低壓省煤器性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)與節(jié)能效果的修正計(jì)算方法

王學(xué)棟，姜明超，宋昂

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

國(guó)內(nèi)電站鍋爐普遍存在排煙溫度偏高的問(wèn)題，排煙溫度嚴(yán)重超溫不但影響機(jī)組的能耗指標(biāo)，而且影響空氣預(yù)熱器的安全運(yùn)行。因此，降低排煙溫度對(duì)于節(jié)能降耗、提高鍋爐運(yùn)行安全性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前鍋爐煙氣余熱回收方案主要有利用低壓省煤器系統(tǒng)加熱凝結(jié)水方案、加熱空氣預(yù)熱器入口冷空氣方案、依次加熱冷空氣和凝結(jié)水的逐級(jí)利用方案[1-5]。對(duì)于鍋爐排煙溫度嚴(yán)重高于設(shè)計(jì)值問(wèn)題，為了充分吸收鍋爐排煙余熱，常采用低壓省煤器加熱凝結(jié)水方案[6-9]。

利用低壓省煤器吸收煙氣余熱加熱凝結(jié)水，低加回?zé)嵯到y(tǒng)的抽汽量減少，汽輪機(jī)的冷源損失增加，導(dǎo)致熱力循環(huán)效率降低，部分排擠的抽汽量會(huì)增加凝汽器的排汽量，使汽輪機(jī)真空有所降低[10]，但大量煙氣余熱進(jìn)入凝結(jié)水回?zé)嵯到y(tǒng)后，汽輪機(jī)低加回?zé)嵯到y(tǒng)從外部獲取了這部分熱量，新增了一定的做功能力，這個(gè)新增的功率遠(yuǎn)大于因減少抽汽和汽輪機(jī)真空微降所引起的功率損失，所以在一定程度上提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性[11-12]。

分析低壓省煤器熱經(jīng)濟(jì)性的主要方法是等效焓降法和汽輪機(jī)熱力性能試驗(yàn)法。西安交通大學(xué)的林萬(wàn)超利用等效焓降理論，對(duì)低壓省煤器系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了深入分析[13]；東北電力大學(xué)的周振起等利用等效焓降原理，對(duì)燃煤機(jī)組增裝低壓省煤器的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，計(jì)算出其節(jié)能效果[14]。以上學(xué)者偏重于低壓省煤器節(jié)能效果的理論分析，而許多文獻(xiàn)中所報(bào)道的低壓省煤器節(jié)能效果都是利用等效焓降法或熱力試驗(yàn)法，對(duì)機(jī)組投、停運(yùn)低壓省煤器的幾個(gè)運(yùn)行工況進(jìn)行試驗(yàn)和計(jì)算[15-20]，但計(jì)算得到實(shí)際工程中低壓省煤器的節(jié)能效果遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。以往的研究都沒(méi)有對(duì)實(shí)際節(jié)能效果與設(shè)計(jì)值的偏差進(jìn)行深層次的原因分析和定量計(jì)算，也就不能對(duì)低壓省煤器的節(jié)能效果進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

本文基于某 220 MW 機(jī)組低壓省煤器的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，計(jì)算了低壓省煤器的節(jié)能效果，分析了節(jié)能效果的影響因素，以及實(shí)際節(jié)能效果產(chǎn)生偏差的原因，并對(duì)影響因素進(jìn)行修正計(jì)算。

1 低壓省煤器設(shè)計(jì)

1.1 低壓省煤器本體設(shè)計(jì)

在某超高壓220 MW機(jī)組鍋爐尾部煙道加裝低壓省煤器，用于降低脫硫吸收塔入口的煙氣溫度，同時(shí)起到節(jié)能的作用。低壓省煤器分為爐側(cè)低壓省煤器和脫硫低壓省煤器(在本文中統(tǒng)稱低壓省煤器)，其設(shè)計(jì)參數(shù)分別如表1、2所示。

表1 爐側(cè)低壓省煤器設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1 Design parameters of low-pressure economizer

表2 脫硫低壓省煤器設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 2 Design parameters of low-pressure economizer for desulfurization

1.2 低壓省煤器連接方式

低壓省煤器連接方式屬于混合型，從6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)低加分別引出凝結(jié)水經(jīng)混合后，依次送往脫硫低壓省煤器和爐側(cè)低壓省煤器加熱，加熱后的凝水回到5號(hào)或6號(hào)低加出口，與主凝結(jié)水一起進(jìn)入除氧器，具體系統(tǒng)示意圖見圖1。

2 低壓省煤器節(jié)能效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)工況

低壓省煤器節(jié)能效果分析的多變量綜合試驗(yàn)，是通過(guò)變化機(jī)組電負(fù)荷、低壓省煤器進(jìn)水溫度、進(jìn)水流量等參數(shù)，評(píng)價(jià)低壓省煤器不同工況下的節(jié)能效果。機(jī)組進(jìn)行了 220、200、180、160 MW共4個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的試驗(yàn)，每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行投運(yùn)低壓省煤器的試驗(yàn)5次，停運(yùn)低壓省煤器的試驗(yàn)1次，即每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行6個(gè)工況的試驗(yàn)，共計(jì)24個(gè)工況。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖1 低壓省煤器連接系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of LP economizer connection system

對(duì)不同負(fù)荷點(diǎn)下機(jī)組投、停運(yùn)低壓省煤器 2種運(yùn)行方式進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，各得出一條主蒸汽流量對(duì)應(yīng)的熱耗率曲線，由曲線可直觀查得不同主蒸汽流量下投運(yùn)與停運(yùn)低壓省煤器的熱耗率之差，即投運(yùn)低壓省煤器的節(jié)能效果，如圖2所示。將同一電負(fù)荷下投運(yùn)與停運(yùn)低壓省煤器工況修正至同一主蒸汽流量下，查得各試驗(yàn)工況下的熱耗率差值，得出機(jī)組在不同主蒸汽流量下實(shí)際降低的熱耗率。

在220、200、180、160MW工況下，投運(yùn)與停運(yùn)低壓省煤器試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果分別列入表3和表4中。由于使用熱力試驗(yàn)法比較低壓省煤器的節(jié)能效果，因此對(duì)相同電負(fù)荷工況下投運(yùn)與停運(yùn)低壓省煤器時(shí)的機(jī)組熱耗率進(jìn)行相同的參數(shù)修正，包括主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度、再熱蒸汽壓損、低壓缸排汽壓力對(duì)發(fā)電機(jī)功率和熱耗率的修正。

表3 投運(yùn)低壓省煤器時(shí)主要試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Main test results of conditions with low-pressure economizer operation

表4 停運(yùn)低壓省煤器時(shí)主要試驗(yàn)結(jié)果Tab. 4 Main test results of conditions without low-pressure economizer operation

各負(fù)荷工況下，投運(yùn)與停運(yùn)低壓省煤器試驗(yàn)的工況點(diǎn)不完全吻合，將主蒸汽流量修正至同一基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，即在圖2曲線上查找同一主蒸汽流量下，投運(yùn)與停運(yùn)低壓省煤器時(shí)的機(jī)組熱耗率，并求得差值，主蒸汽流量選擇投運(yùn)低壓省煤器各工況下的主蒸汽流量，得出的結(jié)果見表5。

表5 投運(yùn)與停運(yùn)低壓省煤器在相同主蒸汽流量下的熱耗率變化Tab. 5 Change of heat consumption rate with or without low-pressure economizer operation under the same main steam flow

2.3 節(jié)能效果分析

由低壓省煤器節(jié)能效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)可以看出，對(duì)于投運(yùn)或停運(yùn)低壓省煤器的工況，由于機(jī)組熱耗率差別較大，節(jié)能效果明顯，因此可以直觀地用熱力試驗(yàn)法進(jìn)行分析比較。220 MW 試驗(yàn)工況下，節(jié)能效果為 105.4～125.5 kJ/(kW·h)；200 MW試驗(yàn)工況下，節(jié)能效果為98.1～113.4 kJ/(kW·h)；180 MW試驗(yàn)工況下，節(jié)能效果為94.1～112.8 kJ/(kW·h)；160 MW 試驗(yàn)工況下，節(jié)能效果為81.7～107.4 kJ/(kW·h)。低壓省煤器的節(jié)能效果與其運(yùn)行參數(shù)有關(guān)，同時(shí)也與機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷關(guān)系密切。在4個(gè)工況電負(fù)荷對(duì)應(yīng)的主蒸汽流量下，低壓省煤器的節(jié)能效果分別為116.8、96.7、108.2、99.1 kJ/(kW·h)。

3 低壓省煤器節(jié)能效果修正計(jì)算

3.1 低壓省煤器節(jié)能效果的修正方法

低壓省煤器在汽輪機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)中的熱平衡方程與傳熱方程如下：

式中：m為進(jìn)入低壓省煤器的凝結(jié)水流量，kg/h；h1為凝結(jié)水進(jìn)口焓值，kJ/kg；h2為凝結(jié)水出口焓值，kJ/kg；K為換熱系數(shù)，kW/(m2·K)；F為低壓省煤器有效傳熱面積，m2；Δt為平均對(duì)數(shù)溫差，℃；t1為低壓省煤器入口煙氣溫度，℃；t2為低壓省煤器出口凝結(jié)水溫度，℃；t3為低壓省煤器出口煙氣溫度，℃；t4為低壓省煤器入口凝結(jié)水溫度，℃；Qd為凝結(jié)水換熱量，kJ/h。

低壓省煤器的運(yùn)行參數(shù)影響著換熱性能，也影響著其節(jié)能效果。由式(1)—(3)以及試驗(yàn)結(jié)果的分析得知，影響低壓省煤器傳熱性能的參數(shù)主要是：煙氣側(cè)的煙氣流速、煙氣進(jìn)口溫度和出口溫度，水側(cè)的凝結(jié)水流量、凝結(jié)水進(jìn)口溫度和出口溫度，以及傳熱管外表面的沾污程度。煙氣側(cè)的參數(shù)與鍋爐燃燒工況的調(diào)整和煤種有關(guān)，水側(cè)的參數(shù)與機(jī)組負(fù)荷、運(yùn)行參數(shù)調(diào)整有關(guān)。由于以上參數(shù)的運(yùn)行值與設(shè)計(jì)值差別較大，導(dǎo)致低壓省煤器實(shí)際節(jié)能效果與設(shè)計(jì)值差別較大，所以應(yīng)基于運(yùn)行參數(shù)對(duì)低壓省煤器傳熱性能的影響，修正參數(shù)變化對(duì)低壓省煤器節(jié)能效果的影響。

修正的基本方法：計(jì)算設(shè)計(jì)工況和運(yùn)行工況下的低壓省煤器換熱量，以設(shè)計(jì)參數(shù)為基準(zhǔn)，修正運(yùn)行參數(shù)對(duì)傳熱系數(shù)、傳熱溫差的影響，計(jì)算修正后的換熱量。利用實(shí)際運(yùn)行工況的換熱量和修正后的換熱量，參與機(jī)組熱力系統(tǒng)的等效焓降計(jì)算，得到實(shí)際做功量變化值ΔHt和修正后做功量變化值ΔHto，進(jìn)而計(jì)算熱耗率的變化值Δqt和修正后的熱耗率變化值Δqto。

由于制造商提供的只有機(jī)組額定220 MW工況下的低壓省煤器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，因此，節(jié)能效果的修正計(jì)算也只計(jì)算了220 MW試驗(yàn)工況。低壓省煤器設(shè)計(jì)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算都依據(jù)公式(1)—(3)，修正計(jì)算的步驟如下：

1）計(jì)算低壓省煤器設(shè)計(jì)工況下的傳熱系數(shù)Ko、平均對(duì)數(shù)溫差Δto以及換熱量Qdo；

2）計(jì)算試驗(yàn)工況下的低壓省煤器實(shí)際傳熱系數(shù)Kt、平均對(duì)數(shù)溫差Δtt以及換熱量Qdt，實(shí)際傳熱系數(shù)Kt考慮了傳熱管外表面實(shí)際的沾污系數(shù)；

3）將低壓省煤器實(shí)際傳熱系數(shù)Kt修正至設(shè)計(jì)沾污系數(shù)、煙氣流速下，得到修正后的Kto，將試驗(yàn)的平均對(duì)數(shù)溫差修正至設(shè)計(jì)值Δtto，利用換熱量計(jì)算公式(2)計(jì)算得到修正后的換熱量Qdto。

對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況下的傳熱系數(shù)Kt進(jìn)行修正，計(jì)算公式為

式中θg為管子沾污系數(shù)的修正系數(shù)，無(wú)量綱。

式中：αg為低壓省煤器傳熱管煙氣側(cè)的設(shè)計(jì)對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；ε為管子的沾污系數(shù)，根據(jù)管材以及低壓省煤器的運(yùn)行條件、運(yùn)行參數(shù)取值，無(wú)量綱；αg1為試驗(yàn)工況下的煙氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

式中：TW為傳熱管與煙氣接觸的壁面溫度，℃；T為煙氣側(cè)的平均溫度，℃；F為低壓省煤器有效傳熱面積，m2；Qdt為試驗(yàn)工況下的凝結(jié)水換熱量，kJ/h。

修正了由于運(yùn)行參數(shù)變化引起的傳熱系數(shù)變化、對(duì)數(shù)平均溫差和傳熱量的變化，修正后的傳熱系數(shù)Kto、換熱量Qdto與設(shè)計(jì)值的偏差即是由低壓省煤器本身性能引起的，由此即可判斷低壓省煤器的運(yùn)行性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4）對(duì)機(jī)組性能指標(biāo)影響的修正計(jì)算。

用等效焓降法計(jì)算修正后的換熱量，并計(jì)算由此引起的低加回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽量的變化，對(duì)應(yīng)得到一個(gè)新的等效焓降值ΔHto，利用ΔHto計(jì)算低壓省煤器性能修正后的熱耗率降低值Δqto。

式中：Δqto為運(yùn)行參數(shù)修正后的熱耗率降低值，kJ/(kW·h)；ΔHto為運(yùn)行參數(shù)修正后的等效焓降，kJ/kg；H為低壓省煤器停運(yùn)時(shí)的機(jī)組等效焓降，kJ/kg；q為低壓省煤器停運(yùn)時(shí)的機(jī)組熱耗率，kJ/(kW·h)。

3.2 低壓省煤器節(jié)能效果的修正計(jì)算

3.2.1 試驗(yàn)工況下?lián)Q熱系數(shù)及換熱量計(jì)算

在機(jī)組電負(fù)荷220 MW工況下，測(cè)得了流經(jīng)鍋爐側(cè)、脫硫側(cè)兩級(jí)低壓省煤器的凝結(jié)水流量，以及入口、出口側(cè)的凝結(jié)水溫度。通過(guò)式(1)—(3)計(jì)算出鍋爐側(cè)低壓省煤器及脫硫側(cè)低壓省煤器的換熱量及換熱系數(shù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表6。

表6 爐側(cè)及脫硫側(cè)低壓省煤器試驗(yàn)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)Tab. 6 Test data and design data of low-pressure economizer on boiler side and desulfurization side

3.2.2 低壓省煤器換熱系數(shù)與換熱量的修正計(jì)算

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的低壓省煤器進(jìn)口、出口煙氣參數(shù)(煙氣流量、溫度)、凝結(jié)水參數(shù)(凝結(jié)水溫度、流量)，分別計(jì)算出鍋爐側(cè)、脫硫側(cè)低壓省煤器的換熱系數(shù)；在兩側(cè)低壓省煤器進(jìn)、出口煙氣參數(shù)，以及進(jìn)、出口凝結(jié)水參數(shù)相同條件下，根據(jù)式(4)—(6)進(jìn)行修正計(jì)算，得到設(shè)計(jì)參數(shù)下鍋爐側(cè)、脫硫側(cè)低壓省煤器的換熱量、換熱系數(shù)，修正結(jié)果見表7。

表7 低壓省煤器換熱系數(shù)及換熱量修正計(jì)算結(jié)果Tab. 7 Corrected calculation results for heat transfer coefficient and heat exchange amount of low pressure economizer

3.2.3 低壓省煤器節(jié)能效果的修正計(jì)算

通過(guò)以上計(jì)算，得到220 MW工況低壓省煤器運(yùn)行條件下的換熱系數(shù)、換熱量，以及修正后的換熱系數(shù)、換熱量，用等效焓降法計(jì)算由修正后的換熱量引起的機(jī)組低加回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽量的變化，得到新的等效焓降值ΔHto，根據(jù)式(7)計(jì)算得到低壓省煤器運(yùn)行參數(shù)修正后的熱耗率降低值Δqto。

由表5得知，220 MW試驗(yàn)工況下投運(yùn)低壓省煤器，機(jī)組熱耗率降低值為 116.8 kJ/(kW·h)，等效焓降H為1 194.57 kJ/kg，經(jīng)過(guò)運(yùn)行參數(shù)修正后，機(jī)組等效焓降ΔHto為1 205.5 kJ/kg，熱耗率降低值為 190.97 kJ/(kW·h)。

4 結(jié)論

在某超高壓220 MW機(jī)組上進(jìn)行低壓省煤器節(jié)能效果的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。在4個(gè)電負(fù)荷條件下，進(jìn)行投運(yùn)和停運(yùn)低壓省煤器，以及變低壓省煤器運(yùn)行參數(shù)共24個(gè)工況的試驗(yàn)。利用熱力性能試驗(yàn)法計(jì)算低壓省煤器的節(jié)能效果。在相同的電負(fù)荷下，低壓省煤器的運(yùn)行參數(shù)不同，其節(jié)能效果也不同。220 MW工況下，節(jié)能效果為105.4～125.5 kJ/(kW·h)；200 MW工況下，節(jié)能效果為98.1～113.4 kJ/(kW·h)；180 MW工況下，節(jié)能效果為94.1～112.8 kJ/(kW·h)；160 MW工況下，節(jié)能效果為81.7～107.4 kJ/(kW·h)。低壓省煤器的節(jié)能效果與其運(yùn)行參數(shù)有關(guān)，也與機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷關(guān)系密切。利用擬合的汽輪機(jī)主蒸汽流量與低壓省煤器節(jié)能效果的關(guān)系曲線，得到4個(gè)電負(fù)荷對(duì)應(yīng)的主汽流量下，低壓省煤器的節(jié)能效果分別為 116.8、96.7、108.2、99.1 kJ/(kW·h)。

根據(jù)低壓省煤器在汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)中的熱平衡方程和傳熱方程，利用等效焓降法修正計(jì)算了低壓省煤器實(shí)際運(yùn)行參數(shù)對(duì)節(jié)能效果的影響，220 MW 試驗(yàn)工況下投運(yùn)低壓省煤器，機(jī)組熱耗率降低值為 116.8 kJ/(kW·h)，經(jīng)過(guò)運(yùn)行參數(shù)修正后的機(jī)組熱耗率降低值為190.97 kJ/(kW·h)。提出的低壓省煤器節(jié)能效果的修正計(jì)算方法能夠消除運(yùn)行參數(shù)偏差對(duì)低壓省煤器節(jié)能效果的影響，對(duì)燃煤機(jī)組加裝低壓省煤器的項(xiàng)目進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，有利于設(shè)計(jì)單位改進(jìn)低壓省煤器的設(shè)計(jì)，以及發(fā)電企業(yè)優(yōu)化低壓省煤器的運(yùn)行工況，進(jìn)一步提升低壓省煤器的節(jié)能效果。