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(lái)，煙氣余熱利用技術(shù)在國(guó)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(fēng)加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)、冷風(fēng)加熱器+空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）旁路系統(tǒng)4 種。目前，國(guó)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(rèn)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(rèn)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(guó)目前投運(yùn)的1 000 MW 二次再熱機(jī)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(jī)組中，空預(yù)器旁路系統(tǒng)已成為鍋爐余熱利用的標(biāo)配設(shè)計(jì)。

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(shí)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(duì)鍋爐熱效率的影響，在計(jì)算節(jié)能效果時(shí)并未計(jì)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(duì)二次風(fēng)溫度的影響，但并未計(jì)算其對(duì)鍋爐熱效率的影響；有的文章[7]在送風(fēng)溫度不變的條件下，計(jì)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(shí)際情況完全不符，因此所得結(jié)論也值得商榷。

本文將重點(diǎn)分析計(jì)算空預(yù)器旁路系統(tǒng)對(duì)鍋爐熱效率的影響，并與冷風(fēng)加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行分析對(duì)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(duì)比

某電廠1 000 MW 二次再熱機(jī)組配置一種典型的空預(yù)器旁路系統(tǒng)。為了便于對(duì)比，本文同時(shí)給出冷風(fēng)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(dāng)通過(guò)空預(yù)器的煙風(fēng)比不變時(shí)，提高空預(yù)器的入口冷風(fēng)溫度，其出口熱風(fēng)溫度（即入爐熱風(fēng)）將有所提高；當(dāng)空預(yù)器的煙風(fēng)比降低時(shí)，空預(yù)器出口的熱風(fēng)溫度將降低。對(duì)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(fēng)溫度提高，冷風(fēng)加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)因不影響空預(yù)器的煙風(fēng)比，使鍋爐的入爐熱風(fēng)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(fēng)比的大幅降低，最終使鍋爐的入爐熱風(fēng)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?yàn)樵撓到y(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(jí)利用原則。誠(chéng)然，如文獻(xiàn)[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(jiàn)，單獨(dú)從鍋爐側(cè)或余熱側(cè)來(lái)評(píng)價(jià)空預(yù)器旁路系統(tǒng)的節(jié)能效果均不公正，惟有全面計(jì)算各個(gè)方面的得與失，才能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)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(fēng)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(duì)鍋爐熱效率影響

2.1 煙氣側(cè)計(jì)算

常規(guī)的鍋爐熱效率計(jì)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(fēng)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。空預(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(shí)際排煙溫度則是這2 個(gè)出口煙氣溫度的加權(quán)平均值（簡(jiǎn)稱實(shí)際排煙溫度）。同時(shí)，取2 個(gè)系統(tǒng)中空預(yù)器前的暖風(fēng)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(duì)鍋爐熱效率的影響就是其對(duì)鍋爐排煙溫度的影響。

按照上述分析，計(jì)算得到冷風(fēng)加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)對(duì)鍋爐排煙溫度的影響，結(jié)果見(jiàn)表1，空預(yù)器旁路系統(tǒng)對(duì)鍋爐實(shí)際排煙溫度的影響結(jié)果見(jiàn)表2。表2中煙氣旁路量為0 對(duì)應(yīng)圖2的冷風(fēng)加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)，以及空預(yù)器進(jìn)風(fēng)溫度為80 ℃的工況。

表1 冷風(fēng)加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)對(duì)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(duì)鍋爐實(shí)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(duì)比表1和表2可見(jiàn)，冷風(fēng)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(shí)際排煙溫度，空預(yù)器旁路系統(tǒng)對(duì)鍋爐熱效率的影響不可忽視。

2.2 空氣側(cè)計(jì)算

取空預(yù)器熱風(fēng)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(duì)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(duì)空預(yù)器出口熱風(fēng)溫度的影響即成為可定量反映出其對(duì)鍋爐熱效率影響的唯一參數(shù)。熱風(fēng)溫度的計(jì)算按一次風(fēng)與二次風(fēng)的各自風(fēng)率風(fēng)溫進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，2 種余熱系統(tǒng)對(duì)鍋爐入爐熱風(fēng)溫度的影響結(jié)果分別見(jiàn)表3和表4。鍋爐基準(zhǔn)工況下入爐熱風(fēng)溫度為325 ℃，因此表中仍然以此作基準(zhǔn)溫度計(jì)算熱風(fēng)溫度的變化值。

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

某電廠1 000 MW 二次再熱機(jī)組鍋爐在投運(yùn)旁路煙氣系統(tǒng)中的三級(jí)煙氣冷卻器時(shí)，在鍋爐運(yùn)行條件不變時(shí)，進(jìn)入空預(yù)器的一次風(fēng)入口風(fēng)溫由42.8 ℃提高到55.6 ℃；進(jìn)入空預(yù)器的二次風(fēng)入口風(fēng)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(duì)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(fēng)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(fēng)溫度由326.5 ℃降低到313.0 ℃，降低了13.5 ℃。上述運(yùn)行數(shù)據(jù)明顯反映出旁路煙氣量變化對(duì)空預(yù)器出口熱風(fēng)溫度的影響，同時(shí)也印證了表4中的計(jì)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(jí)（或三級(jí)）煙氣冷卻器只是通過(guò)暖風(fēng)器來(lái)加熱進(jìn)入空預(yù)器的冷空氣，因而，其暖風(fēng)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(jì)工況下的暖風(fēng)器出口風(fēng)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(jì)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(fēng)加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)中的一級(jí)煙氣冷卻器的節(jié)能效果即可。

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

圖3 改進(jìn)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(jìn)后的空預(yù)器旁路系統(tǒng)增設(shè)了四級(jí)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(fēng)器出口風(fēng)溫始終維持在80 ℃，以便與冷風(fēng)加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)在同一邊界條件下進(jìn)行比較。此外，假定改進(jìn)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(shí)，假定1 000 MW 機(jī)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(jī)組的汽輪機(jī)熱平衡圖及鍋爐額定負(fù)荷下的煙氣量等，利用等效焓降法計(jì)算可得上述3 種余熱系統(tǒng)（包括改進(jìn)型）在機(jī)組額定負(fù)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(jiàn)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(jiàn)，改進(jìn)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(jì)工況下，即當(dāng)旁路煙氣量達(dá)到28.8%、空預(yù)器出口煙氣溫度達(dá)到120.0 ℃時(shí)，其余熱側(cè)的節(jié)能效果約為冷風(fēng)加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)節(jié)能效果的2 倍，與文獻(xiàn)[7]的計(jì)算結(jié)果基本相同。

4 2種余熱系統(tǒng)綜合節(jié)能效果計(jì)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(jì)算結(jié)果并不能說(shuō)明空預(yù)器旁路系統(tǒng)的節(jié)能效果優(yōu)于冷風(fēng)加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)。因?yàn)榍罢呤瑰仩t熱效率大幅度降低，而后者使鍋爐熱效率略有升高。對(duì)機(jī)組而言，其綜合節(jié)能效果才是評(píng)價(jià)余熱系統(tǒng)節(jié)能效果的唯一指標(biāo)。

本文將上文計(jì)算的空預(yù)器旁路系統(tǒng)對(duì)機(jī)組煤耗的影響仍然按“1 000 MW 機(jī)組的發(fā)電煤耗為286 g/(kW·h)”的假定折算煤耗，并計(jì)算出上述3種余熱系統(tǒng)的綜合節(jié)能效果，結(jié)果見(jiàn)表6。表6中，旁路煙氣比率為28.8%的工況為改進(jìn)前后空預(yù)器旁路余熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況；旁路煙氣比率為0 時(shí)的工況為冷風(fēng)加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況。其暖風(fēng)器的出口風(fēng)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(jiàn)：在旁路煙氣量達(dá)到設(shè)計(jì)工況28.8%時(shí)，改進(jìn)前后的空預(yù)器旁路系統(tǒng)對(duì)鍋爐熱效率的影響使機(jī)組煤耗增加近3 g/(kW·h)，其影響超過(guò)了空預(yù)器旁路系統(tǒng)余熱煤耗降低的相對(duì)增加值，因而其綜合節(jié)能效果比冷風(fēng)加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)的低0.797 g/(kW·h)。這里需要說(shuō)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(fēng)器出口風(fēng)溫為80 ℃計(jì)算的，而暖風(fēng)器的實(shí)際出口風(fēng)溫在旁路煙氣量小于28.8%時(shí)，其空預(yù)器出口煙氣溫度高于120.0 ℃，該系統(tǒng)中三級(jí)煙氣冷卻器的吸熱將略有增加，因而暖風(fēng)器的放熱有所增加，暖風(fēng)器的出口風(fēng)溫也會(huì)增加，亦即其出口風(fēng)溫將超過(guò)80 ℃。因此，在實(shí)際中，當(dāng)旁路煙氣量小于設(shè)計(jì)值時(shí)，空預(yù)器旁路系統(tǒng)的節(jié)能效果將略大于表6的計(jì)算結(jié)果。

此外，在計(jì)算中之所以引入改進(jìn)的空預(yù)器旁路系統(tǒng)，只是為了說(shuō)明即使將原來(lái)的空預(yù)器旁路余熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)得更完善，在旁路煙氣量大于5.5%時(shí)，改進(jìn)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(jiàn)，增加空預(yù)器旁路煙氣量來(lái)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(wú)法抵消鍋爐側(cè)的熱損失。對(duì)改進(jìn)前的空預(yù)器旁路余熱系統(tǒng)而言，當(dāng)其旁路煙氣量小于設(shè)計(jì)值時(shí)，其節(jié)能效果反而更低。這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)中的三級(jí)煙氣冷卻器是針對(duì)排煙溫度120 ℃設(shè)計(jì)，當(dāng)其旁路煙氣量小于設(shè)計(jì)值時(shí)，空預(yù)器出口煙氣溫度將高于120 ℃，此時(shí)，旁路中的煙氣余熱利用功率降低，而三級(jí)煙氣冷卻器的余熱利用功率增加卻有限。

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

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

從上述計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，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(jì)工況下，其綜合節(jié)能效果比冷風(fēng)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(fēng)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(jìn)型余熱系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)工況下的節(jié)能效果仍低于冷風(fēng)加熱器+煙氣冷卻器系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，將空預(yù)器旁路系統(tǒng)用于1 000 MW 機(jī)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(shí)際中普遍存在著受熱面磨損及堵灰現(xiàn)象，目前，該問(wèn)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(yán)重的是，因煙氣余熱系統(tǒng)設(shè)備故障造成的機(jī)組非停事故也時(shí)有發(fā)生，影響到了火電機(jī)組的安全運(yùn)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(jì)工況下，可節(jié)約煤耗為2.998 g/(kW·h)，但與冷風(fēng)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(jī)組中或改造項(xiàng)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(jí)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(shí)最優(yōu)，但與冷風(fēng)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(guò)于復(fù)雜，投資更大，僅可作為空預(yù)器旁路系統(tǒng)的補(bǔ)救方案，不應(yīng)在新建機(jī)組或改造項(xiàng)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(jí)利用原則，其在余熱側(cè)利用節(jié)能效果的相對(duì)提高值無(wú)法抵消其對(duì)鍋爐熱效率影響所產(chǎn)生的機(jī)組煤耗的升高值，其實(shí)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(guò)增加空預(yù)器旁路煙氣量來(lái)提高余熱側(cè)節(jié)能效果的技術(shù)路線不可取。