鍋爐尾部煙氣余熱回收復(fù)合相變換熱器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

杜有前

（湖北華電襄陽發(fā)電有限公司，湖北 襄陽 441141）

在火力發(fā)電生產(chǎn)過程中，煤炭燃燒產(chǎn)生的熱能僅有35%～45%能夠轉(zhuǎn)換成電能，約60%熱能以凝汽器冷源熱損失、鍋爐排煙熱損失等形式被浪費(fèi)掉。其中，鍋爐排煙熱損失是主要熱量損失源之一，可占到鍋爐熱損失的80%左右。因此，開展鍋爐煙氣余熱回收對加強(qiáng)火電廠節(jié)能與環(huán)境保護(hù)具有重要意義。在利用鍋爐低溫?zé)煔庥酂徇^程中，由于溫差較小使得余熱利用效率較低，在鍋爐負(fù)荷變化時(shí)管道金屬壁溫有可能低于煙氣酸露點(diǎn)進(jìn)而形成低溫腐蝕，極大影響設(shè)備安全運(yùn)行。本文在充分考慮防止低溫腐蝕的基礎(chǔ)上，研究了利用復(fù)合相變換熱技術(shù)替換傳統(tǒng)煙氣余熱利用的技術(shù)方案，對復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對其實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

1 復(fù)合相變換熱器的工作原理

復(fù)合相變換熱器工作原理如圖1所示。其分為兩個(gè)部分，煙氣側(cè)換熱器和蒸汽-水換熱器（汽包），煙氣側(cè)換熱器的換熱介質(zhì)（水）在吸收煙氣熱量后蒸發(fā)變?yōu)樗羝?，蒸汽通過上升管進(jìn)入安裝在上部的汽包，與低溫除鹽水在汽包中換熱，換熱后的高溫除鹽水進(jìn)除氧器，中間介質(zhì)換熱后冷凝成液體后通過下降管返回?zé)煔鈧?cè)換熱器，與煙氣繼續(xù)換熱，如此循環(huán)利用。

復(fù)合相變換熱余熱回收過程包括內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。蒸發(fā)換熱器與相變換熱汽包的殼程相連接，即為內(nèi)循環(huán)，它以水為換熱媒介，水在蒸發(fā)換熱器內(nèi)吸收煙氣余熱后發(fā)生相變形成水蒸汽，水蒸汽由上升管匯集到相變換熱汽包內(nèi)，對凝結(jié)水進(jìn)行加熱后水蒸汽發(fā)生相變凝結(jié)成水。相變換熱汽包的管程與外循環(huán)水（例如：除鹽水、凝結(jié)水或熱網(wǎng)循環(huán)水）管道并聯(lián)，稱為外循環(huán)，其吸收汽包殼程內(nèi)水蒸汽的凝結(jié)潛熱，被加熱后返回到電廠熱力循環(huán)中。

圖1 復(fù)合相變換熱器工作原理圖

2 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)采暖季和非采暖季熱量需求的不同，復(fù)合相變換熱器所回收方案可分為兩種：（1）在采暖季，將回收熱量用于加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，從而降低了冬季供熱系統(tǒng)對新蒸汽的需求量，如圖2所示。（2）在非采暖季，將回收的熱量用于加熱電廠除鹽水，可使進(jìn)入到除氧器的除鹽水溫度從40℃加熱至90℃，如圖3所示。

圖2 供暖季煙氣余熱回收方案

在季節(jié)交替時(shí)，上述兩種方案可進(jìn)行切換。在兩個(gè)不同應(yīng)用的設(shè)計(jì)過程中，均應(yīng)確保煙氣流速控制在一定范圍內(nèi)，以保證換熱器表面的自除灰能力達(dá)到一個(gè)有效的平衡。

圖3 非供暖季煙氣余熱回收方案

3 復(fù)合相變換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以220t/h鍋爐為例，相變換熱器入口煙溫約145℃，出口煙溫110℃；換熱器吸熱段入口管內(nèi)水溫為90℃，出口處水蒸汽溫度為110℃。管外為煙氣沖刷換熱管之間換熱形式為對流換熱，管內(nèi)為水的對流換熱與相變換熱。為了提高換熱效率，管束采用錯(cuò)列布置的方式，管束的前排可加裝防磨瓦以減小在高速氣流下管束的磨損。

設(shè)計(jì)計(jì)算是通過先計(jì)算換熱量、換熱系數(shù)和每根管束的換熱面積來計(jì)算出共需要的管束，然后再計(jì)算出管束的布置方式。先設(shè)計(jì)復(fù)合相變換熱器布置處的尾部煙道的橫截面的尺寸，再假設(shè)每排管束的個(gè)數(shù)，最后求得總共排管束數(shù)量。復(fù)合相變換熱器結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如表1。

表1 復(fù)合相變換熱器結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

4 復(fù)合相變換熱器的運(yùn)行控制

控制系統(tǒng)由壁溫測試儀、控制裝置、節(jié)流控制裝置等組成。為了避免煙氣換熱管道被腐蝕，需要使壁面的最低溫度高于煙氣的最露點(diǎn)溫度。壁溫測試儀可以監(jiān)測壁面的溫度然后傳輸給控制裝置，控制裝置再對信號進(jìn)行處理，然后向系統(tǒng)內(nèi)部的控制閥門與放熱段冷源的控制閥門發(fā)出相應(yīng)的處理信號，從而控制循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的循環(huán)流量與速度以及放熱段冷源的流量，最終使放熱段管束的最低壁溫始終在煙氣的露點(diǎn)以上，保證了復(fù)合相變換熱器的長久有效運(yùn)行。

鍋爐在停爐的過程中，負(fù)荷逐漸減少，通過自動調(diào)節(jié)進(jìn)入汽包內(nèi)水的自動控制閥，進(jìn)入復(fù)合相變換熱器汽包的水量自動減少，直到閥門全部關(guān)閉。由于自動控制閥不會完全的關(guān)閉，有時(shí)其會有一定的泄漏量，為保證吸熱段的壁溫最低值不少于 110℃，自控閥前后的閘閥可以通過手動來控制以關(guān)小汽包進(jìn)水，但閥門不能夠全部關(guān)閉，因?yàn)闊煹烙酂釙蛊墓艹坛}水汽化，有時(shí)甚至?xí)斐伤畵羰鹿?。故?dāng)排煙溫度不高于 120℃時(shí)，閘閥需要關(guān)畢，此時(shí)換熱器則不再運(yùn)行。當(dāng)復(fù)合相變換熱器仍處于工作狀態(tài)而鍋爐處于停爐狀態(tài)時(shí)態(tài)時(shí)，相變段除鹽水系統(tǒng)的出水閥和進(jìn)水閥不可以同時(shí)關(guān)閉，如果同時(shí)關(guān)閉，可能造成設(shè)備的損壞或更嚴(yán)重的后果。當(dāng)鍋爐啟動后，汽包進(jìn)水控制閥控制儀表設(shè)置為自動狀態(tài)。隨著鍋爐排煙溫度的逐漸升高，復(fù)合相變換熱器的顯示壁溫也會隨其升高。緩慢打開汽包進(jìn)水自控閥前后的閘閥，直至兩者全開，此后調(diào)節(jié)閥自動控制換熱器汽包的進(jìn)水量。隨著鍋爐負(fù)荷的逐漸升高，自動控制閥也隨之自動開大，當(dāng)鍋爐達(dá)到額定負(fù)荷時(shí)，此時(shí)，換熱器表面的顯示壁溫值將圍繞 110℃上下波動。如果排煙溫度高于125℃時(shí)，設(shè)備則開始正常工作。

當(dāng)鍋爐發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)入復(fù)合換熱器的補(bǔ)水流量不夠或補(bǔ)水中斷時(shí)，壁溫顯示儀顯示的溫度將迅速隨之上升。在相變段壁溫顯示的溫度超過120℃之前時(shí)打開放氣閥，并進(jìn)行排汽減壓。當(dāng)換熱器的故障排除后放氣閥關(guān)閉，換熱器也可以恢復(fù)運(yùn)行。為了適應(yīng)現(xiàn)有的引風(fēng)機(jī)出力，可以選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)對換熱器進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)電廠實(shí)際運(yùn)行情況，相變換熱器將增加的煙氣阻力將在350Pa范圍以內(nèi)。

5 安全經(jīng)濟(jì)性分析

復(fù)合相變換熱器煙氣余熱回收系統(tǒng)在湖北某火力發(fā)電廠220t/h鍋爐投入運(yùn)行以來，能較好適應(yīng)鍋爐運(yùn)行參數(shù)波動，在鍋爐排煙溫度變化時(shí)自動調(diào)整除鹽水或熱網(wǎng)水流量，管束壁溫穩(wěn)定在105～107℃之間，安全性良好。采用復(fù)合相變換熱器后，供電煤耗率下降6.27 g/(kW·h)。按照發(fā)電功率為50MW，機(jī)組年平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)為8000h，每年可節(jié)省標(biāo)煤量：6.27×8000×50×103×10-6=2508t，如果標(biāo)煤價(jià)格按500元/t，每年直接經(jīng)濟(jì)收益為125.4萬元。整套復(fù)合相變換熱煙氣余熱回收裝置總投資為225.7萬元，回收成本周期僅為1.79年。此外，由于火力發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)運(yùn)行要求，煙氣進(jìn)入脫硫系統(tǒng)前，需要預(yù)先對煙氣進(jìn)行噴水減溫，降至脫硫系統(tǒng)允許溫度。煙氣余熱系統(tǒng)投運(yùn)后，煙氣經(jīng)余熱回收系統(tǒng)吸熱后溫度降低，將減少脫硫母液的蒸發(fā)量，進(jìn)而達(dá)到節(jié)水的效果。

6 結(jié)語

（1）介紹了復(fù)合相變換熱器吸收鍋爐煙氣余熱的工作原理，并對復(fù)合相變換熱器技術(shù)方案和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

（2）分析了復(fù)合相變換熱器在鍋爐啟動、停爐及故障處理過程中的運(yùn)行控制方法和注意事項(xiàng)。

（3）所設(shè)計(jì)的復(fù)合相變換熱器在湖北某火電廠進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，該系統(tǒng)具有良好的安全經(jīng)濟(jì)性。