熱風(fēng)再循環(huán)機(jī)爐耦合高效發(fā)電系統(tǒng)變負(fù)荷性能仿真及優(yōu)化

馬有福，王梓文，呂俊復(fù)

（1 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；2 清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，熱科 學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

提高能源利用效率是減少溫室氣體排放最有效的手段，國(guó)際能源署的報(bào)告顯示，到2040年能源效率的提升可以完成《巴黎協(xié)議》減排目標(biāo)的44%，是對(duì)碳減排貢獻(xiàn)最大的一項(xiàng)。其次才是可再生能源利用（36%）、碳捕捉和儲(chǔ)存（9%）、核能利用（6%）以及其他減排手段（5%）?；鹆Πl(fā)電是目前全球主要供電來源，也是溫室氣體的主要來源之一，2019年全球總發(fā)電量中火電占62.8%，在中國(guó)火電占比達(dá)68.9%。因此，提高火電機(jī)組發(fā)電效率、降低煤炭消耗，不僅可降低發(fā)電成本創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，更是直接從源頭上減少由化石燃料燃燒引起的溫室氣體排放。

電站鍋爐的排煙溫度常在120～150℃范圍，排煙熱損失是火電廠熱損失中較大的一項(xiàng)，一般占鍋爐總輸入熱量的4%～8%。隨著低溫電除塵器技術(shù)的日趨成熟，除塵器入口煙溫可低至90℃，使鍋爐排煙余熱的回收利用成為可能。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了以低壓省煤器為代表的機(jī)爐耦合系統(tǒng)、有機(jī)朗肯循環(huán)、吸收式熱泵等多種鍋爐排煙余熱回收利用方案。其中，機(jī)爐耦合系統(tǒng)（又稱鍋爐冷端優(yōu)化系統(tǒng)）屬于現(xiàn)有電廠熱力系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化，無須另外增設(shè)發(fā)電系統(tǒng)，非常適宜于在役大型火電廠的節(jié)能升級(jí)改造。

低壓省煤器回收排煙余熱用于加熱機(jī)組低壓凝結(jié)水，是當(dāng)前已廣泛應(yīng)用的機(jī)爐耦合系統(tǒng)。與低壓省煤器相比，在空氣預(yù)熱器前分流一部分煙氣，在空氣預(yù)熱器旁通煙道內(nèi)依次加熱機(jī)組高壓給水與低壓凝結(jié)水可獲得更高節(jié)能效益。在相同的煙氣余熱回收量下，旁通煙道系統(tǒng)的節(jié)能效益約為低壓省煤器系統(tǒng)的2 倍。旁通煙道系統(tǒng)雖已提出多年，但在工程實(shí)踐中應(yīng)用不多，主要原因是煙氣與機(jī)組給水、凝結(jié)水通過管束換熱時(shí)，含灰酸性煙氣通過磨損或腐蝕使換熱管泄漏的風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)機(jī)組安全可靠運(yùn)行不利。

為充分利用旁通煙道系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)并克服其在受熱面運(yùn)行安全性方面的不足，本文作者課題組提出了基于空氣預(yù)熱器熱風(fēng)再循環(huán)回收鍋爐尾部煙氣余熱的機(jī)爐耦合發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器蓄熱式換熱在抗磨損、抗腐蝕方面的優(yōu)勢(shì)，將煙氣熱量傳遞給清潔的空氣，進(jìn)而采用熱風(fēng)與機(jī)組的給水、凝結(jié)水換熱，從而提高煙氣余熱回收系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性并節(jié)省受熱面投資。

出于控制溫室氣體排放的目的，長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，火電機(jī)組將逐步向調(diào)節(jié)型電源轉(zhuǎn)變，機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行將成為常態(tài)。隨機(jī)組負(fù)荷降低，鍋爐空氣預(yù)熱器出口煙溫降低，若控制不好，會(huì)導(dǎo)致空氣預(yù)熱器冷端受熱面嚴(yán)重低溫腐蝕和電除塵器積灰，影響機(jī)組安全運(yùn)行。以往對(duì)旁通煙道系統(tǒng)或熱風(fēng)再循環(huán)機(jī)爐耦合發(fā)電系統(tǒng)的分析及研究都是基于機(jī)組額定出力工況，對(duì)此類機(jī)爐耦合系統(tǒng)的變負(fù)荷運(yùn)行特性以及機(jī)組熱力性能隨負(fù)荷的變化仍不清楚。

為推進(jìn)該發(fā)電系統(tǒng)付諸應(yīng)用，本文以某在役600MW 煙煤機(jī)組為實(shí)例，通過Ebsilon 軟件對(duì)不同負(fù)荷下的熱風(fēng)再循環(huán)機(jī)爐耦合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析負(fù)荷改變對(duì)該系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性及受熱面安全性的影響。進(jìn)而以高效發(fā)電且受熱面安全為目標(biāo)，提出了該新型機(jī)爐耦合發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化方案，并給出了600MW 實(shí)例機(jī)組在不同負(fù)荷下應(yīng)用該發(fā)電系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。

1 負(fù)荷對(duì)熱風(fēng)再循環(huán)機(jī)爐耦合發(fā)電系統(tǒng)的影響分析

1.1 熱風(fēng)再循環(huán)機(jī)爐耦合發(fā)電系統(tǒng)

基于熱風(fēng)再循環(huán)回收煙氣余熱的機(jī)爐耦合高效發(fā)電（HAR）系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)中鍋爐空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）二次風(fēng)倉(cāng)的空氣量更多。二次風(fēng)倉(cāng)的空氣在空預(yù)器中吸收煙氣熱量后在出口被分流，一部分作為助燃風(fēng)（即二次風(fēng)）進(jìn)入爐膛以提供燃料燃燒所需氧氣；另一部分熱風(fēng)作為煙氣余熱回收的中間換熱介質(zhì)，在再循環(huán)風(fēng)道內(nèi)依次流過高壓省煤器（高?。⒌蛪菏∶浩鳎ǖ褪。瑥亩鴮煔庥酂醾鬟f給汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)中的機(jī)組給水與凝結(jié)水，由此節(jié)省汽輪機(jī)抽汽。節(jié)省的抽汽在汽輪機(jī)中繼續(xù)膨脹做功，使機(jī)組發(fā)電量增大。從發(fā)電系統(tǒng)全局看，HAR 系統(tǒng)使機(jī)組發(fā)電效率提高，而且因所節(jié)省抽汽的品質(zhì)提高，其節(jié)能效益明顯高于傳統(tǒng)的低壓省煤器。因此HAR 系統(tǒng)顯示出優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，據(jù)分析，回收一600MW煙煤機(jī)組排煙從122℃降至90℃的余熱時(shí)，余熱回收系統(tǒng)初投資982 萬元，年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)39萬元，年凈節(jié)煤收益826萬元，投資回收期僅1.34年。

圖1 熱風(fēng)再循環(huán)機(jī)爐耦合發(fā)電系統(tǒng)原理

在常規(guī)電站鍋爐中，降低排煙溫度可減小排煙熱損失從而提高鍋爐熱效率，但同時(shí)也要維持空預(yù)器冷端金屬溫度不低于70℃，從而保證受熱面不發(fā)生嚴(yán)重低溫腐蝕。煙氣余熱回收使鍋爐排煙溫度降低，余熱回收量隨排煙溫度降低而增大，有利于提高電廠效率。另外，為維持灰的流動(dòng)性，保證電除塵器內(nèi)積灰順利排出，排煙溫度不宜低于90℃。因此余熱回收系統(tǒng)的任務(wù)是在不同的機(jī)組負(fù)荷下，回收鍋爐排煙由原有排煙溫度降低至90℃所放出的熱量。但此時(shí)需特別注意如何維持空預(yù)器冷端金屬溫度，從而在回收煙氣余熱高效發(fā)電的同時(shí)保證回轉(zhuǎn)式空預(yù)器安全可靠運(yùn)行。

在旁通煙道系統(tǒng)中，為維持合理的空預(yù)器冷端金屬溫度，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的煙氣側(cè)下游增設(shè)了以水為中間換熱媒介的前置式空預(yù)器。由圖1 可知，HAR 系統(tǒng)中取消了前置式空預(yù)器，使得煙氣余熱回收系統(tǒng)工藝更簡(jiǎn)潔，換熱設(shè)備投資也更小。為維持空預(yù)器冷端金屬溫度（即空預(yù)器的出口煙溫與入口風(fēng)溫之和不低于140℃），HAR 系統(tǒng)在一次風(fēng)機(jī)與空預(yù)器之間布置了由凝結(jié)水加熱的暖風(fēng)器以調(diào)節(jié)空預(yù)器一次風(fēng)入口風(fēng)溫；空預(yù)器二次風(fēng)入口風(fēng)溫為低省出口循環(huán)風(fēng)與二次風(fēng)機(jī)出口冷風(fēng)混合后的溫度，故通過調(diào)節(jié)高省、低省吸熱量改變?cè)傺h(huán)風(fēng)道出口風(fēng)溫予以控制。

1.2 負(fù)荷對(duì)HAR系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的影響分析

隨機(jī)組負(fù)荷降低，鍋爐燃煤量、送風(fēng)量和煙氣量相應(yīng)減少，鍋爐空預(yù)器入口煙溫、排煙溫度和熱風(fēng)溫度均趨于降低。即鍋爐換熱總體上呈對(duì)流特性，排煙溫度隨負(fù)荷降低而降低。這意味著在低負(fù)荷下要更留意鍋爐尾部受熱面低溫腐蝕控制。因此探明負(fù)荷對(duì)煙氣余熱回收系統(tǒng)內(nèi)受熱面安全性的影響，提出相應(yīng)的低溫腐蝕控制方法，對(duì)機(jī)組安全可靠運(yùn)行具有重要意義。另外，由于鍋爐排煙溫度隨負(fù)荷降低而降低，但排煙余熱回收的溫度下限（90℃）并不隨負(fù)荷而改變，故對(duì)應(yīng)于單位發(fā)電量的可回收煙氣余熱量隨負(fù)荷降低而減少，即機(jī)爐耦合機(jī)組的節(jié)能效益隨負(fù)荷降低而減小。但關(guān)于HAR 系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性隨負(fù)荷的變化程度目前仍不清楚。

由圖1 可見，負(fù)荷對(duì)HAR 系統(tǒng)的影響與空預(yù)器、高省、低省等換熱設(shè)備的變工況運(yùn)行密切相關(guān)，也與原有鍋爐與汽輪機(jī)組的眾多熱工參數(shù)相關(guān)。因此本文采用仿真方法，研究HAR 系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)流、熱流的分配及溫度變化特性，從而獲得負(fù)荷對(duì)HAR系統(tǒng)運(yùn)行安全性及其節(jié)能效益的影響。

2 實(shí)例機(jī)組與仿真模型

2.1 實(shí)例機(jī)組與仿真軟件

本文以某一次再熱超超臨界燃煙煤600MW 機(jī)組為實(shí)例機(jī)組。該機(jī)組在熱耗率驗(yàn)收（THA）工況下，鍋爐燃煤量213.4t/h、空預(yù)器進(jìn)口煙溫356.4℃、排煙溫度122℃，一次風(fēng)和二次風(fēng)溫度分別為312℃和324℃，汽耗率2.70kg/(kW·h)、熱耗率7424kJ/(kW·h)。

本文通過Ebsilon 熱力系統(tǒng)仿真軟件研究機(jī)組負(fù)荷對(duì)HAR 系統(tǒng)熱力性能的影響。首先通過該軟件對(duì)實(shí)例機(jī)組建立仿真模型并計(jì)算，從而驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，在THA 為50%、75%、100%三個(gè)不同負(fù)荷下，機(jī)組發(fā)電煤耗仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)值的相對(duì)偏差均小于0.2%，排煙溫度、一次風(fēng)和二次風(fēng)溫度等相關(guān)參數(shù)的仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)值的相對(duì)偏差小于0.5%，說明仿真模型具有較高精度。繼而，采用熱風(fēng)再循環(huán)機(jī)爐耦合發(fā)電技術(shù)對(duì)實(shí)例機(jī)組進(jìn)行余熱回收，并建立相應(yīng)的HAR 系統(tǒng)仿真模型，通過該軟件中的off-design 模式研究負(fù)荷對(duì)HAR系統(tǒng)熱力性能的影響。

2.2 鍋爐及余熱回收系統(tǒng)仿真模型

圖2為鍋爐及余熱回收系統(tǒng)仿真模型。鑒于鍋爐本體受熱面與原鍋爐相同，因此將爐膛、水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器等部件簡(jiǎn)化至一個(gè)組件中，即圖2 中的“爐膛與本體受熱面”。在機(jī)組不同負(fù)荷下仿真時(shí)，該組件的出口煙溫與原實(shí)例機(jī)組的省煤器出口煙溫保持一致。在煙氣余熱回收系統(tǒng)中，改造或新增的受熱面包括回轉(zhuǎn)式空預(yù)器、高省、低省以及一次風(fēng)暖風(fēng)器等，這些受熱面均采用單獨(dú)的換熱器組件，并通過工質(zhì)流與上下游組件連接。

圖2 HAR系統(tǒng)的鍋爐及煙氣余熱回收系統(tǒng)仿真模型

機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，煙氣余熱回收系統(tǒng)中各受熱面內(nèi)冷、熱工質(zhì)的流量及溫度均隨之改變，因此仿真模型需準(zhǔn)確反映已有換熱裝置在變工況運(yùn)行時(shí)的換熱性能。其中，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的換熱性能取決于煙氣、空氣分別與蓄熱元件的對(duì)流換熱，高省、低省和一次風(fēng)暖風(fēng)器的換熱性能取決于空氣橫掠管束的對(duì)流換熱。

根據(jù)鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法，HAR系統(tǒng)中的管束式與回轉(zhuǎn)式受熱面的總傳熱系數(shù)分別由式(1)、式(2)確定。

式中，、分別為管束式、回轉(zhuǎn)式受熱面的總傳熱系數(shù)，W/(m·℃)；和、分別為空氣橫掠管束和煙氣、空氣沖刷蓄熱板的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m·℃)；、分別為回轉(zhuǎn)式空預(yù)器受熱面利用系數(shù)與修正系數(shù)，取0.9 和1.0；、分別為空預(yù)器中煙氣與空氣流通面積占總流通面積的份額，取0.52和0.48。

根據(jù)熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)對(duì)流換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，在變工況運(yùn)行時(shí)，較之于機(jī)組THA 工況（即軟件中的設(shè)計(jì)工況）下，非設(shè)計(jì)工況下余熱回收系統(tǒng)內(nèi)各受熱面的對(duì)流換熱系數(shù)與相關(guān)工質(zhì)流量及工質(zhì)物性的關(guān)系見式(3)、式(4)。

式中，、分別為管式、回轉(zhuǎn)式換熱裝置的相對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)，量綱為1；為流體質(zhì)量流量，t/h；為 流 體 密 度，kg/m；為 流 體 熱 導(dǎo) 率，W/(m·℃)；為流體動(dòng)力黏度，Pa·s；c為流體定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；上角標(biāo)d 與o 分別表示設(shè)計(jì)工況與非設(shè)計(jì)工況。

基于在設(shè)計(jì)工況下輸入的受熱面面積及對(duì)流換熱系數(shù)等參數(shù)，由式(1)～式(4)可知，仿真模型可反映余熱回收各受熱面在變工況運(yùn)行時(shí)的換熱性能。

2.3 汽輪機(jī)及回?zé)嵯到y(tǒng)模型

圖3為汽輪機(jī)及其回?zé)嵯到y(tǒng)的仿真模型。機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行方式為滑壓運(yùn)行，滑壓曲線采用軟件內(nèi)置的火電廠運(yùn)行滑壓曲線，此時(shí)各級(jí)抽汽壓力由弗留格爾公式確定。

圖3 HAR系統(tǒng)的汽輪機(jī)組仿真模型

3 HAR系統(tǒng)變負(fù)荷性能仿真

3.1 負(fù)荷對(duì)HAR系統(tǒng)熱力性能的影響

圖3 所示為現(xiàn)有的HAR 系統(tǒng)，其基本原理是利用熱風(fēng)再循環(huán)，回收鍋爐排煙由原排煙溫度降至90℃所放出的余熱至汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，從而提高發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。本文首先對(duì)現(xiàn)有HAR 系統(tǒng)進(jìn)行變負(fù)荷仿真。在THA 工況下，使空預(yù)器進(jìn)口一次風(fēng)、二次風(fēng)的暖風(fēng)溫度均為50℃。保持現(xiàn)有HAR 系統(tǒng)在THA 工況下的熱風(fēng)再循環(huán)率、高省旁通水率、低省旁通水率及一次風(fēng)暖風(fēng)器抽水率均不變，獲得機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性隨負(fù)荷的變化。結(jié)果表明，隨負(fù)荷由100%THA 降至50%THA，機(jī)組標(biāo)煤節(jié)煤效益由3.32g/(kW·h)降至2.74g/(kW·h)。

3.2 負(fù)荷對(duì)HAR系統(tǒng)受熱面安全性的影響

仿真結(jié)果表明，隨機(jī)組負(fù)荷減小，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的排煙溫度以及一、二次風(fēng)入口溫度均降低，如圖4所示。這是因?yàn)殡S負(fù)荷減小，空預(yù)器入口煙溫降低使得最終排煙溫度下降，同時(shí)空預(yù)器出口熱風(fēng)溫度也降低，致使循環(huán)風(fēng)與二次風(fēng)混合后的二次風(fēng)入口風(fēng)溫下降，加熱器出口凝結(jié)水溫降低使得一次風(fēng)入口風(fēng)溫下降。與THA 工況相比，在50%THA負(fù)荷下空預(yù)器的排煙溫度與冷端金屬溫度降低了11.5℃和17.4℃。這說明隨負(fù)荷減小，空預(yù)器冷端金屬溫度降低，空預(yù)器冷端受熱面面臨嚴(yán)重低溫腐蝕與積灰風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何在機(jī)組全負(fù)荷范圍內(nèi)保證鍋爐尾部余熱回收系統(tǒng)的受熱面安全，是一個(gè)有待解決的重要問題。

圖4 空預(yù)器冷端各介質(zhì)溫度隨負(fù)荷的變化

若以排煙溫度90℃為目標(biāo)調(diào)節(jié)熱風(fēng)再循環(huán)率（循環(huán)風(fēng)量占空預(yù)器入口二次風(fēng)總風(fēng)量的比率），以高省出口水溫與鍋爐給水溫度相同為目標(biāo)調(diào)節(jié)高省旁通水率（高省水量占給水泵出口水量的比率），以空預(yù)器入口一、二次風(fēng)溫度50℃為目標(biāo)調(diào)節(jié)暖風(fēng)器旁通水率（進(jìn)入暖風(fēng)器的水量占2加熱器出口總水量的比率）、低省旁通水率（低省水量占3加熱器出口總水量的比率），對(duì)現(xiàn)有HAR 系統(tǒng)進(jìn)行仿真，獲得的主要性能參數(shù)見表1。由表1 可知，隨負(fù)荷降低，通過引入更多凝結(jié)水至一次風(fēng)暖風(fēng)器，能夠?qū)⒖疹A(yù)器一次風(fēng)入口溫度維持在50℃。但難將二次風(fēng)入口溫度提高至50℃，或者說，隨負(fù)荷降低，低省旁通水率大幅減小，超出了管內(nèi)能夠帶出氣泡的工質(zhì)流速安全下限。若進(jìn)一步由調(diào)低高省旁通水率來提高再循環(huán)風(fēng)道的出口風(fēng)溫，會(huì)使高省同樣面臨工質(zhì)流速過低的問題，而且鍋爐給水溫度會(huì)升高，影響鍋爐汽溫特性。

表1 現(xiàn)有HAR系統(tǒng)變負(fù)荷調(diào)整運(yùn)行時(shí)的主要參數(shù)

4 HAR系統(tǒng)優(yōu)化及仿真

4.1 HAR優(yōu)化系統(tǒng)

為保證HAR 系統(tǒng)在全負(fù)荷范圍內(nèi)安全高效運(yùn)行，本文提出在余熱回收系統(tǒng)中增設(shè)熱量旁通管的優(yōu)化方案，優(yōu)化后的HAR 系統(tǒng)如圖5 所示。通過增設(shè)熱量旁通管，從二次風(fēng)出口分流部分熱循環(huán)風(fēng)（調(diào)溫風(fēng)）至低省出口，定義調(diào)溫風(fēng)量占再循環(huán)風(fēng)總量的比率為調(diào)溫風(fēng)率。通過調(diào)節(jié)調(diào)溫風(fēng)率，使空預(yù)器冷端的二次風(fēng)入口溫度始終保持與機(jī)組THA工況時(shí)一致，由此在全負(fù)荷范圍內(nèi)保證受熱面安全可靠運(yùn)行。此時(shí)高省與低省的出口水溫均可保持與對(duì)應(yīng)加熱器出口水溫一致，而且管內(nèi)工質(zhì)流速均可維持在0.5m/s以上。

圖5 HAR優(yōu)化系統(tǒng)

4.2 HAR優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行安全性

對(duì)HAR 優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行建模與變負(fù)荷仿真，獲得系統(tǒng)在不同負(fù)荷下的運(yùn)行參數(shù)，如表2所示。由表2可知，隨負(fù)荷減小，再循環(huán)風(fēng)率和高省、低省旁通水率均隨之降低，調(diào)溫風(fēng)率逐漸增大?？傮w結(jié)果是，使空預(yù)器冷端金屬溫度維持在腐蝕速率較低的70℃附近，高省與低省內(nèi)工質(zhì)流速不隨負(fù)荷減小而大幅降低，從而使得余熱回收系統(tǒng)內(nèi)受熱面在全負(fù)荷范圍內(nèi)安全可靠運(yùn)行。

表2 HAR優(yōu)化系統(tǒng)在不同負(fù)荷下的運(yùn)行參數(shù)

4.3 HAR優(yōu)化系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性

表3 為不同負(fù)荷下HAR 優(yōu)化系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果。由表3可知，機(jī)爐耦合發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能效益隨機(jī)組負(fù)荷降低而減小。在50%～100%THA負(fù)荷范圍，應(yīng)用HAR 優(yōu)化系統(tǒng)可使機(jī)組的標(biāo)煤發(fā)電煤耗降低1.94～3.32g/(kW·h)。與原有HAR 系統(tǒng)相比，隨機(jī)組負(fù)荷從100%THA 降至50%THA，HAR優(yōu)化系統(tǒng)的節(jié)煤效益減小了0～0.80g/(kW·h)。雖然在低負(fù)荷下優(yōu)化系統(tǒng)的節(jié)能效益有所減少，但優(yōu)化系統(tǒng)在不同負(fù)荷下始終保證了余熱回收系統(tǒng)各受熱面的運(yùn)行安全性，符合發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的要求。

表3 HAR優(yōu)化系統(tǒng)在不同負(fù)荷下的熱經(jīng)濟(jì)性

4.4 HAR優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行控制方法

機(jī)爐耦合余熱回收系統(tǒng)連接發(fā)電機(jī)組的鍋爐與汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，其涉及眾多受熱面、換熱工質(zhì)及其參數(shù)變動(dòng)。為在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)受熱面安全與高效節(jié)能的統(tǒng)一，需建立清晰的余熱回收系統(tǒng)各參數(shù)控制方法。針對(duì)HAR 優(yōu)化系統(tǒng)，本文提出控制目標(biāo)與調(diào)節(jié)參數(shù)如下：①以空預(yù)器出口排煙溫度保持90℃為目標(biāo)調(diào)節(jié)熱風(fēng)再循環(huán)率；②以空預(yù)器二次風(fēng)進(jìn)口溫度保持50℃為目標(biāo)調(diào)節(jié)調(diào)溫風(fēng)率；③以高省、低省出口水溫分別與8、4回?zé)峒訜崞鞯某隹谒疁囟纫恢聻槟繕?biāo)調(diào)節(jié)高省、低省的旁通水率。余熱回收系統(tǒng)的具體調(diào)節(jié)控制原理如圖6所示，其中，再循環(huán)風(fēng)率調(diào)節(jié)器以及高省、低省旁通水量調(diào)節(jié)器均引入了前饋信號(hào)，以減小負(fù)荷改變時(shí)溫度的波動(dòng)。

圖6 HAR優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)控制原理

5 結(jié)論

基于熱風(fēng)再循環(huán)回收煙氣余熱的機(jī)爐耦合高效發(fā)電（HAR）系統(tǒng)具有節(jié)能、受熱面投資少、運(yùn)行安全性高等優(yōu)點(diǎn)。本文以某600MW 煙煤機(jī)組為實(shí)例，利用Ebsilon 軟件對(duì)HAR 系統(tǒng)進(jìn)行變負(fù)荷仿真研究，提出了新的HAR 優(yōu)化系統(tǒng)，解決了其在全負(fù)荷范圍安全高效運(yùn)行的問題，主要結(jié)論如下。

（1）隨機(jī)組負(fù)荷減小，機(jī)爐耦合余熱回收系統(tǒng)的排煙溫度降低，使余熱回收系統(tǒng)內(nèi)受熱面面臨嚴(yán)重低溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。若通過在高負(fù)荷下減小余熱回收量來保證低負(fù)荷下余熱回收受熱面安全性，又使余熱回收的熱經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性明顯降低。如何在全負(fù)荷范圍內(nèi)使余熱回收系統(tǒng)高效又安全地運(yùn)行，是火電機(jī)組節(jié)能升級(jí)改造前需明確的重要問題。

（2）針對(duì)現(xiàn)有HAR 系統(tǒng)在低負(fù)荷下無法保證受熱面安全性的問題，本文提出在余熱回收系統(tǒng)中增設(shè)熱量旁通管的優(yōu)化方案。優(yōu)化后的HAR 系統(tǒng)保留了使煙氣余熱用于節(jié)省高品質(zhì)抽汽從而明顯提高發(fā)電效率的優(yōu)點(diǎn)，且能方便地調(diào)節(jié)相關(guān)受熱面的金屬壁溫從而控制低溫腐蝕。并提出了該系統(tǒng)的運(yùn)行控制方法，從而推進(jìn)該技術(shù)付諸應(yīng)用。

（3）仿真結(jié)果表明，在50%～100% THA 負(fù)荷范圍，采用HAR優(yōu)化系統(tǒng)可使所分析的600MW煙煤機(jī)組的標(biāo)煤煤耗降低1.94～3.32g/(kW·h)，達(dá)到了使鍋爐尾部煙氣余熱回收系統(tǒng)在機(jī)組全負(fù)荷范圍保持顯著節(jié)能效益的目的。