供熱機組煙氣余熱利用系統(tǒng)研究

陳兵兵， 寧廣飛， 李國元

(中國電建集團河南省電力勘測設(shè)計院有限公司， 鄭州 450007)

鍋爐排煙損失約占鍋爐熱損失的60%～70%，而排煙損失的主要指標(biāo)是排煙溫度。一般來說，鍋爐排煙溫度每提高10 K，鍋爐排煙損失升高0.6%～1.0%。在鍋爐尾部煙道中加裝換熱設(shè)備，回收煙氣余熱，回收的熱量在采暖期加熱熱網(wǎng)水，在非采暖期進入汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)，有利于提高機組熱效率，節(jié)約能源[1-3]。

國外方面，原蘇聯(lián)很多供熱電廠在優(yōu)化改造鍋爐煙道時，在鍋爐下部對流豎井內(nèi)設(shè)煙氣余熱利用換熱器，以加熱熱網(wǎng)回水，減少排煙損失；德國某 2臺800 MW褐煤電廠在電除塵器和脫硫塔間增設(shè)了煙氣余熱利用換熱器，利用煙氣余熱加熱凝結(jié)水，以降低機組熱耗；德國某1 000 MW褐煤電廠采用煙道旁路系統(tǒng)降低鍋爐排煙溫度，降低排煙損失，把煙氣余熱利用換熱器配置于空氣預(yù)熱器的旁路煙道上，在煙氣熱量充裕的運行工況下將部分高溫?zé)煔庖氲脚月窡煹乐屑訜岣邏航o水[4-5]。

國內(nèi)方面，很多學(xué)者對煙氣余熱回收技術(shù)進行了深入的研究，并將其投入工程應(yīng)用。王帥[6]為提高某300 MW機組鍋爐效率，提出了2種煙氣余熱回收改造方案，通過熱經(jīng)濟性計算得到煙氣余熱回收改造方案節(jié)能效益顯著；王利敏等[7]從提高煙氣余熱的熱能品質(zhì)著手，提出了利用汽輪機凝結(jié)水與低溫省煤器配合共同提高煙氣品位的方法，并于某1 000 MW機組上成功應(yīng)用，運行結(jié)果表明提升煙氣熱能品位后能有效改善機組余熱利用的節(jié)能效果。

筆者結(jié)合供熱機組機運行特點，對2臺350 MW超臨界燃煤供熱發(fā)電機組煙氣余熱利用系統(tǒng)進行優(yōu)化，在采暖期和非采暖期對煙氣余熱利用系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)及熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)進行系統(tǒng)耦合，挖掘煙氣的梯級利用潛能，并綜合分析機組熱經(jīng)濟性指標(biāo)。

1 煙氣余熱利用換熱器布置方案

1.1 換熱器布置在除塵器進口煙道

采用低溫省煤器作為煙氣余熱利用換熱器，并將其放置于除塵器的進口煙道內(nèi)，有效降低鍋爐的排煙溫度，同時降低飛灰比電阻，可以提高除塵器的除塵效率，降低電耗。由于煙氣余熱利用換熱器出口煙溫降低，引風(fēng)機進口的煙氣流量減少，加裝煙氣余熱利用換熱器后，煙氣阻力增加約330 Pa；并且該溫度已經(jīng)接近煙氣露點，煙氣余熱利用換熱器后的設(shè)備(如除塵器、引風(fēng)機及煙道)均存在腐蝕風(fēng)險。另外，除塵器前煙氣中煙塵含量較高，某供熱機組除塵器入口粉塵質(zhì)量濃度約為46 g/m3(設(shè)計煤種)、45 g/m3(校核煤種)，還應(yīng)考慮飛灰對管壁的磨損。

1.2 換熱器布置在脫硫塔進口煙道

對于大部分褐煤電廠，一般將煙氣余熱利用換熱器布置在脫硫塔進口處，煙氣余熱利用換熱器將進口煙氣溫度由160 ℃降低至100 ℃左右后排入脫硫塔，用煙氣余熱加熱低溫凝結(jié)水。由于煙氣余熱利用換熱器進口煙氣已經(jīng)過除塵器，煙氣的粉塵質(zhì)量濃度低于50 mg/m3，顯然換熱器工作于低塵含量區(qū)，飛灰對管壁的磨損程度較弱。另外，煙氣余熱利用換熱器出口的煙氣由于溫度較低且具有酸腐蝕性，但該換熱器布置位置在除塵器及引風(fēng)機之后，煙氣對這些設(shè)備造成腐蝕的可能性較小，并且吸收塔內(nèi)原先處于酸性環(huán)境中，煙氣離開脫硫島的溫度約為48 ℃，脫硫區(qū)域已進行了防腐處理，所以該布置方案腐蝕性較弱。

相反，由于煙氣余熱利用換熱器前煙氣溫度為高溫?zé)煔猓龎m器的電耗較大，且加裝換熱器后煙氣阻力升高較明顯，引起引風(fēng)機軸功耗增大，使得引風(fēng)機電動機功耗增大。另外，該換熱器布置的位置遠離汽輪發(fā)電機組，凝結(jié)水管道很長，管道阻力較高，凝結(jié)水泵的電耗增加。

1.3 兩級串聯(lián)布置

將煙氣余熱利用換熱器按兩級串聯(lián)布置，第一級布置于除塵器入口側(cè)，第二級布置于脫硫島入口處。第一級煙氣余熱利用換熱器配備凝結(jié)水旁路系統(tǒng)，并設(shè)置調(diào)節(jié)閥，使煙氣余熱利用換熱器出口煙溫始終高于酸露點，避免對下游設(shè)備造成腐蝕。

該布置方案可以提高除塵器的除塵效率，節(jié)省廠用電，有效避免設(shè)備腐蝕問題。但第一級煙氣余熱利用換熱器處于高塵含量區(qū)工作，磨損問題較為突出，且該方案汽水系統(tǒng)較其他方案復(fù)雜。

1.4 供熱機組推薦布置方案

為了降低煙氣側(cè)阻力，考慮將煙氣余熱利用換熱器裝設(shè)于引風(fēng)機出口、脫硫島進口處的煙道上。此處煙氣中飛灰較少，可以避免堵灰的問題，對換熱器的設(shè)計有較大優(yōu)勢。根據(jù)鍋爐熱力計算結(jié)果，熱耗率驗收(THA)工況下引風(fēng)機出口煙氣溫度約為123 ℃(已考慮引風(fēng)機的溫升)，考慮到避免脫硫設(shè)備的低溫酸腐蝕及對煙囪進口溫度的要求，換熱器煙氣出口溫度擬定為93 ℃，軸封加熱器(簡稱軸加)出口凝結(jié)水在THA工況下溫度為32.6 ℃。在采暖期選擇熱網(wǎng)回水作為被加熱水源，在非采暖期選擇軸加之后的凝結(jié)水作為余熱利用的被加熱水源。煙氣系統(tǒng)流程見圖1。

根據(jù)圖1設(shè)置1臺煙氣余熱利用換熱器，將其布置于引風(fēng)機出口的垂直煙道內(nèi)。考慮設(shè)備的換熱性能及抗腐蝕能力，煙氣余熱利用換熱器內(nèi)換熱元件采用H形翅片管，管子及翅片管采用優(yōu)質(zhì)改進型ND鋼，設(shè)備壽命超過55 000 h。換熱元件按照前后兩級布置，吹灰器布置于設(shè)備中央。

2 熱力系統(tǒng)配置方案

根據(jù)供熱電廠的設(shè)計特點，對于煙氣余熱利用換熱器水側(cè)系統(tǒng)的設(shè)置，建議在采暖期利用煙風(fēng)道尾部煙氣的余熱提高部分熱網(wǎng)水的溫度，回收煙氣余熱；在非采暖期，利用煙風(fēng)道尾部煙氣的余熱用于加熱換熱部分凝結(jié)水，排擠低壓加熱器(簡稱低加)的抽汽量，提高機組能源利用率。

2.1 煙氣余熱利用換熱器水側(cè)系統(tǒng)

由于采暖期與非采暖期加熱的對象不同，因此煙氣余熱利用換熱器水側(cè)系統(tǒng)設(shè)置須要根據(jù)機組運行負荷特性變化進行調(diào)整。按照熱源調(diào)整方式，可分為2種水側(cè)系統(tǒng)設(shè)置模式。

2.1.1 一次循環(huán)直接加熱模式

煙氣余熱利用換熱器中的煙氣與主機凝結(jié)水、熱網(wǎng)水直接傳熱，熱網(wǎng)水和凝結(jié)水之間可采用閥門控制方式進行切換。機組運行在采暖期時，開啟熱網(wǎng)水進出口閥門組，關(guān)閉凝結(jié)水進出口閥門組，利用鍋爐尾部煙氣的余熱加熱熱網(wǎng)水。機組運行在非采暖期時，首先關(guān)閉熱網(wǎng)水進出口閥門組，開啟熱網(wǎng)水側(cè)排污閥門組將熱網(wǎng)水排放掉；其次開啟凝結(jié)水進口及排污閥門組，采用凝結(jié)水沖洗管道，待管道內(nèi)工質(zhì)滿足凝結(jié)水水質(zhì)要求時，開啟凝結(jié)水出口閥門組，凝結(jié)水加熱系統(tǒng)投入運行。一次循環(huán)直接加熱模式的具體系統(tǒng)設(shè)置見圖2。

該模式的優(yōu)點為綜合換熱效率高、控制系統(tǒng)簡單、設(shè)備投資低；缺點為對換熱元件抗腐蝕、抗壓要求較嚴(yán)格，控制系統(tǒng)較苛刻，如2種不同水質(zhì)進行切換時操作失誤，易造成凝結(jié)水水質(zhì)污染，對運行管理水平要求較高。

2.1.2 二次循環(huán)間接加熱模式

煙氣余熱利用換熱器中的煙氣與主機凝結(jié)水、熱網(wǎng)水不直接傳熱，而是通過中間媒質(zhì)(閉式水)間接傳熱，凝結(jié)水、熱網(wǎng)水各自設(shè)置獨立的換熱管組。采暖期與非采暖期加熱水源的切換只須要分別開啟和關(guān)閉相應(yīng)換熱管組的閥門即可實現(xiàn)無擾切換。二次循環(huán)間接加熱模式的具體系統(tǒng)設(shè)置見圖3。

該模式的優(yōu)點為對換熱元件抗腐蝕、抗壓要求較寬松，系統(tǒng)維護檢修簡易，且不同加熱水源相對獨立，不易污染凝結(jié)水；缺點為綜合換熱效率低、控制系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備投資高。

考慮到鍋爐尾氣煙氣的余熱為低品位熱能，熱能回收利用需要付出較大的經(jīng)濟代價，若選用二次循環(huán)間接加熱模式，增加了初投資，且換熱效率也顯著降低。另外，煙氣余熱利用換熱器的設(shè)計應(yīng)充分考慮煙氣對換熱元件腐蝕的影響，換熱元件應(yīng)滿足煙氣與熱網(wǎng)水或凝結(jié)水直接傳熱的運行要求。綜上，參考供熱機組典型設(shè)計，推薦采用一次循環(huán)直接加熱方式，并以此為基礎(chǔ)進行熱經(jīng)濟性比較。

2.2 凝結(jié)水系統(tǒng)

煙氣余熱利用換熱器接入汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)有串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式[8]。串聯(lián)是將煙氣余熱利用換熱器串聯(lián)接在回?zé)嵯到y(tǒng)中(串聯(lián)在兩級低加之間)，優(yōu)點為傳熱溫差較大，金屬消耗量相對于并聯(lián)方式要少，運行維護操作簡便；缺點為管道系統(tǒng)壓降加大，接入系統(tǒng)時須要尋求一個最佳接入點，主機廠須要重新核算原有熱平衡，且存在因煙氣余熱利用換熱器故障而引起機組故障停機的風(fēng)險。并聯(lián)是將煙氣余熱利用換熱器并聯(lián)接入凝結(jié)水系統(tǒng)中一級或多級低加上，優(yōu)點為可對鍋爐余熱進行梯度回收、多級使用，余熱利用較科學(xué)、合理，且換熱元件的水阻及汽側(cè)壓降比較小，運行中調(diào)節(jié)鍋爐排煙溫度較方便；缺點為傳熱溫差低于串聯(lián)方式，配置的傳熱面積較大。由于并聯(lián)方案不存在因煙氣余熱利用換熱器故障而引起機組停機的風(fēng)險，因此推薦汽輪機回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)采用煙氣余熱利用換熱器和低加并聯(lián)的方案。

3 熱經(jīng)濟性分析

3.1 采暖期熱經(jīng)濟性

在采暖期利用煙氣的余熱加熱熱網(wǎng)水，熱網(wǎng)水系統(tǒng)的熱平衡計算按1臺機組采暖期額定抽汽量進行計算。裝設(shè)余熱利用換熱器前的系統(tǒng)流程見圖4(圖中壓力均為絕對壓力)。

裝設(shè)余熱利用換熱器后的系統(tǒng)流程見圖5。部分熱網(wǎng)水被高溫?zé)煔饧訜?，采暖蒸汽的抽汽量減少，該部分抽汽可繼續(xù)在汽輪機低壓缸中做功，增加了發(fā)電量，降低了汽輪機機組熱耗率，提高了機組整體熱效率。

煙氣余熱利用換熱器換熱計算見表1。

表1 煙氣余熱利用換熱器換熱計算結(jié)果

熱經(jīng)濟性計算結(jié)果見表2。由表2可見：約存在324.68 t/h熱網(wǎng)回水經(jīng)過煙氣余熱利用換熱器換熱，熱網(wǎng)首站所需的五級抽汽量相應(yīng)減少，在保證機組進汽量不變的前提下，排擠抽汽在汽輪機中多做功3 201.7 kW，機組熱效率提高0.68百分點，發(fā)電標(biāo)煤耗降低2.42 g/(kW·h)。

表2 采暖期熱經(jīng)濟性計算結(jié)果

3.2 非采暖期熱經(jīng)濟性

在非采暖期采用煙氣余熱利用換熱器將煙氣的余熱加熱主機凝結(jié)水，凝結(jié)水系統(tǒng)的熱平衡計算按1臺機組采暖期額定抽汽量進行計算。裝設(shè)余熱利用換熱器前的系統(tǒng)流程見圖6。

裝設(shè)余熱利用換熱器后的系統(tǒng)流程見圖7。凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)置再循環(huán)旁路，保證煙氣余熱利用換熱器進口水溫高于60 ℃。

熱經(jīng)濟性計算結(jié)果見表3。由表3可見：非采暖期約在軸加出口接引150 t/h的凝結(jié)水經(jīng)過煙氣余熱利用換熱器換熱，凝結(jié)水加熱后匯至7號低加凝結(jié)水出口，煙氣余熱利用換熱器與7號、8號低加形成并聯(lián)系統(tǒng)。排擠的抽汽在汽輪機中多做功1 120.6 kW，機組熱效率提高0.25百分點，發(fā)電標(biāo)煤耗降低0.88 g/(kW·h)。

表3 非采暖期熱經(jīng)濟性計算結(jié)果

4 結(jié)語

設(shè)置煙氣余熱利用換熱器能有效降低進入脫硫島的煙氣溫度，回收煙氣中的低品位余熱。根據(jù)供熱機組的特點，在采暖期、非采暖期利用煙氣尾部余熱分別加熱熱網(wǎng)水、凝結(jié)水，降低全廠熱耗率，提高機組效率。機組在采暖期、非采暖期投入煙氣余熱利用換熱器可分別節(jié)約標(biāo)煤約2 143 t/a、653 t/a，每臺機組可節(jié)省標(biāo)煤約2 796 t/a、節(jié)約燃料費用約196萬元/a，減少CO2排放量約7 326.4 t/a、SO2排放量約23.8 t/a、NOx排放量約20.7 t/a。