煙氣余熱回收系統(tǒng)的應用效果研究

蔡 勇，張興龍，孫金龍

（華電國際十里泉發(fā)電廠，山東 棗莊 277100）

0 引言

華電國際十里泉發(fā)電廠6 號機組為300 MW 發(fā)電機組，于1996 年投產(chǎn)，2008 年汽輪機增容改造升級為330 MW，鍋爐型號為HG-1021／18.2-YM9，是亞臨界汽包鍋爐。采用一次中間再熱和自然循環(huán)方式，燃燒器采用濃淡分離擺動式燃燒器，四角切圓的燃燒方式，排渣方式為固態(tài)除渣，制粉系統(tǒng)采用低速鋼球磨，負壓運行、中儲式、乏氣送粉，空氣預熱器采用回轉(zhuǎn)式圓周驅(qū)動空氣預熱器。除塵器于2011 年改造為電袋除塵器，2016 年結(jié)合超低排放改造又擴容一個袋區(qū)，并將所有濾袋全部更換為“50%聚四氟乙烯（Poly Tetra Fluoro Ethylene，PTFE）+50%聚苯硫醚（Poly Phenylene Sulfide，PPS）超細纖維／PTFE 基布覆膜”濾袋。

鍋爐排煙溫度達160 ℃以上，高負荷時高達170 ℃以上，高于除塵器設(shè)計長期使用的上限溫度165 ℃。長期超溫會造成濾袋使用壽命和可靠性大大降低，導致布袋老化、損壞、漏穿等問題。布袋漏穿會使粉塵排放超標，增大了環(huán)境污染的可能性。同時，排煙溫度越高煙氣體積流量越大，靜電除塵器效率越低，引風機出力也會增加［1］。

鍋爐排煙溫度較高的主要原因為［2-3］：空氣預熱器原始設(shè)計換熱面積不足，即使使用設(shè)計煤種，鍋爐排煙溫度也會遠高于設(shè)計值；空預器換熱元件已使用7 年，加之脫硝改造后增加吹灰頻次，造成換熱元件老化較嚴重；爐底排渣系統(tǒng)由濕除渣改造為干除渣，進入一定量冷風；煤質(zhì)變化和制粉系統(tǒng)漏風等導致排煙溫度上升。

傳統(tǒng)的煙氣余熱回收采用金屬盤管低溫省煤器（含相變技術(shù)），在運行中由于含塵氣流沖刷磨損、低溫腐蝕、交變應力破壞（應力腐蝕）、水沖擊等原因，普遍存在水泄漏、積灰堵塞等問題，水泄漏進入電袋除塵器會造成糊袋，嚴重威脅電袋除塵器的安全可靠運行［3］。

本工程采用熱管換熱器冷熱流體位于設(shè)備隔板外側(cè)，采用物理隔絕，熱管單管采用獨立真空密封，即便發(fā)生單根熱管磨損甚至磨穿，也不會發(fā)生冷卻水向煙氣側(cè)泄漏問題，既能從本質(zhì)上保證電袋除塵器的安全運行，又能降低排煙溫度，符合現(xiàn)場實際運行需求。

1 系統(tǒng)原理

煙氣余熱回收系統(tǒng)如圖1 所示，在空氣預熱器出口和電除塵前的四路煙氣管道上安裝熱管換熱擴容煙道，每個擴容煙道內(nèi)安裝4 組熱管換熱器模塊，熱管換熱器結(jié)構(gòu)如圖2 所示，每個換熱器模塊有上部和下部兩個獨立腔室，上部腔室為獨立水箱，與循環(huán)水側(cè)聯(lián)通，來自循環(huán)水管道泵的進水，經(jīng)母管和進水支管流入水箱，經(jīng)過熱管加熱后，通過回水支管和母管進入板式換熱器加熱凝水，最后進入循環(huán)水管道泵入口。下部腔室是敞開結(jié)構(gòu)，接入擴容煙道中，煙氣從爐側(cè)進入換熱器，流出后進入除塵器入口煙道［4］。

來自軸封加熱器出口的凝結(jié)水，經(jīng)過補水管進入循環(huán)水來水母管，經(jīng)過各支管進入熱管換熱器水箱，熱管在煙氣加熱下形成等溫體，浸在水箱中的熱管釋放熱量，加熱循環(huán)水，循環(huán)水汽化吸熱后形成蒸汽，蒸汽經(jīng)過水箱出口的回水管和排氣管，進入緩沖箱，經(jīng)過對空排氣門排出。采用循環(huán)水管道泵進行循環(huán)水側(cè)的水循環(huán)，并將吸收的熱量通過板式換熱器傳遞給凝結(jié)水側(cè)的凝結(jié)水，凝結(jié)水側(cè)的凝結(jié)水是從軸封加熱器出口取水，通過板式換熱器加熱后，再接入7／8 號低加出口管道［5-6］。

圖1 煙氣余熱回收系統(tǒng)

圖2 熱管換熱器結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)保護設(shè)計

為監(jiān)視煙氣余熱回收系統(tǒng)的正常運行，提醒運行人員及時操作，設(shè)置部分報警提示，即當7 號低壓加熱器出口水溫與煙氣余熱換熱器回水溫度偏差大于5 ℃時報警；當電除塵入口煙氣溫度小于125 ℃時，低溫報警，大于155 ℃時，高溫報警；當熱管換熱器壓差大于350 Pa 時，壓差大報警。

對于膨脹水箱的水位控制采用手動模式和自動模式，在手動模式下，根據(jù)液位計的變化速率，找到一個補水電動門開度經(jīng)驗值，控制水箱水位在50%～80%范圍；在自動模式下，當水箱水位小于50%時打開補水電動門，當水箱水位大于等于65%，關(guān)閉補水電動門；當水箱水位低于50%時發(fā)出低水位報警，當水箱水位高于80%時發(fā)出高水位報警。

3 系統(tǒng)應用

3.1 系統(tǒng)應用

目前煙氣余熱回收系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試后，已經(jīng)投入運行，煙氣余熱回收系統(tǒng)運行的DCS 畫面如圖3 所示，系統(tǒng)運行良好。

圖3 煙氣余熱回收系統(tǒng)DCS 畫面

圖4 熱管換熱器前排煙溫度變化

對煙氣余熱回收系統(tǒng)運行期間的數(shù)據(jù)進行采集，繪制了如圖4 所示的A、B 側(cè)熱管換熱器前排煙溫度隨負荷變化趨勢，如圖5 所示的A、B、C、D 熱管換熱器煙氣側(cè)出口溫度隨負荷變化的趨勢圖，從圖中可以看出，A、B、C、D 4 個換熱器煙道后各煙溫存在偏差，A 熱管換熱器煙道后煙溫平均在150 ℃左右，B、C 熱管換熱器煙道后煙溫平均在130 ℃左右，D 熱管換熱器煙道后煙溫平均在140 ℃左右，由此看出，煙氣余熱回收系統(tǒng)的投運，有效降低了排煙溫度，實現(xiàn)了預期目標，達到回收余熱節(jié)能效果。

圖5 熱管換熱器煙氣側(cè)出口溫度變化

3.2 經(jīng)濟性分析

目前煙氣余熱回收系統(tǒng)已經(jīng)投運正常，為更好地研究該系統(tǒng)的運行性能，選擇負荷為300 MW 時的運行工況，進行該系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析［7-14］。

1）熱管換熱器回收熱量

式中：Vg為實測煙氣流量，m3／h；ρg為煙氣密度，取1.2 kg／m3；Cpg為煙氣比熱，取1.02 kJ／（kg·℃）；t1為熱管換熱器前排煙溫度，℃；t2為熱管換熱器后排煙溫度，℃；φ為設(shè)備保熱系數(shù)，取0.95；Q 為熱管換熱器回收熱量，kW。

由于300 MW 機組為雙空預器運行，同時煙氣余熱回收系統(tǒng)也是兩個煙道運行，負荷為300 MW時，通過實時數(shù)據(jù)系統(tǒng)，采集到A 煙道的煙氣流量為339 816.8，熱管換熱器前排煙溫度平均值為156.3 ℃，熱管換熱器后排煙溫度平均值為143.4 ℃，對于B 煙道的煙氣流量為365 608.8，熱管換熱器前排煙溫度平均值為159.7 ℃，熱管換熱器后排煙溫度平均值為139.3 ℃，則A 側(cè)煙道熱管換熱器回收熱量QA、B 側(cè)煙道熱管換熱器回收熱量、煙道熱管換熱器回收總熱量Q 分別的計算式如式（2）—（4）所示。

2）為簡化計算，等效標煤量

式中：Q 為熱管換熱器回收熱量，kW；HR 為設(shè)備冬季運行小時數(shù)，4 320 h（根據(jù)目前投產(chǎn)和機組運行情況，選擇其中的6 個月）；Qp為標煤的發(fā)熱量，kJ／kg；ηk為鍋爐效率，取90%；q 為當量熱值，為860 kJ／kW·h。

3）由于煙氣余熱回收系統(tǒng)的增加，造成吸風機阻力增加，增加引風機能耗

式中：Vg為實測煙氣流量，單位為m3／h；t 為引風機進口煙溫，℃；Py為熱管換熱器后煙氣側(cè)增加阻力，Pa；ηy為引風機效率，取75%。

A 側(cè)吸風機增加的壓力為368 Pa，增加的能耗PfA如式（7）所示，B 側(cè)吸風機增加的壓力為419 Pa，增加的能耗PfB如式（8）所示，吸風機增加的總能耗Pf如式（9）所示。

4）煙氣余熱回收循環(huán)水循環(huán)泵增加的能耗

式中：qv為煙氣余熱回收系統(tǒng)循環(huán)水流量，取250.8 m3／h；ρ為水的密度，1000 kg／m3；g為重力加速度，取9.8 m／s；H 為水泵揚程，取32 m；ηb為水泵的效率，取75%。

5）煙氣余熱回收系統(tǒng)多增加煤耗

式中：m 為機組運行期間的發(fā)電煤耗，取340 g／kWh；Gm為煙氣余熱回收系統(tǒng)多增加煤耗。

6）煙氣余熱回收系統(tǒng)在機組一年中運行4 320 h的情況下，可節(jié)約資金

式中：y 為每噸煤的價格，取750 元／t；Y 為煙氣余熱回收系統(tǒng)運行期間節(jié)省的資金，元。

3.3 系統(tǒng)維護

煙氣余熱回收系統(tǒng)已投入運行，為有效地降低電除塵入口煙溫，給出以下系統(tǒng)運行維護操作指導。

在機組40%負荷以上運行時，開大循環(huán)水管道泵變頻至45 Hz，有效降低電除塵入口煙溫。

電除塵運行設(shè)計要求，入口煙溫應保持在125～155 ℃之間，125 ℃低報警，155 ℃高報警。

板式換熱器凝結(jié)水出口水溫與7 號低加出口水溫偏差控制在5 ℃以內(nèi)，最大不得超過10 ℃。

加強熱管換熱器差壓監(jiān)視，報警值為350 Pa 高報警，每12 h 對熱管換熱器進行一次壓縮空氣吹灰。

板式換熱器凝結(jié)水出口電動調(diào)節(jié)門應保持全開，利用進水電動門調(diào)節(jié)板式換熱器凝結(jié)水流量，實現(xiàn)板式換熱器凝結(jié)水出口水溫的調(diào)節(jié)，同時可利用進水電動門調(diào)節(jié)熱管換熱器出口煙溫。

當機組啟動和停止時，板式換熱器凝結(jié)水進水壓力低于循環(huán)水管道泵出口壓力時禁止開啟補水電動門，防止循環(huán)水倒流至凝結(jié)水。

凝結(jié)水泵定期切換和試啟動時應緩慢增大凝泵變頻，關(guān)小除氧器上水調(diào)節(jié)門，同時就地觀察板式換熱器凝結(jié)水入口壓力，不得超過2.6 MPa。

4 結(jié)語

為降低鍋爐排煙溫度，合理利用煙氣余熱，在空氣預熱器和電除塵之間加入熱管換熱器，利用煙氣余熱對熱管循環(huán)水進行加熱，在軸封加熱器出口引出一路凝結(jié)水通過板式換熱器與熱管循環(huán)水進行換熱，經(jīng)過板式換熱器加熱的凝結(jié)水和經(jīng)過7、8 號低壓加熱器加熱的凝結(jié)水共同送入6 號低壓加熱器。通過煙氣余熱系統(tǒng)的運行，使得鍋爐排煙溫度有效降低，不但提高電袋除塵器的工作效率、安全性和可靠性，延長設(shè)備使用壽命，減少維護使用費用，而且提高了鍋爐運行的負荷跟隨性，防止出現(xiàn)排煙過高降負荷，還減少了脫硫塔蒸發(fā)量，減少煙氣含濕量，緩解煙囪白色煙雨，同時通過加熱凝結(jié)水，增加了機組的經(jīng)濟性。該系統(tǒng)的實施，有效提升了機組運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。