金 軍，關(guān) 鍵，林志明，徐 偉，沈忠明，傅國濤，陳金鴻，吳學(xué)成

(1. 浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司， 浙江嘉興 314201；2. 浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點實驗室， 杭州 310027)

節(jié)能減排一直以來都是燃煤電廠運(yùn)行優(yōu)化及調(diào)控運(yùn)行中一個十分重要的議題。煙氣余熱回收是一種非常直接、有效的提高電廠燃煤利用率的方法。針對我國的化石能源利用方式和能源消耗量，采用高效的煙氣余熱回收技術(shù)對我國燃煤電廠的節(jié)能減排具有非凡的意義[1-6]。對于電站鍋爐，其排煙損失是最主要的熱損失，鍋爐的設(shè)計排煙溫度為120～140 ℃[7]。從熱量品位來看，這部分熱量屬于低溫余熱資源，能量品味較低，但是鍋爐排煙量龐大，其余熱總量非常豐富。若將該部分熱量進(jìn)行回收利用，能夠使鍋爐效率提高3%以上，同時使機(jī)組的供電煤耗率下降1～3 g/(kW·h)。目前，國內(nèi)電廠的機(jī)組大多布置了煙氣余熱回收設(shè)備。在實際運(yùn)行過程中，受限于低溫腐蝕等問題，經(jīng)過煙氣余熱回收后的排煙溫度為100 ℃左右，而該部分煙氣仍然含有大部分熱量。

機(jī)組用水量是與煙氣余熱回收緊密相關(guān)的一個參數(shù)[3,8]。隨著我國燃煤電廠大力開展二氧化硫、氮氧化物和細(xì)顆粒物等煙氣污染物的超低排放改造，絕大多數(shù)電廠布置了脫硫設(shè)備，其中有85%以上采用濕法脫硫技術(shù)，而該過程將消耗大量的水資源。脫硫工藝水將隨著煙氣排入大氣，煙氣溫度越高，煙氣含濕量越高，系統(tǒng)耗水量也越高[9-10]。煙氣含濕量過高將給下游的煙道設(shè)備帶來嚴(yán)重的腐蝕和結(jié)垢問題，煙氣排入大氣后將引發(fā)石膏雨、白煙煙羽等嚴(yán)峻的環(huán)境污染和視覺污染，這是大多數(shù)電廠所面臨的問題。煙氣余熱回收利用能夠降低煙氣溫度，同時降低其含濕量，進(jìn)而在很大程度上降低脫硫系統(tǒng)的用水量。

總體而言，深度的煙氣余熱回收具有節(jié)能，甚至減少有害氣體排放等綜合作用，具有實際的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會效益。煙氣余熱回收系統(tǒng)主要有一級煙氣余熱回收系統(tǒng)、多級煙氣余熱回收系統(tǒng)，以實現(xiàn)煙氣的一次、多次回收?？紤]到設(shè)備成本和系統(tǒng)復(fù)雜度等問題，大多數(shù)燃煤電廠機(jī)組僅布置了一級煙氣余熱回收設(shè)備對煙氣余熱進(jìn)行一次回收。所回收的煙氣余熱主要用于加熱主凝結(jié)水、空氣預(yù)熱器進(jìn)口冷風(fēng)、熱網(wǎng)水和吸收塔后的凈煙氣。對于一級煙氣余熱回收系統(tǒng)而言，由于受到低溫腐蝕、換熱器性能、能量品位等實際因素的限制，往往無法在一個位置對煙氣熱量進(jìn)行充分的回收利用。因此，經(jīng)過一級煙氣余熱回收系統(tǒng)后的煙氣仍然含有一定的低溫余熱。

筆者針對某電廠實際運(yùn)行的燃煤機(jī)組，在原有的一級煙氣余熱回收系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了二級煙氣余熱回收設(shè)備，就煙氣余熱二次回收的可行性、節(jié)能效果、經(jīng)濟(jì)性、收益性和脫硫塔節(jié)水量等方面進(jìn)行了討論分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 換熱器設(shè)計計算

換熱器的設(shè)計計算流程見圖1。首先，根據(jù)已知的流體參數(shù)，由熱平衡公式確定傳熱量和冷熱媒介的溫度。對換熱器進(jìn)行選型，確定換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及管排數(shù)，初步確定傳熱系數(shù)，并且以此計算出對流傳熱量。其次，當(dāng)?shù)嬎憧倐鳠嵯禂?shù)直至相對誤差小于2%時，則視為符合要求，進(jìn)一步進(jìn)行阻力計算；反之，則進(jìn)一步進(jìn)行迭代計算。同時，根據(jù)系統(tǒng)的要求，評估換熱器阻力是否達(dá)標(biāo)，如果阻力過大則需要對換熱器重新進(jìn)行選型。最后，得出符合換熱器要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)、傳熱系數(shù)、傳熱量、阻力等。

圖1 換熱器設(shè)計計算流程

1.2 經(jīng)濟(jì)性評估計算

在經(jīng)濟(jì)性評估計算中，以等效焓降法[11-15]為基礎(chǔ)，綜合考慮系統(tǒng)的能量回收和新增輔機(jī)能耗情況，對機(jī)組的發(fā)電功率增加量、發(fā)電煤耗率降低量、供電煤耗率降低量進(jìn)行計算。圖2為經(jīng)濟(jì)性評估計算流程。

圖2 經(jīng)濟(jì)性評估計算流程

等效焓降法是一種實用的汽輪機(jī)組能損分析方法，其分析過程簡潔，結(jié)果準(zhǔn)確。在等效焓降法中，選定蒸汽初、終參數(shù)和回?zé)岢槠麉?shù)只與機(jī)組的功率變化有關(guān)，并且將機(jī)組的新蒸汽流量和燃料供熱量視為定值，在這樣的條件下，熱力系統(tǒng)任何影響熱經(jīng)濟(jì)性的微小變化不會使各級抽汽流量全部發(fā)生變化。因此，在評估經(jīng)濟(jì)性時，只需要對某幾級的抽汽流量和熱量進(jìn)行定量計算，即可求得整個熱力系統(tǒng)變化時的經(jīng)濟(jì)性，大大簡化了計算過程。同時，結(jié)合熱平衡法[13]對煙氣余熱回收熱量進(jìn)行計算，并且對引入二級煙氣余熱回收系統(tǒng)后的輔機(jī)能耗增加量進(jìn)行計算。

2 機(jī)組概況

以該電廠660 MW機(jī)組為例，機(jī)組配置SG -2136.5/17.55-M型亞臨界中間一次再熱控制循環(huán)汽包鍋爐。設(shè)計煤種的元素分析見表1。在機(jī)組熱耗保證(THA)工況下，鍋爐主要設(shè)計參數(shù)見表2。

表1 設(shè)計煤種的元素分析

表2 THA工況下鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

該機(jī)組配置N660-16.7/538/538型亞臨界中間再熱凝汽式汽輪機(jī)。在THA工況下，機(jī)組的熱耗率為7 808.4 kJ/(kW·h)，發(fā)電功率為660 MW，排汽比焓為2 338.1 kJ/kg。機(jī)組各級回?zé)岢槠麩崃?shù)見表3，其中：1～3級抽汽供給高壓加熱器，4級抽汽供給除氧器，5～8級抽汽供給低壓加熱器。

表3 THA工況下各級回?zé)岢槠麩崃?shù)

3 方案設(shè)計

機(jī)組原有的一級煙氣余熱回收系統(tǒng)布置于空氣預(yù)熱器和電除塵器之間，系統(tǒng)將回收的煙氣余熱傳遞給凝結(jié)水。參考目前主流的煙氣余熱回收設(shè)備布置方式，將二級煙氣余熱回收設(shè)備布置于脫硫塔進(jìn)口處，可以將脫硫塔進(jìn)口煙氣溫度從原先的90 ℃降低至70 ℃。脫硫塔進(jìn)口煙氣溫度比脫硫塔出口高，余熱回收潛力大；而對于脫硫系統(tǒng)，脫硫塔進(jìn)口煙氣溫度下降后，脫硫系統(tǒng)水耗量降低，能夠起到節(jié)水效果。

在實際操作中，需要根據(jù)系統(tǒng)狀況、回收目的等因素來選擇吸熱對象。二級煙氣余熱回收設(shè)備將熱量傳遞給空氣預(yù)熱器進(jìn)口冷風(fēng)，即二次風(fēng)。一般而言，凝結(jié)水比空氣更易吸收熱量，因此將凝結(jié)水作為吸熱對象，熱量回收效率高，所需傳熱面積少，投資少。但是，空氣的溫度低，傳熱溫差大，相比于熱媒水，將空氣作為吸熱對象的傳熱效果更加明顯。

圖3為二級煙氣余熱回收改造示意圖。

圖3 二級煙氣余熱回收改造示意圖

二級煙氣余熱回收改造需要增設(shè)一個煙水換熱器、一個氣水換熱器，用于回收吸收塔進(jìn)口煙道的煙氣熱量以預(yù)熱空氣預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)。利用水媒介加熱空氣預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)，在空氣預(yù)熱器傳熱面積一定時，使排煙溫度升高。當(dāng)前機(jī)組脫硫塔進(jìn)口煙氣溫度仍然保持在80～90 ℃，具有較高的熱量品質(zhì)，利用該部分熱量來加熱空氣預(yù)熱器進(jìn)>風(fēng)，傳熱效果較好，可以明顯提高排煙溫度。

在這樣的情況下，一級煙氣余熱回收設(shè)備處的熱量品質(zhì)將顯著提高，可以用來加熱更高品質(zhì)抽汽的凝結(jié)水，節(jié)約品質(zhì)更高的抽汽。該部分煙氣溫度的提高也能夠緩解電除塵器的防腐壓力。采用這種方法加熱二次風(fēng)，對煙氣熱量品質(zhì)的提升、空氣預(yù)熱器的運(yùn)行都有較好的效果。

空氣預(yù)熱器進(jìn)口風(fēng)溫度上升后，排煙溫度明顯上升，煙氣熱量增加，換熱器吸熱量也將發(fā)生變化。因此，對于現(xiàn)目前已在服役的一級煙氣余熱回收設(shè)備來說，可能需要對其進(jìn)行一定程度的擴(kuò)容改造，來匹配增加的熱量。改造需要額外的設(shè)備成本投入，并且設(shè)備擴(kuò)容改造后的運(yùn)行能耗也將有所增加。

總體而言，采用兩個煙水換熱器，一個加熱鍋爐進(jìn)風(fēng)，另一個則加熱更高品質(zhì)抽汽的凝結(jié)水，余熱得到分級利用，利用效率高，所吸收的余熱品質(zhì)更好，余熱回收效果較好。

4 換熱器參數(shù)計算

4.1 二級煙水換熱器參數(shù)

二級煙水換熱器擬采用氟塑料管來解決低溫腐蝕問題，換熱管采用6 mm小管徑光管結(jié)構(gòu)，因此換熱器管排數(shù)較多，換熱器管內(nèi)熱媒水與管外煙氣呈局部交叉流、整體逆流布置。二級煙水換熱器尺寸(長×寬×高)為11.0 m×0.7 m×4.3 m。根據(jù)電廠機(jī)組的煙氣流量和煙道參數(shù)等計算得出，煙氣最高流速為11.8 m/s，平均流速為10.4 m/s?；跈C(jī)組系統(tǒng)的煙氣參數(shù)，在確定煙氣溫降后，計算得到二級煙水換熱器熱力參數(shù)(見表4)。

表4 二級煙水換熱器熱力參數(shù)

4.2 二級氣水換熱器參數(shù)

二級氣水換熱器擬采用碳鋼高頻焊環(huán)形翅片管，換熱管呈正三角形布置，換熱器管內(nèi)熱媒水與管外空氣呈局部交叉流、整體逆流布置。二級氣水換熱器尺寸(長×寬×高)為13.0 m×3.3 m×5.7 m?？諝鈧?cè)最高流速為6.3 m/s，平均流速為5.4 m/s；翅片管基管的外徑為18 mm、翅高為12 mm、翅厚為1 mm、節(jié)距為5 mm。二級氣水換熱器熱力參數(shù)見表5。

表5 二級氣水換熱器熱力參數(shù)

5 結(jié)果與分析

5.1 一級煙氣余熱回收設(shè)備參數(shù)變化

由于二級煙氣余熱回收設(shè)備的加入，二次風(fēng)溫度升高，排煙溫度升高，需要對原有的一級余熱回收設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)容改造。理想情況下，即熱量完全得到回收利用時，改造前后的一級煙水換熱器、一級水水換熱器參數(shù)的變化見表6。

表6 一級余熱回收設(shè)備參數(shù)的變化

5.2 節(jié)能效果

二級煙氣余熱回收改造所回收的熱量可以減少機(jī)組7號和8號低壓加熱器的回?zé)岢槠?，進(jìn)而排擠部分回?zé)岢槠祷仄啓C(jī)繼續(xù)膨脹做功，結(jié)合等效焓降法的相關(guān)公式，可以計算出機(jī)組的發(fā)電煤耗率降低量。改造后的節(jié)能效果見表7。

表7 改造后的節(jié)能效果

在不考慮增加的系統(tǒng)能耗的理想情況下，采用二級煙氣余熱回收系統(tǒng)回收的熱量可使1 kg蒸汽做功增加2.2 kJ，機(jī)組發(fā)電功率增加1 192 kW，機(jī)組發(fā)電煤耗率降低0.514 g/(kW·h)。考慮機(jī)組增設(shè)二級煙水換熱器和二級氣水換熱器，以及對原有的一級煙水換熱器和一級水水換熱器進(jìn)行擴(kuò)容改造所引起的煙氣阻力和熱媒水阻力的增加，機(jī)組供電煤耗率降低0.206 g/(kW·h)。

5.3 節(jié)水效果

煙氣的含濕量與溫度密切相關(guān)，隨著煙氣溫度的升高，其含濕量將明顯提高。因此，對脫硫塔部分的煙氣進(jìn)行降溫，能夠在很大程度上降低煙氣的含濕量，進(jìn)而起到顯著的節(jié)水效果。采用二級煙氣余熱回收系統(tǒng)后，脫硫塔部分煙氣溫度的變化由所回收的余熱熱量決定。表8為改造后的節(jié)水效果。

表8 改造后的節(jié)水效果

5.4 經(jīng)濟(jì)性評估

二級煙氣余熱回收改造產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益主要來自機(jī)組的節(jié)約煤量和脫硫塔的節(jié)約水量。以機(jī)組實際年利用時間為4 200 h計算，參考目前動力煤價格為560元/t，將其換算成標(biāo)準(zhǔn)煤價格為710元/t，電廠用水價格為3.45元/t，若不考慮投資回收期內(nèi)初投資的增值或貶值，二級煙氣余熱回收改造的經(jīng)濟(jì)性評估見表9。

表9 二級煙氣余熱回收改造的經(jīng)濟(jì)性評估

6 結(jié)語

以某電廠660 MW機(jī)組為研究對象，在其已有的一級煙氣余熱回收系統(tǒng)基礎(chǔ)上，探究了增設(shè)二級煙氣余熱回收設(shè)備的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)性。得到的主要結(jié)論為：

(1) 將二級煙氣余熱回收設(shè)備布置于脫硫塔進(jìn)口處，可將脫硫塔進(jìn)口煙氣溫度從原有的90 ℃降低至70 ℃，并且將回收的煙氣余熱傳遞給空氣預(yù)熱器進(jìn)口冷風(fēng)。

(2) 在原系統(tǒng)中增加了一個煙氣換熱器和一個氣水換熱器。從系統(tǒng)改造來看，增加二級煙氣余熱回收設(shè)備后，一級煙水換熱器進(jìn)出口煙氣溫度均升高，需要對原有的一級煙氣余熱回收設(shè)備進(jìn)行一定程度的擴(kuò)容改造。從節(jié)能效果來看，理想情況下，二級煙氣余熱回收改造能夠使機(jī)組的發(fā)電煤耗率降低0.514 g/(kW·h)；考慮增加的系統(tǒng)能耗后，供電煤耗率降低0.206 g/(kW·h)。同時，脫硫塔出口煙氣攜帶的飽和蒸汽質(zhì)量流量降低33.81 t/h。從經(jīng)濟(jì)效益來看，二級煙氣余熱回改造具有良好的可實施性，但其設(shè)備總投資較高，經(jīng)濟(jì)效益不高，投資回收期約為9 a。