趙忠霞 張曉楠

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.哈爾濱電氣國(guó)際工程有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

浙江某電廠(chǎng)為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，在原有燃煤鍋爐的基礎(chǔ)上改燒生物質(zhì)，但是運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)改造后的鍋爐排煙溫度比較高。

針對(duì)該鍋爐提出了4種改造方案：

方案1，移除下級(jí)空氣預(yù)熱器，換熱器受熱管束采用錯(cuò)列布置方式。

方案2，移除上級(jí)空氣預(yù)熱器，換熱器受熱管束采用錯(cuò)列布置方式。

方案3，移除下級(jí)空氣預(yù)熱器，換熱器受熱管束采用順列布置方式。

方案4，移除上級(jí)空氣預(yù)熱器，換熱器受熱管束采用順列布置方式。

對(duì)這4種方案分別進(jìn)行熱力計(jì)算，發(fā)現(xiàn)方案2的排煙溫度高達(dá)186.5℃，高于設(shè)計(jì)溫度170℃，浪費(fèi)較大，排煙溫度過(guò)高勢(shì)必會(huì)降低鍋爐熱效率，不符合設(shè)計(jì)要求；而方案4通過(guò)熱力計(jì)算得到的煙氣溫度為90℃，低于100℃，容易造成鍋爐尾部受熱面的低溫腐蝕問(wèn)題，也不符合要求，因此放棄方案2與方案4。

為了提高系統(tǒng)的熱效率以及降低燃料消耗量，對(duì)該鍋爐進(jìn)行技術(shù)改造，通過(guò)在原有的鍋爐系統(tǒng)中拆除空預(yù)器換裝成換熱器從而達(dá)到降低鍋爐排煙溫度的目的，既能節(jié)省燃料開(kāi)支，又能為電廠(chǎng)帶來(lái)新的經(jīng)濟(jì)效益。

本文將從經(jīng)濟(jì)利益的角度去評(píng)判到底是順列布置換熱器還是錯(cuò)列布置換熱器更經(jīng)濟(jì)，合理分析哪種方案更優(yōu)。如果要詳細(xì)且準(zhǔn)確地分析工程技術(shù)方案，需要考慮眾多因素，但本文只對(duì)換熱器改造方案進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，因此，需從固定投資、運(yùn)營(yíng)成本及獲得效益等方面進(jìn)行較簡(jiǎn)單的估算。

1 固定投資計(jì)算

1.1 換熱器主體投資

在本方案中，無(wú)論是錯(cuò)列換熱器還是順列換熱器管束均采用雙排蛇形管布置方式。其中，錯(cuò)列或者順列換熱器橫向（與煙氣流動(dòng)方向相垂直的方向）分別布置18排、24排，縱向（與煙氣流動(dòng)方向相平行的方向）均布置26排，將換熱器底部的兩排管子作為鍋爐給水入口，而頂部的兩排管子作為鍋爐給水出口端。受熱管束均采用外徑d=0.033 m、厚度s=0.002 9 m的鋼管，彎管處采用直徑相同的半圓形管道，直管段長(zhǎng)度為4.674 5 m。為了計(jì)算便利，將受熱面管束分成直管段部分與彎管段部分分別計(jì)算，由式（1）、式（2）[1-2]粗略估計(jì)換熱器使用鋼的體積。

其中：

錯(cuò)列換熱器：

順列換熱器：

式中：Vc、Vs分別為錯(cuò)列、順列換熱器所需鋼的體積（m3）；Zlc、Zls分別為錯(cuò)列、順列管束的橫向節(jié)距距離（m）；Z2c、Z2s分別為錯(cuò)列、順列管束的縱向節(jié)距距離（m）；d為鋼管外徑（m）；l1c、l1s分別為錯(cuò)列、順列鋼管直管段的長(zhǎng)度（m）；l2c為錯(cuò)列換熱器中鋼管彎管段的長(zhǎng)度（m）；l2sd和l2sx分別為順列換熱器中鋼管大、小彎管段的長(zhǎng)度（m）；l3c和l3s分別為錯(cuò)列、順列換熱器中鋼管進(jìn)出水段的長(zhǎng)度（m）；s為鋼管厚度（m）。

根據(jù)工程實(shí)際需求，更換換熱器時(shí)材料耗費(fèi)需根據(jù)式（3）[3]進(jìn)行計(jì)算：

式中：C為更換的整體換熱器造價(jià)（元）；V為制作換熱器所消耗鋼材的體積（m3）；ρ為鋼材的平均密度（t/m3）；Cf為鋼的單價(jià)（元/t），鋼按照市場(chǎng)價(jià)格，取9 000元/t。

按照公式（3）計(jì)算得到錯(cuò)列換熱器材料造價(jià)為4.72萬(wàn)元，而順列換熱器材料造價(jià)高達(dá)6.62萬(wàn)元。

1.2 其他投資

其他投資部分主要包含對(duì)原材料進(jìn)行加工所需的費(fèi)用以及將其做好后安裝在鍋爐尾部煙道上的安裝費(fèi)用等。借鑒其他工程方案的經(jīng)驗(yàn)：加工費(fèi)用需按材料總投資的1/3進(jìn)行取值，安裝費(fèi)用則需按材料總投資的1/2取值。

2 運(yùn)營(yíng)成本

根據(jù)方案1、3可知，如果將一級(jí)空氣預(yù)熱器移除后改加裝煙氣換熱器，勢(shì)必會(huì)造成煙風(fēng)系統(tǒng)中的阻力增加。原先的燃煤鍋爐系統(tǒng)配備有用于排煙的引風(fēng)機(jī)，增大的阻力必然會(huì)導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)電功率增大，從而提高鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本。

因此，若要考慮運(yùn)營(yíng)成本的問(wèn)題，首先就要計(jì)算出改造之前的空氣預(yù)熱器處的阻力大小，然后再計(jì)算改造以后（也就是安裝新的煙氣換熱器處）的阻力，兩者之間的差值就是阻力的增加量。現(xiàn)需要比對(duì)方案1與方案3的阻力部分，由結(jié)構(gòu)改造可知，兩個(gè)方案均是移除下級(jí)空氣預(yù)熱器，因此只需要計(jì)算下級(jí)空氣預(yù)熱器處的阻力即可。

煙氣是實(shí)際流體，在其流經(jīng)空預(yù)器的過(guò)程中，必須考慮由于自身黏性存在所涉及的阻力，包括沿程摩擦阻力、入口局部阻力以及出口局部阻力，由式（4）[4]計(jì)算得到：

式中：Δhc為總阻力（Pa）；K為考慮積灰時(shí)的修正系數(shù)；Δhyc為沿程摩擦阻力（Pa）；ξrk為入口阻力系數(shù)；ξck為出口阻力系數(shù)；（ω2/2）ρ為動(dòng)壓頭，其中ω為煙速（m/s），根據(jù)進(jìn)出口煙氣平均溫度計(jì)算，ρ為氣體的平均密度（kg/m3），可根據(jù)進(jìn)出口煙氣平均溫度計(jì)算獲得。

其中，沿程摩擦阻力可按式（5）[5]計(jì)算得到：

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；l為受熱管束長(zhǎng)度（m）；dn為當(dāng)量直徑（m）；Tb為受熱面管壁的平均絕對(duì)溫度（K）；T為氣流的平均絕對(duì)溫度（K）。

ξrk與ξck是因?yàn)闊煔饬鹘?jīng)截面不斷改變過(guò)流斷面而引起的，其數(shù)值可由小截面與大截面的面積比值經(jīng)查表獲得。

對(duì)空氣預(yù)熱器來(lái)說(shuō)，大截面面積為空氣預(yù)熱器煙道有效截面面積，小截面面積為空氣預(yù)熱器管束的總截面面積，分別可由公式（6）[6]獲得：

式中：Fd為大截面面積（m2）；Fx為小截面面積（m2）；S1為管間橫向節(jié)距（m）；S2為管間縱向節(jié)距（m）。

社會(huì)工作者沒(méi)有意識(shí)到參與社區(qū)志愿服務(wù)聯(lián)動(dòng)的重要性。所以在服務(wù)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生社會(huì)工作者與志愿者服務(wù)對(duì)象和服務(wù)內(nèi)容重合的問(wèn)題，導(dǎo)致資源分配和利用不合理，社會(huì)工作需要志愿者的配合，而志愿者又去尋找志愿服務(wù)的組織，兩者并沒(méi)有合作聯(lián)動(dòng)的意識(shí)，導(dǎo)致了服務(wù)對(duì)象所需過(guò)剩的問(wèn)題，產(chǎn)生了社會(huì)工作和志愿服務(wù)的兩者分裂。

根據(jù)熱力計(jì)算可獲得：下級(jí)空氣預(yù)熱器處的平均煙溫是221.23℃，即494.38 K；管壁的平均絕對(duì)溫度為431.80 K；測(cè)得平均煙氣流速為21.06 m/s，查表可得到動(dòng)壓頭為286.48 Pa；查表可獲得沿程摩擦阻力系數(shù)是0.03；空氣預(yù)熱器管束長(zhǎng)度是1.70 m；管束當(dāng)量直徑dn=0.047 mm；由此可得到沿程摩擦阻力為186.45 Pa。

根據(jù)空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)，可知S1=0.088 m，S2=0.063 m；由于小截面面積及大截面面積比值是0.311，因此通過(guò)查表可得ξrk與ξck分別是0.349、0.545；K經(jīng)查表后取值為1.1，計(jì)算得到空氣預(yù)熱器總阻力為321.68 Pa。

煙氣流經(jīng)煙氣換熱器的阻力主要來(lái)自于煙氣橫向沖刷受熱面管束的阻力。其中，錯(cuò)列布置的換熱器的阻力計(jì)算公式如式（7）[7]所示：

式中：Δhh為煙氣流經(jīng)煙氣換熱器的阻力（Pa）；K為考慮積灰時(shí)的修正系數(shù)；Cs、Cd為阻力系數(shù)，其與管束的空間布置相關(guān)；Δho為煙氣沖刷單排管束的阻力；Z2為沿氣流方向的管排數(shù)。

根據(jù)煙速7.90 m/s及煙氣的平均溫度194.43℃，查表可得Δho=7 Pa；根據(jù)錯(cuò)列管束結(jié)構(gòu)布置，可得Cs、Cd分別為1.22、1；K查表取值是1.2；Z2=26。

根據(jù)式（7）計(jì)算得到的錯(cuò)列換熱器的煙氣阻力為276.7 Pa。

順列換熱器的煙氣阻力計(jì)算公式如式（8）[8]所示：

式中：d為管束外徑；Re為無(wú)量綱量——雷諾數(shù)。

根據(jù)順列換熱器的結(jié)構(gòu)布置形式，測(cè)得橫向節(jié)距S1為0.06 m，管束外徑d為0.032 m，Z2為26；由熱力計(jì)算可得，煙速ω為9.73 m/s，平均煙溫為187.42℃，由此可得動(dòng)壓頭（ω2/2）ρ為36.29 Pa；雷諾數(shù)Re根據(jù)平均煙溫及管束外徑經(jīng)查表可獲取，雷諾數(shù)Re=9 243.5。

綜上所述，可通過(guò)計(jì)算得到順列換熱器的煙氣阻力為324.8 Pa。

通過(guò)上述計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，加裝了煙氣換熱器后，煙風(fēng)系統(tǒng)的阻力不但沒(méi)有增加，反而降低了。因此，不用考慮這部分的成本，反而可以將此部分作為收益。

引風(fēng)機(jī)的功率可按照公式（9）計(jì)算獲得：

式中：N為電動(dòng)機(jī)的功率（kW）；β3為電動(dòng)機(jī)功率的安全系數(shù)；Q為引風(fēng)機(jī)容量（m3/s）；ΔH為引風(fēng)機(jī)動(dòng)壓頭（Pa）；η為引風(fēng)機(jī)效率（%）[9]。

引風(fēng)機(jī)動(dòng)壓頭可按照式（10）計(jì)算獲得：

式中：β1為風(fēng)機(jī)壓頭儲(chǔ)備系數(shù)；Δh為煙氣側(cè)壓降，即煙氣阻力（Pa）。

風(fēng)機(jī)的流量按照式（11）計(jì)算獲得：

式中：β2為風(fēng)機(jī)容量?jī)?chǔ)備系數(shù)；Bj為燃料耗量（kg/s）；Vpy為煙氣比體積（m3/kg）；?為風(fēng)機(jī)入口處煙溫（℃或K）[10]。

β1取值為1.2，錯(cuò)列布置的換熱器減少的引風(fēng)機(jī)動(dòng)壓頭Δh=167.23 Pa，由此計(jì)算可得ΔH=200.68 Pa。由順列換熱器減少的引風(fēng)機(jī)動(dòng)壓頭Δh=197.31 Pa，計(jì)算得到ΔH=236.77 Pa。

當(dāng)換熱器布置方式為錯(cuò)列布置時(shí)，β2取值為1.1，計(jì)算燃料耗量Bj=3.29 kg/s，?=194.42℃，Vpy=5.92 m3/kg，由此可計(jì)算得Q=36.68 m3/s；對(duì)于順列換熱器，β2取值為1.1，計(jì)算燃料耗量Bj=4.29 kg/s，?=187.42℃，Vpy=5.91m3/kg，由此可計(jì)算得到Q=47.03 m3/s。β3選取1.05，η取90%，由此可計(jì)算得出，對(duì)于錯(cuò)列換熱器，N=8.59 kW；而對(duì)于順列換熱器，N=12.99 kW。

3 投資回收期計(jì)算

投資回收期定義：利用項(xiàng)目所獲得的凈收益去補(bǔ)償初始投入成本所需的時(shí)間，也就是利用投資方案獲取的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)收回初始投入成本的年限，分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩種。

靜態(tài)投資回收期則不需要考慮時(shí)間對(duì)資金的影響因素，動(dòng)態(tài)投資回收期則必須考慮時(shí)間對(duì)資金的影響，通常用折現(xiàn)率來(lái)表示，計(jì)算最常用的方法為凈現(xiàn)值法。

凈現(xiàn)值定義：每年從方案中獲取的收益、建設(shè)以及用來(lái)維持方案所需投資的差值，也就是每年凈?，F(xiàn)金流量。通過(guò)凈現(xiàn)值可以判斷方案是否可行，當(dāng)凈現(xiàn)值大于0時(shí)即可認(rèn)為此方案可以實(shí)施。凈現(xiàn)值越大，表明方案越好，從方案中得到的經(jīng)濟(jì)效益也就越多。若計(jì)算動(dòng)態(tài)投資回收期，則需要考慮折現(xiàn)率，公式如式（12）所示：

式中：NPV為凈現(xiàn)值；IC為現(xiàn)金流入量；（IC-CO）t為第t年的現(xiàn)金流量；ic為折現(xiàn)率；n為計(jì)算凈現(xiàn)值的年份。

而本文要計(jì)算改造方案的靜態(tài)投資回收期，不需要考慮時(shí)間對(duì)資金的影響，因此可將式（12）簡(jiǎn)化為式（13）：

再根據(jù)電廠(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行分析，可以認(rèn)為每年的收益基本都是相等的，因此投資回收期可以按照式（14）進(jìn)行計(jì)算：

式中：P為投資回收期（h）；S為初始投入成本（元）；ANCF為單位時(shí)間凈現(xiàn)值流量（元/h）。

ANCF可按式（15）進(jìn)行計(jì)算：

式中：RFC為回收煙氣熱量換算后的效益值（元/h）；PC為運(yùn)營(yíng)費(fèi)用（元/h）。

錯(cuò)列、順列換熱器減少的引風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用分別是7元/h、8.14元/h。

從換熱器處回收得到的煙氣熱量主要用于加熱位于除氧器前的鍋爐給水，也就是說(shuō)這部分熱量實(shí)際是用于鍋爐系統(tǒng)之外的，所以排煙溫度的降低無(wú)法體現(xiàn)到鍋爐效率上面來(lái)。

因此，為了計(jì)算的便利，將這部分已經(jīng)回收的煙氣熱量折算成為鍋爐熱效率的提高。通過(guò)計(jì)算可以得出，如果換熱器采用錯(cuò)列布置方式，鍋爐熱效率會(huì)提高2.49%左右，相比改造以前，單位小時(shí)內(nèi)可節(jié)省燃料379.84 kg，若按照燃料價(jià)格為800元/t來(lái)計(jì)算，則回收熱量值RFC=303.87元/h，小時(shí)凈現(xiàn)值A(chǔ)NCF=310.87元/h。由公式（14）則可計(jì)算出回收期P=277 h；但是對(duì)于順列布置的換熱器，鍋爐效率提高得更多，達(dá)到3.62%以上，也就是相比改造以前，每單位小時(shí)內(nèi)可節(jié)省燃料542.69 kg，回收熱量值RFC=434.15元/h，小時(shí)凈現(xiàn)值A(chǔ)NCF=442.29元/h，回收期P=274 h。

通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果可知，從經(jīng)濟(jì)效益的角度分析：方案3優(yōu)于方案1。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用經(jīng)濟(jì)學(xué)計(jì)算方法，對(duì)改造后的方案1和方案3進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，分別計(jì)算錯(cuò)列、順列兩種型式換熱器的改造投資，并對(duì)比原有的空氣預(yù)熱器煙阻以及錯(cuò)列、順列換熱器引入系統(tǒng)的新煙阻，得出兩種改造方案均可以減少運(yùn)營(yíng)成本。

再根據(jù)節(jié)省的燃料開(kāi)支，進(jìn)一步計(jì)算得出錯(cuò)列、順列換熱器的投資回收期分別為277 h、274 h?；诖耍瑥慕?jīng)濟(jì)效益角度分析，認(rèn)為順列換熱器的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)于錯(cuò)列換熱器。