蒸汽-煙氣余熱協(xié)同回收聯(lián)合利用系統(tǒng)應(yīng)用研究

王 林，楊 博，高景輝，李 斌，張亞夫，王紅雨，孟穎琪

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.華能陜西渭南熱電有限公司，陜西 渭南 714000）

電站鍋爐輔機中，以引風(fēng)機功率最大[1]。為降低機組的廠用電率，通常將引風(fēng)機設(shè)計為小汽輪機驅(qū)動形式，該小汽輪機簡稱為小機[2]。機組汽輪機（簡稱大機）的排汽作為小機的汽源。蒸汽在小機中做完功后，排汽仍然具有較高的溫度。這部分蒸汽蘊藏的熱能，在大多數(shù)情況下轉(zhuǎn)移至冷卻水（即循環(huán)水）中并被帶往冷卻塔，最終散失在大氣中，造成一定的能量損失[3]。

電站鍋爐排煙熱損失在鍋爐熱損失中占比最大[4-5]。目前，針對鍋爐煙氣余熱的利用手段較為成熟，多是借助在空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）出口、電除塵裝置進口煙道或者引風(fēng)機進出口煙道內(nèi)布置單級或多級低溫省煤器（低省）[6]，吸收鍋爐排煙熱量加熱凝結(jié)水，從而降低供電煤耗，提高機組運行經(jīng)濟性[7]。

針對上述情況，本文提出一種蒸汽-煙氣余熱聯(lián)合利用系統(tǒng)，將蒸汽、煙氣2種形式余熱協(xié)同回收、統(tǒng)一利用。一體化集成式設(shè)備既降低了系統(tǒng)造價，又可實現(xiàn)“1+1＞2”的綜合節(jié)能效果。該聯(lián)合系統(tǒng)以熱媒水作為能量傳遞轉(zhuǎn)換的載體，通過設(shè)置獨立的引風(fēng)機小機凝汽器與低省，回收汽輪機排汽及鍋爐排煙的熱量，吸熱后的高溫?zé)崦剿?，進入空預(yù)器入口處的暖風(fēng)器，對入爐一次風(fēng)、二次風(fēng)進行加熱，從而達到節(jié)能增效的目的。設(shè)備實際運行表現(xiàn)表明，上述余熱聯(lián)合利用系統(tǒng)投用靈活，季節(jié)適應(yīng)性強，具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢。

1 機組概況

某電廠2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)工程1號機組采用型號為HG-1145/25.8-YM3的超臨界直流鍋爐。鍋爐主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)Tab.1 Main design parameters of the boiler

送入爐膛的煤粉在充分燃燒后，產(chǎn)生了大量的熱煙氣，熱煙氣向上依次經(jīng)分隔屏過熱器、末級過熱器、經(jīng)爐膛出口進入水平煙道，經(jīng)末級再熱器，穿過水冷壁排管進入轉(zhuǎn)向室，煙氣在轉(zhuǎn)向室內(nèi)下行進入尾部豎井煙道。分隔墻將煙道分成了前后豎井。一部分煙氣在前豎井通過一級再熱器，另一部分煙氣在后豎井通過一級過熱器和省煤器。2路煙氣最終在煙氣調(diào)溫擋板后匯成1路，繼續(xù)流經(jīng)脫硝反應(yīng)器、空預(yù)器入口煙道，在預(yù)熱器內(nèi)與空氣進行換熱后，經(jīng)預(yù)熱器出口煙道離開鍋爐。煙氣繼續(xù)前進，依次經(jīng)過電除塵裝置、引風(fēng)機、脫硫塔，最終從煙囪排往大氣。

為節(jié)約用水，本工程主機循環(huán)水采用間接空冷塔方式冷卻。小機循環(huán)水取自大機循環(huán)水的供回水管道。

2 蒸汽-煙氣余熱聯(lián)合利用系統(tǒng)

為同步利用鍋爐排煙及小機的排汽余熱，提出并建立了一套由小機凝汽器、低省及暖風(fēng)器組成的蒸汽-煙氣余熱聯(lián)合利用系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)利用熱媒水作為能量傳遞和轉(zhuǎn)換的載體。熱媒水取自大機的循環(huán)水。熱媒水進入小機凝汽器后，吸收小機排汽熱量，隨后在增壓泵的驅(qū)動下，進入低省中再次吸收煙氣的熱量。最后，高溫的熱媒水在一二次風(fēng)暖風(fēng)器處與冷空氣完成換熱。降溫后的熱媒水回到大機循環(huán)水中，也可以重新進入小機凝汽器，往復(fù)循環(huán)。

圖1 蒸汽-煙氣余熱聯(lián)合利用系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the steam-flue gas waste heat combined utilization system

2.2 低省

本工程煙氣余熱的回收，主要依靠布置于電除塵器入口煙道內(nèi)的低省來完成。低省管組整體采用順列布置，管束與煙氣逆流換熱。為強化換熱效果，各管子采用了H型翅片管，有效增大換熱面積[8-9]。經(jīng)計算，本工程煙氣酸露點為102.2 ℃，煙氣換熱器翅片與基管均采用耐腐蝕材質(zhì)ND鋼（牌號09CrCuSb），故能保證低省在設(shè)計工況下具有較高的耐腐蝕性能。換熱器腐蝕計算按校核煤種含硫率1.23%設(shè)計考慮，其年腐蝕速率小于0.06 mm。低省相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 低省設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design parameters of the low temperature economizer

2.3 小機凝汽器

本工程1號機組設(shè)置1臺100%容量的汽動引風(fēng)機，其小機為國產(chǎn)單缸、單軸、反動凝汽式、自帶獨立凝汽器的小汽輪機。小機共配置2路汽源，調(diào)試及啟動用汽為輔助蒸汽，正常運行用汽為大機四段抽汽。

小機的排汽經(jīng)排汽管道至引風(fēng)機凝汽器，在小機凝汽器中凝結(jié)后，經(jīng)過小機凝泵、小機軸封加熱器，最后排至主機凝汽器。小機凝汽器冷卻水源來自大機循環(huán)水，吸收小機排汽余熱后回到冷卻塔，將熱量散失于大氣中。小機設(shè)計參數(shù)見表3。

表3 小機主要設(shè)計參數(shù)Tab.3 Main parameters of small turbine of the induced draft fan

2.4 一二次風(fēng)暖風(fēng)器

蒸汽-煙氣余熱最終在暖風(fēng)器處得到統(tǒng)一利用。本工程選用了四分倉回轉(zhuǎn)式空預(yù)器，設(shè)置有2個二次風(fēng)倉室，1個一次風(fēng)倉室。

每臺鍋爐設(shè)置2臺二次風(fēng)暖風(fēng)器，位于空預(yù)器入口水平風(fēng)道內(nèi)。設(shè)置1臺一次風(fēng)暖風(fēng)器，位于一次風(fēng)機出口風(fēng)道內(nèi)。為加強換熱效果，一二次風(fēng)暖風(fēng)器均采用金屬翅片管增大接觸面積[10-12]。暖風(fēng)器相關(guān)性能參數(shù)見表4。

表4 暖風(fēng)器設(shè)計參數(shù)Tab.4 Design parameters of the air heater

3 系統(tǒng)投用方式探討

3.1 系統(tǒng)運行方式分析

該工程采用了由“小機凝汽器-低省-熱水暖風(fēng)器”組成的熱媒水綜合利用裝置。該裝置的循環(huán)工質(zhì)為大汽輪機循環(huán)水（簡稱循環(huán)水）。循環(huán)水自母管進入熱媒水系統(tǒng)，首先進入小機凝汽器，作為小機循環(huán)水，吸收蒸汽熱量，升高自身溫度，成為熱媒水。隨后，熱媒水經(jīng)過出口增壓泵，提升壓力，再次進入位于空預(yù)器后、電除塵前的低省，受到煙氣的二次加熱后，進入一次風(fēng)暖風(fēng)器、二次風(fēng)暖風(fēng)器，在此處釋放熱量，加熱冷空氣。降溫后的熱媒水沖洗回到小機凝汽器入口管，或者進入大機循環(huán)水回水母管。

上述裝置中，熱媒水回收蒸汽、煙氣2部分熱量，但僅有一二次風(fēng)暖風(fēng)器一處利用場所。若是炎熱夏季，一二次暖風(fēng)器無投用必要，從系統(tǒng)中解列出來，則意味著低省與小機凝汽器處的回收熱量無處釋放，而小機需要低溫的熱媒水作為冷卻水，這樣的矛盾決定了該熱媒水余熱回收利用系統(tǒng)僅適用于寒冷時節(jié)。到了夏季，暖風(fēng)器及低省均需徹底放水，鍋爐運行期間，低省將處于內(nèi)無工質(zhì)的干燒狀態(tài)。根據(jù)管材性能數(shù)據(jù)，上述工作狀態(tài)允許存在。此時小機循環(huán)水完全由大機循環(huán)水供應(yīng)。從上述分析可知，該套裝置的季節(jié)適應(yīng)性較差。

根據(jù)前述分析，提出本工程熱媒水余熱回收利用裝置的3種工作模式如下。

1）純凝汽器運行 此模式適用于炎熱夏季，暖風(fēng)器停用時期，此時小機凝汽器、低省回收來的熱量無處釋放利用，若直接排入大機循環(huán)水，提高了大機循環(huán)水的溫度，進入冷卻塔將不可避免占用了本屬于大機循環(huán)水的冷卻能力。因此，該模式下，低省與暖風(fēng)器需從系統(tǒng)解列，大機循環(huán)水直供小機凝汽器。

2）凝汽器聯(lián)合暖風(fēng)器運行 此種工作模式適用于春秋季節(jié)，此時環(huán)境溫度開始升高，但暖風(fēng)器還可勉強投用。熱媒水從小機凝汽器處回收蒸汽余熱，經(jīng)增壓泵提升壓力后，經(jīng)過低省旁路，進入暖風(fēng)器。此模式下的暖風(fēng)器，充當(dāng)了小機專屬“機力空冷塔”，可較好地滿足系統(tǒng)運行要求。

3）凝汽器聯(lián)合低省-暖風(fēng)器運行 該模式適用于寒冷冬季。通過凝汽器、低省兩級加熱，熱媒水進入一二次風(fēng)暖風(fēng)器放熱，可最大程度地發(fā)揮裝置的節(jié)能潛力。

經(jīng)機組實際運行，3種工作模式下，系統(tǒng)主要參數(shù)見表5。從運行參數(shù)看，主要參數(shù)均接近設(shè)計值，蒸汽-煙氣余熱聯(lián)合利用系統(tǒng)在3種模式下能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟可靠運行。

表5 系統(tǒng)運行參數(shù) 單位：℃Tab.5 Operation parameters of the system

3.2 高效沖洗方案研究

現(xiàn)代火電機組為了進一步提高節(jié)能水平，常常需要布置多級多類型的換熱器。這些換熱器間的聯(lián)通管道復(fù)雜，各級受熱面管束的水容積較大，首次啟動前需要對系統(tǒng)內(nèi)部的焊渣銹皮進行大流量水沖洗。實際投用過程表明，這類系統(tǒng)內(nèi)部臟污程度高，沖洗起來費時費水，很難在煙溫到達投用溫度時及時投入運行。因此，制定合理的沖洗方案，提高沖洗效率，縮短水質(zhì)合格的時間，能夠有力地保證上述系統(tǒng)盡早投入運行、盡早發(fā)揮節(jié)能作用。

由于大機循環(huán)水采取間冷塔方式，水質(zhì)要求較高，熱媒水裝置冷熱態(tài)沖洗的污水不能直接匯入循環(huán)水回水母管，因此需要制定合理高效的沖洗方案。沖洗方案的基本原則是，按3種工作模式安排管道沖洗，不投用的部分進行隔離，從而減少沖洗容積，提高沖洗效率。

1）純凝汽器運行 此方式下，利用小機凝汽器自身的多路排空及排污粗管，即可實現(xiàn)較好的沖洗效果。初步?jīng)_洗結(jié)束后，系統(tǒng)再次注滿水，關(guān)閉循環(huán)水進回水閥，啟動變頻增壓泵，適當(dāng)增加出力，進行閉式循環(huán)沖洗5 h，結(jié)束后取水樣化驗，若不合格，則重復(fù)注水，繼續(xù)進行帶壓閉式循環(huán)沖洗。

2）凝汽器聯(lián)合暖風(fēng)器運行 此方式下，沖洗水走低省旁路，分段進水，分段排污。凝汽器進水初步?jīng)_洗，連續(xù)排污后，重新注水，并注水至暖風(fēng)器。初步?jīng)_洗結(jié)束后，系統(tǒng)再次注滿水，關(guān)閉循環(huán)水進回水閥，啟動變頻增壓泵，適當(dāng)增加出力，進行閉式循環(huán)沖洗，時間為4 h，結(jié)束后將污水自沖洗排污管排放至機組排水槽。閉式?jīng)_洗3~5次后，取水樣化驗，若不合格，則重復(fù)注水，繼續(xù)進行帶壓閉式循環(huán)沖洗。

3）凝汽器聯(lián)合低省-暖風(fēng)器運行 該方式下涉及的換熱設(shè)備較多，管道沖洗工作量大。為提高沖洗效率，不影響機組升負荷，針對系統(tǒng)構(gòu)成特點，提出并應(yīng)用以下高效沖洗方案：a）在一二次暖風(fēng)器出口母管上增加一路沖洗排污管，該管道直排機組排水槽（圖2）；b）利用大機循環(huán)水為整套系統(tǒng)注水，注水過程中注意逐級排氣，將凝汽器、低省、暖風(fēng)器等按順序充滿水后，打開聯(lián)通閥，保持循環(huán)水注水閥開啟狀態(tài)下，啟動熱媒水增壓泵，進行系統(tǒng)帶壓閉式?jīng)_洗，根據(jù)增壓泵電流及進出口水壓情況，逐步關(guān)小大機循環(huán)水注水閥，將系統(tǒng)閉式?jīng)_洗4 h；c）閉式?jīng)_洗的污水，通過打開沖洗排污管上閥門，排放至機組排水槽內(nèi)，排污過程中，開大循環(huán)水進水閥，增壓泵降低轉(zhuǎn)速維持運行狀態(tài)，系統(tǒng)換水完成后，關(guān)閉排污閥，進行下一輪閉式帶壓沖洗；d）經(jīng)過3~5次閉式?jīng)_洗后，可在沖洗排污管處取水樣化驗，視水質(zhì)情況決定下一步?jīng)_洗力度。

圖2 系統(tǒng)沖洗示意Fig.2 Schematic diagram of system flushing

經(jīng)實際應(yīng)用，上述閉式+外排沖洗方案較常規(guī)利用循環(huán)水附帶沖洗，能夠有效縮短沖洗合格時間，及早實現(xiàn)系統(tǒng)整體投入運行。

4 結(jié) 語

近年來，隨著國家對煤電機組的能耗指標要求愈加嚴格[13-15]，各種形式的余熱回收利用裝置逐步在火電廠推廣應(yīng)用開來。相較與單純回收煙氣或單純回收蒸汽余熱的設(shè)備，本文提出的煙氣-蒸汽余熱聯(lián)合利用系統(tǒng)能夠?qū)?類余熱協(xié)同回收、統(tǒng)一利用。經(jīng)電廠實際應(yīng)用測算，引風(fēng)機小機排汽余熱和煙氣余熱的綜合利用，節(jié)約了脫硫系統(tǒng)耗水量，提高了電除塵效率，機組發(fā)電標煤耗降低3.948 g/(kW·h)，脫硫系統(tǒng)減少耗水量20 t/h，單臺機組年收益增加約360萬元。上述系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用調(diào)試經(jīng)驗，可供后續(xù)同類機組參考。