馬娟，崔健，陳應(yīng)虎

（1.銀川能源學(xué)院，銀川 750105；2.國(guó)能寧夏大壩發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 吳忠 751600）

中國(guó)是能源消費(fèi)大國(guó)，其中火電仍占據(jù)半壁江山。研究表明，鍋爐排煙溫度過高會(huì)使大型煤粉鍋爐的熱經(jīng)濟(jì)性嚴(yán)重降低，排煙溫度每升高15 ℃左右，鍋爐效率就下降1%左右[1]。實(shí)際生產(chǎn)中，鍋爐排煙溫度大部分都超標(biāo)，加上煙氣流量大，回收利用鍋爐排煙余熱能顯著提高能源利用率，為火電行業(yè)節(jié)能減排起到重要作用，對(duì)建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)至關(guān)重要。

近幾年，很多現(xiàn)役或新建的大型燃煤機(jī)組開展了煙氣余熱回收項(xiàng)目改造，回收利用電廠余熱資源。但是，煙氣余熱利用系統(tǒng)在回收余熱方面也面臨煙氣余熱密度低、酸露點(diǎn)腐蝕、綜合利用差、系統(tǒng)運(yùn)行控制不夠完善等問題[2]。同時(shí)，若排煙溫度設(shè)置較高，則余熱利用效果不好，而如果排煙溫度設(shè)置過低，則可能導(dǎo)致受熱面壁溫低于酸露點(diǎn)，導(dǎo)致受熱面上金屬發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，影響電廠安全[3]?；诂F(xiàn)存問題，有必要設(shè)計(jì)更高效適用的煙氣余熱利用方案，以回收燃煤電廠余熱資源。

1 鍋爐尾部煙氣余熱利用方案設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)某660 MW 超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組采用一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、帶有8 級(jí)回?zé)岬哪狡啓C(jī)。該機(jī)組燃煤對(duì)應(yīng)的煙氣酸露點(diǎn)高達(dá)123 ℃，而金屬壁溫一般至少比酸露點(diǎn)高10 ℃時(shí)，受熱面才能有效抵抗低溫腐蝕。經(jīng)鍋爐排煙余熱利用系統(tǒng)后，煙氣溫度明顯會(huì)低于123 ℃，恰好低于煙氣酸露點(diǎn)，低溫腐蝕不可避免。為保證設(shè)計(jì)機(jī)組在設(shè)計(jì)年限內(nèi)安全運(yùn)行，選擇具有優(yōu)越耐硫酸露點(diǎn)腐蝕的高性價(jià)比釹鋼作為換熱器材料。

現(xiàn)代大型燃煤機(jī)組設(shè)計(jì)中，空預(yù)器進(jìn)口煙溫達(dá)370 ℃左右，而進(jìn)口送風(fēng)溫度一般才20 ℃左右，換熱溫差非常大。在空預(yù)器內(nèi)，煙氣熱容量比空氣大，所以煙氣溫降較大，空氣溫升較小[4]。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

煙氣余熱利用系統(tǒng)由暖風(fēng)器、省煤器（高壓、低壓兩種）和空預(yù)器耦合而成，低壓省煤器擁有旁路煙道，如圖1 所示。當(dāng)抽取部分煙氣后，剩余煙氣在空預(yù)器內(nèi)的加熱能力下降，即使在空預(yù)器進(jìn)口空氣溫度提高較大時(shí)，空預(yù)器出口煙溫也較低，因此將高、低壓省煤器均設(shè)置在旁路煙道上。在引入暖風(fēng)器的同時(shí)，部分煙氣從空預(yù)器前直接引出，可以減少空預(yù)器內(nèi)不可逆損失，實(shí)現(xiàn)煙氣能量的梯級(jí)利用。回收的煙氣余熱既可加熱凝結(jié)水，還可加熱給水，因此該系統(tǒng)可最大幅度地提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。

圖1 煙氣余熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.2 參數(shù)選擇

因旁路煙道中流過的煙氣溫度從355.8 ℃降至90 ℃，溫度跨度大，鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)熱力參數(shù)選擇應(yīng)遵循溫度對(duì)口、梯級(jí)利用的原則。煙氣旁路中的換熱器分為高、低壓省煤器兩部分，對(duì)應(yīng)的冷凝水是以除氧器為界的高壓給水和低壓給水，冷凝水溫度在高、低壓省煤器間有明顯跳躍，因此應(yīng)注意選擇合適的高壓省煤器出口煙氣溫度，以保證一定的傳熱溫差?？紤]以上原則，鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)的主要初始熱力參數(shù)設(shè)計(jì)如表1 所示。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，高、低壓省煤器設(shè)置在旁路煙道中，均為煙氣-水換熱器，換熱面采用H 形翅片管，管束順列布置。暖風(fēng)器的換熱面選擇螺旋翅片管，管束錯(cuò)列布置。

表1 系統(tǒng)的主要初始熱力參數(shù)設(shè)計(jì)

2 效益分析

2.1 系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性分析

煙氣分流系數(shù)是采用旁路煙道的低壓省煤器的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)投資及節(jié)煤量有重要影響。隨著煙氣分流系數(shù)的增加，空預(yù)器出口煙溫及出口空氣溫度都減小，但旁路煙道內(nèi)的煙氣流量增大，當(dāng)高壓省煤器進(jìn)口給水溫度與流量均保持不變時(shí)，給水出口溫度不斷升高。隨著煙氣分流系數(shù)的增加，汽輪機(jī)側(cè)節(jié)煤量逐漸增加，而鍋爐側(cè)煤耗量的增加值逐漸減小，廠用電折算煤耗量略有增加。此外，隨著高壓省煤器出口煙氣溫度的升高，鍋爐側(cè)煤耗增加量逐漸升高，同時(shí)低壓省煤器吸熱量增加，低壓省煤器出口凝結(jié)水溫度升高，排擠抽汽做功量增大，汽輪機(jī)側(cè)節(jié)煤量升高[5]。最終，系統(tǒng)凈節(jié)煤量隨高壓省煤器出口煙氣溫度的升高而降低。

隨著暖風(fēng)器出口空氣溫度的升高，汽輪機(jī)側(cè)節(jié)能量逐漸降低，凝結(jié)水放熱量增加，相應(yīng)的低加抽汽量增加，汽輪機(jī)發(fā)電功率降低，但廠用電功耗逐漸升高。由于暖風(fēng)器出口空氣溫度升高，進(jìn)入空預(yù)器的氣溫升高，此時(shí)空預(yù)器出口氣溫也會(huì)升高，該部分折算的煤耗率增加。在三者共同作用下，機(jī)組的凈節(jié)煤量隨暖風(fēng)器出口空氣溫度的升高而降低。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

研究發(fā)現(xiàn)，多種因素均對(duì)換熱器的換熱面積有很大影響，而換熱面積直接關(guān)系著系統(tǒng)投資和運(yùn)行功耗，因此煙氣分流系數(shù)、高壓省煤器出口煙氣溫度以及暖風(fēng)器出口空氣溫度對(duì)煙氣余熱利用系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性有很大影響。隨著系統(tǒng)煙氣分流系數(shù)的增加，投資回收期先縮短后增長(zhǎng)。暖風(fēng)器出口溫度越高，投資回收期越長(zhǎng)，但暖風(fēng)器出口空氣溫度直接影響空預(yù)器的運(yùn)行，若暖風(fēng)器出口空氣溫度過低，會(huì)加劇空預(yù)器的低溫腐蝕。高壓省煤器給水流量升高時(shí)，系統(tǒng)的投資回收期會(huì)先縮短后增長(zhǎng)。隨著低壓省煤器凝結(jié)水流量的升高，系統(tǒng)投資回收期先縮短后增長(zhǎng)。

2.3 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)模型[6]，考慮換熱器換熱溫度的約束條件，得到煙氣余熱利用系統(tǒng)優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，如表2 所示。優(yōu)化結(jié)果表明，最優(yōu)設(shè)計(jì)方案中，機(jī)組凈節(jié)煤量為3.44 g/（kW·h），系統(tǒng)換熱面積為49 800 m2，投資回收期為0.89 年。當(dāng)然，由于換熱面積增加較大，該方案適用于新建機(jī)組，但效益好，投資回收期短，值得推廣應(yīng)用。

表2 系統(tǒng)最佳方案的主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

3 結(jié)論

在火電行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，鍋爐排煙溫度大部分都超標(biāo)，由于煙氣流量大，鍋爐排煙溫度過高會(huì)使大型煤粉鍋爐的熱經(jīng)濟(jì)性嚴(yán)重降低，而回收利用鍋爐排煙余熱能顯著提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[7-10]。本文結(jié)合具體案例，設(shè)計(jì)了660 MW 超臨界機(jī)組鍋爐排煙余熱利用系統(tǒng)，分析了其熱經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。研究表明，該方案適用于新建機(jī)組，但效益好，投資回收期短，值得推廣應(yīng)用。