燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐尾部煙氣余熱利用方式及經(jīng)濟(jì)性分析

胡秀濤（廣東粵電新會(huì)發(fā)電有限公司，廣東江門(mén)529100）

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐尾部煙氣余熱利用方式及經(jīng)濟(jì)性分析

胡秀濤
（廣東粵電新會(huì)發(fā)電有限公司，廣東江門(mén)529100）

闡述了煙氣余熱利用現(xiàn)狀、可利用價(jià)值及余熱回收利用對(duì)我國(guó)節(jié)能減排的意義，介紹了燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐尾部煙氣余熱的利用方式以及利用裝置對(duì)機(jī)組的影響，并對(duì)390MW F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐余熱回收效益進(jìn)行了對(duì)比分析，表明通過(guò)回收燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐尾部煙氣余熱，可以在保證設(shè)備安全的基礎(chǔ)上，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

余熱鍋爐；余熱利用；經(jīng)濟(jì)性分析

0 引言

目前，隨著環(huán)保要求的日益提高，我國(guó)正在積極調(diào)整能源結(jié)構(gòu)。天然氣作為一種清潔能源，在替代煤炭以改善空氣質(zhì)量方面具有優(yōu)勢(shì):一方面，天然氣利用效率普遍高于燃煤；另一方面，天然氣燃燒產(chǎn)生的污染相比煤炭明顯要低?；诖?，以及隨著“西氣東輸”及“引進(jìn)液化天然氣”工程的實(shí)施，我國(guó)已建設(shè)或正在建設(shè)一批燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，這對(duì)改變我國(guó)電站的燃料結(jié)構(gòu)、改善能耗和提高環(huán)境質(zhì)量都將發(fā)揮重大作用。

由于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒溫度極高，通常高達(dá)1400-1500℃，因此其排氣溫度亦較高，一般高達(dá)500-600℃，造成燃?xì)廨啓C(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)熱效率偏低。為充分利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣的熱量，通常由余熱鍋爐回收燃?xì)廨啓C(jī)排氣中的大量余熱，產(chǎn)生高溫蒸汽并推動(dòng)蒸汽輪機(jī)做功發(fā)電，蒸汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)組成燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，使得整體發(fā)電效率可高達(dá)60%左右。然而，目前大型F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組余熱鍋爐排煙溫度一般在90℃左右，這一部分煙氣余熱也是一個(gè)潛力很大的資源，余熱鍋爐煙氣排放溫度高既浪費(fèi)了大量能源，又造成嚴(yán)重的環(huán)境熱污染。

為響應(yīng)國(guó)家“節(jié)能環(huán)?！钡奶?hào)召，對(duì)于余熱鍋爐煙氣余熱，要做到充分利用，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。

1 余熱鍋爐尾部煙氣余熱回收利用的現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外應(yīng)用

在國(guó)外，煙氣余熱利用技術(shù)已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用。

例如，德國(guó)黑泵（S c hw ar z e P um p e）電廠[1]建有兩臺(tái)800MW褐煤發(fā)電機(jī)組，為充分利用排煙余熱，在靜電除塵器和煙氣脫硫塔間裝有煙氣冷卻器，利用煙氣余熱加熱鍋爐凝結(jié)水，并將煙氣溫度從170℃降至130℃，然后送入煙氣脫硫塔。

日本的常陸那珂電廠[2]采用管式氣氣換熱器（GG H）。在電除塵器上游布置煙氣放熱段GG H，煙氣被冷卻至90-100℃左右后進(jìn)入低溫除塵器，在煙囪入口布置煙氣加熱段GG H，利用循環(huán)水加熱煙氣，該GG H也類(lèi)似低溫省煤器。

1.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用

國(guó)內(nèi)部分電廠在煙氣余熱利用方面也已有了較多成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和初步應(yīng)用。

山東龍口電廠[2]2×100MW機(jī)組裝有國(guó)內(nèi)首臺(tái)煙氣余熱冷卻器，該冷卻器布置在鍋爐空預(yù)器之后，解決了排煙溫度高的問(wèn)題。開(kāi)封電廠、大唐太原第二熱電廠等的燃煤鍋爐也采用了上述類(lèi)似布置方案。

外高橋電廠三期2×1000MW機(jī)組[3]在引風(fēng)機(jī)后脫硫吸收塔前布置低溫省煤器，加裝的煙氣余熱利用系統(tǒng)使煙氣溫度從125℃降至85-93℃，盡管煙氣溫度低，但實(shí)踐證明該裝置可長(zhǎng)時(shí)間安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，節(jié)能效果非常明顯。

華電國(guó)際鄒縣電廠300MW機(jī)組[2]通過(guò)機(jī)組優(yōu)化改造后，排煙溫度可降至130℃，在增設(shè)低壓省煤器后，排煙溫度降至105℃以下，上述改造可使機(jī)組供電煤耗降低1.582g/k Wh，節(jié)省標(biāo)煤2871t/a，節(jié)省水量9.58萬(wàn)t/a，減少煙囪內(nèi)凈煙氣含水率20%。

2 余熱鍋爐尾部煙氣余熱的利用方式

余熱鍋爐煙氣余熱利用的主要思路是通過(guò)熱交換器利用煙氣中的余熱對(duì)其它介質(zhì)進(jìn)行加熱，從而降低煙氣溫度，回收煙氣中余熱，而被加熱的介質(zhì)作為熱源在不同的場(chǎng)合使用。主要有以下幾種用途:

2.1 降低燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度

燃?xì)廨啓C(jī)的熱力循環(huán)通常為工質(zhì)取自大氣的開(kāi)式循環(huán)，其功率和效率隨環(huán)境溫度的變化而變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，因大氣的密度降低，燃?xì)廨啓C(jī)空氣流量、壓力等參數(shù)下降，其效率隨之下降，熱耗率上升，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度過(guò)高，對(duì)機(jī)組發(fā)電功率和熱耗產(chǎn)生不利影響。目前常用的解決方法是對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，通過(guò)降低進(jìn)氣溫度，從而提升燃?xì)獍l(fā)電效率和整機(jī)功率的目的。

不同于采用電制冷或蒸汽制冷的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻方案需消耗電力或蒸汽，采用煙氣余熱制冷，屬于廢熱利用，因此可提高全廠能源利用效率。因此，可以考慮利用煙氣余熱制冷降低燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度。

2.2 加熱調(diào)壓站的天然氣

自供氣末站至調(diào)壓站的天然氣經(jīng)調(diào)壓站降壓后，溫度降低，為避免凝露發(fā)生，需要使用加熱器對(duì)其進(jìn)行加熱后，才能達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)供氣分界點(diǎn)所需的溫度（6-38℃），同時(shí)為防止低溫下調(diào)壓?jiǎn)卧收希虼嗽O(shè)置天然氣加熱單元。

加熱系統(tǒng)的設(shè)置主要考慮以下因素:

1）滿(mǎn)足燃?xì)廨啓C(jī)在各種工況下運(yùn)行時(shí)，對(duì)燃料的溫度的要求；

2）使盡可能多的設(shè)備和管道工作在常溫下。

加熱器布置在調(diào)壓站流量計(jì)量裝置及快關(guān)裝置后。加熱器的形式主要有:以燃?xì)鉃槟茉吹乃∈郊訜崞?、管殼式換熱器（用蒸汽或熱水作為加熱介質(zhì)）以及電加熱器。電加熱器一般用于啟動(dòng)時(shí)小流量的加熱。

因此，可以考慮利用煙氣余熱回收產(chǎn)生的熱水，對(duì)調(diào)壓站內(nèi)降壓后降溫的天然氣進(jìn)行加熱，提高其溫度，避免凝露發(fā)生，以取代水浴式加熱器，從而減少能源消耗，提高電廠能源綜合利用效率。

2.3 生活用熱水

生活用熱水一般只需50℃左右。根據(jù)目前大型F級(jí)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐的排煙溫度，可以利用的溫度空間比較大。在幾乎不影響燃?xì)廨啓C(jī)及余熱鍋爐運(yùn)行的前提下，可以利用余熱鍋爐煙氣余熱，生產(chǎn)60℃左右的熱水供給相應(yīng)用戶(hù)，如廠區(qū)內(nèi)的職工食堂、浴室或廠區(qū)外居民區(qū)、酒店等用戶(hù)使用。

2.4 夏季供空調(diào)制冷或冬季供暖

夏季可以利用余熱鍋爐煙氣余熱回收生產(chǎn)熱水，提供給熱水型制冷機(jī)組進(jìn)行制冷，冬季也可以提供熱水供空調(diào)機(jī)采暖。

3 余熱鍋爐尾部煙氣余熱回收裝置對(duì)機(jī)組的影響

3.1 余熱鍋爐尾部煙氣余熱回收裝置的方案

煙氣余熱回收裝置可考慮主要方案有:

（1）通過(guò)對(duì)凝結(jié)水加熱器增加旁路循環(huán)水的形式實(shí)現(xiàn)，以犧牲部分低壓系統(tǒng)主蒸汽流量（最大不超過(guò)10%），但不增加煙氣阻力，不改變?cè)惺軣崦娼Y(jié)構(gòu)。

（2）通過(guò)抬高余熱鍋爐高度和增加受熱面的方法，在保證各項(xiàng)性能參數(shù)的前提下（保持汽水系統(tǒng)熱力參數(shù)和煙氣阻力不變），實(shí)現(xiàn)余熱供熱。

（3）在余熱鍋爐尾部直接布置受熱面來(lái)降低排煙溫度，該方案不但會(huì)明顯增加煙氣阻力，而且產(chǎn)生的熱水溫度較低（因排煙溫度只有90℃左右，熱水溫度僅約80℃），不便于利用。

如余熱鍋爐產(chǎn)生的熱水經(jīng)過(guò)熱用戶(hù)后的回水水質(zhì)較差時(shí)，為了保護(hù)余熱鍋爐尾部受熱面，需額外增加一表面式換熱器；當(dāng)回水水質(zhì)滿(mǎn)足余熱鍋爐的要求時(shí)，可以采取閉式循環(huán)的方式直接進(jìn)入余熱鍋爐。

3.2 對(duì)余熱鍋爐換熱面的影響

表1 典型天然氣成分[4]

余熱鍋爐換熱面的低溫腐蝕問(wèn)題是阻礙降低煙氣排煙溫度的重要因素。由于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)使用潔凈天然氣作為燃料，燃料典型成分見(jiàn)表1，燃燒后產(chǎn)生的典型煙氣成分見(jiàn)表2。

表2 典型天然氣燃燒后煙氣成分[4]

由上面兩個(gè)表可以看出，由于天然氣燃料中不含硫成分，煙氣成分中也不含硫化物，在降低排煙溫度之后，不會(huì)像燃煤電廠一樣產(chǎn)生低溫時(shí)硫化物腐蝕換熱面的情況。

4 效益分析

表3為采用方案A和方案B的390MW F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)余熱回收效益對(duì)比。供熱計(jì)算均按直接回水（假定68℃）到余熱鍋爐考慮，即采用閉式循環(huán)的方式利用熱水中的熱量對(duì)其它介質(zhì)進(jìn)行加熱。方案A不增加尾部受熱面，隨熱水產(chǎn)量的增加，余熱鍋爐的熱效率將增加，排煙溫度降低，但是低壓蒸汽產(chǎn)量下降，會(huì)影響發(fā)電量。方案A1為熱網(wǎng)水流量小的設(shè)計(jì)，對(duì)低壓主蒸汽的流量影響較?。环桨窤2為熱網(wǎng)水流量大的設(shè)計(jì)，對(duì)低壓主蒸汽的流量影響較大。方案B為不影響低壓系統(tǒng)的出力，還可滿(mǎn)足供熱熱水需求，但增加余熱鍋爐鋼材耗量。

表3 390M W F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)余熱回收效益對(duì)比

根據(jù)方案B，在保證各項(xiàng)性能參數(shù)的前提下（保持熱力參數(shù)和煙氣阻力不變），每臺(tái)機(jī)組增加152.5℃的熱水73t/h，則可以利用的熱量為:

Q1=cmΔT=4.2×73×（152.5-68）/1000=25.9G J/h

式中Q1—熱量，G J/h；

c—水的比熱容，4.2×103J/（k g℃）；

m—水的質(zhì)量（流量），t/h；

ΔT—水進(jìn)出口溫度變化，℃。

考慮到換熱器的效率為80%，則每小時(shí)可以轉(zhuǎn)化的熱量為:

Q2=Q1η=25.9×0.8=20.7G J/h

方案計(jì)算機(jī)組的供熱氣耗率為26N m3/G J，則機(jī)組每小時(shí)節(jié)省的熱量相當(dāng)于:

F=Q2Fc=20.7×26=538.2N m3/h天然氣燃燒放出的熱量。

式中F—天然氣流量，N m3/h；

Fc——機(jī)組供熱氣耗率。

按年供熱利用小時(shí)5665h計(jì)算，在保證工況下全年共節(jié)省的天然氣量為305萬(wàn)N m3/a。

在保證工況下390MW F級(jí)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組全年的氣耗量為44034.865萬(wàn)N m3/a，則節(jié)省的天然氣量相當(dāng)于燃?xì)廨啓C(jī)總的天然氣耗量的: 305/44034.865=0.69%。天然氣價(jià)格按2.83元/N m3計(jì)算，則每年節(jié)省的費(fèi)用為863萬(wàn)元。而余熱鍋爐增加的鋼材按230t計(jì)，共增加的設(shè)備成本約100萬(wàn)元。

從以上結(jié)果可以看出:相對(duì)于增加的設(shè)備成本，節(jié)省的熱量?jī)r(jià)值是非?？捎^的。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多個(gè)鍋爐尾部煙氣余熱回收應(yīng)用，節(jié)能效果顯著；

（2）由于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐尾部煙氣不含硫化物，因此其余熱回收可保證設(shè)備安全，同時(shí)獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益；

（3）對(duì)于典型的390MW燃?xì)廨啓C(jī)配套余熱鍋爐尾部煙氣，采用增加余熱鍋爐高度的方法進(jìn)行余熱回收，每年可節(jié)約用氣約0.69%，年節(jié)省費(fèi)用約863萬(wàn)元，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]宗文.施瓦茨蓬普褐煤電廠設(shè)計(jì)與建設(shè)[J].國(guó)際電力,1999（1）：7-12.

[2]程小松.電廠冷端系統(tǒng)及煙氣余熱利用系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化控制[D].重慶：重慶大學(xué),2015.

[3]趙之軍，馮偉忠，張玲，等.電站鍋爐排煙余熱回收的理論分析與工程實(shí)踐[J].動(dòng)力工程,2009,29（11）：994-997.

[4]趙欽新，惠世恩.燃油燃?xì)忮仩t[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,2000.

Methods and Economic Analysis of Waste Heat Recovery From Gas Steam Combined Cycle Waste Heat Boiler Flue Gas

HU Xiu-tao
（Guangdong Yuedian Xinhui Power Co.，Ltd，Jiangmen 529100，China）

Fir s t，t h i s p a p er b rie f ly intro d uce d t h e s tatu s o f h eat reco v ery f rom f lue g a s，an d t h e v alue o f h eat reco v ery f rom f lue g a s to ener g y con s er v ation an d emi ss ion re d uction in C h ina.T h en,it intro d uce d t h e met h o ds o f h eat reco v ery o f f lue g a s f rom com b ine d g a s an d s team cycle w a s te h eat reco v ery b oiler an d t h e in f luence o f h eat reco v ery equi p ment on w a s te h eat reco v ery b oiler.Finally，t h e w a s te h eat reco v ery e ff iciency o f a 390MW F-cla ss g a s tur b ine w a s com p are d an d analy z e d，t h e re s ult sh o w e d t h at b y reco v erin g t h e w a s te h eat o f f lue g a s f rom com b ine d g a s an d s team cycle w a s te h eat reco v ery b oiler，con s i d era b le economic b ene f it s can b e o b taine d on t h e b a s i s o f g uaranteein g t h e s a f ety o f t h e equi p ment.

w a s te h eat reco v ery b oiler；w a s te h eat utili z ation；economic analy s i s

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.012

T K115

B

2095-3429（2017）03-0043-04

2017-05-21

修回日期：2017-06-16

胡秀濤（1982-），男，山西陽(yáng)泉人，本科，工程師，研究方向：火力發(fā)電廠運(yùn)行與節(jié)能環(huán)保技術(shù)。