降低鍋爐排煙溫度利用煙氣余熱的實(shí)踐與理論研究

胡廣濤，岳益鋒

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200093)

0 引言

近年來(lái)節(jié)能減排已作為我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策?；痣姀S作為消耗一次能源的幾大行業(yè)之一，火電廠的節(jié)能潛力更是巨大，故對(duì)于火電廠的節(jié)能技術(shù)方法是亟待解決的問(wèn)題。當(dāng)前國(guó)內(nèi)火電廠的余熱利用空間更是巨大，如鍋爐排煙余熱、排污余熱、除氧器乏汽余熱及相關(guān)冷卻器余熱等都是可以利用的余能。然而理論和實(shí)踐證明降低鍋爐排煙溫度利用煙氣余熱是有可觀的經(jīng)濟(jì)效益的做法［1］。

1 利用煙氣余熱的理論基礎(chǔ)

1.1 煙氣余熱利用的方法

排煙熱損失是鍋爐運(yùn)行中最大的一項(xiàng)熱損失，提高能源利用率，提高電廠經(jīng)濟(jì)性，降低排煙溫度利用煙氣余熱是一項(xiàng)重要的措施。目前降低排煙溫度的方法主要分為兩種，一是改造鍋爐的省煤器，另一種是增設(shè)尾部熱回收裝置，可稱(chēng)為低壓省煤器。

相對(duì)來(lái)說(shuō)改造原省煤器的余熱利用能級(jí)較高，在對(duì)排煙溫降要求不高，且對(duì)鍋爐的燃燒穩(wěn)定性要求不嚴(yán)格時(shí)，可利用改造原省煤器來(lái)達(dá)到降低排煙溫度的目的。但大多數(shù)的實(shí)際情況下并非如此，往往改造原省煤器不合理也不被接受，它會(huì)影響到整個(gè)鍋爐的運(yùn)行安全。理論和實(shí)踐證明在鍋爐的尾部加裝低壓省煤器是一種行之有效的途徑。

山東大學(xué)黃新元［2－3］教授對(duì)低壓省煤器做了較深入的分析，提出了相關(guān)的數(shù)學(xué)理論模型。西安交通大學(xué)的林萬(wàn)超［4］教授對(duì)低壓省煤器系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性利用等效焓降理論進(jìn)行了深入的研究，提出了余熱梯級(jí)利用的概念。近年來(lái)國(guó)內(nèi)很多電廠陸續(xù)成功加裝了低壓省煤器，如開(kāi)封電廠、長(zhǎng)春第二熱電廠、大唐淮北電廠等，且運(yùn)行狀況良好，如大唐淮北電廠［5］將8號(hào)210 MW機(jī)組加裝低壓省煤器后煙溫降低了23℃，年節(jié)省標(biāo)煤2 633 t，節(jié)能效益顯著。

1.2 低壓省煤器的原理

低壓省煤器與傳統(tǒng)省煤器相仿，安裝在鍋爐的尾部煙道，一般在空氣預(yù)熱器之后。其水側(cè)一般是低壓給水或汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的低壓水。水在低壓省煤器中吸收煙氣被加熱后，一般進(jìn)入除氧器等設(shè)備被利用。

低壓省煤器接入系統(tǒng)時(shí)可分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種［6］，串聯(lián)如圖1示，從第N級(jí)低加出口引出全部凝結(jié)水，經(jīng)過(guò)低壓省煤器進(jìn)入第N+1級(jí)低加出口。串聯(lián)時(shí)該省煤器中的水流量較大，故當(dāng)在省煤器換熱面積一定時(shí)，可將煙氣溫度降低的更低，即排煙余熱利用程度大。然而串聯(lián)時(shí)因水流量大，故勢(shì)必引起工質(zhì)側(cè)的阻力增加，所以在大多數(shù)情況下需加裝凝結(jié)水泵。

圖1 串聯(lián)式

并聯(lián)如圖2示，低壓省煤器跨過(guò)一個(gè)或多個(gè)低加，流經(jīng)該省煤器的水占了總凝結(jié)水的一部分。這種工況下一般無(wú)需增設(shè)凝結(jié)水泵，因低壓省煤器跨過(guò)了多個(gè)加熱器，此時(shí)所產(chǎn)生的壓差一般情況足以彌補(bǔ)低壓省煤器及相關(guān)設(shè)備所增加的阻力。但并聯(lián)時(shí)由于分流量小于全流量，則水的出口水溫較高，所以并聯(lián)時(shí)的傳熱溫壓較低，余熱利用程度較低。

圖2 并聯(lián)式

1.3 低壓省煤器設(shè)計(jì)時(shí)主要參數(shù)的選擇

(1)進(jìn)水流量

低壓省煤器的節(jié)能效果和流量有如圖3示的關(guān)系，可知進(jìn)水流量G存在一個(gè)最佳數(shù)值，無(wú)論是增加或減少進(jìn)水流量都會(huì)使節(jié)能效果變差［7］。

圖3 進(jìn)水流量—節(jié)能關(guān)系

(2)負(fù)荷大小

當(dāng)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，因各低壓加熱器的出口溫度、出口比焓均降低，進(jìn)入除氧器的主凝結(jié)水溫度降低［7］，這使低壓省煤器的吸熱量變化且該變化能夠減少高能級(jí)抽氣的重新分配。負(fù)荷與流量的關(guān)系如圖3示，從圖3上能夠看出在相同的流量下低負(fù)荷時(shí)的節(jié)能效果更有利。

(3)進(jìn)水溫度

在設(shè)計(jì)鍋爐的低溫受熱面時(shí)務(wù)必要考慮低溫腐蝕和堵灰的問(wèn)題，安裝低壓省煤器也同樣需注意，但大多數(shù)情況下兩者不能協(xié)調(diào)統(tǒng)一，這種情況下應(yīng)優(yōu)先考慮防腐蝕措施。一般工程要求腐蝕速度≤0.2 mm，根據(jù)低溫腐蝕機(jī)理，要求管壁溫度在下述范圍［8］:tld+25℃ ＜t＜105℃，其中tld為煙氣水露點(diǎn)溫度。由于低壓省煤器管內(nèi)的工質(zhì)水的換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于煙氣側(cè)的，所以其冷段管壁的溫度近似等于水的溫度，故低壓省煤器的進(jìn)水溫度需在以上要求的范圍之內(nèi)。

2 低壓省煤器的工程實(shí)例計(jì)算

某電廠130 t/h煤粉爐排煙溫度高達(dá)180℃，現(xiàn)欲通過(guò)加裝該低壓省煤器來(lái)降低煙溫，利用余熱。以下為該低壓省煤器的計(jì)算示例。

2.1 結(jié)構(gòu)特性及設(shè)計(jì)參數(shù)

本次改造欲將溫度降低至150℃左右，即溫降并不是很大，故該低壓省煤器用采用并聯(lián)式接入系統(tǒng)。低壓省煤器結(jié)構(gòu)特性及參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)特性及設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 熱力計(jì)算

(1)換熱系數(shù)的計(jì)算

一般鍋爐受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可表示為［9］

式中ay——煙氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù);

as——工質(zhì)水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù);

ε——灰污系數(shù)。

因鍋爐省煤器中工質(zhì)水側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)相對(duì)于煙氣側(cè)很大，故上式可寫(xiě)為

煙氣側(cè)傳熱系數(shù)計(jì)算如下［9］:

式中Cs、Cd、Cw——分別為修正系數(shù)，由文獻(xiàn)［9］中查表得出;

λ——煙氣導(dǎo)熱系數(shù)/W·m－1·℃－1;

d——管徑/m;

ν——煙氣運(yùn)動(dòng)粘度/m2·s－1;

w——煙氣速度/m·s－1;

a——煙氣熱擴(kuò)散系數(shù)/m2·s－1。

灰污系數(shù)計(jì)算:

式中 ε0——灰污系數(shù)基本值/m2·℃·W－1;

Cg——管徑修正系數(shù);

Csf——飛灰修正系數(shù);

Δε——灰污系數(shù)改正值/m2·℃·W－1。

帶入實(shí)際參數(shù)，并參考文獻(xiàn)［9］中相關(guān)修正系數(shù)，得總換熱系數(shù)為K=30.52 W/(m2·℃)

(2)校核計(jì)算

換熱量為Q'=KAΔT=1 863.45 kW

煙氣放熱量Q″=(Ij－Ic)Vy=1 812.52 kW

3 節(jié)能效益分析

利用低壓省煤器回收余熱，并作為純熱量利用于熱力系統(tǒng)，但鍋爐產(chǎn)生單位新蒸汽的耗能不變。故在此條件下抽氣減少所增加的功率使汽輪機(jī)的效率提高。以上文介紹工程為計(jì)算實(shí)例，利用等效焓降法計(jì)算其工程收益［10］，計(jì)算如下:

1 g新氣全部做功量稱(chēng)為新氣等效焓降(記為H)，所有排擠抽氣所增加的功量稱(chēng)為等效焓降增量(記為ΔH)計(jì)算如下

式中d——機(jī)組汽耗率/kg·kWh－1;

ηjd——汽輪機(jī)機(jī)電效率;

β——低壓省煤器流量系數(shù);

hdc——低壓省煤器出口水比焓/kJ·kg－1;

hcj——除氧器進(jìn)口水比焓/kJ·kg－1;

λj——所繞過(guò)的各低加工質(zhì)焓升/kJ·kg－1;

ηj——所繞過(guò)的各低加的抽氣效率;

ηg——低壓省煤器出口到除氧器管道效率。

經(jīng)計(jì)算H=844.63 kJ/kg;ΔH=22.46 kJ/kg熱經(jīng)濟(jì)性相對(duì)提高為

鍋爐年節(jié)約能量為

式中N——機(jī)組額定容量;

n——機(jī)組年運(yùn)行小時(shí);

b——發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率。

經(jīng)計(jì)算得ΔB=1 296.9(t/a)

年節(jié)能價(jià)值為

式中P——煤價(jià)，取P=800元/t。

因前期投資成本不到50萬(wàn)元，將該投資和維修費(fèi)用總和與收益相比知，該項(xiàng)目投資約半年時(shí)間即可回收成本，可見(jiàn)投資收益顯著，值得各電廠借鑒實(shí)施。

4 結(jié)論

(1)煙氣溫度降要求在30℃左右時(shí)低壓省煤器一般采用并聯(lián)接法接入系統(tǒng)，此時(shí)可不用再安裝凝結(jié)水泵;但在煙氣溫度要深度降低時(shí)可用串聯(lián)接法，水流量可更大，溫差更大，有利于強(qiáng)化低溫?fù)Q熱;

(2)鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，低壓省煤器進(jìn)水流量存在一個(gè)最佳值，使其節(jié)能效率達(dá)到最高;且鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的節(jié)能效率更高些;

(3)因尾部煙氣溫度低，灰的硬度大，故磨損較嚴(yán)重，且磨損與速度三次方成正比，所以為減輕低壓省煤器中的磨損，煙氣的速度可以較低些，這樣也減少了煙氣側(cè)的阻力，減少風(fēng)機(jī)耗能;

(4)從本文介紹的工程實(shí)例來(lái)看，安裝低壓省煤器的經(jīng)濟(jì)效益很顯著，值得推廣應(yīng)用。

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