王春昌，馬劍民，張宇博，楊 輝

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

近年來，煙氣余熱利用技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用廣泛，其主要典型系統(tǒng)有煙氣冷卻器系統(tǒng)、水媒式煙氣-煙氣冷卻器（MGGH）系統(tǒng)、冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)、冷風加熱器+空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）旁路系統(tǒng)4 種。目前，國內(nèi)發(fā)表的余熱利用文章較多[1-6]，其中，涉及空預(yù)器旁路系統(tǒng)的文章也不少[7-12]，這些文章普遍認為，空預(yù)器旁路系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，有的文章[9]甚至認為，該系統(tǒng)的能量品位利用最高，節(jié)能效果在上述4 種典型系統(tǒng)中最佳。我國目前投運的1 000 MW 二次再熱機組鍋爐的余熱利用系統(tǒng)均采用了空預(yù)器旁路系統(tǒng)，且在新建的1 000 MW 機組中，空預(yù)器旁路系統(tǒng)已成為鍋爐余熱利用的標配設(shè)計。

就余熱利用而言，空預(yù)器旁路系統(tǒng)利用的能量品位確實最高，但其節(jié)能效果在上述4 種典型系統(tǒng)中并非最佳。其原因是這些文章忽略了空預(yù)器旁路系統(tǒng)對鍋爐熱效率的影響，在計算節(jié)能效果時并未計入該系統(tǒng)在鍋爐側(cè)的熱損失。有的文章[8]雖然提到旁路系統(tǒng)對二次風溫度的影響，但并未計算其對鍋爐熱效率的影響；有的文章[7]在送風溫度不變的條件下，計算出空預(yù)器旁路系統(tǒng)的節(jié)能效果約為常規(guī)低壓省煤器的2 倍，但其假定的前提條件與實際情況完全不符，因此所得結(jié)論也值得商榷。

本文將重點分析計算空預(yù)器旁路系統(tǒng)對鍋爐熱效率的影響，并與冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)的節(jié)能效果進行分析對比，為電站鍋爐煙氣余熱系統(tǒng)的正確選擇提供依據(jù)。

1 2 種煙氣余熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比

某電廠1 000 MW 二次再熱機組配置一種典型的空預(yù)器旁路系統(tǒng)。為了便于對比，本文同時給出冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)，這2 種煙氣余熱系統(tǒng)示意分別如圖1和圖2所示。

眾所周知，當通過空預(yù)器的煙風比不變時，提高空預(yù)器的入口冷風溫度，其出口熱風溫度（即入爐熱風）將有所提高；當空預(yù)器的煙風比降低時，空預(yù)器出口的熱風溫度將降低。對比圖1和圖2可以看出，這2 種系統(tǒng)均使空預(yù)器入口冷風溫度提高，冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)因不影響空預(yù)器的煙風比，使鍋爐的入爐熱風溫度及鍋爐熱效率提高；空預(yù)器旁路系統(tǒng)則不同，由于煙氣量及煙風比的大幅降低，最終使鍋爐的入爐熱風溫度及鍋爐熱效率降低。因此，空預(yù)器旁路系統(tǒng)并非純粹的煙氣余熱利用系統(tǒng)，因為該系統(tǒng)將可用于鍋爐的能量品位較高部分熱量用于余熱系統(tǒng)，降低了鍋爐熱效率，且違反了能量梯級利用原則。誠然，如文獻[7,9]所述，空預(yù)器旁路系統(tǒng)提高了煙氣余熱的節(jié)能效果，且節(jié)能效果約為常規(guī)低壓省煤器的2 倍。由此可見，單獨從鍋爐側(cè)或余熱側(cè)來評價空預(yù)器旁路系統(tǒng)的節(jié)能效果均不公正，惟有全面計算各個方面的得與失，才能夠準確評價2 種余熱系統(tǒng)的綜合節(jié)能效果。

圖1 空預(yù)器旁路系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the cold air heater+air preheater flue gas bypass system

圖2 冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of the cold air heater+flue gas cooler system

2 2 種煙氣余熱系統(tǒng)對鍋爐熱效率影響

2.1 煙氣側(cè)計算

常規(guī)的鍋爐熱效率計算通常將空預(yù)器出口作為鍋爐的出口界面，其依據(jù)是從空預(yù)器排出的煙氣所攜帶的熱量不能被鍋爐所利用。據(jù)此冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)的鍋爐出口界面是空預(yù)器出口，其出口煙氣溫度即為鍋爐的排煙溫度?？疹A(yù)器旁路系統(tǒng)的出口界面則有2 處，一是空預(yù)器的煙氣出口，二是旁路余熱系統(tǒng)的煙氣入口，其煙氣溫度等于空預(yù)器入口的煙氣溫度，其鍋爐實際排煙溫度則是這2 個出口煙氣溫度的加權(quán)平均值（簡稱實際排煙溫度）。同時，取2 個系統(tǒng)中空預(yù)器前的暖風器入口為鍋爐的入口界面。在上述邊界條件下，這兩種系統(tǒng)的入口邊界條件相同。因此，這兩種系統(tǒng)對鍋爐熱效率的影響就是其對鍋爐排煙溫度的影響。

按照上述分析，計算得到冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)對鍋爐排煙溫度的影響，結(jié)果見表1，空預(yù)器旁路系統(tǒng)對鍋爐實際排煙溫度的影響結(jié)果見表2。表2中煙氣旁路量為0 對應(yīng)圖2的冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)，以及空預(yù)器進風溫度為80 ℃的工況。

表1 冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)對鍋爐排煙溫度的影響Tab.1 The effect of cold air heater+flue gas cooler system on exhaust temperature ℃

表2 空預(yù)器旁路系統(tǒng)對鍋爐實際排煙溫度的影響Tab.2 The effect of cold air heater+air preheater flue gas bypass system on exhaust temperature

對比表1和表2可見，冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)的排煙溫度明顯低于空預(yù)器旁路系統(tǒng)的實際排煙溫度，空預(yù)器旁路系統(tǒng)對鍋爐熱效率的影響不可忽視。

2.2 空氣側(cè)計算

取空預(yù)器熱風出口作為鍋爐的入口界面，空預(yù)器煙氣入口為鍋爐的出口界面。在此邊界條件下，上述2 種余熱系統(tǒng)對應(yīng)的鍋爐排煙溫度始終相同；上述2 種煙氣余熱系統(tǒng)對空預(yù)器出口熱風溫度的影響即成為可定量反映出其對鍋爐熱效率影響的唯一參數(shù)。熱風溫度的計算按一次風與二次風的各自風率風溫進行加權(quán)計算，2 種余熱系統(tǒng)對鍋爐入爐熱風溫度的影響結(jié)果分別見表3和表4。鍋爐基準工況下入爐熱風溫度為325 ℃，因此表中仍然以此作基準溫度計算熱風溫度的變化值。

表3 冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)對空預(yù)器出口熱風溫度的影響Tab.3 The effect of cold air heater+flue gas cooler system on hot air temperature at outlet of the air preheater ℃

表4 空預(yù)器旁路系統(tǒng)對空預(yù)器出口熱風溫度的影響Tab.4 The effect of cold air heater+air preheater flue gas bypass system on hot air temperature at outlet of the air preheater

對比表3和表4可見：空預(yù)器旁路系統(tǒng)對空預(yù)器出口熱風溫度的影響隨著旁路煙氣量的增加而增大，旁路煙氣量達到約28.8%時，入爐熱風溫度降低22.8 ℃；而冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)入爐熱風溫度卻提高了6 ℃。兩者對鍋爐熱效率的影響一目了然。

某電廠1 000 MW 二次再熱機組鍋爐在投運旁路煙氣系統(tǒng)中的三級煙氣冷卻器時，在鍋爐運行條件不變時，進入空預(yù)器的一次風入口風溫由42.8 ℃提高到55.6 ℃；進入空預(yù)器的二次風入口風溫由32.2 ℃提高到60.3 ℃。為了維持空預(yù)器出口煙氣溫度不變，旁路煙氣量隨之增加到約15%（對比工況仍然有一定的旁路煙氣量）。在該工況下，空預(yù)器出口熱一次風溫度由337.0 ℃降低到325.7 ℃，降低了11.3 ℃；空預(yù)器出口熱二次風溫度由326.5 ℃降低到313.0 ℃，降低了13.5 ℃。上述運行數(shù)據(jù)明顯反映出旁路煙氣量變化對空預(yù)器出口熱風溫度的影響，同時也印證了表4中的計算結(jié)果。

3 2種煙氣余熱系統(tǒng)余熱側(cè)的節(jié)能效果分析

上述2種余熱系統(tǒng)的二級（或三級）煙氣冷卻器只是通過暖風器來加熱進入空預(yù)器的冷空氣，因而，其暖風器可作為上述2 種余熱系統(tǒng)的入口界面。2 種余熱系統(tǒng)設(shè)計工況下的暖風器出口風溫度均為80 ℃，也即其入口邊界條件相同。因此，其節(jié)能效果差異僅需計算空預(yù)器旁路余熱系統(tǒng)中高壓和低壓煙氣冷卻器的節(jié)能效果與冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)中的一級煙氣冷卻器的節(jié)能效果即可。

為了使上述邊界條件與實際情況吻合，可以對空預(yù)器旁路余熱系統(tǒng)做一些改進，改進后的空預(yù)器旁路余熱系統(tǒng)示意如圖3所示。

圖3 改進空預(yù)器旁路系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of the improved cold air heater+air preheater flue gas bypass system

改進后的空預(yù)器旁路系統(tǒng)增設(shè)了四級煙氣冷卻器，其主要用途是吸收空預(yù)器出口煙氣的部分熱量，使其暖風器出口風溫始終維持在80 ℃，以便與冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)在同一邊界條件下進行比較。此外，假定改進前后的空預(yù)器旁路系統(tǒng)的高壓與低壓煙氣冷卻器的功率相同，各占總功率的50%，其發(fā)電轉(zhuǎn)化率取其加權(quán)平均值。同時，假定1 000 MW 機組的發(fā)電煤耗為286 g/(kW·h)。在上述條件下，參考某電廠1 000 MW 機組的汽輪機熱平衡圖及鍋爐額定負荷下的煙氣量等，利用等效焓降法計算可得上述3 種余熱系統(tǒng)（包括改進型）在機組額定負荷下的余熱功率的發(fā)電轉(zhuǎn)化率以及煤耗變化等，結(jié)果見表5。

表5 3 種余熱系統(tǒng)的余熱功率及余熱側(cè)節(jié)能效果Tab.5 The waste heat power and energy saving effect at waste heat side of the above three waste heat systems

由表5可見，改進前后的空預(yù)器旁路余熱系統(tǒng)在余熱側(cè)的節(jié)能效果均隨著旁路煙氣量的增加而增加，在設(shè)計工況下，即當旁路煙氣量達到28.8%、空預(yù)器出口煙氣溫度達到120.0 ℃時，其余熱側(cè)的節(jié)能效果約為冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)節(jié)能效果的2 倍，與文獻[7]的計算結(jié)果基本相同。

4 2種余熱系統(tǒng)綜合節(jié)能效果計算及分析

4.1 2種余熱系統(tǒng)的綜合節(jié)能效果

第3 節(jié)的計算結(jié)果并不能說明空預(yù)器旁路系統(tǒng)的節(jié)能效果優(yōu)于冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)。因為前者使鍋爐熱效率大幅度降低，而后者使鍋爐熱效率略有升高。對機組而言，其綜合節(jié)能效果才是評價余熱系統(tǒng)節(jié)能效果的唯一指標。

本文將上文計算的空預(yù)器旁路系統(tǒng)對機組煤耗的影響仍然按“1 000 MW 機組的發(fā)電煤耗為286 g/(kW·h)”的假定折算煤耗，并計算出上述3種余熱系統(tǒng)的綜合節(jié)能效果，結(jié)果見表6。表6中，旁路煙氣比率為28.8%的工況為改進前后空預(yù)器旁路余熱系統(tǒng)的設(shè)計工況；旁路煙氣比率為0 時的工況為冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)的設(shè)計工況。其暖風器的出口風溫均為80 ℃，邊界條件完全相同。

表6 2 種余熱系統(tǒng)綜合節(jié)能效果Tab.6 The comprehensive energy conservation effects of two waste heat systems

由表6可見：在旁路煙氣量達到設(shè)計工況28.8%時，改進前后的空預(yù)器旁路系統(tǒng)對鍋爐熱效率的影響使機組煤耗增加近3 g/(kW·h)，其影響超過了空預(yù)器旁路系統(tǒng)余熱煤耗降低的相對增加值，因而其綜合節(jié)能效果比冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)的低0.797 g/(kW·h)。這里需要說明的是，空預(yù)器旁路系統(tǒng)的節(jié)能效果是在假定其暖風器出口風溫為80 ℃計算的，而暖風器的實際出口風溫在旁路煙氣量小于28.8%時，其空預(yù)器出口煙氣溫度高于120.0 ℃，該系統(tǒng)中三級煙氣冷卻器的吸熱將略有增加，因而暖風器的放熱有所增加，暖風器的出口風溫也會增加，亦即其出口風溫將超過80 ℃。因此，在實際中，當旁路煙氣量小于設(shè)計值時，空預(yù)器旁路系統(tǒng)的節(jié)能效果將略大于表6的計算結(jié)果。

此外，在計算中之所以引入改進的空預(yù)器旁路系統(tǒng)，只是為了說明即使將原來的空預(yù)器旁路余熱系統(tǒng)設(shè)計得更完善，在旁路煙氣量大于5.5%時，改進的旁路余熱系統(tǒng)的綜合節(jié)能效果反而隨著旁路煙氣量的增加而降低。由此可見，增加空預(yù)器旁路煙氣量來提高空預(yù)器旁路系統(tǒng)節(jié)能效果的做法欠妥，其余熱側(cè)所獲得效益無法抵消鍋爐側(cè)的熱損失。對改進前的空預(yù)器旁路余熱系統(tǒng)而言，當其旁路煙氣量小于設(shè)計值時，其節(jié)能效果反而更低。這是因為該系統(tǒng)中的三級煙氣冷卻器是針對排煙溫度120 ℃設(shè)計，當其旁路煙氣量小于設(shè)計值時，空預(yù)器出口煙氣溫度將高于120 ℃，此時，旁路中的煙氣余熱利用功率降低，而三級煙氣冷卻器的余熱利用功率增加卻有限。

上述計算中未考慮各級煙氣冷卻器阻力，該做法不影響對比結(jié)果的計算（2 種系統(tǒng)煙氣側(cè)的阻力相差不大），但計算的節(jié)能效果將大于其實際節(jié)能效果。

4.2 計算結(jié)果分析

從上述計算結(jié)果可見，空預(yù)器旁路系統(tǒng)在4 種典型余熱系統(tǒng)中的綜合節(jié)能效果并非最優(yōu)，在設(shè)計工況下，其綜合節(jié)能效果比冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)的低0.797 g/(kW·h)。從工藝方面看，空預(yù)器旁路系統(tǒng)的工藝更為復(fù)雜，投資也大于冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)；即便將空預(yù)器旁路系統(tǒng)改為更為復(fù)雜的改進型余熱系統(tǒng)，其設(shè)計工況下的節(jié)能效果仍低于冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)。由此可見，將空預(yù)器旁路系統(tǒng)用于1 000 MW 機組鍋爐雖然有一定的節(jié)能效果，但其并非最優(yōu)選擇。

此外，煙氣余熱系統(tǒng)實際中普遍存在著受熱面磨損及堵灰現(xiàn)象，目前，該問題已成為燃煤電站鍋爐余熱利用系統(tǒng)難以解決的技術(shù)難題。更為嚴重的是，因煙氣余熱系統(tǒng)設(shè)備故障造成的機組非停事故也時有發(fā)生，影響到了火電機組的安全運行。因此，不宜采用任何使煙氣余熱系統(tǒng)復(fù)雜化的技術(shù)。

5 結(jié) 論

1）空預(yù)器旁路余熱系統(tǒng)的綜合節(jié)能效果在設(shè)計工況下，可節(jié)約煤耗為2.998 g/(kW·h)，但與冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)相比，其綜合節(jié)能效果降低了0.797 g/(kW·h)。該系統(tǒng)并非節(jié)能效果最優(yōu)的煙氣余熱系統(tǒng)，不應(yīng)在新建機組中或改造項目中推廣應(yīng)用。

2）在空預(yù)器旁路余熱系統(tǒng)中增設(shè)四級煙氣冷卻器后，其綜合節(jié)能效果在旁路煙氣量約為5.5%時最優(yōu)，但與冷風加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)相比，綜合節(jié)能效果僅降低了0.24 g/(kW·h)。且其系統(tǒng)過于復(fù)雜，投資更大，僅可作為空預(yù)器旁路系統(tǒng)的補救方案，不應(yīng)在新建機組或改造項目中推廣應(yīng)用。

3）將鍋爐可利用的能量品位最高的熱量用于煙氣余熱系統(tǒng)，違反了能量梯級利用原則，其在余熱側(cè)利用節(jié)能效果的相對提高值無法抵消其對鍋爐熱效率影響所產(chǎn)生的機組煤耗的升高值，其實際的綜合節(jié)能效果反而隨旁路煙氣量的增加而降低。因此，試圖通過增加空預(yù)器旁路煙氣量來提高余熱側(cè)節(jié)能效果的技術(shù)路線不可取。