1 000 MW超超臨界機(jī)組煙氣余熱集成利用技術(shù)研究

羅 寧，何 青

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

1 000 MW超超臨界機(jī)組煙氣余熱集成利用技術(shù)研究

羅 寧，何 青

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

為了充分利用電廠煙氣余熱，針對1 000 MW超超臨界機(jī)組，設(shè)計(jì)了一個(gè)由3組省煤器和2組空氣預(yù)熱器組成的煙氣余熱集成利用系統(tǒng)。其中一組省煤器用于保持鍋爐進(jìn)口溫度不變，以減少鍋爐的改造量；前置式空氣預(yù)熱器在確保進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的煙氣溫度滿足要求時(shí)，還可以部分利用煙氣余熱。通過迭代法確定3個(gè)省煤器的最佳進(jìn)出口溫度，假設(shè)系統(tǒng)給煤量保持不變計(jì)算出發(fā)電功率為1 014.13 MW，即在額定工況下系統(tǒng)節(jié)煤量達(dá)到最大值為3.699 g/(kW·h)，機(jī)組年節(jié)約標(biāo)煤2.09萬t。

超超臨界機(jī)組；煙氣余熱利用；多級省煤器；前置式空氣預(yù)熱器；余熱梯級利用

0 引言

2016年，國家發(fā)改委公布的《“十三五”規(guī)劃前期研究重大課題目錄》[1]中，有3個(gè)課題都是與環(huán)境保護(hù)、污染治理相關(guān)的。這就說明，十三五規(guī)劃的環(huán)保問題將是一大重要的看點(diǎn)。燃煤電廠鍋爐煙氣余熱利用研究及其設(shè)備的優(yōu)化作為火電廠主要的節(jié)能減排手段，也已經(jīng)成為“十三五”規(guī)劃中的重中之中。我國目前已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的燃煤電廠鍋爐煙氣余熱利用轉(zhuǎn)為新型余熱利用優(yōu)化系統(tǒng)、脫硫、基于能量梯級利用對傳統(tǒng)余熱利用系統(tǒng)的優(yōu)化等。煤炭是我國的主要能源，燃煤電廠鍋爐作為我國的第一大耗能設(shè)備,其年耗煤量約占全國煤炭總消費(fèi)量的61%。研究發(fā)現(xiàn)，在我國燃煤電廠中，鍋爐熱損失的70%～80%為排煙熱損失。排煙溫度平均每升高10～15 ℃，鍋爐的熱效率將下降1%，年平均標(biāo)煤消耗量隨之升高3～4 g/(kW·h)[2,3]。

在燃煤電廠中增設(shè)低溫省煤器是降低排煙溫度的有效措施之一。利用鍋爐尾部煙氣余熱加熱回?zé)嵯到y(tǒng)中的凝結(jié)水，可排擠部分抽汽返回汽輪機(jī)內(nèi)繼續(xù)膨脹做功。因此，煙氣余熱回收利用在某種程度上提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性[4]。該技術(shù)在國內(nèi)外較早就得到了應(yīng)用，德國從20世紀(jì)末開始提出并實(shí)施的火電優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)劃，要求全部新建機(jī)組必須集成鍋爐尾部煙氣余熱回收技術(shù)。國內(nèi)上海外高橋三期工程通過在脫硫塔前加裝煙氣冷卻器回收尾部煙氣余熱，使機(jī)組供電煤耗下降2.71 g/(kW·h)[5]。文獻(xiàn)[6,7]考慮煙氣溫度的限制和實(shí)際換熱效率，綜合換熱面投資等經(jīng)濟(jì)成本來評估改造后電站機(jī)組增加的經(jīng)濟(jì)效益。

大型的火力發(fā)電機(jī)組通常利用提高汽水參數(shù)的方法來提高機(jī)組的效率，比如發(fā)展超臨界機(jī)組、超超臨界機(jī)組。但是提高汽水參數(shù)的方法同時(shí)也受到材料方面的制約。在能源日趨短缺的今天，如何利用排煙余熱，提高發(fā)電效率，降低煤耗率是未來燃煤電廠發(fā)展的重中之重。美國對于高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的利用和開發(fā)程度較高，由于燃煤電廠余熱溫度與鯰魚和羅非魚的最佳生長溫度范圍重合度比較高，所以目前對于這方面的利用效果比較好[8-10]。

現(xiàn)在國內(nèi)外的許多燃煤電廠，都開展了節(jié)能減排的改造。大型燃煤電廠的鍋爐余熱利用更是改造的主要方向之一[11-14]。雖然余熱回收的利用作為一種具有良好的效益的技術(shù)經(jīng)濟(jì)手段之一得到了大范圍的推廣，但是在實(shí)際進(jìn)行項(xiàng)目的節(jié)能評價(jià)時(shí)卻往往會產(chǎn)生一些比較大的爭議。

本文將會從燃煤電廠鍋爐的煙氣余熱利用系統(tǒng)的選擇、系統(tǒng)的優(yōu)化、系統(tǒng)的評價(jià)這3個(gè)方面著手，探究電廠煙氣余熱利用系統(tǒng)的真實(shí)的有效性和實(shí)用性。本文主要通過對1 000 MW超超臨界機(jī)組煙氣余熱利用研究，利用排煙余熱來加熱給水和空氣，排擠加熱器的抽汽，增加蒸汽在汽輪機(jī)中做功，提高發(fā)電功率，降低排煙熱損失。在滿足可行性和安全性的情況下，提出集成多級省煤器、前置式空氣預(yù)熱器的煙氣余熱利用系統(tǒng)。

1 煙氣余熱集成利用方法

1.1 系統(tǒng)介紹

集成利用方法的選取同時(shí)考慮了可行性、安全性，結(jié)合現(xiàn)有的余熱利用系統(tǒng)。提出了集成多級省煤器、前置式空氣預(yù)熱器的煙氣余熱利用系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)置了3組省煤器、1組前置式空氣預(yù)熱器、1組主空氣預(yù)熱器，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.鍋爐；2.前置式空氣預(yù)熱器；3.3號省煤器；4.2號省煤器；5.1號省煤器；6.主空氣預(yù)熱器；7.過熱器；8.再熱器；9.汽輪機(jī)高壓缸；10.汽輪機(jī)中壓缸；11.汽輪機(jī)低壓缸；12.1號高壓加熱器；13.2號高壓加熱器；14.3號高壓加熱器；15.除氧器；16.5號低壓加熱器；17.6號低壓加熱器；18.7號低壓加熱器；19.8號低壓加熱器；20.凝汽器圖1 集成煙水換熱器、前置式空氣預(yù)熱器的煙氣余熱利用系統(tǒng)

(1)從煙氣側(cè)來看，3組省煤器串聯(lián)布置；省煤器與主空氣預(yù)熱器采取并聯(lián)布置；省煤器、主空氣預(yù)熱器和前置式空氣預(yù)熱器串聯(lián)布置，通過設(shè)置前置式空氣預(yù)熱器，在確保進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的煙氣溫度滿足要求時(shí)，還可以部分利用煙氣余熱。

(2)從水側(cè)來看，2號省煤器與1、2、3號高壓加熱器并聯(lián)布置，分流一部分高溫蒸汽，增加高壓做功的蒸汽；3號省煤器與5、6號低壓加熱器并聯(lián)布置，分流一部分低溫蒸汽，加熱一部分低溫給水。同時(shí)增加了一個(gè)1號省煤器，其目的是為了保證鍋爐進(jìn)口溫度保持不變，減少鍋爐的改造量。

(3)從空氣側(cè)來看，低溫空氣先進(jìn)入前置式空氣預(yù)熱器，然后進(jìn)入主空氣預(yù)熱器加熱。這樣保證了系統(tǒng)的合理布置，而且可以使得效率比較高。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

通過設(shè)置1號省煤器，可以保證鍋爐進(jìn)口溫度保持不變，減少鍋爐的改造量，而且保證了系統(tǒng)的合理布置。通過設(shè)置前置式空氣預(yù)熱器，在確保進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的煙氣溫度滿足要求時(shí)，還可以部分利用煙氣余熱。采用假設(shè)迭代法確定3個(gè)省煤器的進(jìn)出口溫度，可以最終選取最合適的進(jìn)出口溫度。利用能量守恒和質(zhì)量守恒關(guān)系計(jì)算空氣預(yù)熱器和省煤器進(jìn)出口煙溫、介質(zhì)溫度。

2號省煤器與1、2、3號高壓加熱器并聯(lián)布置，分流一部分高溫蒸汽，增加高壓做功的蒸汽；3號省煤器與5、6號低壓加熱器并聯(lián)布置，分流一部分低溫蒸汽，加熱一部分低溫給水。從空氣側(cè)來看，低溫空氣先進(jìn)入前置式空氣預(yù)熱器，然后進(jìn)入主空氣預(yù)熱器加熱。這樣保證了系統(tǒng)的合理布置，而且可以使得效率比較高。

對于節(jié)煤量的計(jì)算，常見的計(jì)算方法是假設(shè)鍋爐效率、汽輪機(jī)效率、管道效率、機(jī)械效率保持不變，原則上可以大概計(jì)算出余熱利用系統(tǒng)的實(shí)際耗煤量，但誤差較大。本系統(tǒng)假設(shè)給煤量保持不變計(jì)算出新的發(fā)電功率，減少了因?yàn)橄到y(tǒng)各個(gè)部分效率變化而造成的影響，從而得出新系統(tǒng)的耗煤量?？梢允沟糜?jì)算結(jié)果相對而言更加準(zhǔn)確，而且計(jì)算誤差小。

2 集成系統(tǒng)熱計(jì)算

2.1 省煤器和空氣預(yù)熱器計(jì)算

對于系統(tǒng)來說

Qy=Qy1+Qy2+Qy3+Qa1+Qa2

(1)

式中：Qy為煙氣側(cè)總放熱量，kJ/s；Qy1為1號省煤器吸熱量，kJ/s；Qy2為2號省煤器吸熱量，kJ/s；Qy3為3號省煤器吸熱量，kJ/s；Qa1為主空氣預(yù)熱器吸熱量，kJ/s；Qa2為前置式空氣預(yù)熱器吸熱量，kJ/s。

Qa1+Qa2=η·Qa

(2)

式中：Qa為空氣預(yù)熱器總吸熱量，kJ/s；η為空氣預(yù)熱器效率。

省煤器側(cè)和空氣預(yù)熱器側(cè)分別占有的煙氣量為：

Qy2+Qy3=Cpy(Ty1-Ty2)Da

(3)

式中：Cpy為煙氣定壓比容，kJ/(m3·K)；煙氣溫度從Ty1增長到Ty2；Da為煙氣質(zhì)量流量，kg/s。

Qa=Cpa(Ta1-Ta2)Dy

(4)

式中：Cpa為空氣定壓比容，kJ/(m3·K)；空氣溫度從Ta1增長到Ta2；Dy為空氣質(zhì)量流量，kg/s。

由式(4)可以得出煙氣分流比為

(5)

前置式空氣預(yù)熱器吸熱量

Qa2=ηyCpy(T3-T1,in)Dy

(6)

式中：ηy為風(fēng)煙換熱器效率；T1,in為前空氣預(yù)熱器入口煙溫，℃。

空氣預(yù)熱器總吸熱量

Qa=Cpa(Ta1-Ta2)Dy

(7)

主空氣預(yù)熱器吸熱量

Qa1=Qa-Qa2

(8)

煙氣側(cè)總放熱量

Qy=Cpy(Ty,out-T1,in)Dy-ΔQrh

(9)

式中：Ty,out為省煤器出口煙溫，℃；ΔQrh為再熱蒸汽增加的吸熱量，kJ/s。

水側(cè)總吸熱量

(10)

式中：Qw為水側(cè)總吸熱量，kJ/s；ηa為煙水換熱器效率。

水側(cè)煙氣流量

(11)

式中：Dyw為水側(cè)煙氣流量，kg/s。

2號省煤器吸熱量

Qy2=Dyw(T1-T2)

(12)

2號省煤器分流量

(13)

3號省煤器吸熱量

Qy3=Dyw(T2-T3)

(14)

3號省煤器分流量

(15)

2.2 加熱器排擠抽汽計(jì)算

流經(jīng)1號高加的流量

Dfw1=Dfw-Df1

(16)

流經(jīng)2號高加的流量

Dfw2=Dfw-Df1

(17)

流經(jīng)3號高加的流量

Dfw3=Dfw-Df1

(18)

1號高壓加熱器的進(jìn)汽量

(19)

式中：Dfw1為流經(jīng)1號高加的流量，kg/s；ηH1為1號高加熱效率；hw1加熱器出口水焓值，kJ/kg。

2號高壓加熱器的進(jìn)汽量

(20)

再熱蒸汽增加的流量

(21)

再熱蒸汽增加的吸熱量

ΔQrh=qrhΔDrh=Qy0

(22)

流經(jīng)5號低加的流量

Dfw5=Dfc-Df2

(23)

流經(jīng)6號低加的流量

Dfw6=Dfc-Df2

(24)

其中，1、2、3號高加的熱量為QH，5、6號低加的熱量記為QL，則有

QH=Cpwa(T1-T3)m123

(25)

QL=Cpwa(T5-T6)m56

(26)

再熱器的吸熱量由于排擠抽汽而發(fā)生了變化，因此為了保證全廠的效率和余熱利用，可以適當(dāng)提高再熱器的進(jìn)汽溫度，從而使得在給煤量和原系統(tǒng)相等時(shí)，再熱器的吸熱量不變，保證一定的熱量利用[8-12]。

設(shè)提高后的進(jìn)汽溫度為Tin，排擠抽汽為

ΔQyH=CP(T0-Tin)m

(27)

(28)

2.3 機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

發(fā)電廠的廠用電率是指單位時(shí)間內(nèi)廠用變耗電量與發(fā)電量的百分比，即

(29)

式中：ξap為機(jī)組廠用電率；Pg為機(jī)組發(fā)電機(jī)有功輸出，kW·h；Pg為機(jī)組上網(wǎng)電量，kW·h。

根據(jù)機(jī)組的特點(diǎn)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定廠用電率ξap，由此可計(jì)算機(jī)組供電熱效率為

ηcpn=ηcp(1-ξap)

(30)

以及供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率為

(31)

3 集成系統(tǒng)熱計(jì)算流程

系統(tǒng)設(shè)置了一組前置式空氣預(yù)熱器，一組主空氣預(yù)熱器，以及1、2、3號總共3組省煤器。采取假設(shè)迭代法和交叉迭代法確定3個(gè)省煤器的進(jìn)出口溫度， 采取假設(shè)系統(tǒng)的給煤量與原系統(tǒng)保持相同，然后計(jì)算新系統(tǒng)的耗煤量的方法。余熱利用系統(tǒng)的計(jì)算流程圖如圖2所示。

圖2 集成利用方法計(jì)算流程圖

設(shè)T1為1號省煤器出口煙溫；T2為2號省煤器出口煙溫；T3為3號省煤器出口煙溫，首先假設(shè)T2溫度為某一數(shù)值，然后再假設(shè)T1溫度對于省煤器入口溫度，通過逆向計(jì)算法求出新的T1溫度，與假設(shè)的T1溫度進(jìn)行對比，經(jīng)過多次迭代，求出最佳溫度。在確定了1號省煤器入口溫度T1之后，對于2、3號省煤器的入口溫度T2、T3采用交叉迭代法求解。

4 實(shí)例計(jì)算與分析

4.1 機(jī)組參數(shù)

現(xiàn)有1 000 MW 機(jī)組鍋爐采用超超臨界參數(shù)變壓直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、前后墻對沖燃燒、緊身封閉布置、固體排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π 型鍋爐。采用等離子點(diǎn)火節(jié)油技術(shù)。在鍋爐BMCR工況下，過熱蒸汽量、壓力及溫度分別為2 492 t/h、26.3 MPa 和605 ℃。

機(jī)組詳細(xì)熱力參數(shù)如表1所示。將表1所示的機(jī)組具體的熱力參數(shù)代入煙氣余熱集成利用系統(tǒng)計(jì)算流程。

表1 1 000 MW機(jī)組詳細(xì)參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果

本系統(tǒng)假設(shè)給煤量保持不變，從而減少了因?yàn)橄到y(tǒng)各個(gè)部分效率變化而造成的影響，從而得出新系統(tǒng)的耗煤量。可以使得計(jì)算結(jié)果相對而言更加準(zhǔn)確，而且計(jì)算誤差小。表2為1 000 MW機(jī)組余熱利用模型的熱力計(jì)算結(jié)果。

表2 1 000 MW機(jī)組熱力計(jì)算結(jié)果

圖3 節(jié)煤量Δb與T2關(guān)系圖

圖3為節(jié)煤量Δb與T2關(guān)系圖，通過假設(shè)不同的T2溫度，可以得出與之相對應(yīng)的節(jié)煤量Δb之間的關(guān)系，最后求出最大節(jié)煤量所對應(yīng)的2號省煤器的入口溫度T2。

由圖3可得：

1號省煤器出口煙溫T1=322.04℃；

2號省煤器出口煙溫T2=214.10℃；

3號省煤器出口煙溫T3=105.08℃。

從而得出供電節(jié)煤量

Δb=bscp-bscp2=3.699 g/(kW·h)

計(jì)算表明，本工程應(yīng)用該系統(tǒng)后，可降低機(jī)組供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗3.699g/(kW·h)，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2.09 萬t。

4.3 結(jié)果分析

鍋爐排煙余熱同時(shí)加熱給水和空氣，大幅度提高了余熱利用效率。從上述經(jīng)濟(jì)性核算可以看出，將鍋爐尾部高溫?zé)煔夥殖鲆徊糠謥硗ㄟ^高溫?zé)煔馐∶浩骱偷蜏責(zé)煔馐∶浩饕来渭訜崞啓C(jī)部分給水和凝結(jié)水，能夠降低汽輪機(jī)的熱耗和煤耗，同時(shí)降低了排煙溫度，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。需要注意的是，空氣預(yù)熱器出口和煙氣冷卻器出口的煙溫比較低，有可能低于煙氣露點(diǎn)溫度，在煙氣中硫成分比較高的時(shí)候就容易形成低溫腐蝕，需要采用有效措施以避免。

在考慮引風(fēng)機(jī)的功耗增加，即在考慮廠用電的時(shí)候，節(jié)煤量可以達(dá)到3.699 g/(kW·h)。而且此系統(tǒng)只考慮了鍋爐側(cè)，說明此系統(tǒng)的節(jié)煤空間也是很大的。

5 結(jié)論

(1)該系統(tǒng)設(shè)置了一組前置式空氣預(yù)熱器、一組主空氣預(yù)熱器、一組高溫省煤器、一組低溫省煤器、一組1號省煤器。其中1號省煤器用于保持了鍋爐進(jìn)口溫度保持不變，以減少鍋爐的改造量；前置式空氣預(yù)熱器在確保進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的煙氣溫度滿足要求時(shí)，還可以部分利用煙氣余熱。

(2)集成多級省煤器、前置式空氣預(yù)熱器的煙氣余熱利用系統(tǒng)中，采取假設(shè)迭代法和交叉迭代法確定3個(gè)省煤器的進(jìn)出口溫度，以選取最合適的進(jìn)出口溫度。利用能量平衡和質(zhì)量守恒關(guān)系計(jì)算空氣預(yù)熱器和省煤器進(jìn)出口煙溫、介質(zhì)溫度。

(3)當(dāng)并聯(lián)系統(tǒng)分流比例大體為0.15，即2號省煤器出口煙溫T2=214.10 ℃時(shí)，系統(tǒng)的節(jié)煤量最大，大約節(jié)煤3.699 g/(kW·h)，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2.09 萬t 。此時(shí)，1號省煤器出口煙溫T1=322.04 ℃，3號省煤器出口煙溫T3=105.08 ℃。

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Research on Integrated Utilization Technology of Flue Gas Waste Heat for 1 000 MW Ultra-supercritical Unit

LUO Ning, HE Qing

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China )

In order to make full use of the flue gas waste heat in power plant, taking a 1 000 MW ultra-supercritical unit as the object of study an integrated system composing of three economizers and two air pre-heaters of flue gas waste heat is designed.No.1 economizer is set to ensure the boiler import temperature unchanged so as to reduce the transforming workload of boiler; the front-loading air pre-heater are set to ensure that flue gas temperature entering the desulfurization system to meet the requirements, and part of the flue gas waste heat can be made full use of.The optimal temperatures of three import and export of economizers are taken by adopting iterative methods, and the new generation power is calculated as 1 014.13 MW by assuming that coal supply of new system remains the same with the original system; in other words, the largest section of coal is 3.699 g/(kW·h) under the rated conditions, which saves 20.9 thousand tons of standard coal every year.

ultra-supercritical power unit; utilization of flue gas waste heat; multi-stage economizer; front-loading air pre-heater; classification utilization of waste heat

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.06.007

2017-03-11。

國家自然科學(xué)基金(51276059)。

TK115

A

1672-0792(2017)06-0042-06

羅寧 (1994-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槠啓C(jī)故障診斷、壓縮空氣儲能。