王欣

(華電福新廣州能源有限公司，廣州 51000)

0 引言

由于社會(huì)智能化的提高，人們對(duì)能源需求和依賴程度也逐漸增加。我國(guó)作為一個(gè)能源消耗大國(guó)，人均能源儲(chǔ)量較低，造成了供需關(guān)系的不平衡，這就要求在對(duì)電廠的設(shè)計(jì)和利用上更加注重能源的回收和高效利用。吳仲華從能量轉(zhuǎn)化的基本定律出發(fā)，闡述總能系統(tǒng)中能的綜合梯級(jí)利用與品位概念，提出了著名的“分配得當(dāng)、各得其所、溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”原理[1]。燃?xì)怆姀S機(jī)組包括燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、汽輪機(jī)等，在現(xiàn)有燃?xì)怆姀S設(shè)計(jì)中雖然已經(jīng)充分考慮了能源的梯級(jí)綜合利用，燃?xì)廨啓C(jī)高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生高溫高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。但是，從能源的梯級(jí)利用來(lái)講，余熱仍然還有很多可以進(jìn)一步利用的空間，比如汽輪機(jī)乏汽的余熱深度利用、鍋爐煙氣余熱的深度回收利用等。

1 鍋爐煙氣余熱的回收利用

天然氣中烴含量較高，在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣，水蒸氣中含有大量的氣化潛熱，這部分熱量能達(dá)到天然氣低熱值的10%～11%,目前很難得到充分利用。一方面是由于天然氣中含有硫，在燃燒后會(huì)產(chǎn)生微量硫化物，為防止煙氣中硫化物的析出對(duì)鍋爐末級(jí)冷卻系統(tǒng)等設(shè)備的腐蝕，余熱鍋爐廠家在設(shè)計(jì)時(shí)一般將排煙溫度控制在90 ℃左右；另一方面，由于鍋爐回水溫度較高，鍋爐排煙溫度很難降低，這部分熱量基本上沒(méi)有得到有效利用，直接排入大氣后冷凝，造成冒白煙現(xiàn)象，導(dǎo)致熱能的浪費(fèi)，對(duì)環(huán)境保護(hù)和企業(yè)收益的增加具有不利影響。目前，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者也對(duì)這部分能量的深度回收進(jìn)行了研究[2-4]。水蒸氣氣化潛熱在內(nèi)的煙氣余熱對(duì)節(jié)省能源和減少污染物排放量都有重要意義。根據(jù)燃?xì)鉄煔鉁囟扰c比焓的曲線，可以發(fā)現(xiàn)煙氣溫度在露點(diǎn)溫度以上時(shí)，煙氣的比焓變化比較緩慢，當(dāng)煙氣溫度在露點(diǎn)溫度以下時(shí)，煙氣中的水蒸氣開始凝結(jié)，釋放大量的熱，使得煙氣的比焓變化較為快速。如果對(duì)這部分熱量進(jìn)行進(jìn)一步有效利用，對(duì)電廠的能源利用效率會(huì)有較大的提高。

這里介紹一種能有效利用露點(diǎn)溫度以下的煙氣焓值方法。在火電廠中，通常設(shè)置水冷塔對(duì)電廠循環(huán)水進(jìn)行冷卻，在水冷塔頂部設(shè)置噴淋裝置[5-6]，循環(huán)水用噴淋的方式進(jìn)行換熱冷卻后，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。同理，可以在余熱鍋爐尾部增加直接接觸式換熱塔，在換熱塔內(nèi)將余熱鍋爐的高溫排煙與塔頂噴淋的冷卻水進(jìn)行直接接觸換熱，采用水與煙氣直接接觸換熱，可以使煙氣和水在較小溫差下進(jìn)行熱交換，直接接觸式換熱可以省去常規(guī)換熱器的換熱管及其他換熱材料，節(jié)省換熱器造價(jià)。通過(guò)該冷卻，可以將煙氣溫度從90 ℃左右冷卻到30～35 ℃，回收大量的煙氣余熱，同時(shí)由于煙氣中有烴類氣體燃燒產(chǎn)生的部分水蒸氣冷凝析出，多余部分可以進(jìn)行回收利用，經(jīng)過(guò)處理后作為廠用水的補(bǔ)給水使用，減少電廠耗水量。冷卻水在直接接觸式換熱塔內(nèi)換熱完成后，進(jìn)入吸收式熱泵進(jìn)行進(jìn)一步余熱回收利用。

吸收式熱泵采用高溫蒸汽或高溫?zé)崴?qū)動(dòng)的溴化鋰機(jī)組，水做制冷劑，溴化鋰做吸收劑。在換熱塔內(nèi)與煙氣換熱后的冷卻水經(jīng)循環(huán)水泵加壓后輸送到蒸發(fā)器，來(lái)自汽輪機(jī)或余熱鍋爐的蒸汽或來(lái)自余熱鍋爐的熱水進(jìn)入發(fā)生器作為驅(qū)動(dòng)熱源，從而在吸收器和冷凝器中產(chǎn)生較高溫度的熱水。

2 汽輪機(jī)乏汽余熱利用

對(duì)于燃?xì)怆姀S來(lái)說(shuō)，汽輪機(jī)乏汽余熱回收同樣也是不可輕視的。已有不少單位對(duì)汽機(jī)的乏熱回收進(jìn)行了研究和分析[7]。本文從不同的方面對(duì)汽輪機(jī)乏汽冷凝余熱回收方案進(jìn)行比較。

圖1 煙氣余熱與汽輪機(jī)乏汽余熱綜合回收利用系統(tǒng)

2.1 汽輪機(jī)低真空運(yùn)行供熱技術(shù)

該技術(shù)在理論上能達(dá)到比較高的能效。國(guó)內(nèi)外也有較多成功的案例。但是由于此汽輪機(jī)通常有燃機(jī)廠進(jìn)行配套，如果汽輪機(jī)變更為此工況下運(yùn)行，需要汽機(jī)廠在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)變工況進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，否者將會(huì)對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行帶來(lái)一定的隱患。此方案對(duì)于小型機(jī)組有一定的可行性，對(duì)于大中型機(jī)組來(lái)講，出于安全性考慮，很少采用此方案。

2.2 壓縮式熱泵余熱回收

壓縮式熱泵主要包括蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥或膨脹機(jī)。與蒸汽乏熱換熱后的循環(huán)水進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器，對(duì)循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行加熱，循環(huán)工質(zhì)汽化后，經(jīng)壓縮機(jī)加壓升溫，在冷凝器與熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行換熱，為熱網(wǎng)水加熱，換熱后的工質(zhì)經(jīng)膨脹閥節(jié)流降溫后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。該方案在理論上可行，能達(dá)到節(jié)能的效果，也有運(yùn)行的案例，但由于壓縮機(jī)需要消耗一定的電能,會(huì)造成廠用電的升高。也可考慮用膨脹機(jī)代替膨脹閥，回收一部分的能量，但是會(huì)增加前期投入成本。

2.3 吸收式熱泵余熱回收

需要從外界引入高溫的熱源來(lái)作為驅(qū)動(dòng)，該方案從技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)效益上較好。

從能源利用的效率對(duì)壓縮式熱泵和吸收式熱泵進(jìn)行對(duì)比分析，取相同的兩份蒸汽，一份用于發(fā)電，發(fā)出的電用于驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵的壓縮機(jī)，一份作為吸收式熱泵的驅(qū)動(dòng)熱源，兩臺(tái)熱泵制熱性能系數(shù)(COP值)相同，由于壓縮式熱泵存在著汽電轉(zhuǎn)換損失，根據(jù)熱力學(xué)定律，壓縮式熱泵輸出的熱量低于吸收式熱泵輸出的熱量。所以，一般余熱利用宜選用吸收式熱泵。

3 煙氣與汽輪機(jī)乏汽余熱綜合回收利用系統(tǒng)

煙氣余熱與汽輪機(jī)乏汽余熱綜合回收系統(tǒng)將燃?xì)怆姀S煙氣余熱回收系統(tǒng)與汽輪機(jī)乏汽回收系統(tǒng)余熱整合，進(jìn)行系統(tǒng)能量的綜合利用，如圖1所示。受單臺(tái)吸收式熱泵容量的控制，電廠通常需要配置多臺(tái)吸收式熱泵。利用來(lái)自汽輪機(jī)或余熱鍋爐的熱源作為部分吸收式熱泵機(jī)組的驅(qū)動(dòng)熱源，為部分來(lái)自一次管網(wǎng)的熱水制取高溫?zé)崴蛘羝?，作為剩余吸收式熱泵的?qū)動(dòng)熱源。在非供暖期，吸收式熱泵制取的熱水通過(guò)給水泵送入鍋爐以提高汽輪機(jī)的出力；在供暖期，吸收式熱泵制取的熱水送往熱用戶。通過(guò)換熱塔凝出的煙氣中的水蒸氣，通過(guò)補(bǔ)水泵補(bǔ)送給循環(huán)冷卻水和換熱塔噴淋水。

4 綜合余熱回收中的關(guān)鍵技術(shù)

(1)由于換熱塔內(nèi)煙氣與噴淋冷卻水是直接接觸進(jìn)行換熱的，在換熱過(guò)程中會(huì)增加煙氣的阻力，從而對(duì)鍋爐運(yùn)行造成一定的影響。在鍋爐煙氣進(jìn)入換熱塔前增加引風(fēng)機(jī)，為煙氣增壓后進(jìn)入換熱塔，也可在換熱塔出口增加引風(fēng)機(jī)。由于煙氣量較大，引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和選型時(shí)難度較大。

(2)在噴淋水與煙氣的換熱過(guò)程中，兩者間同時(shí)存在著潛熱和顯熱的交換，煙氣中的部分顆粒與氣體、水接觸后發(fā)生吸附，對(duì)換熱塔內(nèi)壁具有洗滌凈化作用，但吸附物流入塔底部增加水池的清洗工作量。

(3)煙氣余熱回收的自動(dòng)化控制系統(tǒng)復(fù)雜。影響煙氣余熱回收效率效果的因素有很多，如換熱塔的設(shè)計(jì)、噴淋設(shè)備的選型、工藝設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制及監(jiān)測(cè)水平等，其中自動(dòng)化控制及監(jiān)測(cè)水平在系統(tǒng)中起著網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)的作用。第一，鍋爐排煙溫度和壓力的精確控制；第二，冷水噴淋量與排煙溫度與排煙流量直接的精確調(diào)節(jié)控制；第三，供給吸收式熱泵的高溫?zé)崴蛘羝臒崃康木_控制；第四，換熱塔加藥裝置、煙氣、循環(huán)水pH值的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制等。因此，要加強(qiáng)系統(tǒng)的智能化自動(dòng)化控制，進(jìn)一步保障余熱回收的效率和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)燃?xì)怆姀S余熱利用情況，對(duì)電廠的余熱鍋爐和汽輪機(jī)乏汽的深度余熱利用進(jìn)行分析，將鍋爐的煙氣余熱利用系統(tǒng)與汽輪機(jī)乏汽余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行整合優(yōu)化，提高引入加熱部分排氣冷凝與煙氣換熱的低溫噴淋水溫度，同時(shí)將煙氣中的水蒸氣溫度降低到露點(diǎn)以下，提高余熱的整體利用效率，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。