1 000 MW燃煤機(jī)組鍋爐排煙節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

王利敏， 趙賢立， 李延偉

(1. 國(guó)家電投集團(tuán)河南電力有限公司沁陽(yáng)發(fā)電分公司, 河南焦作 454150;2. 上海羲藍(lán)節(jié)能環(huán)保科技有限責(zé)任公司, 上海 201100)

國(guó)內(nèi)某新建的大型1 000 MW機(jī)組設(shè)計(jì)要求必須具有高效寬負(fù)荷的先進(jìn)性能，尤其對(duì)鍋爐煙氣余熱的深度利用提出了很高要求,即原則上鍋爐排煙的余熱要充分利用，并且將煙氣溫度降低到75 ℃。從理論上分析這些要求很難用簡(jiǎn)單方法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闊煔鉁囟冉档偷?5 ℃時(shí)的熱能品位很低、節(jié)能效果差、經(jīng)濟(jì)性低，同時(shí)還會(huì)因?yàn)闊煔鉁囟冗^(guò)低引發(fā)煙氣低溫腐蝕。針對(duì)鍋爐排煙余熱的熱能品位較低這一客觀因素，筆者提出了借用暖風(fēng)器系統(tǒng)，綜合利用汽輪機(jī)低壓凝結(jié)水的低溫?zé)嵩春湾仩t排煙的低溫?zé)嵩磥?lái)提高鍋爐排煙的熱能品位，從而提高煙氣余熱回收利用的價(jià)值，達(dá)到有效降低機(jī)組供電煤耗的目的。

1 鍋爐煙氣余熱回收技術(shù)現(xiàn)狀

燃煤電站鍋爐的排煙溫度一般在120～140 ℃,自2009年4月上海外高橋第三發(fā)電廠1 000 MW機(jī)組將鍋爐排煙溫度通過(guò)煙氣余熱回收再降低到90 ℃左右進(jìn)入脫硫塔的技術(shù)改造獲得成功后，在最近10年的時(shí)間里，鍋爐煙氣余熱回收、降低機(jī)組供電煤耗的節(jié)能技術(shù)實(shí)踐層出不窮，節(jié)能效果也各有不同[1-2]，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)主要有一級(jí)低溫省煤器系統(tǒng)和兩級(jí)串聯(lián)低溫省煤器系統(tǒng)。

1.1 一級(jí)簡(jiǎn)單系統(tǒng)

一級(jí)低溫省煤器煙氣余熱回收節(jié)能減排系統(tǒng)是一種最簡(jiǎn)單的應(yīng)用比較廣的系統(tǒng)，即在電除塵器煙氣進(jìn)口的4個(gè)水平煙道上安裝了4臺(tái)低溫省煤器，低溫省煤器水側(cè)引入汽輪機(jī)第二級(jí)低壓加熱器(簡(jiǎn)稱低加)出口的凝結(jié)水，加熱后返回第三級(jí)低加進(jìn)口。上海某電廠300 MW機(jī)組采用該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。

表1 300 MW機(jī)組低溫省煤器運(yùn)行數(shù)據(jù)

從表1可見：低溫省煤器系統(tǒng)由4臺(tái)并聯(lián)設(shè)置的煙氣余熱回收低溫省煤器組成，煙氣溫度由進(jìn)口的140 ℃降低到出口的94.4 ℃，低溫省煤器管側(cè)流動(dòng)的水來(lái)自汽輪機(jī)第二級(jí)低加出口的凝結(jié)水，通過(guò)換熱將凝結(jié)水由進(jìn)口的79 ℃加熱到出口的109 ℃，加熱后的凝結(jié)水返回到第三級(jí)低加入口再匯入汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)。

1.2 兩級(jí)串聯(lián)系統(tǒng)

兩級(jí)串聯(lián)低溫省煤器煙氣余熱回收節(jié)能減排系統(tǒng)是一種比較復(fù)雜而應(yīng)用也較少的一種系統(tǒng)，即由4臺(tái)并聯(lián)設(shè)置的煙氣余熱回收低溫省煤器形成第一級(jí)低溫省煤器，布置在電氣除塵器煙氣進(jìn)口；由2臺(tái)并聯(lián)布置的低溫省煤器形成第二級(jí)低溫省煤器，布置在脫硫塔煙氣進(jìn)口。這兩級(jí)低溫省煤器再串聯(lián)運(yùn)行組成一個(gè)完整的煙氣余熱回收利用系統(tǒng)。某電廠1 000 MW機(jī)組采用這一系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2。

表2 1 000 MW機(jī)組低溫省煤器運(yùn)行數(shù)據(jù) ℃

從表2可見：煙氣溫度由第一級(jí)進(jìn)口的120 ℃左右降低到出口的106 ℃左右，再由第二級(jí)低溫省煤器降低到出口100 ℃，低溫省煤器管側(cè)流動(dòng)的水來(lái)自汽輪機(jī)第7級(jí)低加出口的凝結(jié)水，通過(guò)換熱將凝結(jié)水由第二級(jí)低溫省煤器進(jìn)口的84 ℃加熱到出口的88 ℃，再由第一級(jí)低溫省煤器加熱到95 ℃，加熱后的凝結(jié)水返回到第6級(jí)低加入口再匯入汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)。

這兩種系統(tǒng)都是通過(guò)煙氣余熱回收減少汽輪機(jī)低加抽汽量來(lái)實(shí)現(xiàn)降低機(jī)組供電煤耗的目的。經(jīng)性能考核試驗(yàn)證明，這種煙氣余熱回收利用方法的節(jié)煤效果基本上可以降低機(jī)組供電煤耗1～2 g/(kW·h)，滿足不了1 000 MW機(jī)組高效寬負(fù)荷的設(shè)計(jì)需要。

2 鍋爐煙氣余熱回收新技術(shù)

2.1 鍋爐運(yùn)行概況

該1 000 MW燃煤火電機(jī)組的鍋爐各工況下的排煙溫度設(shè)計(jì)值見表3。從表3可見：鍋爐排煙溫度比較低，尤其在低負(fù)荷運(yùn)行工況，如40%THA工況，鍋爐排煙溫度只有101.9 ℃。

表3 排煙溫度設(shè)計(jì)值 ℃

當(dāng)機(jī)組在冬季運(yùn)行時(shí),如果環(huán)境溫度在-5 ℃、機(jī)組負(fù)荷為40%THA時(shí)，鍋爐排煙溫度再降低到80 ℃，所回收的煙氣余熱也不足以將鍋爐一次風(fēng)和二次風(fēng)加熱到鍋爐設(shè)計(jì)要求的進(jìn)風(fēng)溫度，所以要綜合考慮利用汽輪機(jī)低溫?zé)嵩春湾仩t排煙余熱回收的低溫?zé)嵩碵1-3]。

結(jié)合鍋爐排煙溫度比較低和我國(guó)北方冬季比較寒冷的氣候特點(diǎn)，筆者提出了鍋爐排煙節(jié)能新技術(shù)[4-5]：利用部分汽輪機(jī)低壓凝結(jié)水作為鍋爐暖風(fēng)器熱源，與低溫省煤器配合共同提高鍋爐排煙的熱能品位，既有利于提高煙氣余熱回收的節(jié)煤效益，又有利于防止煙氣低溫腐蝕，從而提高空氣預(yù)熱器的運(yùn)行安全性。

2.2 新技術(shù)的熱力系統(tǒng)

鍋爐排煙節(jié)能減排新技術(shù)熱力系統(tǒng)見圖1。

圖1 新技術(shù)的熱力系統(tǒng)圖和設(shè)計(jì)參數(shù)

從圖1可見：鍋爐排煙節(jié)能新技術(shù)由兩級(jí)低溫省煤器系統(tǒng)組成。第一級(jí)低溫省煤器系統(tǒng)由前段和后段串聯(lián)組成,分別布置于引風(fēng)機(jī)的進(jìn)口和出口煙道里;在第一級(jí)低溫省煤器中，煙氣溫度由140 ℃降低到95 ℃,凝結(jié)水由70 ℃提高到120 ℃返回6號(hào)低加進(jìn)口。第二級(jí)低溫省煤器系統(tǒng)由二級(jí)低溫省煤器和二次風(fēng)暖風(fēng)器組成，二級(jí)低溫省煤器布置于脫硫塔進(jìn)口的水平煙道里，二次風(fēng)暖風(fēng)器布置于送風(fēng)機(jī)出口至鍋爐空氣預(yù)熱器二次風(fēng)進(jìn)口之間的風(fēng)道里；在第二級(jí)低溫省煤器系統(tǒng)中,煙氣溫度由95 ℃降低到75 ℃進(jìn)入脫硫塔,凝結(jié)水由65 ℃提高到80 ℃進(jìn)入二次風(fēng)暖風(fēng)器，在二次風(fēng)暖風(fēng)器里，凝結(jié)水溫度由80 ℃降低到53 ℃返回9號(hào)低加進(jìn)口，二次風(fēng)由25 ℃提高到70 ℃進(jìn)入空氣預(yù)熱器。

2.3 新系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的特點(diǎn)

(1) 將鍋爐排煙溫度由118 ℃提高到140 ℃，提高了煙氣余熱的熱能品位，從而有效提高煙氣余熱回收利用的節(jié)煤效果，據(jù)汽輪機(jī)廠家計(jì)算，可以降低機(jī)組供電煤耗3 g/(kW·h)以上。 熱能品位的變化數(shù)據(jù)見表4。

表4 熱能品位變化數(shù)據(jù)表

另外進(jìn)入第二級(jí)低溫省煤器的來(lái)自9號(hào)低加出口的凝結(jié)水溫度為65 ℃，從暖風(fēng)器出口的凝結(jié)水溫度為53 ℃，返回9號(hào)低加進(jìn)口，這樣增加了9號(hào)低加的加熱抽汽流量；這部分凝結(jié)水將9號(hào)低加抽汽的低溫?zé)崃坑糜谔岣叩谝患?jí)低溫省煤器回收的煙氣余熱的品位和量值。

由于暖風(fēng)器的作用使得第一級(jí)低溫省煤器進(jìn)口煙氣溫度升高，出口水溫相應(yīng)提高，加熱后的凝結(jié)水進(jìn)入6號(hào)低加，減少了6號(hào)低加的抽汽流量。

(2)第二級(jí)低溫省煤器系統(tǒng)內(nèi)的二次風(fēng)暖風(fēng)器將二次風(fēng)溫度由25 ℃提高到70 ℃進(jìn)入鍋爐空氣預(yù)熱器，使得鍋爐空氣預(yù)熱器的冷端運(yùn)行金屬壁溫高于100 ℃[6-7]，完全避免了空氣預(yù)熱器的冷端低溫腐蝕，提高了鍋爐運(yùn)行的安全性。

(3)第二級(jí)低溫省煤器出口煙氣溫度低于80 ℃進(jìn)入脫硫塔,能有效減少脫硫塔水耗量,有效降低脫硫塔內(nèi)煙氣脫硫的飽和工作溫度,從而有效減少脫硫后的煙氣水蒸氣含量,減輕了煙囪煙氣冒白煙現(xiàn)象。

2.4 新系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的正確性

鍋爐效率的計(jì)算有正平衡法和反平衡法兩種方法。

正平衡法就是計(jì)算鍋爐有效吸熱量和輸入熱量的比值。鍋爐有效吸熱量是指鍋爐進(jìn)水加熱、汽化、過(guò)熱、再熱的所有吸熱量,輸入熱量是指煤種發(fā)熱量和空氣帶進(jìn)的熱量之和。鍋爐排煙余熱回收不影響鍋爐的有效吸熱量和煤種的發(fā)熱量，但由于加熱進(jìn)爐二次風(fēng)影響空氣帶進(jìn)爐膛的熱量，由于燃煤量難以計(jì)量，所以一般不用正平衡法計(jì)算鍋爐效率。

反平衡法的計(jì)算公式為：

η反=100-q2-q3-q4-q5-q6

(1)

q2=(Ipy-αI0k)(100-q4)/Qr

(2)

式中：η反為反平衡法計(jì)算的鍋爐效率；q2為鍋爐排煙熱損失；q3為化學(xué)不完全燃燒熱損失；q4為機(jī)械不完全燃燒熱損失；q5為爐墻散熱熱損失；q6為其他熱損失；Ipy為排煙焓；α為過(guò)量空氣系數(shù)；I0k為進(jìn)爐空氣焓；Qr為鍋爐輸入熱量。

公式(1)中，等式右邊只有鍋爐排煙熱損失q2一項(xiàng)有所變化，q2的變化從公式(2)可見，主要是排煙焓Ipy和進(jìn)爐空氣焓I0k的變化，從表1和圖1所列數(shù)據(jù)可見，鍋爐排煙溫度由118 ℃提高到140 ℃，提高了22 K，二次風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度由25 ℃提高到70 ℃，提高了45 K，如果進(jìn)行完整的熱力計(jì)算，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)數(shù)據(jù)都變大了，但(Ipy-αI0k)項(xiàng)變化不大，略有減小，再考慮Qr略有變大，所以q2鍋爐排煙熱損失的變化不大，略有減小。

由于加裝了暖風(fēng)器系統(tǒng)從而提高了鍋爐排煙的熱能品位,盡管鍋爐進(jìn)風(fēng)溫度和排煙溫度均有所提高,但鍋爐效率基本不變。

3 運(yùn)行實(shí)踐

新技術(shù)的熱力系統(tǒng)應(yīng)用于該1 000 MW機(jī)組，于2018年底投運(yùn)，系統(tǒng)負(fù)荷為50%THA時(shí)的運(yùn)行參數(shù)見表5。

表5 新技術(shù)的運(yùn)行參數(shù) ℃

從表5可見：二次風(fēng)暖風(fēng)器進(jìn)風(fēng)溫度為9 ℃左右，基本屬于冬季工況，二次風(fēng)暖風(fēng)器出風(fēng)溫度為63 ℃左右，暖風(fēng)器溫升54 K左右；第一級(jí)低溫省煤器煙氣進(jìn)、出口溫度分別為120 ℃、85 ℃，凝結(jié)水進(jìn)、出口溫度分別為76 ℃、112.3 ℃；第二級(jí)低溫省煤器煙氣進(jìn)、出口溫度分別為85 ℃、77 ℃，凝結(jié)水進(jìn)、出口溫度分別為68. ℃、81 ℃；第二級(jí)低溫省煤器系統(tǒng)凝結(jié)水進(jìn)口溫度為66 ℃左右，26 ℃左右返回汽輪機(jī)低壓凝結(jié)水系統(tǒng)。

表5所列運(yùn)行數(shù)據(jù)基本達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初確定的設(shè)計(jì)要求。由于機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷較低，環(huán)境溫度也較低，所以從汽輪機(jī)低壓凝結(jié)水系統(tǒng)輸出到鍋爐進(jìn)風(fēng)的低溫?zé)崃勘仍O(shè)計(jì)數(shù)值大了很多，由于這部分熱量來(lái)自汽輪機(jī)第九級(jí)低加，相對(duì)熱能品位很低，通過(guò)暖風(fēng)器將熱量轉(zhuǎn)移給鍋爐進(jìn)風(fēng)使得鍋爐排煙溫度升高，第一級(jí)低溫省煤器回收的煙氣余熱減少了汽輪機(jī)第六級(jí)低加的蒸汽消耗量，所以節(jié)能效果得到了有效提高。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 筆者提出的鍋爐排煙節(jié)能新技術(shù)有效提高了鍋爐排煙的熱能品位，從而也達(dá)到了鍋爐煙氣余熱回收的節(jié)能效果，將煙氣余熱回收降低機(jī)組供電煤耗的效果由1～2 g/(kW·h)提高到了3 g/(kW·h)以上。

(2) 由于空氣預(yù)熱器的進(jìn)口風(fēng)溫和出口煙氣溫度同時(shí)提高，從而將鍋爐空氣預(yù)熱器的冷端金屬壁溫由70 ℃左右提高到了100 ℃左右，有效避免了煙氣低溫腐蝕，提高了鍋爐運(yùn)行的安全性。

(3) 第二級(jí)低溫省煤器出口煙氣溫度77 ℃進(jìn)入脫硫塔,減少了脫硫塔水耗量,降低了脫硫塔內(nèi)煙氣脫硫的飽和工作溫度,從而有效減少了脫硫后的煙氣水蒸氣含量,減輕了煙囪煙氣冒白煙現(xiàn)象。