300 MW燃煤機(jī)組深度余熱利用節(jié)能改造技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

朱文韜，梁秀進(jìn)，朱躍

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

在能源矛盾日漸突出的今天，節(jié)能降耗已提升到戰(zhàn)略高度。火力發(fā)電廠通過熱能轉(zhuǎn)換獲取電能的同時也伴隨有大量的熱量損失，其中鍋爐排煙引起的熱量損失是火電廠熱源損失的主要源頭[1]。近幾年來，余熱利用理論和技術(shù)不斷發(fā)展，耐低溫腐蝕材料的發(fā)展和應(yīng)用為深度余熱利用節(jié)能改造提供了有利條件。本文通過對某電廠300 MW燃煤機(jī)組深度余熱利用節(jié)能改造的技術(shù)方案進(jìn)行論證，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)、運行成本、投資回收期等多角度出發(fā)，為深度余熱利用節(jié)能改造方案的確定提供依據(jù)。

1 改造條件及目標(biāo)

某電廠300 MW燃煤機(jī)組煙氣余熱利用裝置擬布置于空氣預(yù)熱器(以下簡稱空預(yù)器)后除塵器前或脫硫塔前，設(shè)計煙氣量取1 200 000 m3/h(標(biāo)態(tài)、濕基、實際O2)，煙氣余熱利用裝置入口的煙氣溫度取135 ℃。

根據(jù)引風(fēng)機(jī)后脫硫系統(tǒng)設(shè)置的余熱利用設(shè)施的需要，對進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的煙氣進(jìn)行冷卻，實現(xiàn)節(jié)能降耗[2]。因脫硫系統(tǒng)的原煙氣溫度降低會影響脫硫系統(tǒng)水平衡，經(jīng)核算，脫硫系統(tǒng)串塔正常運行過程中，石膏的帶水量和廢水排放量不變，除了除霧器沖洗正常用水外，系統(tǒng)需補充水量約為36.7 m3/h，該部分補水量可通過降低煙氣脫硫(FGD)系統(tǒng)入口煙溫來實現(xiàn)零補給，折算到FGD入口煙溫需降至85 ℃左右。

2 技術(shù)路線選擇

2.1 換熱設(shè)備布置位置

(1)空預(yù)器后除塵器前。在除塵器入口新增一級低低溫省煤器，既可降低除塵器入口的煙溫，又可進(jìn)一步降低煙塵的比電阻，提高粉塵的驅(qū)進(jìn)速度。采用普通不銹鋼材質(zhì)的換熱管，電除塵前煙氣溫度可降至110 ℃左右。

(2)除塵后引風(fēng)機(jī)前。隨著煙氣溫度的降低，煙氣中會有SO3析出，煙氣除塵后煙氣中無足夠的粉塵吸收，會引起后續(xù)引風(fēng)機(jī)的腐蝕，風(fēng)險大，不采用。

(3)引風(fēng)機(jī)后脫硫塔前。布置在引風(fēng)機(jī)后脫硫塔前，煙氣降溫后可直接進(jìn)入脫硫系統(tǒng)脫硫，較為安全，但換熱器和煙道需要考慮低溫腐蝕。

該項目余熱回收后煙氣溫度設(shè)計值取85 ℃。通過以上分析，采用以下2種布置方式。

(1)一段式低壓省煤器：脫硫塔前布置氟塑料換熱器或搪瓷熱管換熱器，將煙氣溫度由135 ℃降至85 ℃。

(2)兩段式低壓省煤器[3]：除塵器前布置不銹鋼換熱器，將煙溫由135 ℃降至110 ℃，考慮引風(fēng)機(jī)會導(dǎo)致煙氣溫度升高5 ℃左右，脫硫塔前布置氟塑料換熱器或搪瓷熱管換熱器，將煙氣溫度由115 ℃降至85 ℃。

2.2 余熱利用方式

(1)加熱低壓加熱器(以下簡稱低加)入口凝結(jié)水。回收煙氣余熱加熱凝結(jié)水回水，可排擠低加抽汽，增加蒸汽做功能力，增大發(fā)電量，降低發(fā)電煤耗。

(2)加熱熱網(wǎng)首站循環(huán)水。按72.75%的負(fù)荷率計算，煙氣由115 ℃降至85 ℃，1個月回收熱量約1 500 TJ，煙氣由135 ℃降至85 ℃，1個月回收熱量約2 400 TJ，供熱量明顯大于煙氣回收熱量。鑒于用于供熱的除氧器抽汽品質(zhì)較高，根據(jù)低品質(zhì)熱量優(yōu)先利用的原則，在供暖期，煙氣回收熱量應(yīng)全部用于加熱熱網(wǎng)回水。

(3)加熱鍋爐給風(fēng)。用回收煙氣的余熱加熱鍋爐一、二次風(fēng)相當(dāng)于鍋爐的前置式暖風(fēng)器，由于空預(yù)器的換熱性能，入口風(fēng)溫升高通常會引起排煙溫度升高，即冷風(fēng)吸收的熱量并不能完全被鍋爐吸收。前置式暖風(fēng)器雖然不能大幅度提高鍋爐效率，但有提高回轉(zhuǎn)式空預(yù)器蓄熱元件整體溫度的作用，在燃煤硫分較高時，可以緩解空預(yù)器硫酸氫銨堵塞；同時，在需要長期投運暖風(fēng)器時，可以替代原有暖風(fēng)器消耗的蒸汽，實現(xiàn)高效節(jié)能。

根據(jù)上述3種方式，在非供暖期，煙氣回收熱量用于加熱汽輪機(jī)低加系統(tǒng)凝結(jié)水，排擠抽汽；在供暖期，可以考慮將煙氣回收熱量全部用于加熱供暖回水，減少除氧器抽汽。但優(yōu)先考慮設(shè)置前置式暖風(fēng)器，主要用于替代原蒸汽暖風(fēng)器，通過節(jié)省原暖風(fēng)器消耗的蒸汽達(dá)到節(jié)能的目的。

2.3 換熱器材質(zhì)

換熱器材質(zhì)主要包括金屬材質(zhì)(如ND鋼、20G鋼、304鋼、316L不銹鋼等的組合)、氟塑料材質(zhì)、搪瓷熱管材質(zhì)等。

(1)金屬材質(zhì)。20G鋼和ND鋼是目前應(yīng)用較多的換熱管材質(zhì)。當(dāng)換熱管壁溫在水蒸氣露點(25～105 ℃)范圍內(nèi)時，20G鋼的腐蝕速率不大于0.2 mm/a，而ND鋼的腐蝕速率在0.1 mm/a以下，這樣的腐蝕速率在工程應(yīng)用上屬于合理范圍。

(2)氟塑料材質(zhì)。氟塑料具有極強的耐腐蝕性、良好的表面不沾性、較寬的溫度范圍和耐老化等優(yōu)點[4]，被廣泛稱為“塑料王”，因此應(yīng)用氟塑料換熱器可以有效解決金屬換熱器的腐蝕問題。與金屬材料相比，氟塑料熱導(dǎo)率較低，僅為0.24 W/(m·K)[5]，而金屬材料的熱導(dǎo)率一般為10～50 W/(m·K)，但較低的熱導(dǎo)率并不會影響氟塑料作為換熱器材料在工程上的應(yīng)用，因為氟塑料可以制作成小直徑薄壁管，從而提高換熱管的傳熱系數(shù)，彌補材料熱導(dǎo)率的不足。

(3)搪瓷熱管材質(zhì)。采用搪瓷復(fù)合涂層可解決低溫腐蝕問題。采用搪瓷玻璃進(jìn)行無機(jī)防腐可不考慮壁溫的變化，搪瓷還具有耐磨損(主要材料為SiO2)、高效防腐、易清灰等優(yōu)勢[6]。搪瓷涂層熱管布置于煙道內(nèi)，以熱管為導(dǎo)體的受熱段吸收煙氣熱量從而降低煙氣溫度，放熱段釋放熱量加熱凝結(jié)水，以水溫升高為傳導(dǎo)路徑將機(jī)組熱效率提高。

2.4 對引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)的影響

在鍋爐尾部煙道和二次風(fēng)道上增設(shè)換熱器，會增加煙氣系統(tǒng)和二次風(fēng)系統(tǒng)阻力，既需要考慮引風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)功耗的升高，也需要核實風(fēng)機(jī)的壓頭是否能滿足系統(tǒng)阻力。

2.5 綜合方案

該項目綜合方案制訂遵循以下原則。

(1)在供暖期加熱供暖回水和利用回收的煙氣余熱替代原蒸汽暖風(fēng)器加熱二次風(fēng)，都是比直接加熱汽輪機(jī)低加系統(tǒng)凝結(jié)水更高效的熱量利用方式，在條件允許的情況下，優(yōu)先考慮。

(2)在換熱管材質(zhì)的選擇上，除塵前煙道內(nèi)在保證進(jìn)水溫度的條件下選擇金屬材質(zhì)(ND鋼以上)的螺旋翅片管，二次風(fēng)暖風(fēng)器可采用金屬材質(zhì)(20G鋼以上)的螺旋翅片管，在除塵后煙道內(nèi)選擇完全防腐的氟塑料和搪瓷熱管。

根據(jù)上述原則，此次煙氣余熱深度高效利用方案設(shè)計形成以下2個思路、4個方案。

(1)思路1：一段式低壓省煤器+熱網(wǎng)循環(huán)水回水加熱。在脫硫塔前設(shè)置煙氣余熱回收換熱器，換熱器材質(zhì)為氟塑料或搪瓷熱管，將煙氣溫度從135 ℃降至85 ℃。

按換熱器選用氟塑料和搪瓷熱管兩種材質(zhì)形成2個方案。

1)方案1：一段式低壓省煤器(氟塑料)+熱網(wǎng)循環(huán)水回水加熱。

2)方案2：一段式低壓省煤器(搪瓷熱管)+熱網(wǎng)循環(huán)水回水加熱。

(2)思路2：兩段式低壓省煤器+熱網(wǎng)循環(huán)水回水加熱。在電除塵入口煙道布置一級低壓省煤器，換熱器材質(zhì)為ND鋼，將煙氣溫度從135 ℃降至110 ℃；在脫硫塔前設(shè)置二級低壓省煤器，換熱器材質(zhì)為氟塑料或搪瓷熱管，將煙氣溫度從115 ℃降至85 ℃。

1)方案3：兩段式低壓省煤器(氟塑料)+暖風(fēng)器+熱網(wǎng)循環(huán)水回水加熱。

2)方案4：兩段式低壓省煤器(搪瓷熱管)+暖風(fēng)器+熱網(wǎng)循環(huán)水回水加熱。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比

4 個方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表1(熱耗率驗收工況)，運行成本分析見表2。

從技術(shù)的成熟性和運行的穩(wěn)定性等方面考慮，煙氣溫度、阻力值采用階梯式降低方式更為有利(見表1)，故兩段式方案(方案3，4)優(yōu)于一段式方案(方案1，2)。

從投資及運行成本分析角度考慮(見表2和圖1)：

表1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

注：機(jī)組年運行小時數(shù)按7 560計，年利用小時數(shù)按5 500計。

表2 運行成本分析

注：(1)廠用電價為0.42元/(kW·h)，水價為1.20元/t，煤價為884元/t(標(biāo)煤)；(2)氟塑料PTFE 36.50萬元/t，搪瓷熱管2.00萬元/t，ND鋼1.50萬元/t，20G 鋼0.95萬元/t；(3)資產(chǎn)折舊年限為15a，殘值率為5%。

兩段式低壓省煤器方案(方案3，4)總投資相對較高，一段式低壓省煤器方案(方案1，2)投資相對較低；4個方案的運行成本及單位成本增加值均為負(fù)值，主要原因是節(jié)煤節(jié)水費用帶來的收益高于經(jīng)營成本；方案4總成本增量最低(-373萬元/a)，單位成本增加值最小(-2.29元/(MW·h))；方案3總成本增量最高(-219萬元/a)且單位成本增加值最大(-1.34元/(MW·h))；方案4投資回收期為7a，方案3投資回收期為10a：因此方案4優(yōu)于方案3。

圖1 收益、經(jīng)營成本、靜態(tài)投資、投資回收期分析

圖2為年利用小時數(shù)、工程靜態(tài)投資和標(biāo)煤單價在-15%～+15%內(nèi)變化時，方案1～4的電價敏感性分析。由圖2可知，4個方案中影響電價的最敏感因素均為標(biāo)煤單價。

圖2 各方案電價敏感性分析

4 結(jié)論

綜合考慮技術(shù)成熟性、改造投資、運行穩(wěn)定性、增加的運行成本、投資回收期、敏感性以及改造對機(jī)組的安全運行的影響等情況，方案4技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最好，即兩段式低壓省煤器(搪瓷熱管)+暖風(fēng)器+熱網(wǎng)循環(huán)水回水加熱方案最優(yōu)。