,λ計(jì)算方程為
(5)
1~3號(hào)高壓加熱器的熱平衡方程為
(6)
對(duì)于除氧器,熱平衡方程為
(7)
不考慮汽輪機(jī)內(nèi)部泄漏時(shí),汽輪機(jī)的輸出功率為
式中,hzq為主汽焓,kJ/kg;hzrq為再熱汽焓,kJ/kg;hpq為汽機(jī)排汽焓,kJ/kg。
冷渣機(jī)出水未接入低壓加熱器,且W=350 MW時(shí),通過(guò)求解式(4)~(8),即可計(jì)算出凝結(jié)水泵基礎(chǔ)流量和各級(jí)加熱器的抽汽流量,進(jìn)而計(jì)算出蒸汽在鍋爐內(nèi)部的吸熱量為
(9)
式中,hgs為給水焓,kJ/kg;hgp為高壓缸排汽焓,kJ/kg,即二級(jí)抽汽焓hc2,kJ/kg。
在凝結(jié)水泵的基礎(chǔ)流量保持不變的條件下,在冷渣機(jī)冷卻水出水接入低壓加熱器的不同位置后,通過(guò)求解式(4)~(8),從而計(jì)算汽輪機(jī)不同的輸出功率,同時(shí)計(jì)算出冷卻水從冷渣機(jī)中吸收的底渣熱量Q2為
Q2=cashmash(tash,i-tash,o)
(10)
底渣余熱接入低壓加熱器后,機(jī)組的循環(huán)效率η為
(11)
以某350 MW等級(jí)超臨界循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組的技術(shù)參數(shù)為依據(jù),對(duì)滾筒冷渣機(jī)本身的能效水平及其對(duì)系統(tǒng)能效指標(biāo)的影響進(jìn)行計(jì)算。
鍋爐部分技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1,各級(jí)加熱器的進(jìn)水溫度見(jiàn)表2,汽機(jī)THA部分技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3,鍋爐煤質(zhì)分析見(jiàn)表4。
表1鍋爐部分設(shè)計(jì)參數(shù)
Table1Partdesignparametersofboiler
項(xiàng)目參數(shù)最大連續(xù)蒸發(fā)量/(t·h-1)1 197.8主汽壓力/MPa25.4主汽溫度/℃571再熱汽壓力/MPa4.012再熱汽溫度/℃569給水溫度/℃279.6排煙溫度(未修正)/℃135排煙溫度(已修正)/℃129過(guò)熱器減溫水流量/(t·h-1)25再熱器減溫水流量/(t·h-1)10排渣溫度/℃850鍋爐熱效率/%93
表2各加熱器設(shè)計(jì)參數(shù)
Table2Heaterdesignparameters
℃
計(jì)算中底渣比熱取值為1.2 kJ/(kg·℃)[18],飛灰底渣比為1∶1,環(huán)境溫度取15 ℃。
圖2所示的冷渣機(jī)出水接入低壓加熱器時(shí),一般有2種情況。第1種是在機(jī)組建設(shè)之初設(shè)備選型時(shí)就考慮接入不同低壓加熱器的出口部位;第2種對(duì)于已安裝并投運(yùn)的滾筒冷渣機(jī),通過(guò)技術(shù)改造,實(shí)現(xiàn)改變冷渣機(jī)出水口接入不同低壓加熱器出口位置(圖4)。
表3部分汽機(jī)THA工況設(shè)計(jì)參數(shù)
Table3PartdesignparametersofturbineTHAworkingcondition
參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值主蒸汽流量/(t·h-1)1 013.1 三級(jí)抽汽壓力/MPa1.892 主蒸汽壓力/MPa24.2三級(jí)抽汽溫度/℃456 主蒸汽溫度/℃566四級(jí)抽汽壓力/MPa1.056 再熱蒸汽溫度/℃566四級(jí)抽汽溫度/℃376.2 再熱蒸汽壓力/MPa3.948 五級(jí)抽汽壓力/MPa0.543 2 再熱蒸汽流量/(t·h-1)830.88 五級(jí)抽汽溫度/℃291.1 汽機(jī)功率/MW350 六級(jí)抽汽壓力/MPa0.211 5 排汽壓力/kPa4.9六級(jí)抽汽溫度/℃193.3 汽機(jī)熱耗/(kJ·kWh-1)7 687.9 七級(jí)抽汽壓力/MPa0.067 一級(jí)抽汽壓力/MPa6.415 七級(jí)抽汽溫度/℃88.8 一級(jí)抽汽溫度/℃369.6 八級(jí)抽汽壓力/MPa0.021 9二級(jí)抽汽壓力/MPa4.291 八級(jí)抽汽溫度/℃62.1二級(jí)抽汽溫度/℃316.9
表4鍋爐煤質(zhì)分析
Table4Coalqualityanalysis
煤種工業(yè)分析/%MtMadAarVdaf元素分析/%CarHarNarOarSt,ar發(fā)熱量/(MJ·kg-1)Qgr,arQnet,ar燃料消耗量/(t·h-1)設(shè)計(jì)煤種10.806.9034.5717.1845.252.750.665.520.5418.3917.61157.24校核煤種10.606.7245.2821.3035.032.390.715.120.9415.9715.12183.14
圖4 滾筒冷渣機(jī)冷卻水流量Fig.4 Cooling water flow of drum slag cooler
由圖4可知,渣量不變而冷卻水流量發(fā)生變化時(shí),冷卻水出水溫度將發(fā)生變化,可與不同低壓加熱器出口溫度匹配,可接入不同低壓加熱器出口,提高系統(tǒng)能效。此外,對(duì)于新建機(jī)組的冷渣機(jī),可在設(shè)計(jì)制造時(shí)適當(dāng)加大換熱面面積,實(shí)現(xiàn)冷渣機(jī)出水溫度升高時(shí),排渣溫度基本不變;但對(duì)于已有冷渣機(jī),通過(guò)減少冷卻水流量可提高冷卻水出水溫度以匹配不同低壓加熱器出口溫度。因冷渣機(jī)的結(jié)構(gòu)和換熱面積無(wú)法改變,總體換熱性能基本變化不大,出水溫度提高意味著平均換熱溫差減少,根據(jù)式(2),冷渣機(jī)的排渣溫度將提高,如從90 ℃提高至接近105 ℃(圖5);渣量不變時(shí),冷渣機(jī)排渣溫度提高,意味著排渣溫降減少,所以冷渣機(jī)回收的熱功率減少(圖6),冷渣機(jī)熱效率也隨之降低(圖7)。在圖4~7中,取滾筒冷渣機(jī)的基準(zhǔn)排渣溫度為90 ℃或冷渣機(jī)出水接入8號(hào)低壓加熱器出口位置時(shí)的排渣溫度,此時(shí)的換熱溫差最大。
圖5 滾筒冷渣機(jī)渣溫的變化Fig.5 Variation of slag temperature of drum slag cooler
圖6 滾筒冷渣機(jī)回收熱功率Fig.6 Recover heat power of drum slag cooler
圖7 滾筒冷渣機(jī)效率Fig.7 Efficiency of drum slag cooler
根據(jù)熱力學(xué)第二定律,熱量溫度越高,其品質(zhì)也越高,做功能力也越大。因此,對(duì)于滾筒冷渣機(jī),在進(jìn)渣溫度不變時(shí),出水溫度越高,相應(yīng)可接入更高的低壓加熱器出口,替代參數(shù)更高的汽輪機(jī)抽汽,從而增加汽輪機(jī)發(fā)電量,提高系統(tǒng)效率。
根據(jù)汽輪機(jī)的熱平衡圖,在設(shè)計(jì)工況下,汽輪機(jī)發(fā)電功率為350 MW,以此為基準(zhǔn),計(jì)算冷渣機(jī)出水不同接入位置時(shí),機(jī)組發(fā)電功率變化(圖8)。
圖8 滾筒冷渣機(jī)對(duì)機(jī)組發(fā)電功率的影響Fig.8 Effect of drum slag cooler on power generation of unit
由圖8可知,在冷渣機(jī)出水不接入低壓加熱器時(shí),機(jī)組的功率為350 MW。隨著出水溫度提高,接入低壓加熱器的水溫不斷提高,汽輪機(jī)節(jié)省的抽汽參數(shù)提高,機(jī)組發(fā)電功率增加。在接入5號(hào)低壓加熱器出口,即除氧器進(jìn)口時(shí),機(jī)組發(fā)電功率達(dá)到最大值,機(jī)組增加的發(fā)電功率均超過(guò)了1.1 MW,因此出水溫度提高時(shí),冷渣機(jī)回收熱量及本身效率有所降低,但系統(tǒng)發(fā)電量增加更多。因此,冷渣機(jī)技術(shù)發(fā)展方向是更高的出水溫度,而非一味提高熱回收量。以此推測(cè),如果冷渣機(jī)的出水溫度進(jìn)一步提高,用來(lái)加熱高壓加熱器時(shí)(圖2(b)),系統(tǒng)電功率增加值會(huì)更大。此時(shí)由于水溫較高,導(dǎo)致水壓較大,冷渣機(jī)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)需進(jìn)一步提高,甚至需按照壓力容量標(biāo)準(zhǔn)制造。隨著膜式冷渣機(jī)的推廣使用[14],管式換熱面抗壓能力大大高于整體套筒式冷渣機(jī),為進(jìn)一步提高冷渣機(jī)出水溫度或壓力提供技術(shù)基礎(chǔ)。
對(duì)現(xiàn)有冷渣機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造,增加換熱面積或提高換熱系數(shù),在保持排渣溫度不變時(shí)(圖4),相比換熱面不變時(shí)回收熱量增加,因此冷卻水流量將略有增加,系統(tǒng)發(fā)電功率也要高于渣溫變化時(shí)的發(fā)電功率。同樣在出水溫度150 ℃、排渣溫度保持不變時(shí),機(jī)組的發(fā)電功率增加近1.2 MW,相比排渣溫度提高時(shí)增加了0.1 MW(圖8)。因此,機(jī)組建設(shè)之初或冷渣機(jī)選型時(shí)就需要考慮選擇更高出水溫度,以達(dá)到更好的節(jié)能效果,或根據(jù)技術(shù)改造的投資收益,對(duì)冷渣機(jī)技術(shù)改造做出綜合評(píng)估。
相比較鍋爐蒸汽溫度,冷渣機(jī)的出水溫度較低,熱量品質(zhì)較低,因此,在冷渣機(jī)出水接入汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)后,相當(dāng)于在高參數(shù)的熱力循環(huán)基礎(chǔ)上,耦合了一個(gè)低參數(shù)的熱力循環(huán),因此其綜合的循環(huán)效率有所降低(圖9)。由圖9可知,隨著出水溫度的提高,循環(huán)效率逐漸上升,但總體上低于冷渣機(jī)出水不接入低壓加熱器出口時(shí)的循環(huán)效率。
圖9 滾筒冷渣機(jī)對(duì)機(jī)組循環(huán)效率的影響Fig.9 Effect of drum slag cooler on cycle efficiency of unit
由于冷渣機(jī)熱量來(lái)源于熱渣,并沒(méi)有多消耗燃料,但發(fā)電機(jī)功率增加,因此機(jī)組熱效率增加。因此,若底渣熱量未回收接入低壓加熱器,機(jī)組的循環(huán)效率較高,而鍋爐熱效率降低,機(jī)組效率降低;若熱渣熱量回收入低壓加熱器,機(jī)組循環(huán)效率略有降低,但鍋爐效率或機(jī)組效率會(huì)有所提高。
1)循環(huán)流化床鍋爐底渣溫度高,渣量較大,攜帶熱量較多,若不能充分利用,鍋爐效率降低明顯。因此,冷渣機(jī)應(yīng)作為鍋爐底渣熱回收設(shè)備使用,將其冷卻水接入機(jī)組的低壓加熱器或供暖系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)灰渣余熱利用。
2)滾筒冷渣機(jī)本體熱效率受冷卻水流量影響較大,適當(dāng)降低冷卻水流量時(shí),滾筒冷渣機(jī)的排渣溫度會(huì)提高,熱回收量及熱效率降低,但冷卻水出水溫度提高,可接入更高級(jí)低壓加熱器出口,以實(shí)現(xiàn)余熱資源的充分利用。
3)滾筒冷渣機(jī)的出水接入低壓加熱器后,機(jī)組蒸汽動(dòng)力循環(huán)效率降低,但機(jī)組的發(fā)電功率將增加,且隨著冷渣機(jī)出水溫度提高,系統(tǒng)增加的發(fā)電功率越多,在冷渣機(jī)出水達(dá)到150 ℃并接入除氧器入口時(shí),至少可增加機(jī)組發(fā)電功率1.1 MW。
4)機(jī)組建設(shè)之初或技術(shù)改造時(shí),冷渣機(jī)設(shè)備選型過(guò)程中要選擇盡可能高的出水溫度,因此要不斷提高冷渣機(jī)的耐壓水平和出水溫度,以達(dá)到更好的系統(tǒng)收益。