張 健，甄 輝，向柏祥，李 燕，黃 軍，王 鵬，王大鵬

(1.神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025；2.國(guó)華定州電廠，河北保定 071003)

低溫省煤器在電力系統(tǒng)的大規(guī)模加裝和應(yīng)用開(kāi)始于2013年，初始目的是為了采用低低溫電除塵的理念，在降低排煙溫度后使飛灰比電阻降低，更有利于電除塵器的收塵[1-4]。另外，煙溫低于酸露點(diǎn)后，SO3氣體會(huì)吸附極細(xì)微的高比電阻飛灰，從而降低電除塵器出口的煙塵含量。但低低溫電除塵器改造后，受限于低溫省煤器出口混合距離不足和煤種多變等因素，電除塵器出現(xiàn)了眾多潛在隱患。

傳統(tǒng)低溫省煤器的設(shè)計(jì)和改造建立在對(duì)鍋爐排煙的直接利用上。第一代低溫省煤器直接布置在空氣預(yù)熱器(簡(jiǎn)稱空預(yù)器)后部，吸收排煙余熱，加熱凝結(jié)水、供熱循環(huán)水或水媒式煙氣-煙氣再熱器(MGGH)熱媒水，節(jié)能效率較低。第二代低溫省煤器在第一代的基礎(chǔ)上，增加了分級(jí)空預(yù)器的功能，節(jié)能效果大大增強(qiáng)。第三代低溫省煤器在第二代的基礎(chǔ)上，將部分空預(yù)器的煙氣引至旁路后，用來(lái)加熱給水和凝結(jié)水?？偟膩?lái)說(shuō)，低溫省煤器變相地增加了空預(yù)器面積，提高了排煙余熱的回收量[5-10]。三代低溫省煤器技術(shù)的采用均未考慮增強(qiáng)空預(yù)器換熱效率，直接采用鋼鐵換熱的方式，不能稱之為最優(yōu)。

筆者比較了采用0號(hào)高壓加熱器(簡(jiǎn)稱高加)入口給水、0號(hào)高加疏水、凝結(jié)水和原系統(tǒng)冷媒水作為冷卻介質(zhì)，以降低熱一次風(fēng)溫度，間接降低空預(yù)器出口排煙溫度的性價(jià)比。在降低一次風(fēng)溫度的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備空間，分析增加一次風(fēng)暖風(fēng)器，且改變?cè)患?jí)低溫省煤器用途等4種煙氣余熱利用方案的性價(jià)比。

1 機(jī)組概況

某電廠一期工程建設(shè)2臺(tái)1 000 MW燃煤發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)鍋爐空預(yù)器出口配置2級(jí)低溫省煤器。一級(jí)低溫省煤器在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下煙氣溫度由155.8 ℃降至 143.9 ℃，二級(jí)低溫省煤器由 143.9 ℃降至90 ℃。二次風(fēng)暖風(fēng)器在BMCR工況下將二次風(fēng)溫度由 25 ℃升至100 ℃。一級(jí)低溫省煤器煙溫降設(shè)計(jì)值為11.9 K，熱量利用至凝結(jié)水系統(tǒng)，循環(huán)熱效率較低。二級(jí)低溫省煤器煙溫降設(shè)計(jì)值為53.9 K，熱量交換給二次風(fēng)暖風(fēng)器，用來(lái)加熱二次風(fēng)，相當(dāng)于二級(jí)空預(yù)器(見(jiàn)圖1)，該系統(tǒng)循環(huán)熱效率較高。

圖1 低溫省煤器原始設(shè)計(jì)圖

2 低溫省煤器存在的問(wèn)題

夏季工況下，機(jī)組的排煙溫度最高超過(guò)110 ℃(設(shè)計(jì)值為90 ℃)，年平均溫度為103 ℃；冬季工況下，機(jī)組的排煙溫度約97 ℃，二次風(fēng)暖風(fēng)器出口溫度為85 ℃；二次風(fēng)暖風(fēng)器出口年平均溫度為91 ℃(設(shè)計(jì)值為100 ℃)，不能達(dá)到深度節(jié)能運(yùn)行的目標(biāo)，見(jiàn)圖2和圖3。另外，由于采用了暖風(fēng)器和空預(yù)器結(jié)合的煙氣利用系統(tǒng)，造成一次風(fēng)溫度高，磨煤機(jī)的冷風(fēng)摻入量大，年均摻入質(zhì)量流量達(dá)到了171 t/h，這些均會(huì)造成排煙溫度升高。低溫省煤器后煙氣溫度和暖風(fēng)器后空氣溫度不能達(dá)到設(shè)計(jì)值，說(shuō)明低溫省煤器系統(tǒng)換熱不足，存在能源浪費(fèi)，與節(jié)能降耗行動(dòng)不符。

圖2 低溫省煤器系統(tǒng)運(yùn)行溫度隨負(fù)荷變化趨勢(shì)

圖3 低溫省煤器系統(tǒng)運(yùn)行溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

排煙溫度高與低溫省煤器換熱能力有關(guān)，也與冷一次風(fēng)量大有關(guān)。冷一次風(fēng)量大，經(jīng)過(guò)空預(yù)器換熱的總風(fēng)量下降，煙氣放熱量下降，排煙溫度升高。冷一次風(fēng)主要包括進(jìn)入磨煤機(jī)的冷風(fēng)、制粉系統(tǒng)的密封風(fēng)、火檢風(fēng)和脫硝稀釋風(fēng)。其中，部分排煙余熱可以通過(guò)一次風(fēng)回收。

暖風(fēng)器出口溫度低，可以通過(guò)提高暖風(fēng)器入口的熱媒水溫度，增加暖風(fēng)器面積或配合增加熱媒水流量改善。但受限于空間不足，暖風(fēng)器面積不能增加；試驗(yàn)結(jié)果顯示，熱媒水流量也較充足，所以提高暖風(fēng)器入口的熱媒水溫度是提高暖風(fēng)器出口溫度的唯一途徑。

3 熱一次風(fēng)冷卻器改造方案比較

磨煤機(jī)密封風(fēng)體積流量設(shè)計(jì)值為81.91 m3/min，給煤機(jī)密封風(fēng)體積流量設(shè)計(jì)值為7～9 m3/min，兩者合計(jì)約90 m3/min?？紤]到密封風(fēng)與一次風(fēng)的壓差較設(shè)計(jì)值高2倍左右，所以密封風(fēng)體積流量約為150 m3/min，6臺(tái)磨煤機(jī)合計(jì)質(zhì)量流量約70 t/h。年均冷一次風(fēng)質(zhì)量流量為171 t/h，從磨煤機(jī)入口摻入的質(zhì)量流量約為100 t/h。約100 t/h的風(fēng)量將通過(guò)空預(yù)器換熱，可降低排煙溫度約7.9 K。

需要說(shuō)明的是，若采用高加出口的給水冷卻熱一次風(fēng)(見(jiàn)圖4)，相當(dāng)于熱一次風(fēng)冷卻器替代了一部分省煤器的功能，雖然制粉系統(tǒng)出口的溫度會(huì)降低，但剔除對(duì)燃燒的影響外，鍋爐效率會(huì)得到較大提高。因?yàn)橐欢物L(fēng)已全部通過(guò)空預(yù)器換熱，對(duì)空預(yù)器的冷卻能力已經(jīng)達(dá)到極限，再采用提高制粉系統(tǒng)出口溫度的方法來(lái)降低冷一次風(fēng)量，也不會(huì)降低排煙溫度。

圖4 一次風(fēng)改造圖

冷卻水取自給水，循環(huán)熱效率高，但投資成本上升。若冷卻水取自除氧器入口凝結(jié)水，并返回至除氧器，循環(huán)熱效率降低，但可利用現(xiàn)有管道，投資下降。直接使用原有管道，并使用原有系統(tǒng)，投資更低，但循環(huán)熱效率最低。從0號(hào)高加疏水取水并升壓，然后經(jīng)過(guò)相變換熱器換熱[11]，變成蒸汽后，進(jìn)入0號(hào)高加，循環(huán)熱效率較高，投資較少。

在線學(xué)習(xí)資源并不能滿足所有學(xué)生的需求，課程體系不夠完善，對(duì)于課程開(kāi)發(fā)不足，有很多環(huán)節(jié)還不能用多媒體直觀的展示給學(xué)生，學(xué)生對(duì)于知識(shí)的理解還是有一定難度。

磨煤機(jī)入口摻入的冷一次風(fēng)，經(jīng)空預(yù)器換熱后，再摻入磨煤機(jī)，提高了鍋爐效率，且回收的熱量用來(lái)加熱更高參數(shù)的循環(huán)水或給水，循環(huán)熱效率提高。由于熱一次風(fēng)冷卻器投入使用后，空預(yù)器入口煙氣溫度下降約8 K，原一級(jí)低溫省煤器的節(jié)煤量下降，所以剔除原有設(shè)備的回收效果，節(jié)煤量見(jiàn)表1。

表1 熱一次風(fēng)冷卻方式的比較

4 煙氣余熱利用方案的比較

4.1 方案一

因一次風(fēng)機(jī)出口至空預(yù)器的入口有一定的空間，建議加裝一次風(fēng)暖風(fēng)器(見(jiàn)圖5)。

圖5 煙氣余熱回收方案一

改造后一級(jí)低溫省煤器轉(zhuǎn)化為二級(jí)低溫省煤器的一部分，該方案相當(dāng)于增加了21%的二級(jí)低溫省煤器面積和25%的暖風(fēng)器面積。因冷一次風(fēng)量減小，一級(jí)低溫省煤器入口的煙氣溫度與原一級(jí)低溫省煤器出口溫度的設(shè)計(jì)值相差約2 K，串聯(lián)低溫省煤器相當(dāng)于增加了二級(jí)低溫省煤器的面積。一次風(fēng)暖風(fēng)器的投入，增加了暖風(fēng)器的面積，夏季工況下，可以使排煙溫度降低至92 ℃。雖然空預(yù)器入口二次風(fēng)溫度并沒(méi)有升高，但總的空預(yù)器入口冷風(fēng)溫度提高，鍋爐效率提高最大，可在目前階段下節(jié)煤1.5 g/(kW·h)。若耦合一次風(fēng)加熱給水的方式，節(jié)煤量增加至2.2 g/(kW·h)，且設(shè)備均布置在0 m層，人工成本低，投資較少。

熱一次風(fēng)冷卻器可以自由調(diào)節(jié)進(jìn)入磨煤機(jī)的熱一次風(fēng)溫度，保證磨煤機(jī)出口溫度在70～80 ℃，且將從冷風(fēng)調(diào)門摻入的冷一次風(fēng)量降低至最小，不影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 方案二

方案二同樣加裝一次風(fēng)暖風(fēng)器，但熱一次風(fēng)的熱量回收至二次風(fēng)(見(jiàn)圖6)。該方案能將空預(yù)器入口的二次風(fēng)溫提高到100 ℃以上。熱一次風(fēng)溫度的升高會(huì)使空預(yù)器出口的煙氣溫度升高約10 K，而冷一次風(fēng)的加入會(huì)使得空預(yù)器出口的排煙溫度降低約8 K，綜合計(jì)算空預(yù)器出口的煙氣溫度小幅升高約2 K。由于一級(jí)低溫省煤器可以將溫度降低至設(shè)計(jì)值，所以二級(jí)低溫省煤器入口的煙氣溫度不變，入口的熱媒水溫度降低，使出口煙氣溫度降低，可節(jié)煤約1.8 g/(kW·h)，但在夏季高負(fù)荷時(shí)二級(jí)低溫省煤器出口煙氣溫度不能降低至95 ℃以下。

圖6 煙氣余熱利用方案二

4.3 方案三

方案三在一次風(fēng)機(jī)出口不加裝暖風(fēng)器(見(jiàn)圖7)。

圖7 煙氣余熱利用方案三

4.4 方案四

方案四(見(jiàn)圖8)充分利用了原系統(tǒng)的設(shè)備，在一次風(fēng)機(jī)出口不加裝暖風(fēng)器，可以將排煙溫度降低至90 ℃，也可以將二次風(fēng)溫度加熱至100 ℃。但該方案中凝結(jié)水壓力高于二級(jí)低溫省煤器和二次風(fēng)暖風(fēng)器的設(shè)計(jì)壓力，需要通過(guò)節(jié)流降壓，增加了廠用電率。該方案配合凝結(jié)水變頻并降低凝結(jié)水泵出口壓力的方案時(shí)，低負(fù)荷循環(huán)熱效率較好。

圖8 煙氣余熱利用方案四

4.5 方案比較

采用加熱給水方案，省煤器出口給水溫差ΔT(T1-T2，T1為給水壓力下的飽和溫度，T2為給水溫度)見(jiàn)表2。增加冷卻器并加熱給水后，熱耗率驗(yàn)收(THA)工況下給水溫度上升約3 K；50%THA工況下，給水溫度上升約5 K，省煤器不會(huì)出現(xiàn)汽化的風(fēng)險(xiǎn)。從節(jié)約投資，降低風(fēng)險(xiǎn)考慮，采用加熱0號(hào)高加疏水方案的效果最優(yōu)。

表2 方案一給水溫差的校核計(jì)算

設(shè)置一級(jí)低溫省煤器的初衷是回收二級(jí)低溫省煤器多余的熱量。設(shè)置一次風(fēng)加熱器后，經(jīng)過(guò)空預(yù)器的風(fēng)量增加，對(duì)排煙起到了冷卻作用，空預(yù)器后排煙溫度下降約7.9 K。一級(jí)低溫省煤器大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，所以將其利舊，用來(lái)補(bǔ)充二級(jí)低溫省煤器的不足，性價(jià)比最高。

暖風(fēng)器面積不足造成二級(jí)低溫省煤器后煙溫升高，增加一次風(fēng)暖風(fēng)器可以彌補(bǔ)暖風(fēng)器面積不足導(dǎo)致的低溫省煤器熱一次風(fēng)冷卻器入口水溫過(guò)高，并且可以提高熱一次風(fēng)溫度，從而使給水吸熱量增加，提高了熱力系統(tǒng)的循環(huán)熱效率。

綜上所述，采用熱一次風(fēng)加熱0號(hào)高加疏水，并加裝一次風(fēng)暖風(fēng)器方案，性價(jià)比高，循環(huán)熱效率高，節(jié)煤效益顯著(見(jiàn)表3)。

表3 整體改造方案的比較

5 結(jié)語(yǔ)

2臺(tái)1 000 MW機(jī)組采用排煙熱量加熱暖風(fēng)器方式對(duì)煙氣余熱進(jìn)行回收改造后，一次風(fēng)溫度明顯升高；因計(jì)算誤差，有些項(xiàng)目的換熱設(shè)備不能很好地兼顧冬夏兩個(gè)季節(jié)，影響節(jié)能。采用加熱給水、降低一次風(fēng)溫度，從而減小冷風(fēng)摻入的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高效率的能量回收。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)在0 m層增加暖風(fēng)器可彌補(bǔ)基建階段換熱面積的不足。

此外，熱一次風(fēng)冷卻器和暖風(fēng)器均設(shè)置在鍋爐0 m層，不需要額外增加過(guò)多的地基投資，建設(shè)費(fèi)用省，檢修方便，是設(shè)備改造的首選方案。