分段式煙氣冷卻器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭伯春，賴海兵，肖 勝

(1.四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司,四川廣安 638000；2.中航工業(yè)南充可再生能源有限公司,四川南充 637000；3.西安熱工研究院有限公司,西安 710032)

隨著我國環(huán)保政策的深入推進(jìn)，火電機(jī)組進(jìn)一步降低煤耗和粉塵排放、提高經(jīng)濟(jì)性和發(fā)電競爭力勢在必行。當(dāng)前燃煤鍋爐排煙溫度高、排煙損失增大，導(dǎo)致鍋爐效率降低、煤耗升高，對設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性構(gòu)成嚴(yán)重影響，目前主要采用增加煙氣冷卻器方案。筆者全新設(shè)計(jì)了分段式煙氣冷卻器工藝，即采用低溫段煙氣冷卻器控制排煙溫度、高溫段煙氣冷卻器控制電除塵器入口煙溫的技術(shù)，順利實(shí)現(xiàn)了排煙溫度的控制和煙氣余熱回收利用。

1 設(shè)計(jì)方案

采用煙氣冷卻器降低排煙溫度，當(dāng)前方案有：加裝煙氣冷卻器利用低壓加熱器凝結(jié)水回收余熱方案，冷一、二次風(fēng)與煙氣冷卻器閉式循環(huán)方案[1]，煙氣冷卻器與煙囪排煙加熱閉式循環(huán)方案[2]，熱一次風(fēng)加熱器與低壓省煤器聯(lián)合方案[3]等。筆者在當(dāng)前已有方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了更有效、更節(jié)能的分段式煙氣冷卻器工藝和控制策略。

以某火力發(fā)電廠630 MW機(jī)組為例，其鍋爐為前后墻對沖燃燒、超臨界、本生型直流鍋爐，排煙溫度設(shè)計(jì)值為106 ℃，鍋爐熱效率為93.5%。近年來，實(shí)際運(yùn)行表明，鍋爐在50%熱耗率驗(yàn)收(THA)工況時，排煙溫度在125.5 ℃以上，排煙溫度明顯高于設(shè)計(jì)值，超過脫硫系統(tǒng)入口煙氣溫度設(shè)計(jì)值，夏季更為嚴(yán)重。

圖1 煙氣冷卻器改造方案示意圖

結(jié)合電廠運(yùn)行參數(shù)，設(shè)計(jì)的改造方案見圖1。

圖1中，低溫段煙氣冷卻器的換熱器布置在電除塵器與引風(fēng)機(jī)之間，管路與一、二次風(fēng)管道上的暖風(fēng)器連接，引入凝結(jié)水形成閉式循環(huán)，達(dá)到降低引風(fēng)機(jī)后排煙溫度的目的，通過一、二次風(fēng)管道上的暖風(fēng)器進(jìn)行熱交換，從而提高空氣預(yù)熱器(簡稱空預(yù)器)入口一、二次風(fēng)溫度，改善空預(yù)器運(yùn)行條件，提高鍋爐效率。低溫段煙氣冷卻器管束為H形鰭片管，換熱管支撐結(jié)構(gòu)和殼體材料為ND鋼，換熱管及鰭片材質(zhì)為316L，一、二次風(fēng)暖風(fēng)器換熱管材質(zhì)為20G碳鋼。在原電除塵器進(jìn)口煙道內(nèi)加裝高溫段煙氣冷卻器的換熱器，采用引入6號低壓加熱器進(jìn)出口的凝結(jié)水，通過高溫段煙氣冷卻器換熱，降低煙氣電除塵器進(jìn)口煙氣溫度，吸熱后的凝結(jié)水回流入5號低壓加熱器。分段式煙氣冷卻器實(shí)現(xiàn)回收煙氣余熱，降低發(fā)電煤耗，同時減小粉塵比電阻，提高電除塵器的除塵效率，減少粉塵排放，節(jié)能環(huán)保。高溫段煙氣冷卻器管束為H形鰭片管，換熱管及鰭片材質(zhì)為20G和20號鋼，換熱管支撐結(jié)構(gòu)及殼體材料為Q235。

低溫段及高溫段煙氣冷卻器主要設(shè)計(jì)參數(shù)分別見表1和表2。

表1 低溫段煙氣冷卻器設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 高溫段煙氣冷卻器設(shè)計(jì)參數(shù)

為了保證高溫段煙氣冷卻器長期運(yùn)行的安全性和熱交換效率，對高溫段煙氣冷卻器加裝了聲波吹灰裝置，實(shí)現(xiàn)對高溫段煙氣冷卻器自動定期吹掃表面灰塵。

2 控制策略

按照分段式煙氣冷卻器設(shè)計(jì)方案，分別對高溫段煙氣冷卻器和低溫段煙氣冷卻器設(shè)計(jì)控制策略，使低溫段的煙氣冷卻器在控制好排煙溫度的同時，加熱一、二次風(fēng)來回收煙氣余熱；高溫段的煙氣冷卻器在控制好電除塵器入口煙溫的同時，加熱凝結(jié)水回收煙氣余熱，在盡量提高熱效率的同時，避免對原系統(tǒng)的影響，保證改造后的煙氣冷卻器長期安全可靠地投入運(yùn)行。

2.1 低溫段煙氣冷卻器

2.1.1 排煙溫度控制

依據(jù)排煙溫度調(diào)整變頻泵的頻率，改變閉式循環(huán)水的流量，通過低溫省煤器低溫段的熱交換，調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)處的排煙溫度，因脫硫系統(tǒng)對排煙溫度要求在90 ℃左右，因此可以將大量的熱應(yīng)用到暖風(fēng)器中加熱一、二次風(fēng)，提高空預(yù)器入口風(fēng)溫，改善空預(yù)器運(yùn)行條件，達(dá)到節(jié)能降耗。

2.1.2 一、二次風(fēng)溫度控制

依據(jù)左右側(cè)一、二次風(fēng)溫差調(diào)整暖風(fēng)器出口風(fēng)溫調(diào)節(jié)閥開度，改變通過暖風(fēng)器的閉式循環(huán)水流量，通過暖風(fēng)器熱交換，提高空預(yù)器入口一、二次風(fēng)的溫度，在提高鍋爐效率的同時，保證一、二次風(fēng)溫度的平衡和可控。

因風(fēng)機(jī)出口一次風(fēng)溫度與二次風(fēng)溫度具有相對恒定的溫差，通過暖風(fēng)器的閉式循環(huán)水流量分配按一、二次風(fēng)“溫升相等”調(diào)節(jié)。因此，以控制二次風(fēng)暖風(fēng)器出口風(fēng)溫調(diào)節(jié)閥為主，一次風(fēng)暖風(fēng)器出口風(fēng)溫調(diào)節(jié)閥開度參照二次風(fēng)溫升調(diào)節(jié)。

2.1.3 閉式循環(huán)水溫度控制

依據(jù)變頻泵出口循環(huán)水溫度調(diào)節(jié)閉式循環(huán)水溫度調(diào)節(jié)閥開度，改變熱循環(huán)水流量，從而改變循環(huán)水冷、熱混合比，調(diào)節(jié)閉式循環(huán)水溫。當(dāng)水溫低于60 ℃時，調(diào)節(jié)閥全開；當(dāng)水溫高于75 ℃時，調(diào)節(jié)閥全關(guān)，使閉式循環(huán)水溫控制在一個較好的溫度，從而保證排煙溫度調(diào)節(jié)品質(zhì)。

2.2 高溫段煙氣冷卻器

2.2.1 電除塵器入口煙溫控制

依據(jù)電除塵器入口煙氣溫度調(diào)整電除塵器入口煙溫調(diào)節(jié)閥開度，改變從6號低壓加熱器直接流經(jīng)5號低壓加熱器的凝結(jié)水流量，從而改變流經(jīng)高溫段煙氣冷卻器的凝結(jié)水流量，通過高溫段煙氣冷卻器熱交換，從而降低電除塵器入口煙氣溫度，控制電除塵器入口煙溫在120 ℃，從而減小粉塵比電阻，提高電除塵的除塵器效率，減少粉塵排放，同時經(jīng)5號低壓加熱器入口回收高溫段煙氣冷卻器加熱的凝結(jié)水，降低發(fā)電煤耗。

2.2.2 凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)

依據(jù)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)閥開度，調(diào)整從6號低壓加熱器入口抽取的凝結(jié)水流量，自動分配通過6號低壓加熱器和高溫段煙氣冷卻器的凝結(jié)水流量，使6號低壓加熱器和高溫段煙氣冷卻器出口溫度偏差在一定范圍，達(dá)到低壓加熱器和高溫段煙氣冷卻器的熱交換分配平衡，進(jìn)一步提高熱效率。

2.2.3 凝結(jié)水溫度調(diào)節(jié)

依據(jù)高溫段煙氣冷卻器入口溫度調(diào)整凝結(jié)水溫度調(diào)節(jié)閥開度，改變從6號低壓加熱器出口抽取的凝結(jié)水流量，從而改變流經(jīng)高溫段煙氣冷卻器的凝結(jié)水冷、熱混合比，從而改變混合后凝結(jié)水溫度，使通過高溫段煙氣冷卻器的凝結(jié)水溫度控制在一個平穩(wěn)的范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高電除塵器入口煙溫調(diào)節(jié)品質(zhì)。

由于凝結(jié)水溫度調(diào)節(jié)閥和凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)閥對流經(jīng)高溫段煙氣冷卻器的凝結(jié)水流量都有影響，即這兩個調(diào)節(jié)閥和電除塵器入口煙溫調(diào)節(jié)閥對電除塵器入口煙溫控制具有一定的耦合性；因此在實(shí)際控制邏輯中，可通過前饋控制來實(shí)現(xiàn)解耦處理，即用凝結(jié)水溫度調(diào)節(jié)閥開度作為凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)閥的前饋，避免因凝結(jié)水溫度調(diào)節(jié)閥的變化影響混合后凝結(jié)水流量，用電除塵器入口煙溫調(diào)節(jié)閥開度作為凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)閥的前饋，保證凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)的快速性。

3 投運(yùn)過程

高溫段煙氣冷卻器隨機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)一起上水，注滿管道和換熱設(shè)備；然后，開煙溫調(diào)節(jié)閥，隨鍋爐燃燒逐漸增強(qiáng)，排煙溫度升高，水溫升高并可能汽化，熱量隨水的緩慢流動帶回5號低壓加熱器。

機(jī)組負(fù)荷逐步升高后，電除塵器入口煙溫和水溫均逐步提高，為了防止水的汽化和管道水擊，當(dāng)電除塵器入口煙溫達(dá)到120 ℃以上時，將凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)閥緩緩開啟，當(dāng)6號低壓加熱器入口水溫在70 ℃以上時，凝結(jié)水溫度調(diào)節(jié)閥投入自動，將水溫控制在80 ℃，然后將電除塵器入口煙溫調(diào)節(jié)閥投入自動，控制電除塵器入口煙氣溫度為120 ℃，使得煙氣溫度高于其酸露點(diǎn)溫度。

低溫段煙氣冷卻器儲水箱的補(bǔ)水來自于煙氣冷卻器高溫段主管道的凝結(jié)水，當(dāng)高溫段煙氣冷卻器注水完成后，對低溫段煙氣冷卻器的儲水箱和管路進(jìn)行注水，儲水箱水位控制在1.5 m。注水完成后，開啟閉式循環(huán)水溫度調(diào)節(jié)閥，啟動一臺變頻泵，另一臺變頻泵投入聯(lián)鎖備用，使閉式循環(huán)水循環(huán)起來。

當(dāng)排煙溫度達(dá)到90 ℃時，變頻泵投入自動，將排煙溫度設(shè)定為90 ℃，然后把暖風(fēng)器出口風(fēng)溫調(diào)節(jié)閥投入自動，并將閉式循環(huán)水溫度調(diào)節(jié)閥投入自動，變頻泵出口循環(huán)水溫度控制在65 ℃。

4 應(yīng)用情況

分段式煙氣冷卻器改造完成后，機(jī)組點(diǎn)火啟動，分段式煙氣冷卻器與機(jī)組一同啟動投運(yùn)。機(jī)組正常運(yùn)行中，低溫段煙氣冷卻器運(yùn)行情況(見圖2)和高溫段煙氣冷卻器運(yùn)行情況(見圖3)穩(wěn)定，經(jīng)調(diào)試自動投入效果良好。

PAF A—A側(cè)一次風(fēng)暖風(fēng)器；PAF B—B側(cè)一次風(fēng)暖風(fēng)器；FDF A—A側(cè)二次風(fēng)暖風(fēng)器；FDF B—B側(cè)二次風(fēng)暖風(fēng)器；LOW TMP GC A—A側(cè)低溫段煙氣冷卻器；LOW TMP GC B—B側(cè)低溫段煙氣冷卻器

圖2 機(jī)組低溫段煙氣冷卻器投入運(yùn)行圖

CND WTR—凝結(jié)水；6—6號低壓加熱器；5—5號低壓加熱器；APH GAS—空預(yù)器出口煙氣；A1—A側(cè)1號高溫段煙氣冷卻器；A2—A側(cè)2號高溫段煙氣冷卻器；B1—B側(cè)1號高溫段煙氣冷卻器；B2—B側(cè)2號高溫段煙氣冷卻器；ESP—電除塵；ASH BLOW—聲波吹灰裝置

圖3 機(jī)組高溫段煙氣冷卻器投入運(yùn)行圖

低溫段煙氣冷卻器的入口煙溫在115～123 ℃，排煙溫度控制在87～91 ℃，煙氣壓降為280～370 Pa，能使439 t/h的循環(huán)水從63 ℃升至98 ℃，經(jīng)暖風(fēng)器使一次風(fēng)冷風(fēng)由30.8 ℃升高至42 ℃，二次風(fēng)冷風(fēng)由20 ℃升高至81 ℃，一次風(fēng)暖風(fēng)器壓降為350～380 Pa，二次風(fēng)暖風(fēng)器壓降為160～220 Pa。

高溫段煙氣冷卻器進(jìn)口煙溫為136～153 ℃，出口煙溫為111～122 ℃，將6號低壓加熱器進(jìn)出口抽取的凝結(jié)水混合溫度從83.3 ℃加熱到128 ℃后，回流到5號低壓加熱器進(jìn)口。高溫段煙氣冷卻器平均壓降約為200 Pa。

經(jīng)過一年來的運(yùn)行實(shí)踐，該電廠在投用分段式煙氣冷卻器系統(tǒng)后，提高了鍋爐熱效率。鍋爐在大于50%THA工況時，經(jīng)多次數(shù)據(jù)采集，得到分段式煙氣冷卻器的運(yùn)行參數(shù)(見表3)。

表3 分段式煙氣冷卻器運(yùn)行數(shù)據(jù)

從表3數(shù)據(jù)可見：分段式煙氣冷卻器系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，煙氣和一、二次風(fēng)壓降在可控范圍內(nèi)，低溫段煙氣冷卻器熱回收功率為3.16 MW，鍋爐效率提高了0.502%，高溫段冷卻器熱回收功率為6.53 MW，鍋爐效率提高了1.036%，兩段煙氣冷卻器鍋爐效率提高合計(jì)為1.538%，與當(dāng)前采用單一煙氣冷卻器方案比較(其鍋爐效率提高為0.5%～1.0%)，經(jīng)濟(jì)效益更好。

5 結(jié)語

該電廠在630 MW機(jī)組排煙溫度節(jié)能改造中，采用分段式煙氣冷卻器技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)行調(diào)試，在控制鍋爐排煙溫度并回收煙氣余熱等主參數(shù)方面，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。在接下來的機(jī)組運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，由于凝結(jié)水流量調(diào)節(jié)存在耦合性，并影響凝結(jié)水供給除氧器的安全性，需要在煙氣冷卻器運(yùn)行中進(jìn)一步完善和修改控制策略，在自動調(diào)節(jié)電除塵器入口煙溫的同時，避免調(diào)節(jié)閥關(guān)得過多，凝結(jié)水受阻導(dǎo)致除氧器供水不足引起的安全性問題，并合理分配通過高溫段煙氣冷卻器和6號低壓加熱器凝結(jié)水流量，達(dá)到熱交換效率的最優(yōu)化。