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)。
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,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
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??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(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,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。
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: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。
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(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。
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: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,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。
從上述計(jì)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(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,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)。
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。