電站鍋爐煙氣余熱利用現(xiàn)狀分析

王喬良, 鄭莆燕, 盧冬冬, 李晉超, 甘志超

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

電站鍋爐煙氣余熱利用現(xiàn)狀分析

王喬良, 鄭莆燕, 盧冬冬, 李晉超, 甘志超

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

介紹了電站鍋爐煙氣余熱回收的現(xiàn)狀,指出了余熱回收、利用、發(fā)展3個(gè)階段的特點(diǎn),表明余熱方案系統(tǒng)越來越復(fù)雜,節(jié)能效果越來越好,方案可選擇性越來越多,需要優(yōu)化.總結(jié)了余熱方案優(yōu)化常用的優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化方法.

電站鍋爐; 余熱利用; 方案; 優(yōu)化

在世界范圍內(nèi),燃煤電廠仍然是主要的發(fā)電廠[1],2015年我國全年總發(fā)電量中火力發(fā)電的占比為72.4%.火力發(fā)電是一次能源消耗大戶和污染排放大戶,因此也是國家實(shí)施節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域[2].火電廠鍋爐排煙損失余熱約為4%～8%,影響排煙損失的主要因素是排煙溫度[3],排煙溫度每下降10 ℃,鍋爐熱效率可提高約1%[4].因此,鍋爐煙氣余熱利用是火電機(jī)組節(jié)能降耗的有效手段,成為節(jié)能領(lǐng)域的研究重點(diǎn).目前,鍋爐煙氣余熱設(shè)計(jì)溫度約為120～140 ℃,存在進(jìn)一步降低回收余熱的空間,特別是脫硫系統(tǒng)要求煙氣進(jìn)口溫度在90 ℃以下[5].余熱利用方案回收了煙氣余熱,符合國家節(jié)能政策[6].

1 余熱利用方案

火電廠鍋爐煙氣余熱回收用于增加系統(tǒng)發(fā)電量的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段:第1階段是加熱凝結(jié)水;第2階段是加熱空氣和凝結(jié)水;第3階段是加熱空氣、凝結(jié)水和給水.

1.1 加熱凝結(jié)水

對(duì)鍋爐尾部受熱面實(shí)施低壓省煤器的改造已成為國內(nèi)成熟技術(shù),將空氣預(yù)熱器后的鍋爐排煙用以加熱凝結(jié)水,增加汽輪機(jī)的輸出功率,可以達(dá)到回收煙氣余熱的目的,如圖1所示.

在運(yùn)行過程中,鍋爐的溫度往往比設(shè)計(jì)值要高,主要原因在于鍋爐燃燒、爐膛換熱和燃料變化等[7-8],運(yùn)用低壓省煤器回收低溫?zé)煔鉄崃靠梢赃_(dá)到較好的節(jié)煤效果.與原有鍋爐省煤器相比,低壓省煤器的能量利用率較低,但由于其布置于鍋爐空預(yù)器的后部,對(duì)鍋爐所有受熱面的傳熱均沒有影響,也不會(huì)受到鍋爐欠焓和爐內(nèi)有限空間的約束,可根據(jù)季節(jié)和煤質(zhì)靈活調(diào)節(jié)鍋爐的排煙溫度,而且由于其熱載體壓力低而具有較高的安全性,因而在電廠中得到廣泛的應(yīng)用[9-10].

圖1 低壓省煤器加熱凝結(jié)水

低壓省煤器余熱回收方案有串聯(lián)和并聯(lián)兩種類型,如圖2所示[9].

圖2 低壓省煤器回收余熱方案示意

根據(jù)煙氣溫度和凝結(jié)水溫度的不同,串聯(lián)和并聯(lián)的具體位置也相應(yīng)不同,并聯(lián)時(shí)還需要考慮凝結(jié)水分流量的大小.實(shí)際機(jī)組的余熱回收利用中,低壓省煤器余熱回收方案可以有多種選擇.

由于低壓省煤器是布置在空氣預(yù)熱器之后,煙氣的溫度等級(jí)較低,會(huì)排擠較低壓力的抽汽,因此該階段的余熱利用方案節(jié)煤量一般不超過2 g/kWh[5].

1.2 加熱空氣和凝結(jié)水

在第2階段,煙氣側(cè)的最高溫度為空氣預(yù)熱器入口的煙溫,將空氣預(yù)熱器分為高溫空氣預(yù)熱器和低溫空氣預(yù)熱器,與低壓省煤器串聯(lián),根據(jù)加熱空氣和凝結(jié)水的溫度等級(jí),構(gòu)建煙氣余熱利用系統(tǒng).此時(shí),低壓省煤器布置于高溫空氣預(yù)熱器和低溫空氣預(yù)熱器之間,吸收低溫空氣預(yù)熱器前較高溫度等級(jí)的煙氣熱量,排擠汽輪機(jī)回?zé)岢槠?從而增加做功,如圖3所示[10].文獻(xiàn)[9]中定義煙氣通過低壓省煤器加熱凝結(jié)水的余熱利用系統(tǒng)為機(jī)側(cè)煙氣回?zé)嵫h(huán),而通過低溫空氣預(yù)熱器加熱空氣的系統(tǒng)為爐側(cè)煙氣回?zé)嵫h(huán).由于煙氣回?zé)嵫h(huán)提高了高溫空氣預(yù)熱器的進(jìn)口風(fēng)溫,使得高溫空氣預(yù)熱器的傳熱溫差減小,出口煙溫升高,從而提高了進(jìn)入低壓省煤器的煙氣溫度.低壓省煤器入口的煙氣溫度提高后,可以加熱溫度較高的凝結(jié)水,排擠壓力較高的回?zé)岢槠?

在高低溫空氣預(yù)熱器之間布置低壓省煤器,選擇不同的切入點(diǎn),可以得到不同溫度的煙氣,用于加熱凝結(jié)水.低壓省煤器與凝結(jié)水的布置與第1階段相似,也有串聯(lián)、并聯(lián)多種方式,而且由于煙氣側(cè)溫度的提高,可以加熱較高溫度的凝結(jié)水.煙氣側(cè)和水側(cè)都有多種方案可選,使得第2階段余熱回收方案增多.

第2階段方案回收了較高溫度等級(jí)的煙氣加熱凝結(jié)水,因而可以排擠壓力較高的回?zé)岢槠?使得汽輪機(jī)輸出功率大幅提高,節(jié)煤量增幅較大,一般在2～4 g/kWh[5,10].

圖3 加熱凝結(jié)水與空氣預(yù)熱器

1.3 加熱空氣、凝結(jié)水和給水

在第3階段,空氣加熱、凝結(jié)水加熱與給水加熱深度耦合,初步呈現(xiàn)出機(jī)爐集成設(shè)計(jì)的特點(diǎn):煙氣從省煤器出來后,通過分流和/或分階段加熱的方式,按溫度等級(jí)的高低送入空氣預(yù)熱器、高溫?zé)熕畵Q熱器和低溫?zé)熕畵Q熱器,空氣預(yù)熱器用以加熱空氣,高溫?zé)熕畵Q熱器用以加熱鍋爐給水,低溫?zé)熕畵Q熱器用以加熱凝結(jié)水.在空氣預(yù)熱器前可增置抽汽式空氣預(yù)熱器,以上結(jié)構(gòu)見圖4[11].

圖4 余熱煙氣耦合低壓抽汽加熱空氣、凝結(jié)水和鍋爐給水

在水側(cè),低溫?zé)熕畵Q熱器加熱凝結(jié)水的方式與第1階段相同,可以選擇不同的串聯(lián)、并聯(lián)方案,高溫?zé)熕畵Q熱器加熱鍋爐給水的方式也可以選擇不同的串聯(lián)、并聯(lián)方案.在煙氣側(cè),空氣預(yù)熱器、高溫?zé)熕畵Q熱器和低溫?zé)熕畵Q熱器則根據(jù)煙氣熱量回收的分配和煙氣溫度等級(jí)的差異,可以有分流并聯(lián)、分級(jí)串聯(lián)的選擇.因此,與第2階段相比較,煙氣余熱加熱空氣、凝結(jié)水和給水的方案在系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇方面,呈現(xiàn)出了更強(qiáng)的多樣性.

第3階段同時(shí)加熱溫度等級(jí)較高的給水和溫度等級(jí)較低的凝結(jié)水,不僅排擠了加熱凝結(jié)水的低壓回?zé)岢槠?而且排擠了加熱鍋爐給水的高壓回?zé)岢槠?使得汽輪機(jī)輸出功率的增加比第2階段更多,煙氣余熱回收的節(jié)煤量增大,可以達(dá)到3.62～5.5 g/kWh[11-13].

綜上所述,電站鍋爐煙氣余熱回收用于增加發(fā)電功率所經(jīng)歷的3個(gè)階段的特點(diǎn)如表1所示.隨著電站鍋爐煙氣余熱回收用于增加汽輪機(jī)輸出功率的方案越來越復(fù)雜,余熱利用方案的選擇性逐漸增多,節(jié)煤效果也越來越好.

表1 電站鍋爐煙氣余熱利用方案3個(gè)階段的特點(diǎn)

2 方案優(yōu)化研究

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

另外,余熱利用系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性[10-11,13]也是一種優(yōu)化目標(biāo).不管是設(shè)計(jì)計(jì)算還是工程驗(yàn)證計(jì)算,都需要綜合考慮節(jié)煤量、換熱器面積、風(fēng)機(jī)與水泵功耗、實(shí)際改造安裝和管理成本等因素,以確定技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、評(píng)價(jià)優(yōu)化結(jié)果.

對(duì)實(shí)際機(jī)組鍋爐煙氣進(jìn)行余熱利用改造時(shí),通常需要同時(shí)考慮方案的熱經(jīng)濟(jì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),有時(shí)也需要判斷方案的污染治理效果[16],形成多目標(biāo)優(yōu)化.多目標(biāo)優(yōu)化既可對(duì)余熱方案綜合優(yōu)化,又可通過權(quán)重因子重點(diǎn)評(píng)價(jià)熱經(jīng)濟(jì)性或者技術(shù)經(jīng)濟(jì)性.

2.2 優(yōu)化方法

鍋爐余熱利用最為普遍的計(jì)算分析方法是理論計(jì)算[15,17]與火電廠運(yùn)行驗(yàn)證相結(jié)合[1,10,18],也可以專門設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證[9,19],例如用Aspen對(duì)煙氣余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行模擬,并與理論推導(dǎo)相結(jié)合[20].對(duì)煙氣余熱利用方案的優(yōu)化方法可分為物理優(yōu)化方法和數(shù)學(xué)優(yōu)化方法.

2.2.1 物理優(yōu)化方法

文獻(xiàn)[21]基于“溫度對(duì)口,能級(jí)匹配”的原則,針對(duì)尾部煙道的煙氣余熱回收耦合系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計(jì),能量梯級(jí)利用導(dǎo)則適用于對(duì)余熱方案的優(yōu)化定性分析.夾點(diǎn)分析技術(shù)為實(shí)現(xiàn)過程工業(yè)的節(jié)能降耗提供了一種高度有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)及改造的工具[22],文獻(xiàn)[23]應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)分析了地?zé)犭娬镜臒崃ο到y(tǒng).

2.2.2 數(shù)學(xué)優(yōu)化方法

電站鍋爐煙氣余熱利用的數(shù)學(xué)優(yōu)化是通過建立物理模型后選定的,物理模型的建立包括擬定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、變量分析、尋找約束條件等.文獻(xiàn)[24]針對(duì)煙氣余熱利用建立了通用的數(shù)學(xué)模型;文獻(xiàn)[25]對(duì)低壓省煤器建立了最大的節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤耗的數(shù)學(xué)模型;文獻(xiàn)[26]對(duì)鍋爐排煙余熱回收器的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了離散分析,并通過回歸擬合成為連續(xù)函數(shù).優(yōu)化算法的選擇方案為:只是單變量時(shí),選擇黃金分割法[27]、最數(shù)下降法、牛頓法等,優(yōu)化低壓省煤器的布置位置、排煙溫度、并聯(lián)分流量;求解多目標(biāo)最優(yōu)時(shí),可選擇評(píng)價(jià)函數(shù)法、分層求解法與目標(biāo)規(guī)劃法;特別是當(dāng)單/多變量、單/多優(yōu)化作為目標(biāo)時(shí)可以選擇適應(yīng)性較好的粒子群算法、遺傳算法優(yōu)化[27-28]等.

3 結(jié) 語

電站鍋爐煙氣余熱有加熱凝結(jié)水,加熱凝結(jié)水與空氣,加熱凝結(jié)水、空氣與給水3個(gè)階段.從第1階段到第3階段,節(jié)能效果逐步提高.方案也越來越復(fù)雜,可選擇性越來越多,需要確定合理的優(yōu)化目標(biāo),并運(yùn)用合適的優(yōu)化方法選擇最佳方案.在系統(tǒng)優(yōu)化時(shí),約束條件是獲得實(shí)際可行的優(yōu)化方案的必要條件,但關(guān)于這方面的研究還很少,還需要結(jié)合機(jī)組的實(shí)際情況進(jìn)行深入研究.

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CurrentStatusofFlueGasWasteHeatUtilizationinPowerStationBoiler

WANG Qiaoliang, ZHENG Puyan, LU Dongdong, LI Jinchao, GAN Zhichao

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Current situation on flue gas waste heat utilization in power station boiler is introduced.The characteristics of the waster heat utilization’s system in three stages of development are analyzed.As a result,with the more and more complicated system,better and better effect of energy saving,more and more selective systems,there exists the necessity of optimization.Then the common optimization goal and optimization methods are summarized.

boiler for coal-fired power plant; waste heat recovery; scheme; optimization

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.008

2016-03-31

王喬良(1991-),男,在讀碩士,云南曲靖人.主要研究方向?yàn)殡娬惧仩t煙氣余熱利用.E-mail:qlwaang@163.com.

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)節(jié)能減排專項(xiàng)(12dz1200302);上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目(12DZ2280300).

TK115;TM621.4

A

1006-4729(2017)05-0451-05

(編輯 白林雪)