電站鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)的熱力學(xué)分析和優(yōu)化

楊勇平，黃圣偉，徐 鋼，張晨旭，楊志平

(華北電力大學(xué) 國家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京102206)

0 引 言

在電站鍋爐的各種熱損失中，排煙熱損失占鍋爐熱損失的50 %以上，目前我國燃煤電站鍋爐的設(shè)計排煙溫度大多為120 ～150℃，排煙帶走的熱量可達電站全部輸入燃料熱值的3 % －8 %。因此，隨著能源價格的不斷攀升以及節(jié)能減排政策性要求的日漸嚴格［1，2］，電站鍋爐煙氣余熱利用的研究和應(yīng)用也受到了廣泛重視。

在電廠中增設(shè)低溫省煤器是降低排煙溫度的有效措施之一。利用鍋爐尾部煙氣余熱加熱回?zé)嵯到y(tǒng)中的凝結(jié)水，可排擠部分抽汽返回汽輪機內(nèi)繼續(xù)膨脹做功。因此，煙氣余熱回收利用在某種程度上提高了機組的經(jīng)濟性［3］。該技術(shù)在國內(nèi)外較早就得到了應(yīng)用，德國從20 世紀末開始提出并實施的火電優(yōu)化設(shè)計計劃，要求全部新建機組必須集成鍋爐尾部煙氣余熱回收技術(shù)［4］;國內(nèi)上海外高橋三期工程通過在脫硫塔前加裝煙氣冷卻器回收尾部煙氣余熱，使機組供電煤耗下降2.71 g/kW·h［5］。在理論分析和系統(tǒng)集成研究方面，文獻［6，7］較早對火電廠熱系統(tǒng)增設(shè)低壓省煤器的節(jié)能效果和分析方法展開系統(tǒng)研究;文獻［8］借鑒國外電廠的前置式空氣預(yù)熱器等煙氣余熱回收技術(shù)，彌補了蒸汽暖風(fēng)器造成機組熱經(jīng)濟性下降的不足;文獻［9，10］考慮煙氣溫度的限制和實際換熱效率，綜合換熱面投資等經(jīng)濟成本來評估改造后電站機組增加的經(jīng)濟效益。

本文基于熱力學(xué)基本定律，充分考慮工程實際約束條件，對常規(guī)電站煙氣余熱回收系統(tǒng)的熱力學(xué)特性進行了深入分析;采用能量梯級利用的方法，重點分析了鍋爐煙氣余熱回收過程的能量匹配關(guān)系，并結(jié)合典型百萬kW 燃煤電站機組，開展鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化設(shè)計。本文研究是對現(xiàn)有煙氣余熱回收技術(shù)的深入分析和繼續(xù)完善，可為進一步挖掘電站鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)的節(jié)能潛力提供新思路。

1 煙氣余熱利用系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

圖1 集成低溫省煤器的常規(guī)煙氣余熱利用熱力系統(tǒng)Fig.1 A schematic thermal system of a traditional waste heat utilization system integrated with LTE ( low temperature economizer)

在常規(guī)的煙氣余熱利用系統(tǒng)中，多采用低溫省煤器回收尾部煙氣余熱加熱凝結(jié)水，如圖1 所示。根據(jù)熱量的釋放和吸收過程，可將煙氣余熱利用系統(tǒng)分為鍋爐尾部煙道側(cè)和汽輪機蒸汽回?zé)嵩O(shè)備側(cè)相互耦合的兩部分［7］。如圖2 所示，虛線左邊為鍋爐尾部煙道側(cè)的煙氣余熱回收子系統(tǒng)(I)，虛線右邊為汽輪機蒸汽回?zé)嵫h(huán)側(cè)的排擠抽汽做功子系統(tǒng)(II)。

1.1 尾部煙道側(cè)煙氣余熱回收子系統(tǒng)(I)

圖2 鍋爐－汽輪機相互耦合的能量利用系統(tǒng)Fig.2 Coupled system of the flue gas heat releasing process and the regeneration work

為減少空氣在爐膛內(nèi)的吸熱，在尾部煙道中布置空氣預(yù)熱器，入爐空氣預(yù)熱過程對煙氣釋放熱量的固定需求為Qk。為進一步降低排煙溫度，通常在空氣預(yù)熱器出口之后增設(shè)低溫省煤器，以回收更多熱量到機組中。

同時，由于降低后的排煙溫度還受換熱器材料低溫腐蝕性能的限制，這就決定了煙氣余熱回收子系統(tǒng)(I)從鍋爐尾部煙氣中所能回收的熱量Qd有最大值Qmax可由式(1)計算:

式中:Qtot為排煙溫度降低到控制點時尾部煙氣的總放熱量，kJ/kg。

1.2 回?zé)嵯到y(tǒng)側(cè)排擠抽汽做功子系統(tǒng)(II)

在電站系統(tǒng)中需要從汽機各級抽取大量蒸汽來加熱凝結(jié)水，所抽蒸汽可用于提高凝結(jié)水溫度，相應(yīng)地可以節(jié)省部分抽汽返回汽輪機繼續(xù)膨脹做功。因此，在燃料消耗量不變的情況下增加機組總出功，從而提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

相應(yīng)的熱功轉(zhuǎn)換過程可以采用等效焓降法來分析［6］。根據(jù)選定工況的蒸汽參數(shù)和回?zé)嵯到y(tǒng)參數(shù)，將低溫省煤器回收的煙氣余熱作為純熱量輸入熱力系統(tǒng)，作用于各級回?zé)峒訜崞魉艛D的抽汽返回后續(xù)汽輪機內(nèi)做功，從而使機組有一等效熱降增量，其值可根據(jù)公式(2)計算:

式中:D0為機組的新蒸汽流量，kg/h;ηpj為低壓省煤器熱量利用的平均抽汽效率，其取值決定于低溫省煤器入口凝結(jié)水的抽取位置和凝結(jié)水焓升。典型百萬kW 電站機組回?zé)嵯到y(tǒng)中加熱凝結(jié)水的各級抽汽的效率變化關(guān)系如圖3 所示。

圖3 某典型百萬機組各級抽汽做功能力階梯圖Fig.3 The energy efficiency of regeneration heaters of a typical 1 000 MW generating unit

結(jié)合式(1)和(2)可知，提高低壓省煤器的進水溫度，能夠提高煙氣余熱利用的平均能級和熱功轉(zhuǎn)換效率，從而增加機組總出功。但是，為確保低溫省煤器的安全與穩(wěn)定運行，低溫省煤器兩側(cè)工質(zhì)的溫度必須滿足下列約束條件，如式(3)所示:

式中:t′d，t″d，t′y，t″y分別代表煙氣和凝結(jié)水的進出口焓，kJ/kg。

由此可見，由于隨著煙氣溫度的降低，進入低溫省煤器的凝結(jié)水的溫度也將不斷受到限制，相應(yīng)余熱利用的平均能級也逐漸降低，從而不利于提高煙氣余熱利用系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

2 基于能量梯級利用的系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 常規(guī)余熱利用系統(tǒng)節(jié)能效果有限的原因

典型百萬kW 電站機組鍋爐的排煙溫度(空氣預(yù)熱器出口)一般在130 ℃左右，對比汽機側(cè)回?zé)嵯到y(tǒng)中各級加熱器入口凝結(jié)水的溫度分布，從中可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)低溫省煤器回收的余熱通常只能排擠低壓加熱器部分的回?zé)岢槠?。若再考慮相關(guān)工程約束，如換熱器設(shè)計中至少保證10 ℃的節(jié)點溫差，則余熱利用排擠抽汽的平均能級一般最高只能達到第7 級。

由此可見，排擠高能級抽汽對高品位熱量的需求，與從尾部煙氣中回收的余熱品位較低之間的能級品位差矛盾，是常規(guī)煙氣余熱利用系統(tǒng)節(jié)能效果有限的根本原因。因此，如何優(yōu)化余熱回收和排擠抽汽做功兩側(cè)的“能量品位匹配”，提高熱功轉(zhuǎn)換效率，從而利用尾部煙氣中可供回收的有限熱量獲得更多熱功，是提高煙氣余熱利用系統(tǒng)經(jīng)濟性的關(guān)鍵問題。

2.2 能量梯級利用在余熱利用系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用

在熱能的轉(zhuǎn)換利用過程中，不僅有數(shù)量的問題，還有熱能的品位問題。高溫高壓熱源比低溫低壓熱源轉(zhuǎn)換潛力大，說明溫度高或壓力高的熱能品位高。從能量轉(zhuǎn)化的基本定律出發(fā)，采用能量梯級利用方法［11］來分析能源結(jié)構(gòu)，優(yōu)化能量利用方式，可減少能量品位的浪費，達到節(jié)約能源、提高能源使用效率的目的［12～14］。有鑒于此，本文基于“溫度對口，能級匹配”的原則，對尾部煙道的煙氣余熱回收子系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。如圖4 所示的優(yōu)化方案，仍舊采用原空氣預(yù)熱器，但將煙氣余熱回收子系統(tǒng)布置為與空氣預(yù)熱器并聯(lián)，從省煤器出口流出的高溫?zé)煔獠糠诌M入旁路煙道中的煙氣余熱回收子系統(tǒng)，所回收余熱的溫度水平獲得大幅度提升，從而提高了凝結(jié)水側(cè)的允許抽出點溫度，排擠抽汽所做的熱功也將得到明顯的增加。但由于進入空氣預(yù)熱器的煙氣熱量減少，入爐空氣溫度降低后勢必在爐膛內(nèi)吸收更多的熱量。因此，有必要在空氣預(yù)熱器的出口增設(shè)一個冷風(fēng)預(yù)熱器，用較低品位的余熱對冷空氣進行預(yù)熱后再送入空預(yù)器內(nèi)。

圖4 基于能量梯級利用原則設(shè)計的余熱利用優(yōu)化系統(tǒng)Fig.4 An optimized waste heat recovery system based on the energy cascade utilization principles

3 余熱利用系統(tǒng)優(yōu)化的熱力學(xué)分析

以某百萬kW 燃煤機組為例進行余熱利用系統(tǒng)改造。案例機組采用SG －3093/27.46 －M533型直流鍋爐和N1000 －26.25/600/600 型中間再熱凝汽式汽輪機。鍋爐燃用設(shè)計煤種時(收到基碳、氫、氧、氮、硫、水分分別為56.26 %，3.79 %，12.11 %，0.82 %，0.17 %，9.57 %)，鍋爐實際燃煤量為409.9 t/h，鍋爐熱效率94.08 %(按低位發(fā)熱量計算)，排煙溫度133 ℃。汽機的熱力特性數(shù)據(jù)見表1 所示。

表1 各級回?zé)峒訜崞鞯臒崃?shù)Tab.1 Main thermal performance of the regenerative heaters

案例機組空氣預(yù)熱器的進出口煙溫分別為378 ℃，133 ℃(誤差± 5 ℃)，要求優(yōu)化方案中的換熱過程節(jié)點溫差至少保證10 ℃，同時考慮煤種、尾部煙道材料及酸露點腐蝕等影響因素，故將允許的最低排煙溫度限制為90 ℃。

結(jié)合基準電站的熱力系統(tǒng)參數(shù)，對采用低溫省煤器的常規(guī)煙氣余熱利用系統(tǒng)(如圖1 所示)和采用旁路煙道的優(yōu)化系統(tǒng)(如圖4 所示)分別進行熱力學(xué)分析計算。各方案中主要設(shè)備及其設(shè)計參數(shù)如表2 所示。

表2 各級換熱設(shè)備的設(shè)計熱力參數(shù)Tab.2 Main design parameters of the heat exchangers

結(jié)合上述設(shè)計參數(shù)，根據(jù)公式(2)和機組參數(shù)可計算算出各方案下機組的等效焓降ΔH 值，在原熱耗率q 的基礎(chǔ)上算出熱耗率降低值可根據(jù)式(4)計算。

從而可得機組的供電標準煤耗節(jié)省量Δbs的計算式(5):

式中:Δbs的單位為為廠用電率;ηb和ηp分別為鍋爐效率和管道效率;Qar，net為燃用煤的低位發(fā)熱量。

根據(jù)以上公式計算各方案，結(jié)果詳見表3。

表3 各方案的熱力學(xué)分析結(jié)果Tab.3 Analysis results of each scheme

計算結(jié)果表明，案例機組采用能量匹配的優(yōu)化煙氣余熱利用系統(tǒng)后，可提高全廠效率1.81%，而采用常規(guī)的低溫省煤器時全廠效率提高百分比僅為0.76 %;采用優(yōu)化方案后，全年平均供電標煤煤耗降低值由2.18 g/kW·h 大幅度提高至5.19 g/kW·h，經(jīng)濟性比傳統(tǒng)的單一利用空氣預(yù)熱器出口煙氣余熱加熱凝結(jié)水的常規(guī)方案有顯著提高，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯。

4 余熱利用系統(tǒng)優(yōu)化的進一步討論

4.1 傳熱過程和節(jié)能機理分析

圖5 給出了常規(guī)方案與優(yōu)化方案各自煙氣余熱利用過程的T-Q 圖對比。為簡化計算，將鍋爐的一二次風(fēng)的熱工參數(shù)做了平均處理(具體參數(shù)詳見表2)。從圖中可以看出:

(1)優(yōu)化方案中所回收余熱的溫度相比常規(guī)方案有大幅度提高，因此可以排擠更高級抽汽，節(jié)能效果更顯著;

圖5 各方案下煙氣余熱利用系統(tǒng)的T-Q 圖Fig.5 Temperature-quantity of heat analysis of each scheme

(2)高溫?zé)煔庥酂釣槟Y(jié)水的焓升過程提供了較高品位的熱量，而低品位的余熱用于溫度較低的冷空氣的預(yù)熱，從而進一步減小了傳熱過程的損失，改善了系統(tǒng)的換熱匹配。

4.2 對鍋爐其他受熱面的影響

(1)常規(guī)煙氣余熱利用系統(tǒng)中，低溫省煤器布置于鍋爐最后一級受熱面(下級空氣預(yù)熱器)，其傳熱不會對鍋爐其它受熱面的傳熱產(chǎn)生影響;

(2)在優(yōu)化方案中，雖然煙氣余熱回收子系統(tǒng)分流了近20 %的煙氣，但增加冷風(fēng)預(yù)熱器后，空氣預(yù)熱器減少的傳熱量在冷風(fēng)預(yù)熱器中的冷空氣升溫過程中得到了補償;同時，在計算中發(fā)現(xiàn)，由于換熱溫差的改變對傳熱系數(shù)的影響可以忽略。因此，優(yōu)化方案的設(shè)計既不會使空氣預(yù)熱器的傳熱量減少，也不會降低入爐熱風(fēng)溫度而影響鍋爐燃燒;

(3)冬季的冷風(fēng)溫度較低，可以考慮減少低溫省煤器的凝結(jié)水流量，從而提高其出口煙氣溫度，讓更多的熱量進入空氣升溫過程，提高冬季熱風(fēng)溫度，起到穩(wěn)定鍋爐燃燒和大幅度提高鍋爐效率的作用。

5 結(jié) 論

本文通過對煙氣余熱利用系統(tǒng)的熱力學(xué)特性進行了深入分析后發(fā)現(xiàn)，煙氣余熱利用系統(tǒng)經(jīng)濟性的提高，與煙氣余熱回收與利用過程的“能量匹配”密切相關(guān)。與集成低溫省煤器的常規(guī)煙氣余熱利用系統(tǒng)相比，基于能量梯級利用方法對典型百萬kW 燃煤機組所設(shè)計的優(yōu)化系統(tǒng)具有以下明顯優(yōu)勢:

(1)基于能量梯級利用設(shè)計的優(yōu)化系統(tǒng)，符合“溫度對口，梯級利用”的科學(xué)用能原則，大幅度提高了系統(tǒng)的熱力特性;

(2)優(yōu)化系統(tǒng)不僅能使系統(tǒng)節(jié)能獲得最優(yōu)經(jīng)濟效益，而且最大限度減少了煙氣余熱利用系統(tǒng)優(yōu)化過程對機組運行的影響;

(3)優(yōu)化方案中，煙氣回收子系統(tǒng)進出口的煙溫水平均較高，煙氣與凝結(jié)水換熱器的換熱表面溫度遠離酸露點，高低溫兩級換熱器均可采用單級煙水換熱器，設(shè)備系統(tǒng)簡單，換熱損失更小;

(4)增設(shè)的冷風(fēng)預(yù)熱器采用熱管式換熱器，可以同時滿足冬季加熱低溫空氣和降低工程造價的需要。

值得一提的是，優(yōu)化系統(tǒng)中各節(jié)點的溫度參數(shù)的優(yōu)選，對提高機組經(jīng)濟性能有重要影響，仍需作進一步研究。

［1］中華人民共和國中央人民政府.《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》［R］.2011.

［2］中華中華人民共和國工業(yè)和信息化部.《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》［R］.2012.

［3］黃新元，孫奉仲，史月濤.電廠熱系統(tǒng)增設(shè)低壓省煤器的節(jié)能效果［J］.熱力發(fā)電廠，2007，37 (3):56 －58.

［4］葉勇健，申松林.歐洲高效燃煤電廠的特點及啟示［J］.電力建設(shè)，2011，32 (1):54 －58.

［5］趙之軍，馮偉忠，張玲，等.電站鍋爐排煙余熱回收的理論分析與工程實踐［J］.動力工程，2009(11):994 － 997.

［6］林萬超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論［M］.西安交通大學(xué)出版社，1994.

［7］黃新元，王立平.火力發(fā)電廠低壓省煤器系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計的通用數(shù)學(xué)模型［J］.站系統(tǒng)工程，1999 (5):20 －25.

［8］陸萬鵬，孫奉仲，史月濤，等.前置式液相介質(zhì)空氣預(yù)熱器經(jīng)濟性分析及熱力系統(tǒng)優(yōu)化［J］.中國電機工程學(xué)報，2011 (11):6 －10.

［9］Espatolero S，Cortes C，Romeo LM.Optimization of boiler cold-end and integration with the steam cycle in supercritical units.Applied Energy，2010 (87):1651 －1660.

［10］Chaojun W，Boshu H，Shaoyang S，etal.Application of a low pressure economizer for waste heat recovery from the exhaust flue gas in a 600 MW power plant.Energy，Available online 20 February 2012.

［11］吳仲華.能的梯級利用與燃氣輪機總能系統(tǒng)［M］.機械工業(yè)出版社，1988.

［12］金紅光，張國強，高林，等.總能系統(tǒng)理論研究進展與展望［J］.機械工程學(xué)報，2009，45 (3):39 －48.

［13］李紅華.提高對多種品位能量利用的認識，促進能量高效利用［J］.節(jié)能，2007，(1):14 －16.

［14］戈志華，胡學(xué)偉，楊志平.能量梯級利用在熱電聯(lián)產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報，2010，37 (1):66 －68.