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        淺析大型火電機(jī)組增設(shè)低溫省煤器的經(jīng)濟(jì)性

        2022-01-10 07:21:52郭文軍楊安志
        關(guān)鍵詞:煤耗省煤器抽汽

        郭文軍,胡 瓊,楊安志

        (中國(guó)神華勝利發(fā)電廠,內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

        目前火力發(fā)電機(jī)組鍋爐排煙溫度在正常運(yùn)行中都會(huì)超出設(shè)計(jì)值,大部分的運(yùn)行值比設(shè)計(jì)值高約20℃~25℃左右,且現(xiàn)役大多數(shù)火電機(jī)組存在煙氣尾部煙道空間過(guò)狹窄、防磨、防腐設(shè)備要求質(zhì)量較高,引風(fēng)機(jī)的壓頭裕量不大等實(shí)際情況,如何通過(guò)降低排煙溫度來(lái)控制發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗量并降低發(fā)電成本。勢(shì)必要根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行充分考慮加裝低溫省煤器降低排煙溫度來(lái)提高電廠的經(jīng)濟(jì)性。

        1 低溫省煤器的初步設(shè)計(jì)分析

        某電廠低溫省煤器的具體設(shè)計(jì)方案為:通過(guò)凝結(jié)水與低溫省煤器連接,凝結(jié)水流經(jīng)低溫省煤器就會(huì)吸收部分煙氣余熱,排煙溫度會(huì)降低,同時(shí)凝結(jié)水被加熱,加熱后的凝結(jié)水再返回汽輪機(jī)低壓加熱器回?zé)嵯到y(tǒng),代替部分低壓加熱器的作用將減少汽輪機(jī)的抽汽量。在機(jī)組負(fù)荷基本穩(wěn)定時(shí),對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性會(huì)有很大的提高。同時(shí)進(jìn)入脫硫吸收塔的煙氣溫度隨之下降,這樣煙氣脫硫的工藝用水量會(huì)顯著減少,起到了節(jié)能的效果。

        該廠660MW超超臨界參數(shù)機(jī)組在調(diào)門全開(kāi)工況下發(fā)電功率是719.3MW,加裝低溫省煤器與不加裝低溫省煤器前后各級(jí)低加的運(yùn)行參數(shù)對(duì)比(高壓缸和中壓缸的進(jìn)汽參數(shù)保持不變)見(jiàn)表1。加裝低溫省煤器后機(jī)組在調(diào)門全開(kāi)的工況下,機(jī)組的發(fā)電功率是723.3MW。

        從表1可以看出,加裝低溫省煤器與不加裝低溫省煤器相比較,除7號(hào)低加與8號(hào)低加的抽汽流量分別增加0.39kg/s(1.4t/h)、0.06kg/s(0.2t/h),5號(hào)低加與6號(hào)低加的抽汽量分別減少0.64kg/s(2.3t/h)、8.4kg/s(30.3t/h),通過(guò)比較各低加減少的抽汽量要比增加的抽汽量要多,這樣低加減少的抽汽量會(huì)在汽輪機(jī)繼續(xù)做功,在進(jìn)汽量不變的情況下,可增加發(fā)電量,從而降低發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗,增加的發(fā)電功率大約在5MW~6MW。

        表1 各低加在低溫省煤器加裝前后的運(yùn)行參數(shù)比較

        機(jī)組在調(diào)門全開(kāi)工況運(yùn)行下,低溫省煤器的運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

        表2 低溫省煤器的運(yùn)行參數(shù)

        從表2可以看出低溫省煤器可吸收部分的煙氣熱量,吸收的熱量有表2可知為22 640kJ/s,這樣的熱量充分表現(xiàn)加裝低溫省煤器可降低發(fā)電煤耗,提高經(jīng)濟(jì)效益。

        根據(jù)汽輪機(jī)的熱力平衡圖,可計(jì)算出加裝低溫省煤器后,在保證熱耗工況下汽輪機(jī)的熱耗從7 340kJ/kW·h下降到7 302kJ/kW·h,機(jī)組的絕對(duì)內(nèi)效率提高了0.25%,全廠發(fā)電效率提高了0.23%,發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低了1.23g/kW·h,除去因加裝低溫省煤器引起風(fēng)煙系統(tǒng)沿程阻力的增加,造成引風(fēng)機(jī)電耗增加以及由于低溫省煤器布置位置遠(yuǎn)離凝結(jié)水系統(tǒng)的原因?qū)е履Y(jié)水系統(tǒng)的阻力增加而帶來(lái)的凝結(jié)水泵電耗的提高,機(jī)組的每年燃料成本下降約280萬(wàn)元左右。同時(shí)由于脫硫塔進(jìn)口煙氣溫度的降低,減少了脫硫吸收塔所需工藝減溫水量,每年的用水節(jié)約成本約為55萬(wàn)元。

        2 低溫省煤器節(jié)能計(jì)算

        煙氣余熱被利用后重新輸入回?zé)嵯到y(tǒng)中會(huì)排擠部分抽汽,使部分抽汽返回汽輪機(jī)繼續(xù)做功這樣運(yùn)行方式會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)效率降低,并且這部分抽汽會(huì)增加汽輪機(jī)的排汽量使汽輪機(jī)背壓升高。以上兩點(diǎn)低溫省煤器帶來(lái)的節(jié)能矛盾必須經(jīng)過(guò)計(jì)算才可以明確。在計(jì)算加裝低溫省煤器后的經(jīng)濟(jì)性時(shí),保證鍋爐燃料量不變的前提下,回?zé)嵯到y(tǒng)通過(guò)凝結(jié)水吸收低溫省煤器熱量而獲得的額外熱量,它以一定的效率轉(zhuǎn)換為發(fā)電功率。計(jì)算比較通過(guò)低溫省煤器獲得的功率要遠(yuǎn)大于因抽汽排擠引起的循環(huán)效率和真空降低帶來(lái)的損失,所以增加低溫省煤器對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性是提高的[1]。

        2.1 發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗的節(jié)能計(jì)算

        發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗的計(jì)算一般采取等效焓降法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。把低溫省煤器回收的煙氣余熱當(dāng)作純熱量輸入熱力系統(tǒng),而鍋爐產(chǎn)生1kg新蒸汽所消耗的煤量不發(fā)生變化。此條件下,汽輪機(jī)抽汽系統(tǒng)所減少的抽汽量增發(fā)的發(fā)電量,會(huì)把汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率提高。相應(yīng)1kg汽輪機(jī)進(jìn)汽量,將其全部做功量稱為新蒸汽等效焓降(記為H),全部由低溫省煤器回收的煙氣余熱引起的排擠抽汽量所增發(fā)的做功量(記為ΔH)稱等效焓降增量[2],計(jì)算如下式(1)、式(2):

        (1)

        ΔH=β[(hd2-h4)η5+Σ(τj·ηj)]

        (2)

        式中:d—機(jī)組汽耗率,kJ/kW·h;機(jī)組每產(chǎn)生1kW·h的電量所消耗的蒸汽量稱為機(jī)組汽耗率;

        ηjd—汽輪機(jī)相對(duì)效率;對(duì)于660MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率一般在91%左右;

        β—低溫省煤器流量系數(shù);低溫省煤器的約束條件,低溫省煤器的凝結(jié)水分流量與新蒸汽的流量的比值,一般取β<0.5;

        hd2—低溫省煤器出口凝結(jié)水比焓,kJ/kg;

        h4—除氧器進(jìn)水比焓,kJ/kg;

        τj—所繞過(guò)的各低加工質(zhì)焓升,kJ/kg;

        ηj—所繞過(guò)的各低加抽汽效率。

        熱耗率降低δq按下式(3)計(jì)算:

        (3)

        式中:q—機(jī)組熱耗率,kJ/kW·h; 機(jī)組每產(chǎn)生1kW·h的電量所消耗的熱量稱為機(jī)組熱耗率。

        發(fā)電標(biāo)煤耗節(jié)約量δbs按下式(4)計(jì)算:

        (4)

        式中:ηp、ηb——鍋爐效率、管道效率;管道效率在計(jì)算中一般取99%,但實(shí)際運(yùn)行中由于管道的各項(xiàng)損失管道效率一般在97%~98%;對(duì)于660MW超超臨界機(jī)組鍋爐的效率一般在93%~95%[3]。

        把表1、表2的參數(shù)分別代入式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可計(jì)算得出發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低約1.23g/kW·h,煙氣通過(guò)低溫省煤器后其溫度下降32℃,相對(duì)應(yīng)的鍋爐熱效率提高近1.2%。

        2.2 汽輪機(jī)真空影響計(jì)算

        汽輪機(jī)背壓變化量dpc與循環(huán)水冷凝變化量dDc的關(guān)系可通過(guò)凝汽器的變工況計(jì)算,可按式(5)、式(6)進(jìn)行估算:

        (5)

        dDc=ΣDj-dDc

        (6)

        式中:Dc—凝汽器冷凝量,t/h;

        dDc—由增設(shè)低溫省煤器引起的汽輪機(jī)新汽量減少值,t/h,可由δbs計(jì)算得到;

        ΣDj—低溫省煤器各排擠抽抵達(dá)凝汽器的總量,t/h。

        其中第J級(jí)的排擠量按式(7)計(jì)算:

        (7)

        式中:G——低溫省煤器的過(guò)水流量,kg/s;

        γj——排擠系數(shù),指第J級(jí)排擠抽汽抵凝汽器的份額。

        由表1可知,通過(guò)加裝低溫省煤器所排擠的抽汽量進(jìn)入凝汽器的總量為31t/h,通過(guò)加裝低溫省煤器使汽輪機(jī)新蒸汽進(jìn)汽總量減少約14.5t/h,凝汽器的冷凝量大約在17 t/h左右,汽輪機(jī)排汽壓力升高0.05kPa。此時(shí)汽輪機(jī)排汽比焓升高值為0.387kJ/kg,僅占新汽等效焓降的0.035%。綜合上述計(jì)算分析,凝結(jié)水因吸熱后排擠抽汽對(duì)汽輪機(jī)真空的影響可以完全忽略[4]。

        2.3 增加低溫省煤器造成凝結(jié)水泵的電耗增加

        低溫省煤器布置在脫硫塔的入口勢(shì)必要增加凝結(jié)水系統(tǒng)的管束長(zhǎng)度,從表2可知,增加的管道長(zhǎng)度造成凝結(jié)水系統(tǒng)的阻力增加了0.1MPa;凝結(jié)水泵的有效功率可按式(8)進(jìn)行計(jì)算。

        Pe=ρgQH

        (8)

        式中:ρ——工質(zhì)密度kg/m3;

        g——重力加速度m/s2;

        Q——工質(zhì)質(zhì)量流量t/h;

        H——工質(zhì)的揚(yáng)程m。

        由上式可知,凝結(jié)水系統(tǒng)的阻力增加了0.1MPa,相當(dāng)于增加10m水柱的高度,凝結(jié)水流量在額定工況下大約在1 500t/h,可知,凝結(jié)水泵增加的功率為40.8kW·h,按照機(jī)組的年利用等效小時(shí)數(shù)5 000h計(jì)算,機(jī)組每年凝結(jié)水泵的電量費(fèi)用大約增加4.18萬(wàn)元。

        3 低溫省煤器初投資計(jì)算

        尾部煙道布置低溫省煤器其煙氣與凝結(jié)水之間的溫差較小,尾部煙道的占地空間也小為布置低溫省煤器必須把受熱面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要緊湊,來(lái)減小其體積,并減少低溫省煤器的材料,為增強(qiáng)低溫省煤器的換熱效率,低溫省煤器管束必須采用擴(kuò)展型受熱面來(lái)強(qiáng)化傳熱。該廠采取H型翅片管作為換熱管束,其制造工藝簡(jiǎn)單,屬于肋片傳熱型,管束的換熱面積增加,對(duì)流換熱效率就提高,另外,H型翅片管比光管的外壁面溫度要高,這樣有利于低溫腐蝕的控制。同時(shí)H型翹片管束比螺旋翅片管的其自清灰能力要強(qiáng),因此低溫省煤器管束采用H型翹片管束在現(xiàn)役機(jī)組和新建機(jī)組都得到了廣泛的應(yīng)用。

        低溫省煤器受熱面與尾部煙道組成煙氣通道,煙道外敷設(shè)輕型保溫層。所以在火力發(fā)電機(jī)組選擇低溫省煤器改造的時(shí)候主要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題:①管徑的選擇; ②低溫省煤器管束的縱向節(jié)距與橫向節(jié)距的確定; ③受熱面管組高度的限定,檢修所需的空間限制; ④低溫省煤器管束中的凝結(jié)水流速。

        上述條件的限制,對(duì)該廠風(fēng)煙系統(tǒng)采取的是雙列布置,所以每臺(tái)機(jī)組尾部煙道布置兩臺(tái)低溫省煤器,采用H型翅片管逆流布置,每臺(tái)低溫省煤器分18組換熱面。

        低溫省煤器供水進(jìn)口熱位移 (按DL/T 5366-2006 計(jì)算),換熱器模塊金屬管材質(zhì)為ND 鋼 (線膨脹系數(shù)按20 鋼計(jì)算),換熱管束內(nèi)凝結(jié)水溫度按75℃取值。

        低溫省煤器回水出口熱位移,取換熱管束內(nèi)凝結(jié)水溫度按95℃取值。

        通過(guò)表3、表4、表5、表6可知,低溫省煤器的管束折算長(zhǎng)度大約在19 800m左右,經(jīng)過(guò)廠家提供的價(jià)格管材質(zhì)為ND 鋼的21元/m,這樣低溫省煤器的受熱面初次投資大約在415.8萬(wàn)元[5]。

        表3 低溫省煤器供水進(jìn)口熱位移

        表4 低溫省煤器供水進(jìn)口熱位移

        表5 低溫省煤器回水出口熱位移

        表6 低溫省煤器回水出口熱位移

        4 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)增加低溫省煤器帶來(lái)的收益和初投資比較得出增設(shè)低溫省煤器給發(fā)電機(jī)組帶來(lái)每年約280萬(wàn)元的燃料成本節(jié)約收益和55萬(wàn)元的用水成本節(jié)約收益,煙氣通過(guò)低溫省煤器后其溫度下降32℃,相對(duì)應(yīng)的鍋爐熱效率提高近1.2%,而低溫省煤器的初投資大約在415.8萬(wàn)元,這樣投資回收期近2年左右,而低溫省煤器的可使用壽命為10年,所以在風(fēng)煙尾部煙道增設(shè)低溫省煤器對(duì)經(jīng)濟(jì)性具有非常重要的意義。

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