電站鍋爐煙氣余熱利用與空氣預熱器綜合優(yōu)化

宋景慧， 闞偉民， 許 誠， 徐 鋼， 宋曉娜

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院，廣州510080；2.華北電力大學 國家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京102206；3.北京信息科技大學 機電實習中心，北京100192）

隨著能源價格的不斷攀升以及節(jié)能要求的日漸嚴格，電站鍋爐尾部煙氣的余熱利用受到廣泛關(guān)注［1－5］.目前，應用最廣泛的電站鍋爐尾部煙氣余熱利用方式是在尾部煙道加裝換熱器（通常稱為“低溫省煤器”），利用電站鍋爐的低溫煙氣余熱來加熱汽輪機凝結(jié)水，從而替代部分汽輪機抽汽、增加機組出力.發(fā)達國家較早就已對燃煤電站鍋爐的煙氣余熱工程進行了研究.例如，德國黑泵（Schwarze Pumpe）電廠2×855MW褐煤發(fā)電機組在靜電除塵器和煙氣脫硫塔之間加裝了煙氣冷卻器，利用煙氣加熱回熱系統(tǒng)凝結(jié)水［6］.在國內(nèi)，開封電廠、長春第二熱電廠和龍口電廠等200MW級以下機組針對排煙溫度過高的問題，對電站鍋爐進行了節(jié)能改造，利用低溫省煤器回收鍋爐煙氣余熱，使排煙溫度降低25～30K［7－8］；上海外高橋電廠在三期2×1 000MW機組中采用“廣義回熱系統(tǒng)”，即利用鍋爐排煙的低溫余熱（鍋爐排煙溫度從125℃降到85℃）替代部分汽輪機抽汽加熱凝結(jié)水［9］，從而獲得一定的節(jié)能效益.在理論研究方面，黃新元等［10］結(jié)合某200MW電站機組余熱利用工程示范，對等效焓降法在計算煤耗方面的應用作了進一步介紹與分析.陸萬鵬等［11］指出了前置式液相空氣預熱器替代暖風機引起排煙溫度升高的問題，并分析了通過加裝低溫省煤器進行煙氣余熱回收而帶來的節(jié)煤效益.綜上所述，目前針對燃煤鍋爐低溫煙氣余熱利用的研究多側(cè)重于工程分析和回收余熱裝置的局部優(yōu)化［10－13］，鮮有學者發(fā)現(xiàn)由于低溫省煤器布置在空氣預熱器后，其所處煙氣溫度較低，使得節(jié)能效果受到嚴重制約；同時也少有研究者提及進行余熱利用改造過程中的技術(shù)經(jīng)濟和運行成本問題.

因此，筆者突破傳統(tǒng)余熱利用中低溫省煤器入口煙溫的限制，對電站鍋爐包括空氣預熱器、低溫省煤器在內(nèi)的鍋爐尾部受熱面進行全面優(yōu)化，實現(xiàn)了煙氣分級加熱空氣；同時，通過改變關(guān)鍵熱力參數(shù)的設(shè)定，優(yōu)化煙氣熱能在兩級空氣預熱器和低溫省煤器中的分配，從而改變低溫省煤器所處的煙氣溫度范圍，大幅提高其入口煙溫水平與節(jié)能效果；最后結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟性分析，得出符合工程實際運行的最優(yōu)工況.

1 傳統(tǒng)電站鍋爐余熱利用系統(tǒng)熱力學分析

1.1 余熱利用系統(tǒng)節(jié)能效益模型

圖1給出了傳統(tǒng)燃煤電站鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)，即在空氣預熱器后的煙氣通道中安裝低溫省煤器，利用空氣預熱器后的排煙余熱加熱凝結(jié)水，從而節(jié)省了部分回熱抽汽，節(jié)省的抽汽在汽輪機中做功，實現(xiàn)了在燃煤量和主蒸汽流量不變的情況下，機組出力增加，從而提高了機組發(fā)電功率，降低了機組供電煤耗.

圖1 傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)簡圖Fig.1 Schematic diagram of the traditional waste heat recovery system

在分析余熱回收系統(tǒng)節(jié)能效益時，既要考慮回收煙氣的熱量，又要考慮與低溫省煤器連接的回熱系統(tǒng)的熱力參數(shù).筆者在分析節(jié)能收益時主要采用等效焓降法，它是一種基于熱功轉(zhuǎn)換原理，考慮設(shè)備質(zhì)量、熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的特點，用以研究熱工轉(zhuǎn)換及能量利用程度的方法［14］.在余熱回收過程中，煙氣熱量經(jīng)低溫省煤器回收，對應的回熱抽汽量減少，回熱系統(tǒng)的微小變化不會引起各級抽汽量全部變化，只對某幾級的抽汽量產(chǎn)生影響，系統(tǒng)所有少抽蒸汽所增加的發(fā)電功率都會使汽輪機功率增加.在針對純熱量加入系統(tǒng)時，等效焓降法只考慮其對部分系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，使得計算簡單且結(jié)果符合工程需要.

根據(jù)等效焓降法的基本概念，對于有回熱抽汽的汽輪機組，煙氣放熱Q利用在能級j的回熱加熱器上，從而節(jié)省j的回熱抽汽，使系統(tǒng)新蒸汽等效焓降增加

系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性相對提高

煤耗率降低值

式中：ηj為j級回熱加熱器的抽汽系數(shù)；H 為新蒸汽等效焓降；qm為主蒸汽質(zhì)量流量.

根據(jù)式（3），煤耗率降低值與新蒸汽等效焓降增加值基本成正比，新蒸汽等效焓降又與回熱級數(shù)j相關(guān).因此，在煙氣放熱量保持不變的條件下，低溫省煤器連接回熱器的級數(shù)越高，節(jié)省回熱抽汽的做功能力越強，所帶來的節(jié)能效益越可觀.

1.2 傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)節(jié)能效益分析

選取某典型1 000MW超超臨界燃煤機組為研究對象，鍋爐原排煙溫度為130℃，考慮到鍋爐煤種、尾部煙道添加防腐材料及酸露點腐蝕等因素，低溫省煤器后排煙溫度設(shè)定為85℃，其熱力系統(tǒng)主要參數(shù)見表1.

表1 各級回熱加熱器的熱力參數(shù)Tab.1 Thermal parameters of various regenerative heaters

在傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)中，低溫省煤器布置在空氣預熱器后，因此低溫省煤器工作溫度范圍為130～85℃.結(jié)合表1數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)中低溫省煤器可以串聯(lián)在7號與8號回熱加熱器、8號回熱加熱器與凝汽器之間.根據(jù)上文分析，串聯(lián)在7號與8號回熱加熱器之間時節(jié)能效果最佳，節(jié)省抽汽做功6.6MW，最終供電煤耗降低1.6g／（kW·h），但節(jié)能效果仍有限.

圖2 傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)最優(yōu)利用方式Fig.2 Optimized operation mode of traditional waste heat recovery system

傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)最優(yōu)利用方式見圖2.由圖2可知，在熱力學最優(yōu)利用方式下，傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)僅能節(jié)省供電煤耗1.6g／（kW·h），這主要是受低溫省煤器所處煙氣溫度范圍較低和煙氣品位較差的限制造成的.因而，回收余熱只能用來加熱低溫凝結(jié)水（8號回熱加熱器出口凝結(jié)水），節(jié)省做功能力較差的回熱抽汽（7號回熱加熱器抽汽），導致節(jié)能效果不佳.

2 空氣預熱與煙氣余熱利用的尾部受熱面綜合優(yōu)化

2.1 優(yōu)化思路

針對傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)中低溫省煤器的煙氣溫度低，導致只能替代較低參數(shù)回熱抽汽，節(jié)能效果有限的問題，筆者提出了結(jié)合空氣預熱與煙氣余熱利用的尾部受熱面綜合優(yōu)化系統(tǒng)（以下簡稱“優(yōu)化系統(tǒng)”），見圖3.從圖3可以看出，在保證熱風溫度的前提下，將煙氣－空氣換熱系統(tǒng)分兩級布置，省煤器后的排煙進入Ⅰ級空氣預熱器，出口煙氣進入低溫省煤器，加熱回熱系統(tǒng)凝結(jié)水，低溫省煤器的排煙進入Ⅱ級空氣預熱器.兩級煙氣和空氣均為串聯(lián)流動，空氣經(jīng)過Ⅱ級空氣預熱器加熱到一定溫度后，進入Ⅰ級空氣預熱器，完成空氣的全程加熱.

圖3 尾部受熱面綜合優(yōu)化系統(tǒng)簡圖Fig.3 Comprehensive optimization of the boiler tail heating surfaces

相比于傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)，采用煙氣－空氣系統(tǒng)分級布置可使低溫省煤器處于較高溫度區(qū)域，可替代更高級別的蒸汽抽汽，從而實現(xiàn)鍋爐尾部煙氣熱量的優(yōu)化利用，有望大幅改善余熱利用系統(tǒng)的節(jié)能效果.

在優(yōu)化系統(tǒng)中，隨著低溫省煤器進、出口煙氣參數(shù)的變化，可串聯(lián)加熱不同級回熱加熱器中的凝結(jié)水／給水，從而帶來不同的節(jié)能效益.而低溫省煤器與兩級空氣預熱器和回熱系統(tǒng)之間的熱力學參數(shù)又存在較緊密的耦合關(guān)系.因此，對兩級空氣預熱器和低溫省煤器進行熱力學參數(shù)優(yōu)化，便可得出各受熱面間的參數(shù)變化規(guī)律，從而找出系統(tǒng)最優(yōu)熱力學參數(shù)范圍，使系統(tǒng)節(jié)能效益達到最大化.

在優(yōu)化過程中，煙氣、空氣和凝結(jié)水換熱既要遵循傳熱學基本定律，又要滿足工程實際中的限制條件.在工程實際中，為保證換熱效果并考慮實際換熱面積，低溫省煤器和空氣預熱器的換熱節(jié)點溫差要分別保證在10K［15］和15K以上.優(yōu)化系統(tǒng)中各主要熱力參數(shù)見圖4，在穩(wěn)定工況下進、出系統(tǒng)的熱力學參數(shù)（即煙氣進、出口溫度tg1和tg4，空氣進、出口溫度ta1和ta3等）均保持不變，優(yōu)化設(shè)計變量為Ⅱ級空氣預熱器出口空氣溫度ta2（也是I級空氣預熱器進口空氣溫度）.當ta2確定時，I級、Ⅱ級空氣預熱器的換熱量隨之確定，I級空氣預熱器的出口煙氣溫度（也是低溫省煤器的進口煙氣溫度）tg2和Ⅱ級空氣預熱器的入口煙氣溫度（也是低溫省煤器的出口煙氣溫度）tg3也將確定，進而得到低溫省煤器所能加熱的水側(cè)回熱加熱器的級數(shù)及進、出口給水溫度（tin和tout）等相關(guān)參數(shù)，最終根據(jù)等效焓降理論得出系統(tǒng)節(jié)能效益.

圖4 優(yōu)化系統(tǒng)熱力參數(shù)圖Fig.4 Optimization of relevant thermodynamic parameters

圖5給出了優(yōu)化系統(tǒng)中主要熱力參數(shù)隨ta2的變化規(guī)律.由圖5可見，隨著ta2的升高，tg2、tg3近似成線性升高，即低溫省煤器的工作溫度升高.但tg2和tg3隨ta2升高的幅度不是無極限的，如圖中區(qū)域②所示，當ta2升高到240℃時，tg3僅為255℃，隨著ta2繼續(xù)升高，Ⅱ級空氣預熱器的最小溫差將小于15 K，此時在工程上已很難實現(xiàn).因此，圖中區(qū)域②僅為理論可行區(qū)域，考慮工程約束后，低溫省煤器可利用的煙氣溫度范圍為區(qū)域①.

圖5 優(yōu)化系統(tǒng)主要熱力參數(shù)的變化曲線Fig.5 Curves of thermodynamic parameters in the optimized system

2.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)圖5給出的熱力參數(shù)變化曲線，并結(jié)合案例電站回熱系統(tǒng)參數(shù)，圖6給出了在ta2變化時，低溫省煤器進口煙氣溫度tg2和所能替代的最高級回熱加熱器的出口給水溫度tout的變化規(guī)律.由圖6可見，隨著ta2的升高，低溫省煤器進口煙氣溫度升高，可串聯(lián)加熱更高級回熱加熱器給水，節(jié)省更高參數(shù)的回熱抽汽，所能加熱的出口給水溫度也不斷升高.例如，當ta2為25℃時，低溫省煤器進口煙氣溫度為130℃時，即為傳統(tǒng)余熱利用方式，此時低溫省煤器最高僅可替代7號回熱加熱器的抽汽（串聯(lián)在7號和8號回熱加熱器之間），其出口給水溫度tout僅為83.6℃；而當ta2高于217℃時，此時低溫省煤器最高可替代2號回熱加熱器的抽汽（串聯(lián)在2號和3號回熱加熱器之間），其出口給水溫度tout可達239℃.

圖6 低溫省煤器可加熱最高級凝結(jié)水出口溫度的變化曲線Fig.6 Changing curves of outlet temperature of highest stage condensate heated by low－temperature economizer

結(jié)合等效焓降煤耗降低值的計算，圖7給出了ta2變化對最終節(jié)能效果的影響.由圖7可知，隨著ta2的升高，機組供電煤耗不斷降低，由傳統(tǒng)方案下煤耗降低值1.67g／（kW·h），增加到最高可降低近7 g／（kW·h）.

圖7 低溫省煤器串聯(lián)不同回熱加熱器的節(jié)能效果比較Fig.7 Comparison of energy saving effect in the case of low－temperature economizer in series with different regenerative heaters

綜上所述，從熱力學角度考慮，隨著ta2的變化，低溫省煤器可串聯(lián)在不同級回熱加熱器之間，帶來不同的節(jié)能效果.由圖6和圖7可知，ta2在217～240℃內(nèi)變化時，低溫省煤器可串聯(lián)在2號和3號回熱加熱器之間，此時系統(tǒng)的節(jié)能效果最佳，煤耗降低值可達6.7g／（kW·h）.

3 技術(shù)經(jīng)濟性分析

為進一步分析工程實際中煙氣余熱利用給電廠帶來的凈收益，在分析余熱利用系統(tǒng)熱力學節(jié)能效益的同時，也需考慮設(shè)備投資、運行維護所帶來相關(guān)費用的增加［15］.在優(yōu)化過程中，兩級空氣預熱器中煙氣－空氣換熱溫差的變化、低溫省煤器中煙氣與凝結(jié)水傳熱溫差的變化，會導致空氣預熱器和低溫省煤器傳熱面積發(fā)生變化.因此，開展技術(shù)經(jīng)濟性分析對全面分析系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟指標尤為重要.

傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)的初投資僅為低溫省煤器，而在優(yōu)化系統(tǒng)中還需考慮兩級空氣預熱器比原空氣預熱器面積增加帶來的投資.在本文中低溫省煤器和空氣預熱器單位成本分別取750元／m2和770元／m2［9］.在計算年凈收益時，選取技術(shù)經(jīng)濟學領(lǐng)域中等額支付模型［15－17］，凈收益計算公式如下

式中：ΔI為年節(jié)約燃料成本，此處按電廠年運行5 500h，標煤市場價格以1 000元／t計；Cinv為年折合投資成本；C為設(shè)備一次性投資（即增加設(shè)備投資總成本）；n為資金回收年，n＝20；i為貸款利率，i＝8%；CO＆M為年運行費用增加值，假定每年的運行和維護成本一定，此處取一次性投資額的4%［18］.

圖8給出了隨著Ⅱ級空氣預熱器出口空氣溫度ta2的變化，優(yōu)化系統(tǒng)中年節(jié)約燃料成本、年折合投資成本、年運行費用增加值與凈收益的變化關(guān)系曲線.從圖8可以看出，隨著ta2的升高，低溫省煤器可串聯(lián)更高級回熱加熱器，年節(jié)約燃料成本大幅提高.同時還可以看出，在比較加熱同一級凝結(jié)水時，隨著ta2的升高，煙氣－空氣傳熱溫差減小、傳熱面積增大，而低溫省煤器中煙氣－凝結(jié)水傳熱溫差增大，傳熱面積減小，此時系統(tǒng)的設(shè)備投資和運行費用受兩者共同影響，對應每一級凝結(jié)水的綜合影響效果不同；在比較加熱不同級凝結(jié)水時，總的設(shè)備投資和年運行費用增加值隨著加熱級數(shù)的增加而逐漸提高.

圖8 優(yōu)化系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性參數(shù)變化曲線Fig.8 Changing curves of technical－economic parameters in the optimized system

因此，受年節(jié)約燃料成本和年運行費用增加值的共同影響，年凈收益隨著可加熱凝結(jié)水級數(shù)的增加大體為上升趨勢.由圖8可知，在ta2＝217℃、低溫省煤器進／出口煙氣溫度在283℃／236℃時，系統(tǒng)年凈收益達到最優(yōu).

表2給出了優(yōu)化系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)最優(yōu)工況下綜合性能的對比.從表2可以看出，在最優(yōu)工況下，傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)可使機組做功增加6.6MW，而采用優(yōu)化系統(tǒng)時，機組做功可增加25.8MW，供電煤耗降低6.7g／（kW·h），是傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)的4倍多.優(yōu)化系統(tǒng)最佳運行工況點為ta2＝217℃，此時低溫省煤器運行在熱力學最佳工況范圍內(nèi)，可節(jié)省部分2號回熱加熱器抽汽，盡管系統(tǒng)年運行費用增加值達1 600余萬元，但年凈收益仍可達2 100余萬元，是傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)的3倍多，經(jīng)濟效益顯著.

表2 優(yōu)化系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)最優(yōu)運行工況下綜合性能的比較Tab.2 Comprehensive performance comparison between optimized and traditional system

4 優(yōu)化系統(tǒng)綜合性能分析與討論

對優(yōu)化系統(tǒng)的綜合性能進行分析得出：

（1）空氣預熱系統(tǒng)換熱特性大幅改善.圖9給出了傳統(tǒng)系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)最優(yōu)工況下的聯(lián)合換熱曲線.優(yōu)化系統(tǒng)由于實現(xiàn)空氣的分級加熱，進入鍋爐的常溫空氣先被較低溫度的煙氣預熱，而后進入高溫空氣預熱器內(nèi)被加熱，使煙氣與空氣之間的傳熱溫差更小，空氣預熱器傳熱 損失減少，有利于煙氣能量品位的梯級利用［19］.

圖9 傳統(tǒng)系統(tǒng)與優(yōu)化系統(tǒng)中空氣預熱器－低溫省煤器的聯(lián)合換熱曲線Fig.9 Heat transfer comparison between traditional and optimized system

（2）可對Ⅱ級空氣預熱器采用局部防腐處理，以應對Ⅱ級空氣預熱器易出現(xiàn)的腐蝕問題.Ⅱ級空氣預熱器的入口段煙氣、空氣溫度都比較低，容易發(fā)生低溫腐蝕.常規(guī)的回轉(zhuǎn)式空氣預熱器結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效果好，并且較其他空氣預熱器成本投資低、運行費用少，但容易發(fā)生積灰和腐蝕問題，可以采用局部防腐蝕處理，如鍍金屬涂層、部分采用高性能防腐蝕材料等，從而有利于解決此處的煙氣低溫腐蝕問題.

5 結(jié) 論

（1）在原有余熱利用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，把原煙氣－空氣加熱系統(tǒng)分為兩級布置，同時在兩級空氣預熱器之間布置低溫省煤器，并通過調(diào)節(jié)Ⅱ級空氣預熱器的出口空氣溫度，改變空氣在兩級空氣預熱器中的吸熱比例，提高低溫省煤器的工作溫度，可使低溫省煤器加熱較高溫度的凝結(jié)水.經(jīng)流程和參數(shù)的全面優(yōu)化，燃煤發(fā)電機組的效率明顯提高，可降低機組供電煤耗約6.7g／（kW·h）.結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟性分析，綜合考慮系統(tǒng)投資和運行成本，在最優(yōu)運行工況下，年凈收益可達2 100余萬元，經(jīng)濟效益顯著.

（2）所提出的電站鍋爐余熱利用與空氣預熱綜合優(yōu)化系統(tǒng)，通過煙氣－空氣換熱系統(tǒng)的分級布置，用較低溫度煙氣預熱環(huán)境溫度空氣，大幅度降低煙氣－空氣換熱溫差，減少了空氣預熱器的傳熱 損失，使不同品位的煙氣能量在最優(yōu)方式下得到回收利用，傳熱性能大幅改善.

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