火電廠(chǎng)余熱利用系統(tǒng)相變換熱節(jié)能改造的探討

蔣志慶，高玉新，金 豐，高繼錄，張家維

(1.中電投東北電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110181;2.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

目前，隨著國(guó)家節(jié)能減排工作的推進(jìn)，許多電廠(chǎng)在電除塵器出口的水平煙道上安裝余熱利用系統(tǒng)，以吸收煙氣余熱并進(jìn)行綜合利用，提高鍋爐熱效率，降低發(fā)電煤耗。常規(guī)的余熱回收器與普通省煤器結(jié)構(gòu)相同，由于運(yùn)行中容易出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)要控制壁溫，不應(yīng)過(guò)低，滿(mǎn)足腐蝕條件，低壓省煤器出口煙溫應(yīng)較高，一般高于酸露點(diǎn)10～15 ℃［1－4］。

為了使余熱利用處于最佳狀態(tài)，相變余熱回收系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。它由相變換熱器、相變換熱汽包、連接管道、溫度控制系統(tǒng)等組成。相變換熱器布置在鍋爐空預(yù)器與除塵器之間的煙道上，其作用是回收煙氣中的熱量，降低排煙溫度。相變換熱汽包也是一種相變換熱器，與主凝結(jié)水系統(tǒng)并聯(lián)，主要作用是用相變換熱器介質(zhì)的熱源來(lái)加熱抽出的部分凝結(jié)水，從而將鍋爐尾部煙氣余熱回收利用。連接管道主要用于給水回?zé)嵯到y(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)接入和接出系統(tǒng)管道及供暖水管道。溫度控制系統(tǒng)主要是保證相變換熱器壁面溫度大于燃煤酸露點(diǎn)溫度，且可控可調(diào)，從而保證相變換熱器不結(jié)露、不積灰、不腐蝕［5－8］。

1 熱力系統(tǒng)及布置

以大連泰山熱電有限公司改造實(shí)例進(jìn)行介紹。相變余熱回收系統(tǒng)中，夏季工況時(shí)，從JD.2低壓加熱器出口引出凝結(jié)水，溫度為82.9℃，流量為260.4 t/h，凝結(jié)水被加熱到105℃，接入至JD.3低壓加熱器入口凝結(jié)水管道。冬季工況時(shí)，從JD.2低壓加熱器出口引出凝結(jié)水，溫度為75℃，流量為230.5 t/h，凝結(jié)水被加熱到100℃，接入至JD.3低壓加熱器入口凝結(jié)水管道。夏季工況煙氣溫度由155℃降至127℃，冬季工況煙氣溫度由150℃降至122℃。相變換熱器內(nèi)流動(dòng)的換熱介質(zhì)為水，水在低壓換熱器中吸收煙氣的余熱被加熱，通過(guò)自然對(duì)流到相變換熱器中，再與凝結(jié)水 (采暖系統(tǒng)回水)換熱。相變換熱器入口水溫設(shè)計(jì)為高于煙氣酸露點(diǎn)溫度8℃。對(duì)入口水溫進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，由溫度來(lái)控制凝結(jié)水 (采暖系統(tǒng)回水)管路上電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)，從而實(shí)現(xiàn)換熱器入口水溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

相變余熱回收系統(tǒng)中，水在相變換熱器中吸收鍋爐排煙余熱，降低排煙溫度，通過(guò)自然對(duì)流在相變換熱汽包中加熱凝結(jié)水。凝結(jié)水間接被鍋爐排煙余熱加熱，溫度升高后再返回低壓加熱器系統(tǒng)。煙氣的余熱回收加熱凝結(jié)水可代替低壓加熱器的作用，成為汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。余熱回收系統(tǒng)將排擠部分汽輪機(jī)的回?zé)岢槠谄啓C(jī)進(jìn)汽量不變的情況下，這部分排擠抽汽將從抽汽口返回汽輪機(jī)繼續(xù)做功。由此，在鍋爐燃料消耗量不變的情況下，可以多獲得電功，從而提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

2 相關(guān)計(jì)算

2.1 酸露點(diǎn)溫度計(jì)算

煙氣酸露點(diǎn)溫度的計(jì)算值為102℃，只要保證低溫受熱面金屬壁溫高于煙氣酸露點(diǎn)溫度8℃左右，就可以避免產(chǎn)生低溫腐蝕。因此，吸熱段換熱器進(jìn)口介質(zhì)溫度應(yīng)始終大于110℃，使相變換熱器壁面溫度高于煙氣酸露點(diǎn)溫度，從而保證換熱器不會(huì)受到腐蝕。在工況變化的情況下，通過(guò)溫度監(jiān)控和流量控制調(diào)節(jié)，使相變換熱器壁面溫度始終不低于110℃。

2.2 煙氣阻力計(jì)算

額定負(fù)荷下相變換熱器阻力計(jì)算結(jié)果如表1所示，相變換熱器引起煙氣側(cè)阻力增加值為235 Pa。

在加裝相變換熱器后，引風(fēng)機(jī)入口溫度由原來(lái)的155℃降至127℃，由計(jì)算知，溫度降低引起引風(fēng)機(jī)體積流量下降了41 000 Nm3/h、電動(dòng)機(jī)功率減小了89 kW、煙氣阻力增加了235 Pa、能耗增加了45.3 kW，因此加裝相變換熱器可使煙氣溫度降低、密度增大、體積流量減小。通過(guò)計(jì)算，由溫度降低引起的引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率減小量大于由煙氣阻力增大引起的引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率增大量，電動(dòng)機(jī)能耗降低了43.7 kWh，進(jìn)一步提高了引風(fēng)機(jī)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

表1 額定負(fù)荷下相變換熱器阻力計(jì)算結(jié)果

2.3 熱力計(jì)算

由于加裝了余熱回收裝置，原來(lái)由低壓加熱器抽汽加熱的部分凝結(jié)水，現(xiàn)通過(guò)余熱回收裝置被鍋爐排煙余熱加熱，節(jié)省了低壓加熱器系統(tǒng)的抽汽量，節(jié)省的抽汽將返回汽輪機(jī)做功，從而提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。采用等效熱降法進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性分析，將余熱回收裝置回收的排煙余熱作為外部純熱量輸入系統(tǒng)，而鍋爐的有效熱量不變。

相變換熱汽包中的凝結(jié)水由2號(hào)低壓加熱器出口引出，3號(hào)低壓加熱器進(jìn)口引回，煙氣余熱回收的熱量將排擠3號(hào)低壓加熱器的抽汽，節(jié)省的這部分抽氣返回汽輪機(jī)做功，從而使機(jī)組的發(fā)電功率增大，熱耗降低。根據(jù)等效焓降法對(duì)余熱回收裝置進(jìn)行定量分析，熱力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算結(jié)果如表3所示。

夏季工況:凝汽器真空升高0.028 kPa，煤耗增加0.084 g/kWh。由于凝汽器內(nèi)的飽和溫度決定了汽輪機(jī)排汽壓力的大小和凝汽器的真空度，所以通過(guò)增大機(jī)組循環(huán)水量，使凝汽器的飽和溫度不變，凝汽器內(nèi)的真空度以及汽輪機(jī)排汽壓力將保持額定值，汽輪機(jī)功率將不發(fā)生變化，但循環(huán)水量的增大導(dǎo)致循環(huán)水泵能耗增大，使電耗上升。通過(guò)比較，循環(huán)水泵能耗增大比汽輪機(jī)功率減小要經(jīng)濟(jì)一些，因此實(shí)際煤耗增加量要小于0.084 g/kWh。冬季工況:凝汽器真空升高0.02 kPa，煤耗增加0.06 g/kWh。實(shí)際煤耗增加量要小于0.06 g/kWh。

表2 熱力計(jì)算結(jié)果

表3 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算結(jié)果

機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)為6 500 h，其中夏季按3 000 h計(jì)算、冬季按3 500 h計(jì)算，機(jī)組負(fù)荷率為73.4%，標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)按650元/t計(jì)算，夏季工況收益為619 450元，冬季工況收益為622 186元，總效益為1 241 636元。由于使用煙氣余熱回收裝置，改善了鍋爐運(yùn)行工況，從根本上避免了尾部受熱面出現(xiàn)結(jié)露，以及結(jié)露引起的腐蝕、堵灰、受熱面穿孔等低溫腐蝕現(xiàn)象，使鍋爐能夠長(zhǎng)周期安全、穩(wěn)定運(yùn)行，給用戶(hù)帶來(lái)的間接效益也不可忽視。同時(shí)，可減少SO2和CO2的排放量，帶來(lái)良好的社會(huì)效益。

3 推廣意義

我國(guó)工業(yè)鍋爐平均運(yùn)行效率比國(guó)際先進(jìn)水平低10%～15%，燃煤鍋爐改造被列為“十大重點(diǎn)節(jié)能工程”之一。鍋爐效率低的主要原因之一是熱能轉(zhuǎn)換裝置工藝技術(shù)落后，其排煙溫度高、熱能損耗大。我國(guó)現(xiàn)有50多萬(wàn)臺(tái)工業(yè)鍋爐，即使只有1萬(wàn)臺(tái)較大噸位鍋爐采用復(fù)合相變換熱器，按照排煙溫度平均降低30～40℃測(cè)算，每年可節(jié)約2 000萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，價(jià)值上百億元，并可相應(yīng)減少SO2排放量160萬(wàn)t、CO2排放量1 600萬(wàn)t?？梢?jiàn)，該產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，對(duì)落實(shí)節(jié)能減排的基本國(guó)策具有重要意義。

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