1 000 MW高效超超臨界鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)應(yīng)用分析

唐虎震，黎懋亮，曾令午通信作者

(1.蘇能(錫林郭勒)發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 027299； 2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001； 3.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731)

0 引言

中國的能源結(jié)構(gòu)決定了以煤電為主的電力系統(tǒng)總格局。截至2020年底，中國電力總裝機(jī)超過21億kW，其中煤電占比51.2%[1]。2020年9月22日，我國在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上鄭重承諾，中國確保2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，力爭(zhēng)2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間中，煤電將繼續(xù)發(fā)揮保障中國能源安全主力軍的角色[2]。提升煤電機(jī)組效率、節(jié)能減排是我國燃煤機(jī)組可持續(xù)性發(fā)展的重要任務(wù)。對(duì)于火力發(fā)電機(jī)組來說，鍋爐排煙熱損失占鍋爐總熱損失的60%以上，采用高效煙氣余熱利用技術(shù)來降低鍋爐排煙溫度、減少排煙損失是火力發(fā)電機(jī)組節(jié)能減排的一項(xiàng)重要措施[3-4]。

目前國內(nèi)火力發(fā)電機(jī)組常采用的煙氣余熱利用手段有低溫省煤器、低溫省煤器聯(lián)合暖風(fēng)器、空預(yù)器旁路聯(lián)合暖風(fēng)器(機(jī)爐深度耦合)系統(tǒng)等[5-14]。行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為機(jī)爐深度耦合系統(tǒng)是其中節(jié)能效果最為明顯、能量品位利用最高的余熱利用方案。該方案通過旁路空氣預(yù)熱器入口處部分煙氣進(jìn)入空預(yù)器旁路煙道，在旁路煙道中布置煙氣-低溫給水換熱器和煙氣-低溫凝結(jié)水換熱器，將熱量梯級(jí)利用傳遞給高壓的給水和低壓的凝結(jié)水，同時(shí)在尾部煙道上布置煙氣-熱媒水換熱器來加熱熱媒水，再將熱媒水中的熱量傳遞給低溫凝結(jié)水及空預(yù)器入口一次風(fēng)、二次風(fēng)[15-17]。截至目前，我國已投運(yùn)的1 000 MW二次再熱鍋爐大多采用機(jī)爐深度耦合系統(tǒng)，該系統(tǒng)已逐漸成為大容量、高參數(shù)機(jī)組鍋爐的標(biāo)配設(shè)計(jì)[18]。

本文以某1 000 MW高效超超臨界機(jī)組鍋爐為例，對(duì)大容量、高參數(shù)燃煤鍋爐尾部煙氣余熱利用技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性分析，提出了適用于本項(xiàng)目的一種機(jī)爐深度耦合、煙氣余熱梯級(jí)利用的先進(jìn)余熱利用系統(tǒng)方案。通過本系統(tǒng)方案的實(shí)施，在不影響其他設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，減少汽機(jī)抽汽，降低汽機(jī)熱耗，大大提高了電廠的經(jīng)濟(jì)性，為其他同類型機(jī)組余熱利用方案提供參考。

1 鍋爐概況

本項(xiàng)目機(jī)組鍋爐為東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司設(shè)計(jì)制造的DG3136/31.4-Ⅱ7型高效超超臨界參數(shù)、前后墻對(duì)沖燃燒、一次中間再熱直流鍋爐。鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

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

本工程為煤電一體化項(xiàng)目，利用賀斯格烏拉南露天煤礦豐富的褐煤資源建設(shè)煤電一體化坑口電廠，設(shè)計(jì)煤種為賀斯格烏拉南露天煤礦的褐煤。煤質(zhì)資料如表2所示。

表2 鍋爐煤質(zhì)資料Tab.2 Coal specification of the boiler

2 機(jī)爐深度耦合余熱利用方案

本文以某1 000 MW機(jī)組鍋爐為工程應(yīng)用背景，機(jī)爐深度耦合煙氣余熱利用方案如圖1所示。旁路煙道從空氣預(yù)熱器前的煙道引出，高壓給水換熱器布置在空預(yù)器旁路煙道的高溫段，回收的余熱用于加熱高壓給水，給水取自給水泵出口，經(jīng)煙氣-給水換熱器后溫度升高，然后回至省煤器前。煙氣-凝結(jié)水換熱器布置在空預(yù)器旁路煙道的低溫段，回收的余熱用于加熱低壓凝結(jié)水，凝結(jié)水取自#6低加入口，經(jīng)煙氣-換熱器換熱后溫度升高，然后回至#5低加出口。

煙氣-熱媒水換熱器布置在空預(yù)器旁路煙道和空預(yù)器出口煙道合并后與除塵器之間的煙道中，回收的余熱用于加熱低壓凝結(jié)水和空預(yù)器進(jìn)口冷風(fēng)，凝結(jié)水取自#9低加入口，經(jīng)換熱器換熱后溫度升高，然后回至#7低加出口；另外一部分熱媒水加熱空預(yù)器入口冷風(fēng)，將冷一次、二次風(fēng)溫度從30℃、25℃加熱到100℃。

機(jī)爐深度耦合系統(tǒng)相對(duì)于常規(guī)的低溫省煤器及低溫省煤器聯(lián)合暖風(fēng)器系統(tǒng)來說，能量品位利用最高，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性更佳，但同時(shí)系統(tǒng)更加龐大，需要耦合控制的參數(shù)更多。本文基于烏拉蓋2×1 000 MW機(jī)組鍋爐，對(duì)機(jī)爐深度耦合系統(tǒng)的以下5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行系統(tǒng)性分析。

2.1 空預(yù)器旁路煙氣份額選取

機(jī)爐深度耦合方案最早應(yīng)用于德國Niederaussem超臨界鍋爐，設(shè)計(jì)的初衷在于緩解褐煤鍋爐空預(yù)器體型過大的問題，采用空預(yù)器煙氣旁路可有效降低通過空預(yù)器的煙氣流量[19]。設(shè)計(jì)空預(yù)器旁路的煙氣份額時(shí)主要考慮的因素有排煙溫度、布置空間、空預(yù)器出口熱風(fēng)溫度、煙氣阻力平衡、煙氣調(diào)節(jié)擋板調(diào)節(jié)性能及選型等，同時(shí)煙氣旁路的布置以不影響鍋爐其他設(shè)備正常運(yùn)行為原則。若旁路煙氣份額過高，則通過空預(yù)器的煙氣量減少，空預(yù)器出口熱風(fēng)溫度將大幅下降，影響鍋爐效率；而煙氣份額過小又會(huì)導(dǎo)致給水或凝結(jié)水吸熱減少，經(jīng)濟(jì)性不明顯。

通常新建機(jī)組鍋爐空預(yù)器旁路煙氣份額宜選擇20%～30%，在役運(yùn)行的機(jī)組空預(yù)器旁路改造煙氣份額宜為5%～15%[20]。排煙溫度、空預(yù)器出口熱風(fēng)溫度還關(guān)系到鍋爐其他設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，如下游設(shè)備低溫腐蝕、磨煤機(jī)干燥出力等，在旁路煙道開啟工況的熱力計(jì)算中需要格外關(guān)注。

本項(xiàng)目空預(yù)器旁路煙氣份額選取為20%，設(shè)計(jì)煤、校核煤在各工況下的計(jì)算結(jié)果分別如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可知，空預(yù)器旁路開啟相較旁路隔離工況，排煙溫度較高，空預(yù)器冷端低溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)更低；空預(yù)器入口冷風(fēng)溫度差異明顯，由旁路隔離時(shí)的～25℃上升至100℃；空預(yù)器出口熱風(fēng)溫度稍低，但2種工況各負(fù)荷下熱風(fēng)溫度差別可控制在15℃以內(nèi)，整體來說差別不大，對(duì)下游設(shè)備運(yùn)行無明顯影響。

圖2 設(shè)計(jì)煤各負(fù)荷下熱風(fēng)/煙氣參數(shù)Fig.2 Hot air or flue gas parameters under each load of design coal

圖3 校核煤各負(fù)荷下熱風(fēng)/煙氣參數(shù)Fig.3 Hot air or flue gas parameters under each load of check coal

2.2 煙氣區(qū)間的選取

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)煤、校核煤硫含量0.28%、0.15%，煙氣中含有一定量的SO2、SO3等腐蝕性氣體，SO3能與煙氣中的水蒸氣結(jié)合形成硫酸，當(dāng)煙溫低于酸露點(diǎn)時(shí)，硫酸在受熱面管子上凝結(jié)，從而導(dǎo)致受熱面低溫腐蝕，危害受熱面安全運(yùn)行[21]；同時(shí)，煙氣中的SO2也可在高溫及催化劑的作用下氧化生成SO3，再與由脫硝裝置噴入煙道中逃逸的氨反應(yīng)生成腐蝕性較強(qiáng)的硫酸氫銨(NH4HSO4)。硫酸氫銨腐蝕性強(qiáng)、黏性大，極易附著在受熱面管子上，影響設(shè)備的換熱效率及安全性[22]。設(shè)計(jì)煤、校核煤在各負(fù)荷下的煙溫區(qū)間計(jì)算結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4 設(shè)計(jì)煤各換熱器煙氣溫度區(qū)間Fig.4 Flue gas temperature range of each heat exchanger of design coal

圖5 校核煤各換熱器煙氣溫度區(qū)間Fig.5 Flue gas temperature range of each heat exchanger of check coal

根據(jù)試驗(yàn)研究表明，硫酸氫氨從氣態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間為232℃～149℃(氨逃逸濃度3～5 mg/L時(shí))，低于149℃時(shí)，硫酸氫氨發(fā)生結(jié)晶，高于232℃時(shí)硫酸氫氨變?yōu)闅鈶B(tài)[22]。因此，煙氣-給水換熱器及煙氣-凝結(jié)水換熱器運(yùn)行溫度區(qū)間的選擇極為重要，需要綜合排煙溫度、換熱器出入口工質(zhì)溫度、鍋爐效率、受熱面積、布置空間等因素綜合考慮，盡量避免出現(xiàn)硫酸氫銨結(jié)晶現(xiàn)象。

30%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)，煙氣-給水換熱器的出口煙溫均高于149℃，有效地避免了煙氣-給水換熱器的硫酸氫銨腐蝕問題。但是，煙氣-凝結(jié)水換熱器、煙氣-熱媒水換熱器正常運(yùn)行時(shí)的出口煙溫分別為108℃～151℃、82℃～85℃，處在硫酸氫銨液態(tài)及結(jié)晶的溫度區(qū)間，換熱器存在硫酸氫銨腐蝕結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要從選材、吹灰等方面采取措施來應(yīng)對(duì)硫酸氫銨結(jié)晶腐蝕的問題。

2.3 冷風(fēng)溫度選取

空預(yù)器入口冷風(fēng)需要選取合適的溫度，冷風(fēng)溫度不宜選取過低，冷風(fēng)溫度直接關(guān)系到空預(yù)器冷段綜合溫度，尤其是低負(fù)荷排煙溫度較低時(shí)，若冷風(fēng)溫度過低將導(dǎo)致冷端綜合溫度低，冷端腐蝕風(fēng)險(xiǎn)大；但冷風(fēng)溫度也不宜選取得過高，冷風(fēng)溫度過高時(shí)空預(yù)器冷端換熱端差將減小，從而導(dǎo)致排煙溫度升高，鍋爐效率受到影響，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性大打折扣。同時(shí)，須保證空預(yù)器出口熱風(fēng)溫度基本一致，以免影響下游設(shè)備正常運(yùn)行。

本項(xiàng)目在除塵器前煙道處布置煙氣-熱媒水換熱器來加熱熱媒水，再通過熱媒水暖風(fēng)器來將熱媒水中的熱量傳遞給冷一次風(fēng)、二次風(fēng)。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，機(jī)爐深度耦合系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，空預(yù)器入口冷風(fēng)溫度可從～25℃加熱到100℃，滿負(fù)荷、30%THA負(fù)荷時(shí)熱一次風(fēng)、二次風(fēng)溫度均小幅下降8℃、13℃；排煙溫度有所上升，尤其是低負(fù)荷時(shí)上升明顯，上升幅度達(dá)23℃。

表3 旁路隔離、旁路開啟時(shí)風(fēng)溫及煙溫對(duì)比Tab.3 Comparison of air and flue gas temperature during bypass isolation and bypass opening

2.4 各換熱器工質(zhì)溫度選取

空預(yù)器旁路煙氣-給水、煙氣-凝結(jié)水換熱器、熱媒水-凝結(jié)水換熱器及熱媒水暖風(fēng)器工質(zhì)溫度的選取，鍋爐側(cè)須與汽機(jī)側(cè)抽汽深度耦合起來，通過熱力計(jì)算選取合適的換熱溫差、布置形式、外形尺寸、連接方式、工藝流程等，從而確定進(jìn)出口工質(zhì)溫度。本項(xiàng)目給水取自給水泵出口，經(jīng)煙氣-給水換熱器后匯合至鍋爐省煤器入口；煙氣-凝結(jié)水換熱器凝結(jié)水取自6號(hào)低加入口，經(jīng)換熱器加熱后匯合至5號(hào)低加出口；熱媒水-凝結(jié)水換熱器凝結(jié)水取自9號(hào)低加入口，經(jīng)加熱器加熱后匯合至7號(hào)低加出口；熱媒水暖風(fēng)器冷風(fēng)取自一次、二次風(fēng)機(jī)出口冷風(fēng)，經(jīng)暖風(fēng)器加熱至100℃后進(jìn)入鍋爐空預(yù)器。經(jīng)過本系統(tǒng)對(duì)煙氣余熱的梯級(jí)利用，有效減少了汽機(jī)抽汽，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益的顯著提升。BMCR工況下給水、凝結(jié)水換熱器工質(zhì)側(cè)邊界條件選取如表4所示。

表4 各換熱器工質(zhì)側(cè)邊界Tab.4 Working medium side boundary of each heat exchanger

2.5 煙氣-熱媒水換熱器布置位置及出口煙溫的選取

由于煙氣中含有CO2、SO2等酸性氣體，當(dāng)煙氣溫度低于酸露點(diǎn)時(shí)，煙氣中的酸性物質(zhì)將在受熱面管子表面凝結(jié)下來，從而導(dǎo)致設(shè)備的低溫腐蝕。按照常規(guī)項(xiàng)目煙氣余熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，煙氣-熱媒水加熱器出口煙溫選取85℃。將煙氣-熱媒水換熱器設(shè)計(jì)布置在引風(fēng)機(jī)出口，可有效地利用煙氣余熱，同時(shí)避免飛灰磨損的問題，但經(jīng)過電除塵后，煙氣中的大部分堿性顆粒已被除塵器篩選捕捉，導(dǎo)致煙氣更偏酸性，低溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)更高，同時(shí)靜電除塵器后細(xì)灰粒帶電，更易沾污導(dǎo)致受熱面積灰問題。本項(xiàng)目每臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)低低溫靜電除塵器，85℃已可滿足除塵器正常工作的需要。綜合考慮上述各因素，將煙氣-熱媒水換熱器布置在除塵器前的煙道內(nèi)。

3 結(jié)論

本文基于某1 000 MW高效超超臨界機(jī)組鍋爐，提出了適用于本項(xiàng)目的機(jī)爐深度耦合煙氣余熱利用方案，對(duì)余熱利用系統(tǒng)的幾項(xiàng)關(guān)鍵問題進(jìn)行重點(diǎn)分析，得出結(jié)論如下。

1)空預(yù)器旁路煙氣份額選取20%，旁路開啟后，空預(yù)器入口冷風(fēng)由-25℃升高到100℃；空預(yù)器出口熱風(fēng)溫度略有下降，但下降幅度不大；排煙溫度有所上升，30%THA負(fù)荷升高幅度可達(dá)23℃，可有效減弱低溫腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

2)煙氣-給水換熱器出口煙溫保持在149℃以上，避開硫酸氫銨易腐蝕區(qū)間；但煙氣-凝結(jié)水換熱器及煙氣-熱媒水換熱器須充分考慮措施來減緩硫酸氫銨堵塞及腐蝕的影響。

3)煙氣-熱媒水換熱器布置在除塵器前的煙道內(nèi)，出口煙溫選取-85℃，滿足低低溫靜電除塵器的工作需求。

4)各換熱器須考慮合適的邊界條件以匹配汽機(jī)側(cè)的需求。

通過本機(jī)爐深度耦合余熱利用系統(tǒng)的實(shí)施，鍋爐煙氣余熱得到了梯級(jí)利用，能量品位利用較高，同時(shí)可有效減少汽機(jī)側(cè)抽汽，降低汽機(jī)熱耗，大大提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。