新型雙介質(zhì)混流恒溫智能換熱技術(shù)在煤氣發(fā)電設(shè)備上的應(yīng)用

王仲明，張 鵬

（馬鋼股份有限公司熱電總廠，安徽馬鞍山 243000）

1 前言

馬鋼熱電總廠三臺NG—220/9.8—Q2型全燒高爐煤氣鍋爐投運(yùn)以來，解決了公司煤氣放散和環(huán)保污染危害，但實際運(yùn)行中存在排煙溫度高達(dá)168℃以上，煙氣排放能源損失大的問題。為降低排煙溫度，提高煤氣發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效率，熱電總廠與相關(guān)廠家合作，依托該廠煤氣發(fā)電母管制熱力系統(tǒng)的布局優(yōu)勢和復(fù)合智能換熱應(yīng)用技術(shù)、變頻流量控制技術(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)性的研發(fā)和創(chuàng)新，建立了一套新型雙介質(zhì)混流恒溫智能換熱系統(tǒng)，以降低排煙溫度、余熱充分利用為目的，成功地實現(xiàn)煤氣發(fā)電熱力系統(tǒng)排煙余熱能量回收，排煙溫度有效且穩(wěn)定地控制在130℃，單爐年增利400萬元以上。

2 技術(shù)研發(fā)背景

2.1 原設(shè)計情況

NG—220/9.8—Q2型全燒高爐煤氣鍋爐在設(shè)計上，為了實現(xiàn)“熱煤氣”燃燒，提高鍋爐效率，在鍋爐尾部煙道設(shè)計了利用尾部煙氣余熱加熱煤氣的“分體式煤氣熱管換熱器”，系統(tǒng)設(shè)計鍋爐最大連續(xù)負(fù)荷下煤氣加熱至183℃以上，其出口處管壁煙溫設(shè)計150℃，因此在鍋爐最大連續(xù)負(fù)荷下最終排煙溫度設(shè)計控制在156℃以上，鍋爐設(shè)計熱效率為88.53%。

表1 分體煤氣熱管換熱器不同工況下設(shè)計參數(shù)

2.2 鍋爐運(yùn)行情況

近年來，由于煤氣鍋爐在長期運(yùn)行中，摻入了較多的回收焦?fàn)t煤氣與轉(zhuǎn)爐煤氣，特別是焦?fàn)t煤氣中含有“苯萘”等成分，大量積聚在煤氣熱管換熱器和空氣預(yù)熱器管壁上，降低了換熱效果。

因高爐故障、煙氣脫硫裝置故障等原因，經(jīng)常性的出現(xiàn)低負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致煙氣量減少，排煙溫度降低，煙氣中大量的含硫成分凝結(jié)在各類換熱器管壁上，一方面造成酸性腐蝕穿孔，損失換熱介質(zhì)，同時也導(dǎo)致粘性物質(zhì)沉積，影響換熱效果。另外，由于“分體式煤氣熱管換熱器”運(yùn)行中極易發(fā)生由于熱管管束泄漏及熱管頂部排氣閥泄漏造成的熱管工作介質(zhì)損失，又使換熱效果下降較多。

綜合上述原因直接導(dǎo)致了鍋爐排煙溫度夏季高達(dá)185℃以上，全年鍋爐排煙溫度實際平均值168.2℃，遠(yuǎn)高于設(shè)計值。測算對應(yīng)的熱量損失相當(dāng)于燃料熱量的8%～12%。約占鍋爐總熱損失的80%甚至更高。理論上排煙溫度每升高10℃，排煙熱損失增加0.6%～1%，發(fā)電煤耗增加2 g/kWh左右，因此造成的能量損失巨大。由于此類型鍋爐排煙溫度較高，采用燃燒優(yōu)化來降低排煙溫度的幅度和手段非常有限，因而煙氣的余熱仍有較大利用空間。

2.3 國內(nèi)調(diào)研情況

目前國內(nèi)部分使用廠家針對這一現(xiàn)象已從不同角度開始進(jìn)行研究，以回收這一系統(tǒng)能量損失。例如采用增加尾部“低壓省煤器”和建立尾部“復(fù)合相變換熱器汽水態(tài)循環(huán)”等工藝進(jìn)行節(jié)能改造，均取得了一定的成效。但在實際運(yùn)用中，前者由于不能很好的應(yīng)對鍋爐排煙溫度與煙氣酸露點溫度的相互制約性，導(dǎo)致了設(shè)備損壞而不能正常運(yùn)行。后者因投資及設(shè)備占地面積較大，不僅與熱力系統(tǒng)關(guān)聯(lián)操作復(fù)雜，在熱力系統(tǒng)循環(huán)布局的應(yīng)用上還存在增加汽機(jī)系統(tǒng)冷端效率損失的問題，所以未能很好的推廣使用。

2.4 現(xiàn)場熱力系統(tǒng)狀況

熱電總廠老區(qū)布置六爐四機(jī)母管制熱力系統(tǒng)，為三臺220 t/h煤粉爐和三臺220 t/h煤氣爐、三臺60MW抽凝機(jī)組及一臺50MW純凝機(jī)組，正常為五爐四機(jī)運(yùn)行。機(jī)組總裝機(jī)容量230MW，年發(fā)電量17.4～18.2億kWh，年均小時供熱量155 t/h以上(1.27MPa/312℃)。其熱力系統(tǒng)因供熱量及發(fā)電量較大，高壓除氧器和汽輪機(jī)組低壓加熱器負(fù)荷較重，長期處于大流量的補(bǔ)水運(yùn)行狀態(tài)。近年來由于煤炭質(zhì)量持續(xù)下滑，煤粉爐運(yùn)行處于虧損狀態(tài)，為降低虧損，一方面開展了“峰谷平”運(yùn)行方式的調(diào)整，另一方面有意識的降低了煤粉爐的負(fù)荷接帶，而公司的供熱量仍然持續(xù)加大，這樣直接導(dǎo)致發(fā)電負(fù)荷處于較低狀態(tài)運(yùn)行，使得汽機(jī)低壓加熱器實際運(yùn)行效果不佳，而補(bǔ)水流量增大，更使得除氧器系統(tǒng)的水溫不足、水位分配不均，不僅使鍋爐系統(tǒng)因給水溫度低而降低效率，同時也使得汽機(jī)系統(tǒng)被迫加大除氧器二段抽汽流量來保證給水溫度，無形中降低了蒸汽的使用效率，也影響了機(jī)組發(fā)電量。本項技術(shù)研發(fā)即針對如何利用母管制熱力系統(tǒng)的特點，以既能充分回收煙氣余熱，又能有效避免增加汽機(jī)冷端損失，緩解低壓給水水溫水量不足這一矛盾為背景展開，具有重要的節(jié)能降耗意義。

3 馬鋼的技術(shù)研發(fā)情況

3.1 確定研發(fā)思路

馬鋼熱電總廠煤氣鍋爐因設(shè)計了煤氣熱管加熱器，以致省煤器和空氣預(yù)熱器的布置受到空間的限制，所以實施上述工藝改造也存在局限性。在實地參考了這些技術(shù)應(yīng)用的情況后，決定另辟蹊徑，提出新的，更適合現(xiàn)場情況的研發(fā)思路：即以現(xiàn)場原有鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)不做根本性改動為基本原則，以馬鋼熱電總廠母管制煤氣發(fā)電熱力系統(tǒng)優(yōu)化布置為研發(fā)基礎(chǔ)，提出“雙介質(zhì)混流換熱設(shè)計理念”，通過“雙介質(zhì)混流恒溫調(diào)控”、“分體式智能余熱交換”和“變頻流量控制”等技術(shù)的合理運(yùn)用，確保將低溫結(jié)露和腐蝕具有關(guān)鍵性影響的最低金屬壁面溫度和排煙溫度置于“可控可調(diào)、相對穩(wěn)定”的閉環(huán)控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的“混流恒溫”與“智能余熱交換”的自調(diào)節(jié)能力，最終建立一套能始終保證新增分體式換熱器金屬壁面溫度處于酸露點以上、繼續(xù)實現(xiàn)熱煤氣燃燒、深度降低鍋爐排煙溫度、可變工況運(yùn)行的“新型雙介質(zhì)混流恒溫智能換熱系統(tǒng)”。

3.2 確定新增熱力系統(tǒng)及基本工作原理

根據(jù)該廠汽機(jī)鍋爐母管制熱力系統(tǒng)布局，確定在汽機(jī)側(cè)增設(shè)“雙介質(zhì)混流恒溫器”和“變頻流量控制系統(tǒng)”，在鍋爐側(cè)煤氣加熱器出口煙道截面不做改動的基礎(chǔ)上增設(shè)“分體式智能余熱交換器”。再通過本次設(shè)計的管道、壓力傳感器、溫度傳感器、減壓閥、安全閥、排汽閥、給水流量測量裝置、煙氣成分分析儀以及各電動調(diào)節(jié)閥門、單向閥等設(shè)備，以變頻水泵作為系統(tǒng)動力源，將機(jī)側(cè)凝結(jié)水系統(tǒng)、除鹽水系統(tǒng)、高壓除氧器系統(tǒng)與本系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成一個相互關(guān)聯(lián)的整體。其中爐側(cè)充分利用分體式煙道換熱器其介質(zhì)與煙氣逆向流動，換熱能力具有“量級性提高”的傳熱學(xué)特性，最大限度的回收煙氣余熱。機(jī)側(cè)雙介質(zhì)混流恒溫器換熱工作介質(zhì)設(shè)計為不同參數(shù)的兩系統(tǒng)水源接入。其一路取自某一汽機(jī)凝泵出口或除鹽水系統(tǒng)，為低溫補(bǔ)水；另一路取自汽機(jī)低壓加熱器出水母管，為高溫補(bǔ)水。通過PLC控制系統(tǒng)根據(jù)爐側(cè)分體式煙道換熱器金屬壁溫數(shù)據(jù)、出水溫度及流量、高壓除氧器水位及溫度、煙氣成分分析等數(shù)據(jù)，進(jìn)行閉環(huán)變流量恒壓調(diào)節(jié)水泵流量，恒溫控制混流器及分體式煙道換熱器出水溫度，從而進(jìn)行各高壓除氧器高溫補(bǔ)水，以平衡各除氧器水位，降低除氧器低溫補(bǔ)水流量，繼而最終實現(xiàn)變工況運(yùn)行下，有效控制爐側(cè)金屬壁面溫度在115℃以上，尾部煙氣溫度相對穩(wěn)定于130℃。

3.3 機(jī)側(cè)冷端系統(tǒng)的配套技改措施

一般認(rèn)為，鍋爐煙氣余熱利用后會減少機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)部分抽汽，導(dǎo)致熱力循環(huán)效率降低，并且排擠的部分抽汽會增加凝汽器的排氣使汽輪機(jī)真空有所降低，這兩點是此裝置是否實現(xiàn)節(jié)能的主要疑問。實際上，在增加該裝置后，大量煙氣余熱進(jìn)入回?zé)嵯到y(tǒng)，這是在沒有增加鍋爐燃燒量的前提下獲得的額外熱量，并以一定的效率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽ΑＭ瑫r減少了除氧器加熱抽汽量，理論上熱系統(tǒng)這些所減少的機(jī)組抽汽量，可以在汽輪機(jī)內(nèi)繼續(xù)膨脹做功，提高低壓部分的內(nèi)效率，這些新增功量遠(yuǎn)大于排擠抽汽和汽機(jī)真空微降所引起的功率損失，所以對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性是有所提高的。

為配合該系統(tǒng)的運(yùn)行，確保機(jī)側(cè)降低系統(tǒng)冷端能量損失，我們在機(jī)組熱力系統(tǒng)的冷端設(shè)備系統(tǒng)上通過增設(shè)機(jī)組低加出口調(diào)節(jié)閥、實施循環(huán)水泵最佳流量技改；凝結(jié)水泵變頻技改；射抽系統(tǒng)節(jié)能技改等措施，在系統(tǒng)整體節(jié)能布局上，有力的支撐了該系統(tǒng)的研發(fā)。

3.4 新系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計

鍋爐蒸發(fā)量：110～220 t/h

煙氣流量：200000～290000 m3/h

煙氣酸露點：101.3℃

雙介質(zhì)恒溫混流器入口水溫:（35～40）/（109～135）℃

雙介質(zhì)恒溫混流器最大入口流量:40～150 t/h

雙介質(zhì)恒溫混流器出口水溫:102～112℃

變頻泵出口流量范圍:115～190 t/h

變頻泵出口壓力:2.2 MPa

變頻泵出口水溫:105～115℃

智能換熱器最低壁面溫度:115℃

智能換熱器進(jìn)口煙溫范圍:155～175℃

智能換熱器出口煙溫:130℃智能換熱器出口水溫:124℃

智能換熱器出口水壓:2.0 MPa

智能換熱器出口流量:115～190 t/h

煙氣阻力增加:350 Pa

3.5 重要參數(shù)設(shè)計說明

3.5.1 煙氣酸露點、智能換熱器壁溫及煙側(cè)、水側(cè)進(jìn)出口溫度

對于鍋爐內(nèi)部干燥的換熱器管壁面，在一定的煙氣流速的沖刷下是不易積灰的。但如果管壁溫度低于煙氣露點，壁面結(jié)露粘附飛灰，容易產(chǎn)生低溫腐蝕，為了充分利用排煙余熱，較大幅度降低鍋爐排煙溫度，同時為了使尾部煙道換熱裝置受熱面不至于太大，選擇合適的煙氣酸露點尤其重要。根據(jù)煤氣鍋爐設(shè)計說明書內(nèi)容，該鍋爐燃料為高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的混合煤氣體，各燃?xì)獬煞秩绫?。

表2 三種煤氣成分表

鍋爐燃料中高爐煤氣：焦?fàn)t煤氣：轉(zhuǎn)爐煤氣混合體積比為：35:1.5:3.5。因焦?fàn)t煤氣含硫量對煙氣酸露點影響較大，以焦?fàn)t煤氣硫化氫含量（1g/m3）數(shù)據(jù)為例進(jìn)行燃料分析，按日本“電力工業(yè)中心研究所”計算方法，煙氣酸露點為：101.3℃，若將尾部換熱面的壁溫控制在稍高于煙氣的露點溫度，可以完全防止露點腐蝕的發(fā)生。一般取金屬表面溫度比露點溫度高5～10℃。針對上述計算值，最終確定運(yùn)行中新增換熱器最低壁溫控制在115℃以上，進(jìn)水溫度控制在102℃以上，出水溫度124℃以上，出口煙溫130℃以下。

3.5.2 智能換熱器工作介質(zhì)流量

以上述兩個控制值為計算依據(jù)，根據(jù)鍋爐允許工況點110%～55%為適應(yīng)運(yùn)行工況，計算鍋爐變負(fù)荷工況下煙氣流量，對該系統(tǒng)實現(xiàn)可運(yùn)行的介質(zhì)流量進(jìn)行量化計算，確定變工況下?lián)Q熱器115～190 t/h為運(yùn)行適應(yīng)流量。在汽機(jī)熱力系統(tǒng)中設(shè)置2臺75kW變頻水泵（一用一備），水泵揚(yáng)程設(shè)計65 m，由變頻控制柜控制。在鍋爐工況改變時通過“恒溫調(diào)控”和“變頻流量控制”，確保分體式煙道換熱器進(jìn)口水溫始終高于煙氣露點，通過換熱器給水流量的變化適應(yīng)排煙溫度變化，最大限度地降低排煙溫度。

3.5.3 智能換熱器工作介質(zhì)壓力

本系統(tǒng)為確保換熱器的高效傳熱特性，設(shè)計系統(tǒng)介質(zhì)工作壓力為階梯狀傳遞。系統(tǒng)高溫補(bǔ)充水0.8 MPa，低溫補(bǔ)充水0.4 MPa；變頻泵出口壓力 2.2 MPa，換熱器出口壓力2.0 MPa。并設(shè)計若干排氣閥，通過適時排放不凝結(jié)氣體以解決換熱器可能出現(xiàn)的老化及汽水兩相流沸騰現(xiàn)象，延長設(shè)備運(yùn)行壽命。

3.6 控制系統(tǒng)原理及控制功能

3.6.1 全自控調(diào)節(jié)原理

鍋爐負(fù)荷的變化以及冬夏環(huán)境溫度的變化都將使換熱器最低壁面溫度和排煙溫度同步變化，為可靠解決低溫腐蝕問題，在避免受熱面結(jié)露積灰的前提下，選擇一個略高于煙氣露點溫度的水溫作為換熱裝置的進(jìn)水點，使裝置的金屬壁溫始終高于煙氣露點溫度水平，通過調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)接入換熱器的低溫補(bǔ)充水來控制最低壁溫和排煙溫度，從而適應(yīng)鍋爐負(fù)荷和氣溫季節(jié)性的變化。同時通過改變控制系統(tǒng)的壁面溫度設(shè)定值，在較大范圍內(nèi)改變換熱器壁面溫度，以適應(yīng)燃料成分變動引起的煙氣酸露點的變化。此系統(tǒng)有PLC控制器全自動控制，根據(jù)自控程序調(diào)節(jié)系統(tǒng)給水調(diào)節(jié)閥門控制出水溫度。

3.6.2 全自控調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能

(1)根據(jù)雙介質(zhì)恒溫混流器出水溫度調(diào)節(jié)除鹽水調(diào)節(jié)閥門開度和凝結(jié)水閥門開度。

(2)根據(jù)系統(tǒng)排煙溫度調(diào)節(jié)變頻水泵流量。(3)監(jiān)測系統(tǒng)除鹽水溫度、壓力。(4)監(jiān)測系統(tǒng)凝結(jié)水溫度、壓力。(5)監(jiān)測系統(tǒng)水泵運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、遠(yuǎn)程啟停、水泵轉(zhuǎn)換及出水壓力、水流開關(guān)狀態(tài)。

(6)通過雙介質(zhì)恒溫混流器控制系統(tǒng)恒定保持尾部煙道換熱裝置的冷卻換熱溫度，變頻系統(tǒng)自動跟蹤系統(tǒng)壓力控制冷卻換熱流量。

3.7 安裝位置確定

考慮到尾部煙道總體尺寸已固定即低溫省煤器出口煙道截面不做改動，煙道換熱器安裝在鍋爐水平尾部煙道中，并處于引風(fēng)機(jī)之前，在改造時煙道內(nèi)新增管排采取順列布置，并通過增加尾部煙道受熱面積等措施來提高吸熱量，保證排煙溫度有效降低。同時根據(jù)設(shè)備自身的要求，混流器安裝在汽機(jī)給水層，變頻泵及控制柜安裝在5#爐水平煙道下方。安裝過程中保證煙道同上層平臺、爐墻以及建筑墻壁之間足夠的安裝距離。PLC控制器安裝在5#爐電子間，通過通訊電纜連接和DCS機(jī)房中的工作站PC通訊，并在DCS機(jī)房配置工作站，通過PC圖形界面監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況。

3.8 工藝流程改造圖

工藝流程改造見圖1。圖內(nèi)虛線區(qū)域為新增主要設(shè)備。

3.9 系統(tǒng)安全性設(shè)計

實際運(yùn)行中智能換熱器壁溫最低控制值可根據(jù)現(xiàn)場煙氣成分分析儀及煙風(fēng)溫度的變化，通過控制系統(tǒng)及時地進(jìn)行跟蹤調(diào)整參數(shù)，以保證受熱面不結(jié)露的前提下實現(xiàn)安全運(yùn)行。同時在設(shè)計中對此裝置設(shè)置了熱力保護(hù)系統(tǒng)，在整個熱力系統(tǒng)發(fā)生故障時安全閥動作進(jìn)行泄壓并切斷供水。為確保不影響鍋爐主設(shè)備的安全在線運(yùn)行，設(shè)計時考慮在異常工況下，煙道內(nèi)換熱器可以維持干燒工況。

4 成果應(yīng)用情況

4.1 發(fā)電煤耗節(jié)省量測算

智能換熱裝置于2010年11月16日投運(yùn)，運(yùn)行至今未發(fā)生異常情況，5#爐排煙溫度得到了明顯降低，恒定保持在130℃左右，達(dá)到了設(shè)計要求。為了具體測算此套裝置帶來的經(jīng)濟(jì)性，2011年12月安徽特檢院對此裝置的投運(yùn)效果進(jìn)行了測試，見表3，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，折算效率提高3.38%。按年運(yùn)行小時6000 h計算，裝置應(yīng)用折算節(jié)約標(biāo)煤量4501.3 t。此值雖未將系統(tǒng)改進(jìn)后引風(fēng)機(jī)上升的功耗以及新增變頻升壓泵功耗計算在內(nèi)，但剔除這部分影響后，帶來的效益還是明顯的。

表3 改造前后技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)測算

4.2 其他技術(shù)應(yīng)用比較

2011年為提高煤氣熱管換熱器換熱效率，我們應(yīng)用高頻沖洗技術(shù)對4#、6#爐熱管換熱管進(jìn)行了清洗，清洗后鍋爐排煙溫度也都得到了改善，但運(yùn)行一段時間后排煙溫度開始回升，主要是由于工作環(huán)境不良所致，而5#爐在應(yīng)用智能換熱系統(tǒng)后排煙溫度恒定保持在130℃。應(yīng)用情況見表4。

表4 不同技術(shù)應(yīng)用下排煙溫度差異表

5 結(jié)論

做為一種“設(shè)計原理”理念變更，高效可靠的原創(chuàng)性節(jié)能技術(shù)，是相關(guān)設(shè)計理念上的一次創(chuàng)新，為大幅度回收煙氣低溫余熱提供了可能，但作為節(jié)能方向的一種探索，仍有需要我們進(jìn)一步調(diào)研的課題。

（1）深度降低排煙溫度30～40℃，有效回收低溫?zé)崮芙档蜔煔鉄釗p失。通過換熱器的調(diào)節(jié)能力適應(yīng)鍋爐各種工況點變化，使金屬受熱面最低壁面溫度處于絕對可控可調(diào)狀態(tài)，保證最大熱能回收。

（2）該系統(tǒng)設(shè)計不同于一般省煤器和回收排煙熱量的熱管換熱器，將鍋爐的余熱利用與汽輪機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)巧妙地結(jié)合起來，應(yīng)用不同壓力溫度介質(zhì)混流作為系統(tǒng)冷卻介質(zhì)，也屏蔽了利用汽輪機(jī)低加系統(tǒng)中不同溫度點引出水源換熱帶來運(yùn)行方式調(diào)整繁瑣以及水溫不穩(wěn)定特點。

（3）具有良好的負(fù)荷適應(yīng)性。不受季節(jié)性和鍋爐、機(jī)組工況影響，由于智能控制系統(tǒng)保持混流器出口水溫恒定，有效地保證了煙道換熱器出口煙溫降低并遠(yuǎn)離煙氣酸露點溫度，以實現(xiàn)節(jié)約煤耗和防止低溫腐蝕的綜合要求。

（4）在保證換熱器具有高效傳熱特性的同時，通過適時排放不凝結(jié)氣體有效解決換熱器可能出現(xiàn)的老化問題，大大延長設(shè)備的使用壽命。

（5）由于此套系統(tǒng)應(yīng)用是一種新的理念實踐，目前還未了解到類似案列，對整個熱力系統(tǒng)影響的了解還存在有一定局限性，需要在今后實踐中繼續(xù)摸索總結(jié)。