鍋爐深度利用煙氣余熱變能級系統(tǒng)的原理與設(shè)計

常家星，段君寨，黃新元， 高鵬

(1.國網(wǎng)能源伊犁煤電有限公司，新疆 伊寧835000； 2.華電國際山東分公司，濟南 250101； 3.山東大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，濟南 250061； 4.山東泓奧電力科技有限公司，濟南 250101)

0 引言

隨著國內(nèi)節(jié)能減排形勢的發(fā)展，鍋爐煙氣余熱利用領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新的變化，這些變化可歸納為：(1)鍋爐排煙溫度從早期的125～130 ℃，下降到90～100 ℃，以最大限度地回收排煙余熱；(2)節(jié)能與環(huán)保密切協(xié)同，如低低溫省煤器配靜電除塵技術(shù)，在明顯提高除塵效率的同時，降低煙氣露點；(3)排煙溫度很高的機組越來越少，余熱的能級水平越來越低；(4)隨著火電機組全部完成選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)改造，鍋爐空氣預(yù)熱器的硫酸氫銨腐蝕和堵灰問題凸顯出來，除控制氨逃逸之外，提高空氣預(yù)熱器冷端綜合溫度也是有效措施之一。

本文介紹了一種鍋爐深度利用煙氣余熱變能級系統(tǒng)(以下簡稱變能級系統(tǒng))，其特點可概括為：(1)煙氣余熱同時用于加熱送風(fēng)和汽輪機凝結(jié)水，取得余熱能級提高和保護(hù)空氣預(yù)熱器的雙重效益；(2)將鍋爐出口煙氣溫度降至煙氣露點以下，達(dá)到深度節(jié)能和初級脫硫之目標(biāo)。該技術(shù)已獲得國家發(fā)明專利(ZL 2010 1 0242930.X)。

1 變能級系統(tǒng)組成

變能級系統(tǒng)由高能級段(HES)、低能級段(LES)和空氣加熱段(AHS)3個單元組成，如圖1所示。所回收煙氣余熱分成2個部分：HES用于加熱汽輪機凝結(jié)水，排擠抽汽、增發(fā)功率來實現(xiàn)節(jié)能；LES借助閉式循環(huán)水和AHS,加熱入爐冷風(fēng)，提高空氣預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)溫度和排煙溫度，實施對空氣預(yù)熱器的保護(hù)。LES在提升進(jìn)風(fēng)溫度的同時，使排煙余熱和凝結(jié)水吸熱的能級提高，增益HES的標(biāo)煤節(jié)省量。機組負(fù)荷、煤質(zhì)變化時的調(diào)整由一個控制器(CSD)來執(zhí)行。LES采用石墨改性漆膜鋼作為傳熱元件、安裝高聲強聲波吹灰器來應(yīng)對極低煙溫下的受熱面低溫腐蝕和積灰問題。

圖1 變能級系統(tǒng)示意圖

2 設(shè)計方案

2.1 機組概況

某電廠#3鍋爐為1 025 t/h自燃循環(huán)汽包爐，配335 MW純凝發(fā)電機組。設(shè)計煤種為煙煤，設(shè)計鍋爐效率為92.5%，設(shè)計排煙溫度為134 ℃，實際運行時夏季滿負(fù)荷排煙溫度為135 ℃，年平均排煙溫度為120 ℃。空氣預(yù)熱器為三分倉回轉(zhuǎn)式。濕法脫硫系統(tǒng)已取消煙氣換熱器(GGH)。汽輪機組為335 MW亞臨界純凝機組，回?zé)嵯到y(tǒng)為典型的四低三高一除氧型。設(shè)計熱耗率為8 140 kJ/(kW·h)。

2.2 布置與參數(shù)

圖2為所設(shè)計變能級系統(tǒng)的總體布置圖。按照低低溫靜電除塵器原理，將HES布置于靜電除塵器前，煙溫降至90 ℃，冷卻介質(zhì)為汽輪機凝結(jié)水；LES布置于脫硫塔前，煙溫降至75 ℃，冷卻介質(zhì)為鍋爐冷風(fēng)。在LES與AHS之間以閉式水傳遞熱量。按常用負(fù)荷75%機組熱耗保證工況(THA)設(shè)計。原始排煙溫度120 ℃。在冬季工況下，關(guān)閉閥3、閥4、閥5，開啟閥1、閥2，HES與LES合并加熱鍋爐送風(fēng)，排煙溫度從104 ℃降到97.5 ℃，實現(xiàn)冬季熱風(fēng)加熱零汽耗。

圖2 變能級系統(tǒng)總體布置示意圖

變能級裝置布置于兩側(cè)煙道，截面尺寸4 400 mm×8 800 mm，其中HES的傳熱元件采用H型翅片管，LES的傳熱元件采用雙縱肋管。受熱面材質(zhì)按金屬壁溫分段選擇。設(shè)計總傳熱面積31 200 m2,傳熱設(shè)備總質(zhì)量530 t，系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 主要設(shè)計性能參數(shù)(75%THA)

3 若干設(shè)計說明

3.1 能級提升

變能級余熱利用系統(tǒng)與常規(guī)低壓省煤器的最大區(qū)別是其運用了能級提升原理，現(xiàn)結(jié)合設(shè)計方案加以說明：利用煙氣余熱加熱空氣后，空氣預(yù)熱器進(jìn)口風(fēng)溫升高22.1 ℃，空氣預(yù)熱器出口煙溫升高11.3 ℃，煙溫升高就是煙氣能級的提升，煙氣能級提升后用于加熱凝結(jié)水即可獲得比常規(guī)低壓省煤器更多的排擠功。為此，變能級系統(tǒng)將加熱空氣裝置后置，高的煙溫首先加熱汽輪機凝結(jié)水，隨后再去加熱空氣，這個位置的顛倒，是能級提升的關(guān)鍵。參照表1和表2，HES的煙溫降區(qū)域是89.4～131.3 ℃，平均抽汽效率為0.173 1，若設(shè)計為常規(guī)低壓省煤器時，相應(yīng)煙溫降區(qū)域為78～120 ℃，平均抽汽效率僅為0.138 4。

3.2 鍋爐效率

某電廠的空氣預(yù)熱器出口煙溫(排煙溫度)升高11.3 ℃，鍋爐效率升高0.135個百分點，這與常識似乎相悖。分析其原因在于升高溫度后的排煙并未終結(jié)向空氣傳熱過程。設(shè)計方案是將LES繼續(xù)加熱空氣的煙溫降低14 ℃，扣除排煙溫度升高值11.3 ℃，其差值為2.7 ℃，即加熱空氣多消耗的煙溫降(稱爐內(nèi)煙溫降)，以此計算鍋爐效率升高為0.135個百分點。

實際上，依據(jù)GB/T 10184—1988 《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》的排煙損失Q2計算公式，同樣可以得出結(jié)論：鍋爐效率隨排煙溫度升高而增加。

Q2=(Vgycgy+VH2OcH2O)(tPY-t0) ，

式中：tPY為排煙溫度，℃；t0為空氣預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)溫度，℃；Vgy為干煙氣質(zhì)量體積，m3/kg(標(biāo)態(tài)，下同)；VH2O為水蒸氣質(zhì)量體積，m3/kg；cgy為干煙氣比熱容，kJ/(m3·℃)(標(biāo)態(tài)，下同)；cH2O為水蒸氣比熱容，kJ/(m3·℃)。

上式中，tpy隨t0的升高而升高，但其差值(tpy-t0)減小，故Q2損失降低。

以上分析結(jié)果表明，當(dāng)排煙溫度的增加是由于非外來熱量加熱進(jìn)風(fēng)而引起時，排煙損失不僅不升高，反而降低。這里的非外來熱量是指環(huán)境溫度或排煙余熱，不包括用汽輪機抽汽加熱的暖風(fēng)器。

3.3 空氣預(yù)熱器冷端保護(hù)

國內(nèi)電廠普遍投運爐外脫硝裝置后，需應(yīng)對空氣預(yù)熱器的冷端腐蝕、堵灰和差壓增大的問題。除降低氨的逃逸率之外，提高空氣預(yù)熱器冷端綜合溫度也是有效措施之一。設(shè)計方案是在非冬季工況下，利用煙氣余熱提升空氣溫度22.1 ℃，提高排煙溫度11.3 ℃，提高冷端綜合溫度33.4 ℃；在冬季工況下，利用煙氣余熱提升空氣溫度41.6 ℃，提高排煙溫度28 ℃，提高冷端綜合溫度69.6 ℃。因此，變能級系統(tǒng)還具有常年減緩空氣預(yù)熱器腐蝕、積灰，減小空氣預(yù)熱器差壓的功能。

3.4 受熱面腐蝕、堵灰對策

(1)材質(zhì)選擇。該工程煙氣露點99.4 ℃，最低壁溫90 ℃為有限腐蝕區(qū)下界，75 ℃為酸結(jié)露腐蝕區(qū)下界，65 ℃為水結(jié)露腐蝕區(qū)下界。按以下原則選擇金屬材料：管排最低壁溫高于90 ℃時，選用20 G鋼；管排最低壁溫在75～90 ℃區(qū)間，選用ND鋼；管排最低壁溫低于75 ℃，選用ZS-1041鋼(石墨改性漆膜鋼)。以上3種材料的相應(yīng)傳熱面積比例為0.37∶0.40∶0.23。所研制的ZS-1041材料的防腐蝕性能與其他材料的對比試驗結(jié)果見表3。

表3 試件在φ(H2SO4)=10%溶劑中的腐蝕速率

(2)壁溫控制。各級受熱面均設(shè)計進(jìn)口水溫的調(diào)節(jié)裝置，在任意負(fù)荷下保持與該級金屬材料的匹配。

(3)傳熱管結(jié)構(gòu)。LES的傳熱元件采用小直徑低直翅光管,其防積灰性能優(yōu)于“H”型翅片管。

(4)設(shè)置清灰裝置。在LES安裝可調(diào)頻高聲強吹灰器，實施運行連續(xù)吹灰；安裝高壓離線清洗裝置，停爐期間一次性徹底清灰。

4 變能級系統(tǒng)與常規(guī)低壓省煤器的比較

本文主要比較變能級系統(tǒng)與常規(guī)低壓省煤器的熱經(jīng)濟性。

4.1 比較原則

(1)兩種系統(tǒng)的設(shè)計傳熱面積、設(shè)備質(zhì)量相同。

(2)兩種系統(tǒng)的最低管排壁溫相同。

(3)冬季工況維持風(fēng)溫升相同，非冬季工況低壓省煤器水量按最佳水量選取[2]。

4.2 計算方法

(1)變能級系統(tǒng)。在非冬季工況下，HES的熱量用于機側(cè)，采用等效熱降法計算其熱經(jīng)濟性。LES的熱量用于爐側(cè)，采用常規(guī)算法計算鍋爐效率?？偟臒峤?jīng)濟性為機側(cè)、爐側(cè)兩部分之和。在冬季工況下，高、低能級段的全部煙氣用于加熱鍋爐送風(fēng)，效益按其所節(jié)省的常規(guī)暖風(fēng)器抽汽計算。

(2)常規(guī)低壓省煤器。按等效焓降法計算熱經(jīng)濟性。在冬季工況下，低壓省煤器進(jìn)口煙溫按暖風(fēng)器投入后的排煙溫度選取。

4.3 比較結(jié)果

變能級系統(tǒng)與常規(guī)低壓省煤器的節(jié)能量比較見表2。

表中數(shù)據(jù)表明，變能級系統(tǒng)與常規(guī)低壓省煤器方案相比，按冬季運行3個月，非冬季運行9個月計算，全年可多節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤0.59 g/(kW·h)，空氣預(yù)熱器提高冷端綜合溫度33.4 ℃，常規(guī)低壓省煤器沒有這一功能。在冬季工況下，變能級系統(tǒng)排擠的抽汽的能級(除氧器)高于常規(guī)低壓省煤器(2，3級)，故冬季工況的節(jié)能量也是前者多于后者。

5 不同煙溫降方案的比較

為評定降煙溫至75 ℃的技術(shù)經(jīng)濟合理性，選擇2個不同煙溫降方案進(jìn)行比較。方案1從120 ℃降低到75 ℃，方案2為比對方案，從120 ℃降低到95 ℃。主要結(jié)果見表4。

表4 不同煙溫降方案計算結(jié)果匯總

表4中標(biāo)煤價格按650元/t計算。在此煤價下，方案1的回收期略優(yōu)于方案2。如果煤價下降，則投資回收期延長，方案1不及方案2，反之若煤價升高，方案1的優(yōu)越性則比較明顯。

6 結(jié)論

(1)變能級系統(tǒng)利用變能級原理使低煙溫區(qū)加熱鍋爐送風(fēng)、高煙溫區(qū)加熱汽輪機凝結(jié)水，既可以提高空氣預(yù)熱器的金屬壁溫，又可以增加排擠抽汽的能級，可比常規(guī)低壓省煤器節(jié)省供電煤耗0.5～0.6 g/(kW·h)。鍋爐的原始排煙溫度越低，變能級系統(tǒng)相對常規(guī)低壓省煤器的標(biāo)煤節(jié)省越多。

(2)對低低溫?zé)煔猸h(huán)境下的抗腐蝕材料ZS-1041進(jìn)行了試驗研究，按照腐蝕速率從小到大的排序習(xí)慣，依次排序為：ZS-1041，ND，12Cr1MoV，T91，20G。

(3)在采取有效措施后，變能級系統(tǒng)可將煙溫深度降低到露點以下。技術(shù)經(jīng)濟比較結(jié)果表明，降低到75 ℃的變能級系統(tǒng)，其投資回收年限略小于降低到95 ℃的變能級系統(tǒng)。入廠煤價越高，投資回收年限的差異越大。

(4)對于利用煙氣自身余熱加熱鍋爐送風(fēng)的系統(tǒng)，鍋爐效率會隨著排煙溫度的升高而增加。大致的定量關(guān)系為，排煙溫度每升高1 ℃，鍋爐效率提高約0.012個百分點。

(5)變能級系統(tǒng)尤其適用于原始排煙溫度較低的鍋爐(115～125 ℃)。該系統(tǒng)能夠達(dá)到節(jié)省標(biāo)煤、空氣預(yù)熱器冷端保護(hù)、低低溫提高靜電除塵器效率、降低煙風(fēng)機電耗的效果。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]黃新元,平亞明，孫奉仲，等. 火電廠低壓省煤器系統(tǒng)的最優(yōu)水量分配[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2003(5):526-531.