利用煙氣余熱加熱凝結(jié)水方案

姜樹(shù)棟

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京　100120）

利用煙氣余熱加熱凝結(jié)水方案

姜樹(shù)棟

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京100120）

利用煙氣余熱加熱器凝結(jié)水可降低電廠煤耗，提高發(fā)電效率。為探索此種余熱利用形式的最佳方案，研究進(jìn)入余熱利用換熱器凝結(jié)水溫度、流量對(duì)機(jī)組功率增加的影響，對(duì)某燃煤機(jī)組利用煙氣余熱加熱凝結(jié)水的4種改造方案進(jìn)行分析對(duì)比，指出最佳方案應(yīng)充分利用煙氣允許溫降條件下的所有余熱，合理調(diào)節(jié)進(jìn)入余熱利用換熱器的凝結(jié)水流量與溫度，盡可能節(jié)約高品質(zhì)的抽汽。對(duì)于最佳方案，通過(guò)計(jì)算可得到進(jìn)余熱利用換熱器的最佳凝結(jié)水流量及溫度。研究方法可為以后工程的煙氣余熱利用優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

煙氣余熱；凝結(jié)水；換熱器；煤耗；抽汽

0　引言

我國(guó)的發(fā)電能源以燃煤為主，隨著近年來(lái)能源緊張及環(huán)保要求的提高，提高發(fā)電效率、降低電廠煤耗成為科研及工程技術(shù)人員普遍關(guān)心的問(wèn)題。燃煤電廠鍋爐排煙熱損失是鍋爐各項(xiàng)熱損失中較大一項(xiàng)，回收排煙中的余熱，可增加系統(tǒng)能量，提高電廠發(fā)電效率，降低煤耗［1-5］。研究人員對(duì)不同的煙氣余熱利用方式進(jìn)行研究，如利用低溫?zé)煔庾鳛闊岜抿?qū)動(dòng)熱源［6］，將煙氣高低溫段分級(jí)梯度利用，分別加熱高壓給水和凝結(jié)水［7-9］，設(shè)置低溫省煤器加熱熱網(wǎng)水或凝結(jié)水［10-11］。其中，利用低溫省煤器加熱凝結(jié)水的方案，將換熱器放置在煙道低溫段，煙氣環(huán)境較好，飛灰對(duì)換熱器的磨損小，煙道改造工作量少，可節(jié)約用于回?zé)崮Y(jié)水的低壓抽汽，增加機(jī)組做功，因此得到了較為廣泛的應(yīng)用。但煙氣余熱換熱器與低壓加熱器（以下簡(jiǎn)稱低加）的配置方式、余熱利用換熱器進(jìn)口凝結(jié)水溫度和流量等因素對(duì)電廠節(jié)能效果的規(guī)律性影響，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。本文以某工程熱力數(shù)據(jù)為例，設(shè)計(jì)了多種煙氣加熱凝結(jié)水方案，對(duì)煙氣余熱換熱器配置方式、余熱利用換熱器進(jìn)口凝結(jié)水溫度和流量的選擇，進(jìn)行系統(tǒng)詳細(xì)的分析研究，探索利用煙氣余熱加熱凝結(jié)水的最佳設(shè)計(jì)方案及研究思路。

1　研究方案及方法

以某660MW燃煤機(jī)組為研究對(duì)象，其汽輪機(jī)熱耗保證（THA）工況下低壓抽汽回?zé)岵糠值臒崞胶鈭D如圖1所示。本文提出了4個(gè)余熱利用方案，分別從主凝結(jié)水管路上不同位置，引出1路凝結(jié)水進(jìn)入煙氣余熱利用換熱器。根據(jù)煙氣溫度，選擇#5低加入口為吸收煙氣余熱后的凝結(jié)水進(jìn)入主凝結(jié)水管路的匯入點(diǎn)。4個(gè)改造方案如圖2～圖5所示。圖中：qm為進(jìn)換熱器凝結(jié)水流量；t1為進(jìn)換熱器凝結(jié)水溫度；t2為出換熱凝結(jié)水溫度。鍋爐燃用褐煤，煙氣余熱利用換熱器配置在空氣預(yù)熱器后、除塵器前，煙氣進(jìn)口溫度為139.1℃，為防止低溫腐蝕，換熱器出口煙氣溫度控制在90℃。根據(jù)煙氣成分可計(jì)算對(duì)應(yīng)溫度下的比焓，此溫差下可利用煙氣余熱ΔQ為44.85MW。

方案1：煙氣余熱換熱器與#6，#7，#8低加并聯(lián)，部分凝結(jié)水從#8低加入口引出，經(jīng)換熱后進(jìn)#5低加入口。

方案2：煙氣余熱換熱器與#6，#7低加并聯(lián)，部分凝結(jié)水從#7低加入口引出，經(jīng)換熱器后進(jìn)#5低加入口。

方案3：煙氣余熱換熱器與#6低加并聯(lián)，部分凝結(jié)水從#6低加入口引出，經(jīng)換熱器后進(jìn)#5低加入口。

方案4：分別從#7，#8低加出口引出2路凝結(jié)水混合，經(jīng)換熱器后進(jìn)#5低加入口。

利用煙氣余熱加熱凝結(jié)水降低電廠煤耗的基本原理為：抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)中，煙氣加熱了部分凝結(jié)水，相當(dāng)于節(jié)約了加熱此部分凝結(jié)水所需的抽汽，此部分蒸汽被“排擠”回汽輪機(jī)繼續(xù)膨脹做功，提高了機(jī)組的出力。對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)加熱器及余熱利用換熱器進(jìn)行能量守恒與質(zhì)量守恒計(jì)算，得出節(jié)約的抽汽量，由抽汽比焓與排汽比焓的差及節(jié)約的抽汽量得出機(jī)組做功增加值ΔP。煙氣余熱換熱器的配置方式不同，節(jié)約不同級(jí)別的低壓抽汽量不同，因而，在熱力系統(tǒng)可利用的煙氣余熱量一定的情況下，其增加做功、降低熱耗的效果是不同的。

圖1　基準(zhǔn)方案

圖2　方案1

圖3　方案2

2　結(jié)果分析

2.1方案1，2，3對(duì)比分析

將做功能力增加值ΔP，做功轉(zhuǎn)化率η（η= ΔP/ΔQ）作為主要比較指標(biāo)。首先分析方案1，2，3，選擇換熱器出口溫度t2作為變量，顯然，換熱量一定的條件下，進(jìn)入換熱器的流量qm越多（少），t2越低（高）。限定熱端差為10℃，即凝結(jié)水最高可加熱到129.1℃，3個(gè)方案ΔP與η的對(duì)比如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7可以看出，隨著t2的增加（qm降低），ΔP增大。以方案1為例分析，因?yàn)橛酂崂脫Q熱器一路分流了#6，#7，#8低加的凝結(jié)水，使這3個(gè)低加的熱負(fù)荷降低，從而節(jié)約了原6，7，8級(jí)抽汽。隨著t2的增加（qm降低），雖然節(jié)約的6，7，8級(jí)抽汽量減少，但t2增加，匯入#5低加入口后，有利于提高#5低加進(jìn)口溫度，可節(jié)約5級(jí)抽汽，綜合的效果是ΔP提高?？梢?jiàn)，較高參數(shù)的抽汽對(duì)做功的增加起主要作用。對(duì)于方案2，3同樣可得出上述結(jié)論。

圖4　方案3

圖5　方案4

圖6　方案1，2，3中ΔP隨t2的變化

圖7　方案1，2，3中η隨t2的變化

再看方案間的對(duì)比。對(duì)比方案1，2，方案2的效果更好，因?yàn)榉桨?節(jié)約的是5，6，7，8級(jí)抽汽，而方案2節(jié)約的是5，6，7級(jí)抽汽，沒(méi)有節(jié)約8級(jí)抽汽，反而由于#8低加的上級(jí)抽汽減少，造成#7低加疏水量變少，從而加重了8級(jí)抽汽的負(fù)擔(dān)，但由于將有限的余熱用來(lái)節(jié)約更高級(jí)的抽汽，ΔP整體高于方案1。文獻(xiàn)［11］的研究同樣發(fā)現(xiàn)，在某工程2個(gè)案例對(duì)比中，節(jié)約6，7級(jí)抽汽的方案比僅節(jié)約7級(jí)抽汽的節(jié)能效果更好。方案3只節(jié)約5，6級(jí)抽汽，ΔP反而低于方案2和方案1，這是因?yàn)榉桨?進(jìn)口凝結(jié)水溫度較高（95.8℃），不能將煙氣溫度降至90℃，導(dǎo)致余熱利用不充分（這里限定10℃的傳熱端差，煙氣出口冷卻到105.8℃，可利用余熱30.47 MW）。由圖3可見(jiàn)，方案3的η最高，但η的提高不足以補(bǔ)償ΔQ由于進(jìn)口水溫過(guò)高而降低的損失。僅從圖7看，高的凝結(jié)水入口溫度可實(shí)現(xiàn)較高的η，所以最佳的余熱利用方案應(yīng)是充分利用ΔQ且有較高的η，這就需要換熱器進(jìn)口凝結(jié)水溫度盡可能接近90℃，由此啟發(fā)提出了方案4。

2.2方案4分析

通過(guò)調(diào)整#7低加出口與#8低加出口的流量配比，使換熱器凝結(jié)水進(jìn)口溫度低于90℃，以充分吸收煙氣余熱?？紤]到換熱器熱端差，將t2限定在129.1℃。圖8為方案4中t1與ΔP的對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨著t1的升高，分流的#7低加出口的凝結(jié)水流量增多，對(duì)應(yīng)節(jié)約的6級(jí)抽汽量增加；同時(shí)，t1提高，t2-t1變小，進(jìn)入換熱器的凝結(jié)水流量qm增加，#6，#7低加凝結(jié)水被分流，熱負(fù)荷降低，更加有利于節(jié)約抽汽，因此ΔP增加，η隨之提高。與圖7對(duì)比，方案4的η高于方案1，2，低于方案3。

圖8　方案4中ΔP，η隨t1的變化

2.3換熱器最佳進(jìn)出口溫度分析

對(duì)于方案4的上述分析，由于t2限定為129.1℃，隨著入口凝結(jié)水溫度的提高，實(shí)際上換熱流體的對(duì)數(shù)溫差減少，所需換熱器面積增大，投資成本提高。有必要在相同換熱成本下，研究方案4的最優(yōu)凝結(jié)水進(jìn)、出口溫度。限定對(duì)數(shù)換熱溫差為10℃，研究ΔP隨t1的變化情況，結(jié)果如圖9所示。此時(shí)t1越高，換熱器分流的#6低加入口的凝結(jié)水量變多，更多地節(jié)約6級(jí)抽汽，利于ΔP增加；但由于對(duì)數(shù)溫差限定t2隨t1升高而降低，造成節(jié)約5級(jí)抽汽效果下降，不利于ΔP增加；同時(shí)，換熱器進(jìn)、出口水溫差變小，qm增大，利于ΔP增加：幾個(gè)因素綜合作用的效果，使得出現(xiàn)了一個(gè)最佳換熱器進(jìn)、出口溫度配比，即t1=78.3℃，t2=130.6℃。在此條件下，計(jì)算得出熱耗降低85.5kJ/（kW·h），發(fā)電煤耗降低3.1g/（kW·h）。

圖9　方案4在相同對(duì)數(shù)溫差下ΔP，t2隨t1的變化

可見(jiàn)，在ΔQ、換熱溫差確定的條件下，對(duì)確定的換熱器，存在一個(gè)最佳凝結(jié)水進(jìn)、出口溫度及流量組合，對(duì)應(yīng)的ΔP最大。實(shí)際工程運(yùn)行中，可通過(guò)本文的計(jì)算方法選擇最佳凝結(jié)水進(jìn)、出口運(yùn)行溫度，實(shí)現(xiàn)最大機(jī)組效益。

3　結(jié)論

煙氣余熱利用換熱器的配置方式會(huì)影響機(jī)組出力的增加，在煙氣所能提供余熱一定的情況下，余熱利用方案要盡可能“排擠”高品位的抽汽。本文研究中，方案4為最佳方案，此方案可靈活調(diào)節(jié)煙氣余熱利用換熱器的入口凝結(jié)水溫度，煙氣余熱排擠了

5，6，7級(jí)抽汽。余熱利用換熱器凝結(jié)水溫度、流量也影響做功能力的增加。對(duì)于特定的換熱器，可通過(guò)計(jì)算選擇最佳的溫度配比。對(duì)于利用煙氣余熱加熱凝結(jié)水的改造項(xiàng)目，要根據(jù)投資成本、節(jié)能效果等綜合考慮，通過(guò)本文的計(jì)算方法選擇合適的換熱器與流量、溫度分配。

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（本文責(zé)編：劉芳）

TK115

A

1674-1951（2016）09-0059-04

2016-07-15；

2016-08-18

姜樹(shù)棟（1982—），男，山東威海人，高級(jí)工程師，工學(xué)博士，從事火力發(fā)電廠節(jié)能減排方面的研究（E-mail：jiangsd@ ncpe.com.cn）。