1 000 MW超超臨界機組煙氣余熱梯級利用設(shè)計思想

包偉偉，張偉，劉彥寶，張少康，張宇

（1.哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱，150046；神華國華永州發(fā)電有限責任公司，湖南永州，425000）

1 000 MW超超臨界機組煙氣余熱梯級利用設(shè)計思想

包偉偉1，張偉2，劉彥寶1，張少康1，張宇1

（1.哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱，150046；神華國華永州發(fā)電有限責任公司，湖南永州，425000）

文章針對1 000 MW超超臨界機組鍋爐尾部煙氣余熱高效利用的問題，提出了梯級利用的設(shè)計思想，并基于熱力系統(tǒng)的變工況分析計算方法，對該思想的設(shè)計特點以及經(jīng)濟性收益作了詳細的論述及分析。結(jié)果表明：采用梯級利用設(shè)計思想，在第4、5級回熱抽汽上設(shè)置蒸汽暖風器，在0號高壓加熱器上并聯(lián)高位低溫省煤器，可使機組熱耗降低約26 kJ/ kW·h，經(jīng)濟性效果明顯。

汽輪機，超超臨界，余熱利用，蒸汽暖風器，低溫省煤器，熱經(jīng)濟性

0 引言

1 000 MW超超臨界機組鍋爐尾部煙氣余熱的高效利用方式始終是行業(yè)內(nèi)研究的熱點問題。常規(guī)的鍋爐設(shè)計主要通過設(shè)置空預(yù)器回收其尾部煙氣余熱。近年來，隨著國家節(jié)能減排政策對燃煤發(fā)電機組運行經(jīng)濟性要求的不斷提高，大多數(shù)的新建項目機組均開始設(shè)置低溫省煤器以進一步降低鍋爐的排煙溫度，回收煙氣余熱，并取得了一定的成果[1-3]?？疹A(yù)器以及低溫省煤器的設(shè)置單純從回收鍋爐尾部煙氣余熱的角度出發(fā)，并未考慮機爐熱力參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化。如果從機爐熱力參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化出發(fā)，是否還存在更為經(jīng)濟的設(shè)計方案呢？

常規(guī)鍋爐空預(yù)器入口的設(shè)計煙氣溫度一般在400～380℃，而回熱系統(tǒng)的最終給水溫度一般在300～320℃?？梢?，常規(guī)設(shè)計的鍋爐空預(yù)器入口的煙氣溫度仍然較高，其高出最終給水溫度約80℃，顯然，這一溫度區(qū)間的煙氣在回熱系統(tǒng)仍有可利用的價值。另外，空預(yù)器入口的空氣溫度基本上為-20～30℃的室溫，由于進口空氣溫度低，很容易造成煙氣中的酸分凝結(jié)，從而對空預(yù)器造成腐蝕，因此，空預(yù)器的運行始終面臨著低溫腐蝕的危險。

如果利用回熱系統(tǒng)低品質(zhì)的回熱抽汽對空預(yù)器入口的空氣進行一定的預(yù)熱，則不但可以改善空預(yù)器的運行條件，還能減少空預(yù)器對高品質(zhì)煙氣的消耗，正好可以利用其加熱回熱系統(tǒng)的部分給水，從而排擠高品質(zhì)的回熱抽汽，這樣就可實現(xiàn)對鍋爐尾部煙氣余熱的梯級高效利用。

1 000 MW超超臨界機組鍋爐尾部煙氣余熱采用梯級利用設(shè)計，可以降低相應(yīng)設(shè)備的換熱溫差，實現(xiàn)回熱系統(tǒng)高、低品質(zhì)熱量的置換，達到能量品質(zhì)的梯級利用，從而更進一步提高機組的運行經(jīng)濟性。筆者就以某高效1 000 MW超超臨界機組[4-7]為例，詳細論述其采用這一設(shè)計思想的設(shè)計特點以及對于機組運行經(jīng)濟性的影響。

1 設(shè)計目的

1 000 MW超超臨界機組為了避免空預(yù)器產(chǎn)生低溫腐蝕，有的機組設(shè)計采用大功率的電暖風對空預(yù)器入口的低溫空氣進行預(yù)熱。眾所周知，電能是高品質(zhì)的能源，用電制熱在熱經(jīng)濟學上無疑是不經(jīng)濟的。聯(lián)合整個熱力系統(tǒng)來看，回熱系統(tǒng)第4～7級的回熱抽汽具有一定的過熱度且溫度較高，完全可以利用這部分蒸汽對空預(yù)器入口的空氣加熱。這樣既可以改善空預(yù)器的運行條件，還能減少其對入口高品質(zhì)煙氣的消耗。

1 000 MW超超臨界機組回熱系統(tǒng)的最終給水溫度主要依靠第0級回熱抽汽加熱實現(xiàn)。由上所述，如果利用蒸汽暖風所減少的高溫煙氣去加熱部分給水，完全可以將給水加熱到所規(guī)定的溫度，這樣就可排擠部分高品質(zhì)的回熱抽汽，提高蒸汽的做功能力。

因此，可以從回熱系統(tǒng)高加0（0號高壓加熱器，下同）進口引一路給水到新增設(shè)的高位低溫省煤器，并利用空預(yù)器入口的高溫煙氣，將其加熱到額定給水溫度，這樣就可減少第0級回熱抽汽；同時，引回熱系統(tǒng)第5級回熱抽汽到新增設(shè)的蒸汽暖風器，利用其過熱度對空預(yù)器入口處的空氣進行預(yù)熱，補充煙氣損失的熱量。

顯然，對于鍋爐尾部煙氣和空氣的換熱過程來說，總體的換熱量仍然是保持不變的，因此上述設(shè)計并不會對整個鍋爐的熱平衡產(chǎn)生大的影響。這樣，便可在爐側(cè)設(shè)計熱力參數(shù)保持不變的情況下，在機側(cè)實現(xiàn)高低品質(zhì)蒸汽的置換。這一置換加大了低品質(zhì)蒸汽的抽汽量，減少了高品質(zhì)蒸汽的抽汽量，從而提高了蒸汽的做功能力，可在熱力系統(tǒng)定熱量的條件下實現(xiàn)增發(fā)電功率的目的。

汽輪發(fā)電機組熱耗率的定義式為：

式中：Q為鍋爐吸熱量，kJ/h；W為機組電功率，kW。

對熱耗公式進行小偏差線性化，可得：

由式（2）可知：在吸熱量不變的條件下，如果機組的電功率增加，則熱耗將降低，運行經(jīng)濟性將提高，這就是鍋爐尾部煙氣余熱梯級利用設(shè)計思想產(chǎn)生經(jīng)濟性收益的原理所在。

圖1 煙氣余熱梯級利用設(shè)計思想原理圖

1 000 MW超超臨界機組要實現(xiàn)這一設(shè)計思想，需要增加兩個輔助換熱設(shè)備：一是需要在爐側(cè)增設(shè)一個高位低溫省煤器，二是需要增設(shè)相應(yīng)的蒸汽暖風器，如圖1所示。雖然增加輔助換熱設(shè)備將加大系統(tǒng)的設(shè)備投資成本，但是在目前的超超臨界發(fā)電技術(shù)水平下，采用這一設(shè)計思想，可將機組的運行經(jīng)濟性進一步提高。同時，對于其他參數(shù)等級的燃煤發(fā)電機組的節(jié)能減排工作，這一設(shè)計思想也有一定的借鑒意義。

2 工作原理

該機組100%負荷工況時鍋爐空預(yù)器的設(shè)計煙氣流量為3 448.12 t/h，進口煙溫為380℃，出口煙溫為156℃；進口風溫為30℃，出口風溫為363℃。回熱系統(tǒng)的給水流量為2 916.63 t/h，最終給水溫度為315℃；高加0的進水溫度為297.3℃，第0級回熱抽汽量為120.12 t/h；低加5的抽汽溫度為292.7℃，回熱抽汽量為75.28 t/h，過熱度為138 K，可利用過熱熱量約為7 MW。

為了更加高效地利用煙氣余熱，采用梯級利用設(shè)計，并按圖1所示的設(shè)計方案設(shè)置蒸汽暖風器及高位低溫省煤器，則高位低溫省煤器的進水溫度為297.3℃。為了不對鍋爐的熱力參數(shù)造成影響，保持給水溫度不變，高位低溫省煤器的出水溫度取為315℃。高位低溫省煤器的上、下端差分別取10 K，則設(shè)計進口煙溫可取為325℃，出口煙溫為307℃。高位低溫省煤器冷卻水的溫升△Tec為18 K。由上述分析可知，這一設(shè)計方案將對回熱系統(tǒng)最高品質(zhì)的第0級回熱抽汽形成排擠，同時，將加大第5級回熱抽汽的抽汽量，整個過程所能置換的熱量Qh約為7 MW。

高位低溫省煤器需要的冷卻水量為：

高加0減少的抽汽量為：

低加5增加的抽汽量為：

由式（3）～（5）中：cpf為給水的定壓比熱容，5.211 kJ/（kg·K）；q0為高加0回熱抽汽的放熱量，1 868 kJ/kg；q5為低加5回熱抽汽的放熱量，2 474 kJ/kg。

由式（3）～（5）可分別算得，高位低溫省煤器的冷卻水量為280 t/h，高加0減少的抽汽量為13.3 t/h，低加5增加的抽汽量為10.1 t/h。排擠的抽汽在汽輪機中的做功量與該級抽汽的等效焓降有關(guān)。由文獻[3]可知，第0級回熱抽汽的等效焓降He0為1 235 kJ/kg，第5級回熱抽汽的等效焓降He5為673 kJ/kg。機組增加的機械功為：

將式（1）代入式（2）可知，機組降低的熱耗為：

式中：W0為該機組在100%負荷工況下的電功率，1 046 MW；QHR0為相應(yīng)的機組熱耗，7 183 kJ/ kW·h。

該機組在100%負荷工況時，由式（6）可得，第0級抽汽減少增加的機械功為4 562 kW，再熱器增加的吸熱量為2 439 kW，第5級抽汽增加減少的機械功為1 877 kW。該工況機組的機械傳遞效率為99.8%，發(fā)電機效率為99%，機組增發(fā)電功率為2 652 kW。由式（7）計算可知，機組熱耗可降低約10 kJ/kW·h。

以上計算僅僅是利用低加5回熱抽汽的過熱度進行梯級利用設(shè)計的結(jié)果，如果同時利用低加5以及除氧4回熱抽汽的過熱度，則可利用的過熱熱量可達到約20 MW，排擠的抽汽量將達到38.5 t/h，機組的電功率增加將達到約7.0 MW，機組熱耗降低可達到約26 kJ/kW·h?？梢?，采用梯級利用的設(shè)計思想，選取的設(shè)計方案不同，則整個過程所置換的熱量也不相同。由此可見，梯級利用設(shè)計工作熱力過程所置換的高、低品質(zhì)的蒸汽熱量越多、蒸汽品質(zhì)相差越大，則產(chǎn)生的經(jīng)濟性效益越高。

3 置換熱量

采用梯級利用設(shè)計思想后，通過利用一部分低品質(zhì)蒸汽的過熱度在低溫側(cè)加熱空氣，可置換相同數(shù)量的高品質(zhì)煙氣的熱量，用于在省煤器中加熱高加給水，排擠高品質(zhì)的回熱抽汽，從而產(chǎn)生經(jīng)濟性收益。由上分析，這一過程置換的蒸汽熱量越多、品質(zhì)差別越大，則對能量的梯級利用程度越高，產(chǎn)生的經(jīng)濟性收益也就越大。但是，梯級利用設(shè)計置換的熱量受到多方面因素的限制，并不是隨意而定的。

第一個影響置換熱量的因素是鍋爐的煙氣條件。該機組按上述方案設(shè)計，在100%負荷工況時，按全部煙氣溫降18 K來算，可利用的煙氣熱量僅約為20 MW。為了提高可利用的煙氣熱量，只有加大省煤器的上端差，提高煙氣的入口溫度，或者減小省煤器的下端差，降低煙氣的出口溫度。例如將入口煙溫提高到380℃，則可利用的煙氣熱量可達到約80 MW。如果利用全部高參數(shù)的煙氣去加熱給水，由于煙氣溫度降低，便不能再將空氣加熱到鍋爐的原設(shè)計參數(shù)，因此，這只是一個理論上的極限值，實際利用的熱量一般達不到這個數(shù)值。同時，需要注意的是雖然回熱系統(tǒng)的蒸汽溫度也有高于380℃的，但是可置換的熱量有限。

第二個影響置換熱量的因素是回熱系統(tǒng)的可利用過熱熱量。為了避免蒸汽在暖風器中凝結(jié)，對暖風器以及加熱器的運行產(chǎn)生影響，這就要求暖風器出口的回熱抽汽應(yīng)留有一定的過熱度。低加8、低加9回熱抽汽由于已經(jīng)接近濕蒸汽且一般都打包布置在凝汽器喉部，安裝暖風器的可行性不高，因此不予考慮。表1給出了回熱系統(tǒng)其余各級低加回熱抽汽的潛在可利用熱量。

表1 低加回熱抽汽可利用熱量匯總

由表1可見，回熱系統(tǒng)低加回熱抽汽的最大可利用熱量約為26 MW，這一數(shù)值在爐側(cè)來說并不大，在設(shè)計上還是比較可行的。以省煤器進口煙溫380℃、出口煙溫307℃來算，約需1 000 t/h煙氣即可達到這一要求，尚留有71%的高品質(zhì)煙氣用來加熱鍋爐煙風系統(tǒng)的空氣。如果扣除低加6、低加7回熱抽汽的過熱熱量，則其余回熱抽汽的可利用熱量約為20 MW，占最大可利用熱量的76%?？梢姡图踊責岢槠衫贸潭缺容^高的蒸汽過熱度主要集中在除氧4以及低加5中。

第三個影響置換熱量的因素是蒸汽暖風器、高位低溫省煤器以及空預(yù)器的具體設(shè)計。由于采用了高低參數(shù)熱量的置換，同時又要維持原設(shè)計的參數(shù)不變，因此，這勢必將對空預(yù)器的傳熱設(shè)計提出新的要求，特別是在蒸汽參數(shù)低于煙氣的條件下，為了維持原來的風溫，用于省煤器加熱的煙氣流量勢必將受到限制。

4 經(jīng)濟性分析

1 000 MW超超臨界機組鍋爐尾部煙氣余熱梯級利用設(shè)計按對省煤器、暖風器增設(shè)位置的不同以及相關(guān)設(shè)計參數(shù)選取的不同，將會有很多方案。選擇不同的方案，所能置換的蒸汽品質(zhì)、熱量也不同，因此產(chǎn)生的經(jīng)濟性收益也不同。以在第4、5級回熱抽汽上增設(shè)蒸汽暖風器，在0號高壓加熱器上并聯(lián)高位低溫省煤器的方案為例，在100%負荷工況，可實現(xiàn)置換熱量約20 MW，降低機組熱耗約26 kJ/kW·h。圖2是梯級利用設(shè)計與原設(shè)計的經(jīng)濟性比較。

圖2 煙氣余熱梯級利用經(jīng)濟性曲線

由圖2可知，采用梯級利用設(shè)計之后，在40%到100%負荷區(qū)間內(nèi)，機組熱耗可整體下降約26 kJ/kW·h。按鍋爐效率95%、管道效率99%計算，可使電廠發(fā)電煤耗降低約0.94 g/kW·h。按年利用小時數(shù)6 000 h、標煤800元/t計算，每年可節(jié)約標煤5 660 t，產(chǎn)生經(jīng)濟效益453萬元。

5 結(jié)論

本文對于1 000 MW超超臨界機組鍋爐尾部煙氣余熱的高效利用問題，提出了梯級利用的設(shè)計思想，并對其設(shè)計目的、工作原理、置換熱量以及經(jīng)濟性收益等問題進行了全面的論述及分析。結(jié)果表明：鍋爐尾部煙氣余熱采用梯級利用設(shè)計，在第4、5級回熱抽汽上設(shè)置蒸汽暖風器，在0號高壓加熱器上并聯(lián)高位低溫省煤器，可使機組熱耗降低約26 kJ/kW·h，對于進一步提高整個機組的運行經(jīng)濟性具有一定的效果。

[1]張潤盤,董麗娟,辛建華.鍋爐煙氣余熱利用方案研究[J].熱力發(fā)電,2013,42(11):107-109.

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[3]包偉偉,任偉,張啟林.大型空冷機組低真空供熱特性分析[J].區(qū)域供熱,2015,(4):73-75.

[4]包偉偉.1 000 MW超超臨界機組增設(shè)0號高壓加熱器經(jīng)濟性分析[J].發(fā)電設(shè)備,2015,29(3):172-175.

[5]包偉偉,余海鵬,劉世云.1 000 MW超超臨界機組增設(shè)外置式蒸汽冷卻器經(jīng)濟性分析[J].發(fā)電設(shè)備,2015,29(5):348-352.

[6]包偉偉,劉鑫,李積輝,等.1 000 MW超超臨界機組增設(shè)低溫省煤器經(jīng)濟性分析[J].發(fā)電設(shè)備,2015,29(6):397-401.

[7]包偉偉,高敏,龐浩城,等.1 000 MW超超臨界機組補汽調(diào)節(jié)技術(shù)經(jīng)濟性分析[J].發(fā)電設(shè)備,2016,30(1):11-15.

Flue Gas Waste Heat Echelon Utilization Design for 1 000 MW Ultra-supercritical Units

Bao Weiwei1，Zhang Wei2，Liu Yanbao1，Zhang Shaokang1，Zhang Yu1
(1.Harbin Turbine Co.,Ltd.,Harbin Heilongjiang,150046；2.Shenhua Guohua Yongzhou Power Co.Ltd,Yongzhou Hunan，425000)

As for the problem of boiler flue gas waste heat utilization of 1 000 MW ultra-supercritical unit,the flue gas waste heat eche?lon utilization technology which can improve the economy of the unit is presented.Based on the analysis and calculation method of ther?mal dynamic system,detailed discussion and analysis to the design feature and economy benefit of the echelon utilization technology are conducted.The result shows that the unit heat rate will be reduced by 26 kJ/kW·h after using the technology with low temperature econo?mizer on No.0 high pressure heater and steam air heater on No.4 and No.5 regenerative extraction.

steam turbine,ultra-supercritical units,waste heat utilization,steam air heater,low temperature economizer,thermal economy

TK219

A

1674-9987（2016）04-0008-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.003

包偉偉（1986-），男，工程師，2009年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學飛行器動力工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事汽輪機熱力、氣動以及強度方面的設(shè)計計算工作。