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        蒸汽-煙氣余熱協(xié)同回收聯(lián)合利用系統(tǒng)應用研究

        2021-05-14 15:07:30高景輝張亞夫王紅雨孟穎琪
        熱力發(fā)電 2021年4期
        關鍵詞:凝汽器煙氣系統(tǒng)

        王 林,楊 博,高景輝,李 斌,張亞夫,王紅雨,孟穎琪

        (1.西安熱工研究院有限公司,陜西 西安 710054;2.華能陜西渭南熱電有限公司,陜西 渭南 714000)

        電站鍋爐輔機中,以引風機功率最大[1]。為降低機組的廠用電率,通常將引風機設計為小汽輪機驅(qū)動形式,該小汽輪機簡稱為小機[2]。機組汽輪機(簡稱大機)的排汽作為小機的汽源。蒸汽在小機中做完功后,排汽仍然具有較高的溫度。這部分蒸汽蘊藏的熱能,在大多數(shù)情況下轉(zhuǎn)移至冷卻水(即循環(huán)水)中并被帶往冷卻塔,最終散失在大氣中,造成一定的能量損失[3]。

        電站鍋爐排煙熱損失在鍋爐熱損失中占比最大[4-5]。目前,針對鍋爐煙氣余熱的利用手段較為成熟,多是借助在空氣預熱器(空預器)出口、電除塵裝置進口煙道或者引風機進出口煙道內(nèi)布置單級或多級低溫省煤器(低?。6],吸收鍋爐排煙熱量加熱凝結(jié)水,從而降低供電煤耗,提高機組運行經(jīng)濟性[7]。

        針對上述情況,本文提出一種蒸汽-煙氣余熱聯(lián)合利用系統(tǒng),將蒸汽、煙氣2種形式余熱協(xié)同回收、統(tǒng)一利用。一體化集成式設備既降低了系統(tǒng)造價,又可實現(xiàn)“1+1>2”的綜合節(jié)能效果。該聯(lián)合系統(tǒng)以熱媒水作為能量傳遞轉(zhuǎn)換的載體,通過設置獨立的引風機小機凝汽器與低省,回收汽輪機排汽及鍋爐排煙的熱量,吸熱后的高溫熱媒水,進入空預器入口處的暖風器,對入爐一次風、二次風進行加熱,從而達到節(jié)能增效的目的。設備實際運行表現(xiàn)表明,上述余熱聯(lián)合利用系統(tǒng)投用靈活,季節(jié)適應性強,具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢。

        1 機組概況

        某電廠2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)工程1號機組采用型號為HG-1145/25.8-YM3的超臨界直流鍋爐。鍋爐主要設計參數(shù)見表1。

        表1 鍋爐主要設計參數(shù)Tab.1 Main design parameters of the boiler

        送入爐膛的煤粉在充分燃燒后,產(chǎn)生了大量的熱煙氣,熱煙氣向上依次經(jīng)分隔屏過熱器、末級過熱器、經(jīng)爐膛出口進入水平煙道,經(jīng)末級再熱器,穿過水冷壁排管進入轉(zhuǎn)向室,煙氣在轉(zhuǎn)向室內(nèi)下行進入尾部豎井煙道。分隔墻將煙道分成了前后豎井。一部分煙氣在前豎井通過一級再熱器,另一部分煙氣在后豎井通過一級過熱器和省煤器。2路煙氣最終在煙氣調(diào)溫擋板后匯成1路,繼續(xù)流經(jīng)脫硝反應器、空預器入口煙道,在預熱器內(nèi)與空氣進行換熱后,經(jīng)預熱器出口煙道離開鍋爐。煙氣繼續(xù)前進,依次經(jīng)過電除塵裝置、引風機、脫硫塔,最終從煙囪排往大氣。

        為節(jié)約用水,本工程主機循環(huán)水采用間接空冷塔方式冷卻。小機循環(huán)水取自大機循環(huán)水的供回水管道。

        2 蒸汽-煙氣余熱聯(lián)合利用系統(tǒng)

        為同步利用鍋爐排煙及小機的排汽余熱,提出并建立了一套由小機凝汽器、低省及暖風器組成的蒸汽-煙氣余熱聯(lián)合利用系統(tǒng)。

        2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

        本系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)利用熱媒水作為能量傳遞和轉(zhuǎn)換的載體。熱媒水取自大機的循環(huán)水。熱媒水進入小機凝汽器后,吸收小機排汽熱量,隨后在增壓泵的驅(qū)動下,進入低省中再次吸收煙氣的熱量。最后,高溫的熱媒水在一二次風暖風器處與冷空氣完成換熱。降溫后的熱媒水回到大機循環(huán)水中,也可以重新進入小機凝汽器,往復循環(huán)。

        圖1 蒸汽-煙氣余熱聯(lián)合利用系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the steam-flue gas waste heat combined utilization system

        2.2 低省

        本工程煙氣余熱的回收,主要依靠布置于電除塵器入口煙道內(nèi)的低省來完成。低省管組整體采用順列布置,管束與煙氣逆流換熱。為強化換熱效果,各管子采用了H型翅片管,有效增大換熱面積[8-9]。經(jīng)計算,本工程煙氣酸露點為102.2 ℃,煙氣換熱器翅片與基管均采用耐腐蝕材質(zhì)ND鋼(牌號09CrCuSb),故能保證低省在設計工況下具有較高的耐腐蝕性能。換熱器腐蝕計算按校核煤種含硫率1.23%設計考慮,其年腐蝕速率小于0.06 mm。低省相關設計參數(shù)見表2。

        表2 低省設計參數(shù)Tab.2 Design parameters of the low temperature economizer

        2.3 小機凝汽器

        本工程1號機組設置1臺100%容量的汽動引風機,其小機為國產(chǎn)單缸、單軸、反動凝汽式、自帶獨立凝汽器的小汽輪機。小機共配置2路汽源,調(diào)試及啟動用汽為輔助蒸汽,正常運行用汽為大機四段抽汽。

        小機的排汽經(jīng)排汽管道至引風機凝汽器,在小機凝汽器中凝結(jié)后,經(jīng)過小機凝泵、小機軸封加熱器,最后排至主機凝汽器。小機凝汽器冷卻水源來自大機循環(huán)水,吸收小機排汽余熱后回到冷卻塔,將熱量散失于大氣中。小機設計參數(shù)見表3。

        表3 小機主要設計參數(shù)Tab.3 Main parameters of small turbine of the induced draft fan

        2.4 一二次風暖風器

        蒸汽-煙氣余熱最終在暖風器處得到統(tǒng)一利用。本工程選用了四分倉回轉(zhuǎn)式空預器,設置有2個二次風倉室,1個一次風倉室。

        每臺鍋爐設置2臺二次風暖風器,位于空預器入口水平風道內(nèi)。設置1臺一次風暖風器,位于一次風機出口風道內(nèi)。為加強換熱效果,一二次風暖風器均采用金屬翅片管增大接觸面積[10-12]。暖風器相關性能參數(shù)見表4。

        表4 暖風器設計參數(shù)Tab.4 Design parameters of the air heater

        3 系統(tǒng)投用方式探討

        3.1 系統(tǒng)運行方式分析

        該工程采用了由“小機凝汽器-低省-熱水暖風器”組成的熱媒水綜合利用裝置。該裝置的循環(huán)工質(zhì)為大汽輪機循環(huán)水(簡稱循環(huán)水)。循環(huán)水自母管進入熱媒水系統(tǒng),首先進入小機凝汽器,作為小機循環(huán)水,吸收蒸汽熱量,升高自身溫度,成為熱媒水。隨后,熱媒水經(jīng)過出口增壓泵,提升壓力,再次進入位于空預器后、電除塵前的低省,受到煙氣的二次加熱后,進入一次風暖風器、二次風暖風器,在此處釋放熱量,加熱冷空氣。降溫后的熱媒水沖洗回到小機凝汽器入口管,或者進入大機循環(huán)水回水母管。

        上述裝置中,熱媒水回收蒸汽、煙氣2部分熱量,但僅有一二次風暖風器一處利用場所。若是炎熱夏季,一二次暖風器無投用必要,從系統(tǒng)中解列出來,則意味著低省與小機凝汽器處的回收熱量無處釋放,而小機需要低溫的熱媒水作為冷卻水,這樣的矛盾決定了該熱媒水余熱回收利用系統(tǒng)僅適用于寒冷時節(jié)。到了夏季,暖風器及低省均需徹底放水,鍋爐運行期間,低省將處于內(nèi)無工質(zhì)的干燒狀態(tài)。根據(jù)管材性能數(shù)據(jù),上述工作狀態(tài)允許存在。此時小機循環(huán)水完全由大機循環(huán)水供應。從上述分析可知,該套裝置的季節(jié)適應性較差。

        根據(jù)前述分析,提出本工程熱媒水余熱回收利用裝置的3種工作模式如下。

        1)純凝汽器運行 此模式適用于炎熱夏季,暖風器停用時期,此時小機凝汽器、低省回收來的熱量無處釋放利用,若直接排入大機循環(huán)水,提高了大機循環(huán)水的溫度,進入冷卻塔將不可避免占用了本屬于大機循環(huán)水的冷卻能力。因此,該模式下,低省與暖風器需從系統(tǒng)解列,大機循環(huán)水直供小機凝汽器。

        2)凝汽器聯(lián)合暖風器運行 此種工作模式適用于春秋季節(jié),此時環(huán)境溫度開始升高,但暖風器還可勉強投用。熱媒水從小機凝汽器處回收蒸汽余熱,經(jīng)增壓泵提升壓力后,經(jīng)過低省旁路,進入暖風器。此模式下的暖風器,充當了小機專屬“機力空冷塔”,可較好地滿足系統(tǒng)運行要求。

        3)凝汽器聯(lián)合低省-暖風器運行 該模式適用于寒冷冬季。通過凝汽器、低省兩級加熱,熱媒水進入一二次風暖風器放熱,可最大程度地發(fā)揮裝置的節(jié)能潛力。

        經(jīng)機組實際運行,3種工作模式下,系統(tǒng)主要參數(shù)見表5。從運行參數(shù)看,主要參數(shù)均接近設計值,蒸汽-煙氣余熱聯(lián)合利用系統(tǒng)在3種模式下能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟可靠運行。

        表5 系統(tǒng)運行參數(shù) 單位:℃Tab.5 Operation parameters of the system

        3.2 高效沖洗方案研究

        現(xiàn)代火電機組為了進一步提高節(jié)能水平,常常需要布置多級多類型的換熱器。這些換熱器間的聯(lián)通管道復雜,各級受熱面管束的水容積較大,首次啟動前需要對系統(tǒng)內(nèi)部的焊渣銹皮進行大流量水沖洗。實際投用過程表明,這類系統(tǒng)內(nèi)部臟污程度高,沖洗起來費時費水,很難在煙溫到達投用溫度時及時投入運行。因此,制定合理的沖洗方案,提高沖洗效率,縮短水質(zhì)合格的時間,能夠有力地保證上述系統(tǒng)盡早投入運行、盡早發(fā)揮節(jié)能作用。

        由于大機循環(huán)水采取間冷塔方式,水質(zhì)要求較高,熱媒水裝置冷熱態(tài)沖洗的污水不能直接匯入循環(huán)水回水母管,因此需要制定合理高效的沖洗方案。沖洗方案的基本原則是,按3種工作模式安排管道沖洗,不投用的部分進行隔離,從而減少沖洗容積,提高沖洗效率。

        1)純凝汽器運行 此方式下,利用小機凝汽器自身的多路排空及排污粗管,即可實現(xiàn)較好的沖洗效果。初步?jīng)_洗結(jié)束后,系統(tǒng)再次注滿水,關閉循環(huán)水進回水閥,啟動變頻增壓泵,適當增加出力,進行閉式循環(huán)沖洗5 h,結(jié)束后取水樣化驗,若不合格,則重復注水,繼續(xù)進行帶壓閉式循環(huán)沖洗。

        2)凝汽器聯(lián)合暖風器運行 此方式下,沖洗水走低省旁路,分段進水,分段排污。凝汽器進水初步?jīng)_洗,連續(xù)排污后,重新注水,并注水至暖風器。初步?jīng)_洗結(jié)束后,系統(tǒng)再次注滿水,關閉循環(huán)水進回水閥,啟動變頻增壓泵,適當增加出力,進行閉式循環(huán)沖洗,時間為4 h,結(jié)束后將污水自沖洗排污管排放至機組排水槽。閉式?jīng)_洗3~5次后,取水樣化驗,若不合格,則重復注水,繼續(xù)進行帶壓閉式循環(huán)沖洗。

        3)凝汽器聯(lián)合低省-暖風器運行 該方式下涉及的換熱設備較多,管道沖洗工作量大。為提高沖洗效率,不影響機組升負荷,針對系統(tǒng)構(gòu)成特點,提出并應用以下高效沖洗方案:a)在一二次暖風器出口母管上增加一路沖洗排污管,該管道直排機組排水槽(圖2);b)利用大機循環(huán)水為整套系統(tǒng)注水,注水過程中注意逐級排氣,將凝汽器、低省、暖風器等按順序充滿水后,打開聯(lián)通閥,保持循環(huán)水注水閥開啟狀態(tài)下,啟動熱媒水增壓泵,進行系統(tǒng)帶壓閉式?jīng)_洗,根據(jù)增壓泵電流及進出口水壓情況,逐步關小大機循環(huán)水注水閥,將系統(tǒng)閉式?jīng)_洗4 h;c)閉式?jīng)_洗的污水,通過打開沖洗排污管上閥門,排放至機組排水槽內(nèi),排污過程中,開大循環(huán)水進水閥,增壓泵降低轉(zhuǎn)速維持運行狀態(tài),系統(tǒng)換水完成后,關閉排污閥,進行下一輪閉式帶壓沖洗;d)經(jīng)過3~5次閉式?jīng)_洗后,可在沖洗排污管處取水樣化驗,視水質(zhì)情況決定下一步?jīng)_洗力度。

        圖2 系統(tǒng)沖洗示意Fig.2 Schematic diagram of system flushing

        經(jīng)實際應用,上述閉式+外排沖洗方案較常規(guī)利用循環(huán)水附帶沖洗,能夠有效縮短沖洗合格時間,及早實現(xiàn)系統(tǒng)整體投入運行。

        4 結(jié) 語

        近年來,隨著國家對煤電機組的能耗指標要求愈加嚴格[13-15],各種形式的余熱回收利用裝置逐步在火電廠推廣應用開來。相較與單純回收煙氣或單純回收蒸汽余熱的設備,本文提出的煙氣-蒸汽余熱聯(lián)合利用系統(tǒng)能夠?qū)?類余熱協(xié)同回收、統(tǒng)一利用。經(jīng)電廠實際應用測算,引風機小機排汽余熱和煙氣余熱的綜合利用,節(jié)約了脫硫系統(tǒng)耗水量,提高了電除塵效率,機組發(fā)電標煤耗降低3.948 g/(kW·h),脫硫系統(tǒng)減少耗水量20 t/h,單臺機組年收益增加約360萬元。上述系統(tǒng)的相關應用調(diào)試經(jīng)驗,可供后續(xù)同類機組參考。

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