新型板殼式低壓省煤器與管翅式低壓省煤器傳熱性能的對(duì)比研究

高秀晶，吳俐俊，梁辰光

（1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2.空軍勤務(wù)學(xué)院，徐州 221000）

0 引言

在火電廠中，鍋爐排煙溫度高所造成的熱損失，是鍋爐各項(xiàng)熱損失中最大的一項(xiàng)，占70%～80%［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，排煙溫度上升10～15℃，鍋爐效率約下降1%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗上升3～4g／k Wh［2］。在我國(guó)，火力發(fā)電廠的鍋爐排煙溫度一般在120～140℃，燃用高硫分燃料的鍋爐，排煙溫度可達(dá)150℃左右，個(gè)別鍋爐的排煙溫度甚至超過(guò)160℃。排煙帶走的大量熱量，導(dǎo)致了非常大的鍋爐排煙損失。如何降低鍋爐排煙溫度，充分利用排煙余熱，是挖掘排煙余熱潛力，實(shí)現(xiàn)余熱回收利用，從而降低燃煤消耗，提高電廠經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)有效措施，也是近年來(lái)鍋爐專業(yè)技術(shù)人員研究的主要課題之一。

利用排煙余熱的方法有多種，但效果比較明顯、操作簡(jiǎn)單靈活的是加裝低壓省煤器系統(tǒng)。而電廠目前廣泛使用的低壓省煤器均為管翅式，其占地面積大，容易磨損，而且大多使用焊接翅片。由于焊接量大，導(dǎo)致翅片加工成本占換熱器總生產(chǎn)成本的比例高達(dá)50%，一旦翅片焊接出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，必然導(dǎo)致翅片與管外表面的接觸熱阻增大，影響低壓省煤器的整體經(jīng)濟(jì)性。因此，可考慮采用新型板殼式低壓省煤器來(lái)替代傳統(tǒng)的管翅式低壓省煤器。本文就兩種低壓省煤器對(duì)燃煤機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響，進(jìn)行比對(duì)研究。

1 低壓省煤器系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性分析

1.1 基本原理

低壓省煤器系統(tǒng)獨(dú)立于主給水系統(tǒng)之外，利用排煙余熱來(lái)加熱汽輪機(jī)溫度較低的部分凝結(jié)水，替代汽輪機(jī)的某段抽汽，使得抽汽被排擠回汽輪機(jī)繼續(xù)膨脹做功。增設(shè)低壓省煤器后，大量煙氣余熱進(jìn)入回?zé)嵯到y(tǒng)，這是在沒(méi)有增加鍋爐燃料量的前提下，獲得的額外熱量，它以一定的效率轉(zhuǎn)變成電功。這個(gè)新增量要遠(yuǎn)大于排擠抽汽和汽機(jī)真空微降所引起的功量損失，所以機(jī)組經(jīng)濟(jì)性無(wú)一例外都是提高的［3］。

1.2 熱經(jīng)濟(jì)性分析方法

本文所采用的熱力系統(tǒng)分析方法，均基于熱量平衡與流量平衡，熱量分析采用簡(jiǎn)捷計(jì)算中的方法整理［4－6］。熱經(jīng)濟(jì)性的衡量標(biāo)準(zhǔn)采用等效熱降這一概念。作為一種新型的熱工理論，利用其對(duì)火電廠熱力系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性診斷，具有簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)確、方便等特點(diǎn)，是熱力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性診斷的基礎(chǔ)理論。等效熱降法［6］是根據(jù)已選定的蒸汽初、終參數(shù)和回?zé)釁?shù)，并以機(jī)組的新蒸汽流量和燃料供熱量均系定值為前提，在這樣的條件下，熱力系統(tǒng)任何影響熱經(jīng)濟(jì)性的微小變化，只與機(jī)組的功率變化有關(guān)，不會(huì)使各級(jí)抽汽流量發(fā)生變化，而只對(duì)某幾級(jí)的抽汽流量和熱量進(jìn)行定量計(jì)算，即可求得整個(gè)熱力系統(tǒng)變化的經(jīng)濟(jì)效果。

1.2.1 加熱器放熱量的表達(dá)式

對(duì)于任意加熱器j，其放熱量可整理為三類，分別為給水在加熱器中的焓升τj，蒸汽在加熱器中的放熱量qj以及疏水在加熱器中的放熱量rj。此外，部分加熱器還有其它蒸汽引入，這部分外部蒸汽的放熱量記為qsgj。另外，加熱器一般分為疏放式與混合式兩類。

疏放式加熱器的放熱量表達(dá)式為：

混合式加熱器的放熱量表達(dá)式為：

式中：hwj為加熱器j的出口水焓值；hj為加熱器j的抽氣焓值；hdj為加熱器j的硫水焓值。

1.2.2 熱力系統(tǒng)的等效熱降法計(jì)算［5］

對(duì)于任意加熱器j，等效熱降表達(dá)式為：

式中：Ar的取值：若加熱器j為疏放式，則在j以下直至匯集式加熱器（包括此匯集式加熱器），Ar＝τr，此匯集式加熱器以后的各級(jí)加熱器Ar＝τr；若加熱器j為匯集式，則Ar＝τr。

1 kg新蒸汽的毛等效熱降為：

將毛等效熱降扣除軸封漏氣等損失后，可計(jì)算出新蒸汽凈等效熱降：

1.3 加裝低壓省煤器后的熱經(jīng)濟(jì)性分析

1.3.1 機(jī)組原額定工況

北方某熱電廠裝有2臺(tái)55 MW抽汽供熱式機(jī)組，鍋爐排煙溫度均超過(guò)135℃，故煙氣余熱利用的潛力很大，而且隨著耐低溫腐蝕鋼在換熱器上的應(yīng)用，煙氣余熱的利用空間得以進(jìn)一步提升。機(jī)組原額定工況熱力系統(tǒng)在汽封加熱器后，引出焓值為130.88 kJ／h、流量為100 t／h的凝結(jié)水，經(jīng)冷渣器加熱到85℃，從2號(hào)低加前引回凝結(jié)水系統(tǒng)。

1.3.2 機(jī)組余熱利用改造方案

考慮到低壓省煤器進(jìn)口水溫過(guò)低，容易使管壁發(fā)生低壓腐蝕，而水溫過(guò)高，又會(huì)使傳熱溫差太小，增大換熱面積，所以采用低壓省煤器與冷渣器串接方式，并以冷渣器的額定出口水溫85℃，為低壓省煤器的設(shè)計(jì)進(jìn)口水溫。

由于采用了新型耐硫酸腐蝕特種鋼材，低壓省煤器系統(tǒng)的煙氣側(cè)出口溫度可設(shè)計(jì)得較低。改造設(shè)計(jì)工況下，煙氣側(cè)進(jìn)口溫度為145℃，流量為25×104m3／h，排煙溫度最終降至100℃左右，接近或低于煙氣露點(diǎn)溫度。改造后的熱力系統(tǒng)圖，如圖1所示。

2 新型板殼式低壓省煤器的特點(diǎn)

新型板殼式低壓省煤器的板束，由兩塊相同的平板疊加在一起，利用激光滲透焊接，通過(guò)充壓，形成截面為橢圓的循環(huán)通道，該循環(huán)通道為凝結(jié)水通道，如圖2所示。板束與板束之間錯(cuò)位疊放，板束之間的空間為煙氣波紋通道，如圖3所示。

與傳統(tǒng)管翅式低壓省煤器相比，新型板殼式低壓省煤器的優(yōu)勢(shì)主要是它的傳熱元件采用板片。其特點(diǎn)：一是介質(zhì)在換熱芯體內(nèi)所有換熱表面都是一次表面，提高了換熱效率；二是結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、耐高溫、不易結(jié)垢和容易清掃；三是可以做成多個(gè)模塊，易于拆卸清洗。

3 熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算與分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

由圖1可看出，在設(shè)計(jì)工況下，從冷渣器出口引出溫度為85℃，流量為90 t／h的凝結(jié)水，經(jīng)進(jìn)口集箱均勻分配到換熱器本體的管排中，吸收煙氣熱量后，經(jīng)出口集箱送回，與未經(jīng)加熱的凝結(jié)水匯集后進(jìn)入2號(hào)低壓省煤器入口。當(dāng)出現(xiàn)需要關(guān)停冷渣器時(shí)，也可單獨(dú)運(yùn)行低壓省煤器，即將冷渣器旁通，低壓省煤器的進(jìn)水溫度，為熱力系統(tǒng)額定工況中1號(hào)低加前的31.3℃，流量仍為90 t／h。對(duì)兩種形式的低壓省煤器單獨(dú)運(yùn)行，以及與冷渣器串聯(lián)時(shí)的運(yùn)行工況，利用fluent數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果如表1所示，表中換熱系數(shù)的單位為W／（m2·K）。

在冷渣器串聯(lián)的工況下，兩種低壓省煤器的總換熱量基本相同，因此利用等效熱降法［7］，對(duì)低壓省煤器接入系統(tǒng)的節(jié)能狀況分別進(jìn)行計(jì)算。串聯(lián)系統(tǒng)的總節(jié)能效果等效熱降法計(jì)算結(jié)果：凈等效熱降Hgr為987.5 kJ／kg；等效熱降增量dH為13.22 kJ／kg；機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性增加1.36%；機(jī)組熱耗率降低量為119.7 kJ／k Wh；發(fā)電標(biāo)煤節(jié)省量為4.68 g／k Wh；汽輪機(jī)效率為0.387 3。這是由于吸收外部熱源，節(jié)省了汽輪機(jī)抽汽。當(dāng)所排擠的抽汽回到汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)做功時(shí)，提高了機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。

表1 兩種形式的低壓省煤器運(yùn)行工況對(duì)比

3.2 節(jié)能效果對(duì)比分析

兩種低壓省煤器的節(jié)能效果對(duì)比結(jié)果顯示，新型板殼式換熱器較之傳統(tǒng)的管翅式省煤器具有緊湊度高、換熱效果好和重量輕等特點(diǎn)。以冷渣器串聯(lián)的設(shè)計(jì)工況為例，數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 兩種省煤器數(shù)據(jù)對(duì)比

從表2可以看出，新型板殼式省煤器的換熱系數(shù)較之管翅式省煤器大大提高，在傳輸壓降基本相同的狀況下，換熱系數(shù)提高了77.2%。因此，在換熱面積減少近半的狀況下，換熱量反而提升。由于所需換熱面積大大減小，板殼式省煤器的重量也比管翅式降低了38.5%。直觀對(duì)比柱狀圖，如圖4所示（圖中板殼式省煤器為黑色，管翅式省煤器為灰色）。

圖4 兩種低壓省煤器數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

利用等效熱降法和熱平衡理論分別對(duì)新型板殼式低壓省煤器和管翅式低壓省煤器的節(jié)能效果進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

1）將低壓省煤器系統(tǒng)串聯(lián)在原冷渣器系統(tǒng)上，可以進(jìn)一步提高凝結(jié)水狀態(tài)，使得機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性較之單獨(dú)的冷渣器系統(tǒng)大幅提高。低壓省煤器系統(tǒng)能夠充分利用鍋爐煙氣余熱。

2）在壓降和換熱量基本相同的條件下，較之管翅式省煤器，新型板殼式省煤器的換熱系數(shù)提高了77.2%，換熱面積降低了45.3%，省煤器的重量降低了38.5%，具有更好的節(jié)能效果。

3）新型板式低壓省煤器在壓降方面，較之傳統(tǒng)的管翅式低壓省煤器僅提高11.4%。因此，設(shè)備對(duì)煙道風(fēng)機(jī)的影響，完全在可接受范圍內(nèi)。

［1］ 謝磊.電站鍋爐低壓省煤器系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的數(shù)學(xué)模型［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

［2］ 孫科.600 MW燃煤機(jī)組鍋爐排煙溫度偏高的原因分析［J］.電站系統(tǒng)工程，2013，29（4）：41-45.

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