張 卿

(中國大唐集團科學技術(shù)研究院有限公司華東電力試驗研究院，合肥 230011)

當前火力發(fā)電廠鍋爐的各種熱損失中，鍋爐排煙熱損失占比達到一半或以上，燃煤機組空預器出口排煙溫度在130 ℃左右，有些電廠甚至達到160 ℃，排煙熱損失較大。為了減少排煙熱損失，合理利用煙氣余熱，火電行業(yè)對煙氣余熱利用開展了廣泛研究[1-4]。

考慮煙氣余熱利用系統(tǒng)的初期投資和正常運行時的機組經(jīng)濟效益，目前余熱利用主要有以下幾種方式：

1)低溫省煤器系統(tǒng)。此類煙氣余熱利用系統(tǒng)為目前采用最多的系統(tǒng)，此類系統(tǒng)多采用1級或2級受熱面，受熱面安裝在電除塵器入口、脫硫吸收塔入口等位置?；厥盏臒崃坑糜诩訜岬蛪耗Y(jié)水。

2)低溫省煤器加暖風器系統(tǒng)。此類低溫省煤器系統(tǒng)煙氣換熱器布置在電除塵器入口，暖風器布置在脫硫吸收塔入口。低溫省煤器主要用來加熱低壓凝結(jié)水，暖風器主要采用閉式循環(huán)水作為換熱介質(zhì)來加熱空氣預熱器進口一次風、二次風，該方案在國內(nèi)也有不少應用。現(xiàn)在還有一些機組采用低參數(shù)抽汽來加熱空氣預熱器進風。

3)帶空氣預熱器旁路的余熱多能級利用系統(tǒng)[5-6]。該系統(tǒng)在空氣預熱器旁路中串聯(lián)布置加熱高壓給水的高溫省煤器(I級)系統(tǒng)和加熱低壓凝結(jié)水的低溫省煤器(Ⅱ級)系統(tǒng)；在空氣預熱器出口煙道設(shè)置暖風器系統(tǒng)或低溫省煤器系統(tǒng)，這樣可以實現(xiàn)煙氣熱量的梯級利用。

另外，還有出于環(huán)?？紤]而要求脫除白色煙羽，因而投用的低低溫煙氣處理系統(tǒng)(Mitsubishi recirculated nonleak type Gas-Gas Heater, MGGH)與低溫省煤器相結(jié)合的煙氣余熱利用系統(tǒng)等方案，此處不作贅述。

上述各種系統(tǒng)在新建項目中均有應用，但對于現(xiàn)役機組改造，由于空間等條件限制，應用相對較多的是低溫省煤器方案。

目前針對低溫省煤器的研究，主要集中在提出不同結(jié)構(gòu)的煙氣余熱利用系統(tǒng)方面。本文主要采用等效熱降理論建立計算模型，對煙氣余熱利用系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性進行研究。結(jié)合煙氣余熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性計算以及能量梯級利用的思想，本文介紹了一種新的煙氣余熱利用系統(tǒng)，能夠更高效地利用煙氣余熱，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

1 某600 MW機組余熱利用系統(tǒng)介紹

某超臨界600 MW機組鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠采用引進技術(shù)生產(chǎn)的HG-1900/25.4-YM4型、一次再熱、π型、變壓運行直流鍋爐。汽輪機采用哈爾濱汽輪機廠制造的CLN600-24.2/566/566型凝汽式汽輪機。

煙氣余熱利用系統(tǒng)見圖1，采用傳統(tǒng)的低溫省煤器系統(tǒng)。低溫省煤器布置在空氣預熱器后、電除塵器前的水平煙道上。1臺爐布置4臺煙氣冷卻器，額定工況下將煙氣溫度由133.3 ℃降至95 ℃。

注：HTR為高壓加熱器

圖1 低溫省煤器汽機側(cè)布置圖

煙氣冷卻器工質(zhì)取自7號低壓加熱器出口，性能保證工況(THA工況)下取水溫度為75 ℃，水回流至6號低壓加熱器入口，回水溫度為101 ℃。為防止直接進入煙氣冷卻器的凝結(jié)水水溫偏低，致使管束壁溫過低，產(chǎn)生低溫結(jié)露現(xiàn)象，本裝置需在凝結(jié)水進出口管路間設(shè)置熱水的再循環(huán)系統(tǒng)，以保證煙氣冷卻器的進口溫度能達到或超過設(shè)計溫度，保證設(shè)備安全運行。另外，在機組部分負荷工況運行時，將部分煙氣冷卻器出口的凝結(jié)水與入口處較低溫度的凝結(jié)水按照一定比例混合，以達到提高煙氣冷卻器入口水溫的目的，這樣可以避免入口水溫較低而引起的機組安全性問題。

2 熱力計算模型

火力發(fā)電廠煙氣余熱利用的運行經(jīng)濟性分析方法，主要為適合于局部經(jīng)濟性診斷的等效熱降法[7]。等效熱降法是基于熱力學中的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)樽龉α康幕驹恚芯繜崃ο到y(tǒng)經(jīng)濟性的一種方法。

等效熱降法分析的前提條件是已知機組的主蒸汽流量、供鍋爐燃燒的燃料量、熱力循環(huán)系統(tǒng)的起始和最終熱力參數(shù)，以及回熱系統(tǒng)的參數(shù)。當熱力系統(tǒng)中出現(xiàn)任何關(guān)乎熱力經(jīng)濟性的變動時，機組出力和回熱系統(tǒng)中的抽汽份額均會隨之產(chǎn)生變動。根據(jù)以上理論分析，可進行局部系統(tǒng)的經(jīng)濟性診斷分析，得到回熱系統(tǒng)各級的等效熱降和抽汽效率。

等效熱降Hj是單位質(zhì)量流量抽汽從j號加熱器抽汽口處返回汽輪機的真實做功能力，標志著汽輪機各級抽汽口的蒸汽能級的高低。等效熱降表達式[7]為：

(1)

式中：hj為第j號加熱器抽汽焓，kJ/kg；hn為排汽焓，kJ/kg；r為第j號加熱器后更低壓力抽汽口腳碼；Ar根據(jù)加熱器類型，取γr或者τr，如果第j號加熱器為匯集式加熱器，則用τr代替Ar,如果第j號加熱器為疏水自流式加熱器，則對于從第j號加熱器以下直到(包括)匯集式加熱器的部分，用γr代替Ar，γr為疏水在第r號加熱器中放熱量，kJ/kg；τr為凝結(jié)水或給水在第r號加熱器中的焓升，kJ/kg；Hr為第r級抽汽的等效焓降，kJ/kg；qr為抽汽在第r號加熱器中的放熱量，kJ/kg。

鍋爐煙氣通過煙氣深度冷卻系統(tǒng)(及低溫省煤器裝置)將余熱熱量輸入到汽輪機的回熱系統(tǒng)加熱器(如j號加熱器)。針對該情況，引入抽汽效率ηj的概念，其表達式為ηj=Hj/qj，物理意義為獲得的功與加入的熱量之比。

在如圖1所示的系統(tǒng)中，分析余熱利用經(jīng)濟性時，將來自爐側(cè)熱量作為純熱量進行處理[8]。假設(shè)有熱量Qd通過低溫省煤器進入回熱系統(tǒng)，相對1 kg新蒸汽來說，回熱系統(tǒng)獲得的熱量為：

(2)

式中：D為新蒸汽量，kg/s；DH為凝結(jié)水經(jīng)過低溫省煤器的流量，kg/s；αH為凝結(jié)水經(jīng)過低溫省煤器的流量占新蒸汽量的比例；td1、td2為工質(zhì)進、出低溫省煤器的焓值，kJ/kg。

按照等效熱降的基本法則，純熱量qd進入回熱系統(tǒng)時，新蒸汽的等效熱降增加量計算式如下：

ΔH=qd×ηj

(3)

投入低溫省煤器后裝置效率的提高值計算式如下：

(4)

式中：δηi為裝置效率。

熱耗率降低量計算式如下：

Δq=qδηi

(5)

式中：q為汽輪機熱耗率，kJ/(kW·h)。

標準煤耗降低量計算式如下：

Δb=bbδηi

(6)

式中：bb為機組標準煤耗率，g/(kW·h)。

3 計算結(jié)果分析

采用性能測試數(shù)據(jù)，對某600 MW機組在出力600 MW、450 MW以及300 MW工況下余熱利用實際運行效果進行計算，計算結(jié)果見表1。

表1 熱經(jīng)濟性計算主要結(jié)果

機組在機組功率分別為600 MW、450 MW以及300 MW三種典型工況下熱耗降低值和節(jié)煤量計算結(jié)果見圖2。

圖2 余熱利用節(jié)能效益表

4 煙氣余熱梯級利用方案

上述低溫省煤器系統(tǒng)技術(shù)比較成熟，投產(chǎn)后運行穩(wěn)定，但在煤種不斷變化的條件下，節(jié)能效果還有提高的空間。為此，改造時可采用相對復雜、節(jié)能量較大的方案，即梯級利用方案，見圖3。此方案采用2級低溫省煤器與暖風器串聯(lián)布置的方式。

低溫省煤器布置在空氣預熱器出口與除塵器入口之間的水平煙道處，分2級布置，將5號低加入口設(shè)置為回水點。熱媒水在Ⅱ級低溫省煤器處吸熱后，將進入空氣預熱器前的冷二次風加熱到55 ℃左右。這樣可以提高空氣預熱器的冷端溫度，有效緩解空氣預熱器的堵塞。隨后，熱媒水返回I級低溫省煤器，吸熱后回到5號低加入口。低溫省煤器使煙溫降低至95 ℃后，使其進入電除塵器。通過煙氣余熱梯級利用，有效提高了余熱利用效率，增加了節(jié)能量。

注：低省為低溫省煤器

圖3 煙氣余熱梯級利用方案

5 結(jié) 論

本文通過等效熱降方法，計算了煙氣余熱利用系統(tǒng)熱經(jīng)濟性，分析了三個典型工況下機組投用低溫省煤器系統(tǒng)時的節(jié)能量。通過分析可知，煙氣余熱利用系統(tǒng)在節(jié)約能源方面是很有意義的。今后的研究可以朝能量梯級利用方向繼續(xù)開展。