燃煤電廠氟塑料換熱系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

王曉華，談志林，宮建，李連軍

(湖北華電襄陽發(fā)電有限公司，湖北 襄陽 441021)

0 引言

隨著《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》(國(guó)辦發(fā)〔2014〕31號(hào))的實(shí)施，燃煤電廠在實(shí)現(xiàn)煙氣超低排放的同時(shí)需達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。常規(guī)脫硫系統(tǒng)入口煙氣溫度在90～120 ℃，出口煙氣溫度在50 ℃左右，為降低脫硫系統(tǒng)煙氣溫度需要消耗大量工藝水，造成水和熱量的浪費(fèi)，如在脫硫系統(tǒng)入口處設(shè)置余熱利用裝置回收熱量，則可實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水、降耗的多重目的。

由于脫硫系統(tǒng)入口煙氣中含有腐蝕性氣體，降溫易造成換熱器本體腐蝕，此時(shí)需采用耐腐蝕材料的換熱管。氟塑料是部分或全部鏈烷烴聚合物，其本身具有極強(qiáng)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(diǎn)，具有“塑料王”美稱，采用氟塑料材質(zhì)換熱器可以有效地解決腐蝕問題[1-4]。

氟塑料材質(zhì)換熱器在國(guó)內(nèi)起步較晚，但隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能、降耗、節(jié)水、環(huán)保等要求的日益提高，氟塑料材質(zhì)換熱器能很好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水、降耗的目標(biāo)。為系統(tǒng)掌握氟塑料材質(zhì)換熱器的技術(shù)特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性，本文對(duì)氟塑料材質(zhì)換熱器的投資和節(jié)能效果進(jìn)行研究，對(duì)影響其經(jīng)濟(jì)性的因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，為下一步氟塑料材質(zhì)換熱器的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

表1 氟塑料材質(zhì)換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of fluorine plastic heat exchange system

1 技術(shù)特點(diǎn)

1.1 材質(zhì)特性

氟塑料屬化學(xué)惰性材料，對(duì)換熱器管壁溫度和煙氣酸露點(diǎn)無特殊要求，能夠避免換熱器低溫腐蝕現(xiàn)象；換熱管表面及內(nèi)壁光滑，管外不易黏結(jié)、堆積粉塵，管內(nèi)不易結(jié)垢，從而減少設(shè)備的維護(hù)和清洗次數(shù)；同時(shí)，可設(shè)置在線水沖洗系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行清灰，能在200 ℃以下的各種腐蝕性氣體中穩(wěn)定運(yùn)行。

但氟塑料換熱管本身的耐壓性能較差，不足以承受凝結(jié)水的壓力，因此進(jìn)行熱量回收時(shí)需考慮設(shè)置中間二次換熱器；同時(shí)，其本身的導(dǎo)熱系數(shù)低，傳熱性能較差，需采用薄管壁來克服導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點(diǎn)；另外，其本身耐磨特性較差，不宜布置在高粉塵的煙氣中[5-8]。

1.2 熱量回收方式

根據(jù)氟塑料材質(zhì)的特性，氟塑料換熱器主要布置在除塵器與脫硫塔之間，用以回收煙氣中的熱量，降低進(jìn)入脫硫塔的煙氣溫度，使煙氣溫度由120～130 ℃降低至70～80 ℃，從而實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的回收利用，減少了脫硫系統(tǒng)耗水量，并有效地防止低溫酸腐蝕等問題?；厥諢崃康闹饕眯问綖椋?1)加熱脫硫塔后的凈煙氣，減少“石膏雨”現(xiàn)象和“白煙”視覺污染；(2)加熱凝結(jié)水系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)熱量的回收利用；(3)加熱熱風(fēng)系統(tǒng)，可有效地降低空氣預(yù)熱器的腐蝕[9-11]。

2 研究方法

為研究氟塑料材質(zhì)換熱系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本，本文以300 MW和600 MW機(jī)組為例進(jìn)行系統(tǒng)分析，其中系統(tǒng)投資包括設(shè)備工藝系統(tǒng)、電氣、熱控和土建系統(tǒng)的投資；運(yùn)行成本包括固定資產(chǎn)折舊、電耗、水耗、阻力引起的電耗、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用等。氟塑料材質(zhì)換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

3 投資分析

3.1 降溫幅度對(duì)投資的影響

不同出口煙溫對(duì)投資的影響如圖1所示，氟塑料材質(zhì)換熱器按照入口煙氣溫度為145 ℃設(shè)計(jì)，出口煙氣溫度由120 ℃降到70 ℃時(shí)，300 MW機(jī)組投資由1 120萬元升高到2 750萬元，600 MW機(jī)組投資由1 720萬元升高到4 170萬元。氟塑料材質(zhì)換熱器出口煙氣溫度每降低10 ℃(即換熱器溫降每增加10 ℃)，300 MW機(jī)組投資增加180萬～620萬元，600 MW機(jī)組投資增加320萬～860萬元，出口煙氣溫度越低氟塑料材質(zhì)換熱器投資的增幅越大。

圖1 不同出口煙溫對(duì)投資的影響Fig.1 Impact of flue gas temperature at outlet on investment

3.2 布置方式對(duì)投資的影響

分級(jí)布置方式：低溫省煤器+氟塑料換熱系統(tǒng)為兩級(jí)換熱器分開布置，低溫省煤器采用金屬材質(zhì)(煙氣溫度由145 ℃降到110 ℃)布置在除塵器入口處，氟塑料換熱系統(tǒng)采用氟塑料材質(zhì)(由110 ℃進(jìn)一步降溫)布置在脫硫系統(tǒng)入口處。整體布置方式：整體為氟塑料換熱系統(tǒng)，全部采用氟塑料材質(zhì)布置在脫硫系統(tǒng)入口處(煙氣溫度由145 ℃進(jìn)行降溫)。

不同布置方式對(duì)投資的影響如圖2所示。由圖2可以看出，當(dāng)溫度由145 ℃降低到80 ℃時(shí)，300 MW和600 MW機(jī)組兩種布置方式的投資基本相當(dāng)；當(dāng)溫度由145 ℃降低到70 ℃時(shí)，300 MW和600 MW機(jī)組整體布置方式的投資高于分級(jí)布置方式；而當(dāng)溫度由145 ℃降低到90～100 ℃時(shí)，300 MW和600 MW機(jī)組分體布置方式的投資高于整體布置方式。由此可以看出，當(dāng)降溫幅度較大時(shí)采用分級(jí)布置方式的投資具有一定優(yōu)勢(shì)，且采用分級(jí)布置方式時(shí)一級(jí)換熱系統(tǒng)可以用于高品質(zhì)熱量的回收，二級(jí)換熱系統(tǒng)可用于加熱熱風(fēng)系統(tǒng)。

4 運(yùn)行成本分析

4.1 節(jié)煤效果分析

為研究氟塑料換熱系統(tǒng)的節(jié)煤效果，本文按照300 MW和600 MW機(jī)組煙氣溫度均由145 ℃降低到70～120 ℃進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而計(jì)算出不同降溫幅度的節(jié)煤效果。

圖2 不同布置方式對(duì)投資的影響Fig.2 Impact of different arrangements on investment

降溫幅度對(duì)節(jié)煤效果的影響如圖3所示。由圖3可以看出：換熱器出口煙氣溫度由70 ℃提高到120 ℃時(shí)，300 MW機(jī)組降低的煤耗在1.2～2.8 g/(kW·h)，600 MW機(jī)組降低的煤耗在1.1～2.4 g/(kW·h)；隨著出口煙氣溫度的降低，其煤耗降低的幅度減緩，由于出口煙氣溫度較低時(shí)回收熱量的熱品質(zhì)較低，該部分熱量直接回收的利用率較低。

圖3 降溫幅度對(duì)節(jié)煤效果的影響Fig.3 Impact of flue gas cooling range on coal saving

4.2 煤價(jià)對(duì)運(yùn)行成本的影響

為研究煤價(jià)對(duì)運(yùn)行成本的影響，本文按照300 MW和600 MW機(jī)組煙氣溫度均由130 ℃降低到80 ℃，機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)為5 000進(jìn)行設(shè)計(jì)。煤價(jià)對(duì)年運(yùn)行成本的影響如圖4所示。由圖4可以看出，標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格由400元/t提高到650元/t時(shí)，300 MW機(jī)組年運(yùn)行成本由增加68萬元到降低16萬元，600 MW機(jī)組年運(yùn)行成本由增加39萬元到降低130萬元。

同時(shí)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格高于650元/t時(shí)，300 MW機(jī)組的年運(yùn)行成本會(huì)降低；標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格高于500元/t時(shí)600 MW機(jī)組的年運(yùn)行成本會(huì)降低。由此可以看出，煤價(jià)對(duì)氟塑料換熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性影響較大，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)，采用氟塑料換熱系統(tǒng)需考慮煤價(jià)的因素。

圖4 煤價(jià)對(duì)年運(yùn)行成本的影響Fig.4 Impact of coal price on operating cost

4.3 年利用小時(shí)數(shù)對(duì)運(yùn)行成本的影響

為研究年利用小時(shí)數(shù)對(duì)運(yùn)行成本的影響，本文按照300 MW和600 MW機(jī)組煙氣溫度均由130 ℃降低到80 ℃，標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格為550元/t進(jìn)行設(shè)計(jì)。

年利用小時(shí)數(shù)對(duì)年運(yùn)行成本的影響如圖5所示。由圖5可以看出，年利用小時(shí)數(shù)由3 500提高到6 000時(shí)，300 MW機(jī)組年運(yùn)行成本由增加73萬元到降低20萬元，600 MW機(jī)組年運(yùn)行成本由增加49萬元到降低137萬元。

圖5 年利用小時(shí)對(duì)年運(yùn)行成本的影響Fig.5 Impact of unit utilization hours on operating cost

同時(shí)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格一定時(shí)，年利用小時(shí)數(shù)超過5 500時(shí)300 MW機(jī)組的年運(yùn)行成本會(huì)降低，年利用小時(shí)數(shù)超過4 500時(shí)600 MW機(jī)組的年運(yùn)行成本才會(huì)降低。由此可以看出，年利用小時(shí)數(shù)對(duì)氟塑料換熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性影響較大，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)采用氟塑料換熱系統(tǒng)也需考慮年利用小時(shí)數(shù)的因素。

4.4 降溫幅度對(duì)運(yùn)行成本的影響

為研究降溫幅度對(duì)運(yùn)行成本的影響，本文按照300 MW和600 MW機(jī)組煙氣溫度均由145 ℃降低到70～120 ℃，標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格為500元/t，年利用小時(shí)數(shù)為5 000進(jìn)行設(shè)計(jì)。降溫幅度對(duì)年運(yùn)行成本的影響如圖6所示。由圖6可以看出，換熱器出口煙氣溫度由70 ℃提高到120 ℃時(shí)，300 MW機(jī)組年運(yùn)行成本由增加40萬元到降低5萬元，600 MW機(jī)組年運(yùn)行成本由增加10萬元到降低90萬元。

圖6 降溫幅度對(duì)年運(yùn)行成本的影響Fig.6 Impact of flue gas cooling range on operating cost

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格和年利用小時(shí)數(shù)均確定時(shí)，可以看出300 MW和600 MW機(jī)組氟塑料換熱系統(tǒng)運(yùn)行成本受降溫幅度的影響較大，且發(fā)現(xiàn)由145 ℃降到80 ℃時(shí)，300 MW和600 MW機(jī)組氟塑料換熱系統(tǒng)年運(yùn)行成本降幅最大。因此，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)，在標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格和利用小時(shí)數(shù)確定的條件下，氟塑料換熱系統(tǒng)存在最佳的降溫幅度區(qū)間，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需著重考慮。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)氟塑料換熱系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)、投資及運(yùn)行成本分析，系統(tǒng)研究了不同布置方式、降溫幅度對(duì)投資的影響，并分析了利用小時(shí)數(shù)和煤價(jià)以及溫降對(duì)運(yùn)行成本的影響，從而得出如下結(jié)論：

(1)氟塑料換熱系統(tǒng)可將煙氣溫度降低到70 ℃左右，由于此時(shí)熱品質(zhì)較低，直接回收利用時(shí)有節(jié)煤效果，但節(jié)煤效果隨出口煙氣溫度的降低而下降。

(2)氟塑料換熱系統(tǒng)可采用分級(jí)布置方式或整體布置方式，需根據(jù)降溫幅度進(jìn)行布置方式的選取，采用分兩級(jí)布置時(shí)，一級(jí)換熱器采用金屬材質(zhì)布置在除塵器入口處，二級(jí)換熱器采用氟塑料材質(zhì)布置在脫硫系統(tǒng)入口處，此時(shí)可通過一級(jí)換熱器回收高品質(zhì)熱量利用，二級(jí)換熱器回收低品質(zhì)熱量用于加熱熱風(fēng)系統(tǒng)。

(3)年利用小時(shí)數(shù)和煤價(jià)均對(duì)氟塑料換熱系統(tǒng)的運(yùn)行成本產(chǎn)生直接影響，其運(yùn)行成本隨利用小時(shí)數(shù)的增加而降低，隨煤價(jià)的增加而增加。

(4)氟塑料換熱系統(tǒng)存在最佳的降溫幅度，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)煙溫情況進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(5)考慮現(xiàn)有機(jī)組利用小時(shí)數(shù)的實(shí)際情況和煤價(jià)變化趨勢(shì)，可采用氟塑料換熱系統(tǒng)降低機(jī)組煤耗，但為提高熱量的回收利用率，在現(xiàn)有機(jī)組已設(shè)置低溫省煤器(煙氣溫度降低到110～120 ℃)時(shí)，可將余熱利用系統(tǒng)分級(jí)布置，氟塑料換熱系統(tǒng)布置在脫硫系統(tǒng)入口處，回收熱量加熱熱風(fēng)系統(tǒng)。