褐煤鍋爐余熱集成梯級(jí)利用系統(tǒng)的應(yīng)用與研究

趙小楠，楊巨生

(1.內(nèi)蒙古京能錫林發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000；2.太原理工大學(xué)，太原 030024)

褐煤鍋爐余熱集成梯級(jí)利用系統(tǒng)的應(yīng)用與研究

趙小楠1，楊巨生2

(1.內(nèi)蒙古京能錫林發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000；2.太原理工大學(xué)，太原 030024)

褐煤鍋爐空預(yù)器排煙溫度達(dá)161 ℃，不利于節(jié)能?；谀芰科肺惶菁?jí)利用原理和系統(tǒng)集成方法論，設(shè)計(jì)實(shí)施了尾部煙氣余熱集成梯級(jí)利用系統(tǒng)，與蒸汽回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行耦合優(yōu)化，排擠高品質(zhì)抽汽返回汽輪機(jī)內(nèi)繼續(xù)膨脹做功。相對(duì)于將低溫省煤器布置在空氣預(yù)熱器出口之后的傳統(tǒng)方案，采用梯級(jí)利用技術(shù)節(jié)能優(yōu)勢顯著。

能量梯級(jí)利用，煙氣余熱，低溫省煤器，節(jié)能

0 引言

1 煙氣余熱的熱力學(xué)分析方法

在尾部煙道中增設(shè)余熱換熱裝置，利用煙氣余熱加熱回?zé)嵯到y(tǒng)的冷凝水，排擠部分進(jìn)入回?zé)釗Q熱器的回?zé)岢槠?，增加進(jìn)入汽輪機(jī)后續(xù)級(jí)的蒸汽流量，從而增加汽輪機(jī)的總輸出功率，提高整個(gè)發(fā)電機(jī)組的效率。

煙氣余熱系統(tǒng)熱力平衡分析。對(duì)第i級(jí)回?zé)峒訜崞?如圖1所示)的熱平衡式如下

qmn,i-1hn,i-1-qmn,ihn,i=(qme,ihe,i+

qms,i-1hs,i-1-qms,ihs,i)ηh,i。

(1)

當(dāng)存在余熱回收利用時(shí)，對(duì)于同樣的換熱器熱平衡式如下

圖1 回?zé)峒訜崞鳠崞胶怅P(guān)系

(2)

式中：Qg為給水或凝結(jié)水吸收的煙氣余熱量，kJ/h；η為回?zé)峒訜崞餍剩籷m為質(zhì)量流量，kg/h；he，hn，hs分別代表蒸汽、凝結(jié)水或給水、疏水的比焓，kJ/kg；有*的量表示采用煙氣余熱利用時(shí)的參數(shù)。

根據(jù)傳熱學(xué)原理可知，電站鍋爐尾部煙氣用于加熱凝結(jié)水的熱量Qg大致相當(dāng)于煙氣的放熱量， 凝結(jié)水吸熱量熱平衡式如下

在之后與它的談話中，我得到了一些信息。人類為了發(fā)展科技，大肆破壞自然環(huán)境，在三千年后科技終于位居宇宙排名的前五名。三千年后的人都很富裕，像醫(yī)院、酒吧、游樂場都只有機(jī)器人員工。這時(shí)候的人類不用工作，也能得到每天一萬元的宇宙幣（一種宇宙的通用貨幣），但唯一的問題是：地球環(huán)境受到了無法修復(fù)的破壞，自然界已經(jīng)沒有了氧氣，所以人類要戴著氧氣面罩才能到戶外進(jìn)行活動(dòng)。因?yàn)榄h(huán)境受到污染，地球人只能向外星球移民，給外星球增添了負(fù)擔(dān)。外星球一再提出要地球人改善地球的環(huán)境，但地球人依舊我行我素。最終，外星人忍無可忍，決定聯(lián)手消滅地球人。此時(shí)此刻，在地球上的某一處，外星人大軍正在與地球士兵作戰(zhàn)呢。

Qg=qm×cρ,g×Δt×φ，

(3)

凝結(jié)水或給水吸收煙氣余熱后，可排擠的該級(jí)節(jié)約回?zé)岢槠繛?/p>

(4)

根據(jù)該級(jí)回?zé)峒訜崞鞯某槠孔兓mi，可計(jì)算出汽輪機(jī)機(jī)組做功增量 ΔPi為

(5)

式中：he，i為該級(jí)加熱器抽汽的比焓；hc為汽機(jī)低壓缸排汽的比焓， kJ/kg；ηm為機(jī)組的機(jī)械效率；ηg為發(fā)電機(jī)效率。

2 煙氣余熱利用系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

某電廠汽輪機(jī)為單軸、一次中間再熱、三缸兩排汽、 間接空冷凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為NJK660-28/600/620。鍋爐為超超臨界中間一次再熱∏型變壓直流爐，型號(hào)為B&WB-2117/29.4-M。回?zé)嵯到y(tǒng)采用九級(jí)回?zé)岢槠叭?、五低、一除氧”。鍋爐燃用設(shè)計(jì)煤種，低位發(fā)熱量為14.69 MJ/kg，鍋爐實(shí)際燃煤量為408 t/h，鍋爐熱效率為93.02%?？疹A(yù)器出口排煙溫度為161.3 ℃。

根據(jù)該廠系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)采用常規(guī)低溫省煤器的煙氣余熱利用系統(tǒng)和集成梯級(jí)煙氣余熱系統(tǒng)2種技術(shù)方案分別進(jìn)行熱力平衡計(jì)算。各方案的主要設(shè)備及其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 2種系統(tǒng)主要設(shè)備及其設(shè)計(jì)參數(shù) ℃

2.1低溫省煤器熱力學(xué)分析

采用傳統(tǒng)的低溫省煤器的技術(shù)方案如圖2所示(圖中高加為高壓加熱器，低加為低壓加熱器，下同)，將#7低加入口的凝結(jié)水引出加熱后送人#6低加出口，排擠6次抽汽量來提高蒸汽做功能力，又考慮到工程應(yīng)用實(shí)際，必須保證換熱器的兩側(cè)節(jié)點(diǎn)有15.0 ℃以上的溫差。#7低加入口凝結(jié)水溫度為98.3 ℃，因此排煙溫度控制在113.0 ℃左右。根據(jù)表的設(shè)計(jì)參數(shù)，圖3給出了煙氣余熱利用系統(tǒng)常規(guī)方案和煙氣余熱利用過程的T-Q圖。由圖3可見凝結(jié)水溫升較小，此方案對(duì)提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性效果有限，只能降低煤耗約2 g/(kW·h)。對(duì)于褐煤機(jī)組的煙氣余熱利用不充分。

圖2 低溫省煤器煙氣余熱利用系統(tǒng)

圖3 低溫省煤器煙氣余熱利用系統(tǒng)的T-Q圖

2.2煙氣余熱集成梯級(jí)利用系統(tǒng)的分析

根據(jù)“溫度對(duì)口，能級(jí)匹配”的梯級(jí)利用原則，對(duì)尾部煙道的煙氣余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖4所示。首先利用低品位煙氣余熱加熱冷一、二次風(fēng)，提高空預(yù)器入口風(fēng)溫，減少煙氣在空預(yù)器中的換熱，而將這部分高品位熱量在煙氣旁路加熱高加旁路給水和#5低加凝結(jié)水，通過排擠汽輪機(jī)一、二、三、五次高品位的回?zé)岢槠麖亩@得更高的經(jīng)濟(jì)效益。集成梯級(jí)利用系統(tǒng)不僅有利于余熱的梯級(jí)回收利用，在變工況運(yùn)行時(shí)，排煙溫度的控制有更好的適應(yīng)性與靈活性[3-4]。

圖4 煙氣余熱集成梯級(jí)利用系統(tǒng)

鍋爐尾部煙氣余熱梯級(jí)利用方案具體包括：空預(yù)器旁路換熱器(給水換熱器，凝結(jié)水換熱器)、凝結(jié)水煙冷器、熱媒水交換器。給水換熱器從給水泵出口引出1路給水，利用煙氣旁路余熱將給水溫度從196.0 ℃左右升至310.0 ℃左右再送至省煤器入口，通過排擠汽輪機(jī)一、二、三次高品級(jí)的回?zé)岢槠麖亩@得更高的經(jīng)濟(jì)效益。從#6低加出口引出的部分凝結(jié)水，通過凝結(jié)水煙氣換熱器將凝結(jié)水溫度由138.0 ℃升至158.0 ℃再送至#5低加出口，排擠汽輪機(jī)五次抽汽量提高蒸汽做功能力。凝結(jié)水煙冷器將#7低加入口的凝結(jié)水引出加熱后送入#6低加出口，排擠六、七次抽汽量來提高蒸汽做功能力。熱媒水換熱器采用低品質(zhì)的低溫?zé)煔庖詿崦剿鳛橹虚g介質(zhì)預(yù)熱空預(yù)器進(jìn)口一、二次冷風(fēng)，提高空預(yù)器入口風(fēng)溫，防止空預(yù)器低溫腐蝕與堵灰。圖5給出了梯級(jí)煙氣余熱利用系統(tǒng)的T-Q圖。

圖5 煙氣余熱集成梯級(jí)利用系統(tǒng)的T-Q圖

2.32種系統(tǒng)的熱力分析對(duì)比

低溫省煤器系統(tǒng)和煙氣余熱梯級(jí)綜合利用系統(tǒng)的熱力學(xué)分析結(jié)果見表2。

表2 2種系統(tǒng)熱力分析結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明采用煙氣余熱梯級(jí)利用系統(tǒng)后，使低溫省煤器煤耗降低值由2.0 g/(kW·h)提高到7.7 g/(kW·h)，同時(shí)使機(jī)組效率提高1.5%。效率比采用單一熱源的低溫省煤器更高。

3 結(jié)論

通過對(duì)集成梯級(jí)煙氣余熱系統(tǒng)的熱力學(xué)研究分析，表明余熱的轉(zhuǎn)換利用不僅要關(guān)注余熱的數(shù)量，還要考慮余熱的品位質(zhì)量問題。高溫高壓熱源比低溫低壓熱源轉(zhuǎn)換力大。通過對(duì)不同品位能量的合理分配以及與各系統(tǒng)的優(yōu)化匹配，可以獲得更好的整體節(jié)能效果。與常規(guī)低溫省煤器的煙氣余熱利用技術(shù)相比，高效褐煤煙氣余熱集成梯級(jí)利用系統(tǒng)具有以下明顯優(yōu)勢。

(1)采用梯級(jí)利用技術(shù)可使機(jī)組供電煤耗降低值由2.0 g/(kW·h) 提高至7.7 g/(kW·h)。

(2)集成煙氣余熱換熱器使阻力提高導(dǎo)致風(fēng)機(jī)能耗增加量與煙氣量減少引起的電耗降低量基本相當(dāng)。

(3)空預(yù)器進(jìn)出口的冷一、二次風(fēng)溫水平均較高達(dá)95.3 ℃，減小了低溫腐蝕的可能。

(4)在變工況運(yùn)行時(shí)，電除塵入口煙溫的控制有更好的適應(yīng)性與靈活性。

[1]葉勇健，申松林.歐洲高效燃煤電廠的特點(diǎn)及啟示[J].電力建設(shè)，2011，32(1)：54 -58.

[2]戈志華，胡學(xué)偉，楊志平.能量梯級(jí)利用在熱電聯(lián)產(chǎn)中的應(yīng)用[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，37(1)：66-68.

[3]李勤道，劉志真.熱力發(fā)電廠熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算分析[M ].北京：中國電力出版社，2008.

[4]黃圣偉，徐鋼，楊勇平，等.電站鍋爐煙氣余熱利用的熱力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)原則[J].現(xiàn)代電力，2013(1):75-80.

TK 323

B

1674-1951(2017)10-0066-03

2017-08-23；

2017-09-10

(本文責(zé)編：劉炳鋒)

趙小楠(1988—)，男，河南商丘人，工程師，工學(xué)碩士，從事火電廠發(fā)電運(yùn)行工作(E-mail:873170744@qq.com)。

楊巨生(1965—)，男，山西太谷人，教授，從事節(jié)能技術(shù)研究工作。