新型氟塑料低溫省煤器在火電廠中的應(yīng)用

王天堃

(神華國能集團(tuán)有限公司，北京 100033)

0 引言

國內(nèi)很多火電機(jī)組由于堵塞和腐蝕的原因取消了脫硫煙氣換熱器(GGH)，但造成了煙氣余熱的巨大浪費(fèi)，而在燃煤鍋爐尾部受熱面增設(shè)低溫省煤器是降低排煙溫度的可行方案。低溫省煤器所吸收的熱量可用來加熱凝結(jié)水或通過暖風(fēng)器加熱空氣提高送風(fēng)溫度，減少低壓加熱器或者暖風(fēng)器的抽汽量，增加汽輪機(jī)做功，提高機(jī)組效率，并可根據(jù)季節(jié)和煤質(zhì)靈活調(diào)節(jié)排煙溫度，其在國內(nèi)已有較廣泛的成功應(yīng)用。

燃煤鍋爐最低排煙溫度受到煙氣露點(diǎn)限制，而煙氣露點(diǎn)不但取決于煙氣含硫量，而且受煙氣中水蒸氣壓力影響。鍋爐尾部冷端受熱面壁溫低于煙氣露點(diǎn)，會(huì)發(fā)生受熱面結(jié)露、積灰、腐蝕損壞，影響鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行。已投運(yùn)的大部分燃煤鍋爐，低溫省煤器壁溫均低于煙氣露點(diǎn)，因此，研究新型、高效、防腐的低溫省煤器十分必要。本文以某660 MW超臨界空冷燃煤機(jī)組為例，分析新型氟塑料低溫省煤器及其工程應(yīng)用技術(shù)方案。

1 新型氟塑料低溫省煤器

國內(nèi)外對各種材料的低溫腐蝕特性做了大量研究，氟塑料被認(rèn)為是一種理想的材質(zhì)。新型氟塑料低溫省煤器采用小直徑薄壁軟管，表面光滑不易結(jié)垢，具有極強(qiáng)的耐腐蝕性，可有效防止低溫酸腐蝕，最大限度地利用煙氣余熱，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

1.1 物理化學(xué)特性

氟塑料屬化學(xué)惰性材料，具有良好的耐熱性和耐寒性，是已知固體材料中表面自由能最低的材料之一，幾乎所有材料都不能黏附在其表面，因此，氟塑料用作低溫省煤器時(shí)管壁表面基本不結(jié)垢。同時(shí)，由于其表面分子對其他分子吸引力小，因而摩擦系數(shù)非常小，對流體產(chǎn)生的流動(dòng)摩擦阻力也較小[1]。國內(nèi)外研究結(jié)果表明，氟塑料管具備較強(qiáng)的承壓和耐腐蝕能力，適用于低溫省煤器中長期承壓和腐蝕的工況。

1.2 換熱性能

普通氟塑料的導(dǎo)熱系數(shù)是金屬的1/30～1/10，氟塑料低溫省煤器所需的換熱面積大約是金屬換熱器的3倍，導(dǎo)熱熱阻大是氟塑料的主要缺陷。氟塑料低溫省煤器在設(shè)計(jì)上采用薄壁小直徑管，采用大量小直徑管密集排列技術(shù)，克服了氟塑料導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點(diǎn)，使其可在高腐蝕環(huán)境下取代金屬低溫省煤器。同時(shí)，由于其具有不黏附的特點(diǎn)，管壁內(nèi)外均不易結(jié)垢，而金屬換熱器易結(jié)垢，運(yùn)行一段時(shí)間后，二者傳熱系數(shù)差值縮小，長期運(yùn)行具有優(yōu)勢[1]。

2 技術(shù)方案比較

擬應(yīng)用氟塑料低溫省煤器的660 MW燃煤空冷機(jī)組，在汽輪機(jī)最大連續(xù)出力(T-MCR)工況下主要相關(guān)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)背壓，11 kPa；七段抽汽壓力0.078 MPa、抽汽溫度93.3 ℃，對應(yīng)凝結(jié)水泵出口水溫48 ℃；#7低壓加熱器(以下簡稱低加)出口水溫，88.74 ℃；引風(fēng)機(jī)后煙氣溫度(設(shè)計(jì)煤種)，123.4 ℃。

2.1 氟塑料低溫省煤器應(yīng)用方案

從煙氣余熱回收利用角度考慮，如采用氟塑料低溫省煤器直接換熱方式，系統(tǒng)簡單，無電耗，但占地比較大，無法在尾部煙道完全布置。為解決此問題，可采取以水為中間換熱媒介的“熱轉(zhuǎn)移”系統(tǒng)[2]，主要有3種方式：加熱凝結(jié)水、加熱熱網(wǎng)循環(huán)水、預(yù)熱冷風(fēng)(一次及二次風(fēng))。

(1)加熱凝結(jié)水。提高全廠的熱效率，降低煤耗，增加發(fā)電量。安裝煙氣回?zé)峒訜崞骷八畵Q熱器，使煙氣在閉式水和煙氣回?zé)峒訜崞鲀?nèi)進(jìn)行熱交換；吸收煙氣余熱后的閉式水進(jìn)入水水換熱器內(nèi)與凝結(jié)水進(jìn)行熱交換，再將熱量帶入主凝結(jié)水系統(tǒng)。

(2)加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。替代(或部分替代)常規(guī)的熱網(wǎng)加熱器，節(jié)省了熱網(wǎng)加熱器的加熱蒸汽量，增加了發(fā)電量。凝結(jié)水(或熱網(wǎng)水)加熱系統(tǒng)如圖1所示。

(3)預(yù)熱冷風(fēng)。用水水換熱的暖風(fēng)器替代(或者部分替代)常規(guī)蒸汽暖風(fēng)器，即以一次循環(huán)水為熱媒，將在煙氣側(cè)吸收的熱量釋放給一次、二次冷風(fēng)。將進(jìn)入空氣預(yù)熱器(以下簡稱空預(yù)器)前的冷風(fēng)預(yù)加熱，以減少常規(guī)蒸汽暖風(fēng)器的輔助蒸汽用量，增加機(jī)組做功量，提高全廠發(fā)電效率，并能夠預(yù)防空預(yù)器受熱面低溫段酸腐蝕，達(dá)到“雙贏”的效果。空氣預(yù)熱系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 空氣預(yù)熱系統(tǒng)

2.2 換熱量計(jì)算分析

氟塑料低溫省煤器性能設(shè)計(jì)邊界參數(shù)見表1。

總傳熱系數(shù)

表1 性能設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)

式中：h1,h2為管內(nèi)、外換熱系數(shù)；λ為管道導(dǎo)熱系數(shù)；δ為管壁厚度。

氟塑料低溫省煤器的換熱量

Q=kAΔtm，

(2)

(3)

式中：A為換熱面積；Δtm為平均溫差；Δtmax為最高溫度；Δtmin為最低溫度。

根據(jù)所述水媒間接加熱技術(shù)方案和傳熱學(xué)理論，相關(guān)參數(shù)采用氟塑料材質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)。煙氣通過低溫省煤器后溫度從123.4 ℃降到95.6 ℃，2 930.1 t/h煙氣放熱量為23.90 MW；低溫省煤器水側(cè)的溫度從50.2 ℃升高到88.8 ℃，每小時(shí)吸熱量為22.29 MW。從煙氣和閉循環(huán)水的換熱量方面分析，該技術(shù)方案是可行的。

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

為選擇經(jīng)濟(jì)性最佳的余熱利用方案，分別對凝結(jié)水、熱網(wǎng)水、冷風(fēng)預(yù)熱方案進(jìn)行熱力性能計(jì)算，核算汽輪機(jī)熱耗率降低值、廠用電率增加值、煤耗率降低值和節(jié)水量[3]。凝結(jié)水預(yù)熱方案的年利用小時(shí)數(shù)按5 500 h計(jì)算，熱網(wǎng)水和冷風(fēng)預(yù)熱方案的年利用小時(shí)數(shù)按2 750 h計(jì)算；熱網(wǎng)水預(yù)熱方案與輔汽供熱方案進(jìn)行對比，因此只考慮發(fā)電部分的經(jīng)濟(jì)效益；冷風(fēng)預(yù)熱方案中，氟塑料煙氣冷卻器、氟塑料暖風(fēng)器的新增煙氣流阻都取0.5 kPa。計(jì)算結(jié)果見表2～表5(T-MCR工況)。

表2 汽輪機(jī)熱耗率降低值及節(jié)煤量計(jì)算

表3 廠用電量增加值及耗煤量計(jì)算

表4 綜合節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤、節(jié)水量計(jì)算

表5 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

由計(jì)算結(jié)果可知，由于輔助蒸汽參數(shù)比七段抽汽參數(shù)高，熱網(wǎng)水、冷風(fēng)預(yù)熱方案降低熱耗率的效果更為顯著。但熱網(wǎng)水、冷風(fēng)預(yù)熱方案年利用小時(shí)數(shù)低，1年僅投運(yùn)6個(gè)月，其年節(jié)水量大大小于凝結(jié)水預(yù)熱方案。按該廠所處區(qū)域標(biāo)煤價(jià)格為145.31元/t，工業(yè)水價(jià)4.5元/t計(jì)算，冷風(fēng)預(yù)熱方案由于年利用小時(shí)數(shù)小、廠用電量增加值較大，綜合經(jīng)濟(jì)效益最差，凝結(jié)水預(yù)熱方案綜合經(jīng)濟(jì)效益最佳，因此采用加熱凝結(jié)水方案。

3 工程應(yīng)用

某660 MW燃煤空冷機(jī)組低溫省煤器煙氣余熱回收系統(tǒng)采用水媒間接二次換熱，所有換熱管和布管系統(tǒng)采用氟塑料材料，由1組煙氣換熱器和1組水水換熱器組成。換熱器之間由管道連接，以閉式水為換熱介質(zhì)，閉式循環(huán)水質(zhì)為除鹽水。閉式循環(huán)水在低溫省煤器中吸收煙氣熱量，然后通過循環(huán)水泵輸送到布置在汽輪機(jī)房內(nèi)的水水換熱器，把熱量傳給凝結(jié)水，通過改變凝結(jié)水的流量可以改變排煙溫度或者凝結(jié)水出口溫度。

該機(jī)組較低的排煙溫度(123.4 ℃)和較高的#7低加出口水溫(88.74 ℃)決定了水/水換熱器在熱力系統(tǒng)的接入位置。采用并聯(lián)方式從#7低加入口的凝結(jié)水管道抽出部分凝結(jié)水到水/水換熱器加熱后回到#6低加入口的連接方式最為合適。

氟塑料低溫省煤器布置在電除塵器后，換熱器管束為U型設(shè)計(jì)，低溫省煤器管束通過起重機(jī)從煙道頂部安裝就位。煙氣由123.4 ℃冷卻至95.6 ℃，閉式循環(huán)水從50.2 ℃加熱到88.8 ℃，再通過水/水換熱器，把凝結(jié)水從48.0 ℃加熱至86.0 ℃。低溫省煤器冷端實(shí)際壁溫在酸露點(diǎn)以下，整個(gè)換熱表面存在低溫酸露點(diǎn)腐蝕，由于采用耐腐蝕的氟塑料材質(zhì)，可以完全抵御酸露點(diǎn)腐蝕，在這種工況下長期穩(wěn)定工作。同時(shí)，可將煙氣降至更低的溫度，從而回收更多的熱量，大幅度減少脫硫島的整體水耗，提升整個(gè)電廠的熱效率。

4 結(jié)束語

綜上所述，氟塑料低溫省煤器具有強(qiáng)耐腐蝕性、低導(dǎo)熱系數(shù)以及小直徑管密集排列結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，雖然造價(jià)較金屬低溫省煤器高，但通過性能計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性分析，其可利用的煙氣余熱較多，運(yùn)行壽命長，維護(hù)費(fèi)用低，工程應(yīng)用效果良好。若長期運(yùn)行，氟塑料低溫省煤器經(jīng)濟(jì)性更佳。

參考文獻(xiàn)：

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[3]劉朝暉.火力發(fā)電廠排煙及循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.