深度利用煙氣回熱循環(huán)對于電廠性能及指標的影響

高巖++高緒棟++彭吉偉+++欒濤

摘 要：本文研究了深度利用煙氣回熱循環(huán)技術(shù)對于電廠性能及指標的影響，通過熱量轉(zhuǎn)移和置換能級，使得加熱回熱系統(tǒng)的余熱能級得以提升，系統(tǒng)效率得到提高，燃煤機組發(fā)電煤耗減小。該系統(tǒng)同時具備爐側(cè)煙氣回熱循環(huán)和機側(cè)煙氣回熱循環(huán)的優(yōu)勢，且避免了他們的不足，更加有效提高了機組效率，是燃煤電廠深度節(jié)能減排并安全可靠運行的先進技術(shù)。

關(guān)鍵詞：煙氣回熱循環(huán)；低溫省煤器；高溫省煤器；前置式空預(yù)器

1 前言

煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)在國外較早已得到應(yīng)用，國內(nèi)近年來在該系統(tǒng)的研究中也積累了一定的經(jīng)驗[1]。機側(cè)煙氣回熱循環(huán)是采用前置式熱管空氣預(yù)熱器回收鍋爐廢熱，是近幾年正在逐步推廣的一項新技術(shù)。在空氣預(yù)熱器后安裝前置式熱管空氣預(yù)熱器，冷空氣首先流經(jīng)熱管空氣預(yù)熱器，被加熱到一定溫度后，再進入空氣預(yù)熱器。采用該設(shè)備能夠有效減輕空氣預(yù)熱器低溫腐蝕程度。但采用煙氣余熱加熱空預(yù)器入口的冷空氣，會改變鍋爐輻射換熱與對流換熱的比例，導(dǎo)致爐膛出口煙溫升高，進而使得在尾部豎井的煙道上，對流受熱面的煙溫隨之提高。計算表明，該裝置效率較低，僅為10%左右，鍋爐煙氣余熱用于加熱冷空氣回收的熱量有很大部分是沒用的。新增前置式空氣預(yù)熱器，回收的熱量造成空預(yù)器入口風溫提高，傳熱溫差減小，換熱量下降，最終導(dǎo)致排煙溫度升高。

機側(cè)煙氣回熱循環(huán)是從凝結(jié)水系統(tǒng)中引一路凝結(jié)水到鍋爐尾部煙道，利用排煙余熱加熱凝結(jié)水，凝結(jié)水吸收熱量后，再送回到回熱系統(tǒng)的適當位置。這種方法降低了鍋爐排煙溫度，沒有熱量進入鍋爐本體，不會對鍋爐產(chǎn)生負面影響。目前煙氣余熱加熱凝結(jié)水的低壓省煤器技術(shù)成為火電機組鍋爐煙氣余熱利用的主要有效途徑。但低壓省煤器余熱利用排擠汽輪機低參數(shù)抽汽，該技術(shù)對于提高機組效率、降低煤耗及能耗的作用較為有限，特別是對于百萬級機組，尚屬于較為低層次的熱量回收應(yīng)用，煙氣中仍有大量的高能級余熱未加以回收利用。

爐側(cè)煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)能夠減小空氣預(yù)熱器冷端熵產(chǎn)，該系統(tǒng)熱經(jīng)濟性不受鍋爐排煙溫度局限，但其實際利用的煙氣熱量減少，會導(dǎo)致熱經(jīng)濟性較低；機側(cè)煙氣回熱循環(huán)的熱經(jīng)濟性主要受到電站鍋爐排煙溫度的限制，當鍋爐排煙溫度降低時，其熱經(jīng)濟性會大幅下降[2]。

低溫煙氣換熱元件在抗低溫腐蝕研究中取得了較多成果[3-6]，可以應(yīng)用于燃煤電廠低溫排煙余熱深度利用中。通過對煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)深入優(yōu)化，能夠降低機組熵產(chǎn)與做功能力損失，使經(jīng)濟性得以提升。本文將機側(cè)煙氣回熱循環(huán)與爐側(cè)煙氣回熱循環(huán)進行結(jié)合，從提高煙氣余熱利用能級角度進行優(yōu)化，提出了深度利用煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了熱平衡分析，根據(jù)回收煙氣余熱的不同利用途徑，進行了經(jīng)濟性計算，通過某1000MW超超臨界機組的應(yīng)用計算，驗證了深度利用煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)具有較高的熱經(jīng)濟性。

2 深度利用煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)熱平衡分析

深度利用煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)采用鍋爐排煙余熱加熱冷風、凝結(jié)水與給水，提升低溫煙氣的能級，使得余熱利用效率得到大幅提高。該技術(shù)核心是通過排煙余熱利用系統(tǒng)設(shè)備的合理組合，從系統(tǒng)的角度，通過熱量轉(zhuǎn)移、能級置換等手段，使加熱回熱系統(tǒng)的余熱能級得到提高，進而獲得較大的經(jīng)濟效益。

爐側(cè)煙氣回熱循環(huán)是在空氣進入空預(yù)器前，先采用煙氣余熱加熱，使空預(yù)器冷端端差變小。但該技術(shù)會導(dǎo)致空預(yù)器出口煙溫升高，換熱量變小。如同時采用機側(cè)煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)，可不減少被利用的煙氣熱量，利用煙氣受熱面加熱鍋爐給水或汽輪機凝結(jié)水。采用空預(yù)器煙氣旁路，可以使高溫煙氣通過空預(yù)器旁路的煙氣冷卻器，用來加熱抽汽加熱器的給水和凝結(jié)水。利用旁路的煙氣調(diào)節(jié)器，可將空預(yù)器后主路與旁路出口的煙氣溫度同時降至原額定工況下的排煙溫度。

圖1是深度利用煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)熱平衡t-q圖，橫坐標表示煙氣或空氣相對于1kg新蒸汽的傳熱量（KJ/Kg），縱坐標表示煙氣或空氣的溫度。各連線的斜率表示煙氣或空氣的單位熱容的倒數(shù)。

線段ec與of分別表示未采用深度利用煙氣回熱系統(tǒng)時，空預(yù)器煙氣與空氣的傳熱量。在某工況下，采用深度利用煙氣回熱系統(tǒng)時，空預(yù)器的空氣進口溫度由to增大到ta，空氣出口溫度由tf減小到tg，煙溫出口由tc增大到tb。此時，eb與ag分別表示空預(yù)器煙氣與空氣的傳熱量。傳熱平衡方程為：

△qgf-△qge=△qae+qw （△qae<0）

上式等號左端為實際煙氣回收熱量，等號右端為不同利用途徑的煙氣回收熱量。在深度利用煙氣回熱系統(tǒng)中，一部分回熱循環(huán)的煙氣回收熱量增大了空預(yù)器出口熱風熱量，另一部分增大了凝結(jié)水和給水的熱量?？疹A(yù)器后煙氣主路和旁路的煙氣溫度同時降為原額定工況下的排煙溫度。此時，煙氣換熱量在低溫煙氣冷卻器進口前減少的量為△qge=0，上式變?yōu)椋?/p>

△qgf=△qae+qw

冷空氣在前置式空氣預(yù)熱器中被煙氣余熱加熱，其空氣進口溫度上升，使得空預(yù)器傳熱溫差減小，換熱量降低，且排煙溫度和熱風溫度都升高。所以僅使用前置式空氣預(yù)熱器，絕大部分煙氣余熱沒有得到利用。采用煙氣旁路時，空預(yù)器中通過的煙氣量減少，熱風溫度得到降低，可降至原額定工況下的排煙溫度；利用旁路煙氣熱量加熱給水和凝結(jié)水，煙氣溫度得到降，也可降至原額定工況下的排煙溫度。流經(jīng)旁路的煙氣溫度比常規(guī)排煙溫度高，所以利用其加熱給水和凝結(jié)水，可以得到更高的出口溫度，甚至不流經(jīng)高壓加熱器直接進入省煤器。采用此方法可以使低能級熱量的能級升高，使鍋爐煙氣余熱在高能級狀態(tài)下被深度利用。

3 深度利用煙氣回熱循環(huán)工程計算與分析

本文以1000MW超超臨界機組為例，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量3125 t/h，主蒸汽溫度605℃，壓力29.4MPa（a），再熱蒸汽溫度605℃。汽輪機額定功率為1050MW，間接空冷凝汽式汽輪機，具有8級非調(diào)整回熱抽汽。

3.1 深度利用煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計endprint

深度利用煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)中主要回熱裝置：

（1）前置式空氣預(yù)熱器，設(shè)置在空預(yù)器之后，進入空預(yù)器的冷空氣被低溫段低壓省煤器回收的煙氣余熱加熱；

（2）一級高溫加熱器和二級低溫加熱器，設(shè)置在空預(yù)器的煙氣旁路上。一級高溫加熱器用于加熱給水，二級低溫加熱器用于加熱凝結(jié)水。深度利用煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1）除塵器前煙氣系統(tǒng)：高溫煙氣流經(jīng)省煤器，在脫硝裝置后分為兩路，一路流經(jīng)空預(yù)器，約占82%；另一路進入空預(yù)器煙氣旁路，約18%，依次流經(jīng)一級高溫加熱器和二級低溫加熱器，經(jīng)換熱后，煙氣出口溫度與空預(yù)器出口相同。在空預(yù)器出口處，兩路煙氣匯合，流入除塵器?？疹A(yù)器冷空氣平均溫度21℃，空預(yù)器熱風平均溫度380℃，空預(yù)器排煙溫度123℃。

2）引風機后煙氣系統(tǒng)：從引風機排出的低溫煙氣依次流經(jīng)煙氣擋板門、低溫低壓省煤器、煙氣擋板門，然后進入脫硫塔。低溫低壓省煤器進口煙溫123℃，出口煙溫93℃，煙溫降低30℃，換熱量27987.57kW。

3）送風系統(tǒng)：一次風機出口的冷風經(jīng)過一次風前置空預(yù)器后，風溫提高，再進入空氣預(yù)熱器；二次風機出口的冷風流經(jīng)二次風前置空預(yù)器后，進入空氣預(yù)熱器。前置空預(yù)器熱源來自于低溫換熱器，進口空氣平均溫度21℃，出口空氣平均溫度61℃，換熱量27987.57kW。

4）一級高溫加熱器回路：給水在給水泵出口分為兩路，一路仍為高壓加熱器系統(tǒng)管路，另一路形成一級高溫加熱器回路，在省煤器中，與高溫煙氣逆流換熱。經(jīng)換熱后，一級高溫加熱器出口水溫與1#高加出口水溫相同，兩支路在鍋爐側(cè)給水操作平臺之前混合。旁路一級高溫加熱器進口煙溫380℃，出口煙溫230℃，進口水溫189.1℃，出口水溫301.4℃，給水流量114.7t/h，換熱量17510.57kW。

5）二級低溫加熱器回路：在7#低加的進出口分別設(shè)置取水管路，以7#低加THA工況下的進水溫度作為回路設(shè)計溫度，回路出口凝結(jié)水流入除氧器。二級低溫加熱器回路與流經(jīng)一級高溫加熱器的煙氣逆流換熱，二級低溫加熱器回路的回水點布于凝結(jié)水量測點前。旁路二級低溫加熱器進口煙溫230℃，出口煙溫123℃，進口水溫85.8℃，出口水溫160℃，凝結(jié)水流量128.5t/h，換熱量10477kW。

6）閉式循環(huán)水回路：在前置空預(yù)器與低溫換熱器之間為閉式水系統(tǒng)，由水泵克服循環(huán)管路的阻力，實現(xiàn)煙氣余熱加熱冷風的目的。

3.2 深度利用煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)濟性計算分析

采用動態(tài)投資回收期法計算出深度利用煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)投資差額的回收年限。設(shè)投資差額回收年限為n，則：

n=1-log（1+i） （1-ΔU×i×（1+i）/ΔB）

式中：ΔU為與基準相比投資增加的費用（萬元）；ΔB為本方案帶來的收益（萬元）；i為年利率（%），本工程取6.55%。

回收年限n=6.44年。

采用深度利用煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)在發(fā)電標煤耗、燃煤費用、運行費用等方面均優(yōu)于未采用的系統(tǒng)，其主要經(jīng)濟性參數(shù)列于表1中。

4 結(jié)語

深度利用煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)有機整合了利用排煙余熱的設(shè)備，采用熱量轉(zhuǎn)移和能級置換，使加熱回熱系統(tǒng)的余熱能級得到提高，進而使得經(jīng)濟效益大幅提升。該系統(tǒng)同時具備爐側(cè)煙氣回熱循環(huán)和機側(cè)煙氣回熱循環(huán)的優(yōu)勢，且避免了他們的不足，更加有效提高了機組效率。某1000MW超超臨界機組采用深度利用煙氣回熱循環(huán)系統(tǒng)，電廠發(fā)電標煤耗降低2.67 g/kW·h，年標煤消耗節(jié)省1.54噸，年運行費用節(jié)省776.69萬元，該系統(tǒng)是實現(xiàn)電廠深度節(jié)能并安全可靠運行的有效技術(shù)手段。

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通訊作者：欒濤endprint