煤電升級(jí)改造背景下煙氣余熱利用節(jié)能效益對(duì)比評(píng)估

王華霆，陳衡，徐鋼，安吉振

（熱電生產(chǎn)過(guò)程污染物監(jiān)測(cè)與控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 昌平區(qū)102206）

0 引言

煤電行業(yè)是燃煤消耗的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)之一，是我國(guó)節(jié)能減排工作的重點(diǎn)管控產(chǎn)業(yè)?！笆晃濉钡健笆濉睍r(shí)期，中國(guó)深入推進(jìn)煤電節(jié)能減排提升技術(shù)改造，火電供電煤耗水平不斷降低。2020年我國(guó)6 000 kW及以上的火電廠平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗約為305.5 g/(kW?h)，比2015年、2010年、2005年分別降低9.9、27.5、64.5 g/(kW?h)。以2005年為基礎(chǔ)年，2006—2020年，我國(guó)電力煤耗的降低累計(jì)削減CO2排放量66.7億t，對(duì)我國(guó)電力行業(yè)CO2減排的貢獻(xiàn)約為36%，從而有效降低了我國(guó)電力行業(yè)CO2排放量的增幅。目前我國(guó)僅供電行業(yè)與供熱行業(yè)排放的CO2占我國(guó)排放量的比例就已經(jīng)達(dá)到40%以上。所以，進(jìn)一步提升能源利用效率的最有效措施之一是深入推動(dòng)我國(guó)煤電機(jī)組節(jié)能降耗工作，這對(duì)于完成我國(guó)電力行業(yè)碳排放量達(dá)峰，乃至我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)都有著重要意義[1-2]。

一次再熱機(jī)組由于鍋爐排煙溫度高，排煙余熱資源豐富，若能回收利用排煙余熱，機(jī)組的節(jié)能潛力可進(jìn)一步提高。國(guó)內(nèi)的研究人員已經(jīng)對(duì)燃煤電站余熱利用技術(shù)展開(kāi)了大量的研究[3-9]，無(wú)論是在一次再熱機(jī)組還是二次再熱機(jī)組領(lǐng)域都做了大量的研究工作[10-17]。

本文以某630 MW一次再熱機(jī)組為例，模擬了低溫省煤方案、二級(jí)低溫省煤器方案、旁路煙道方案及機(jī)爐耦合方案4種余熱利用方式的流程，并對(duì)4種方案的節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行對(duì)比，為我國(guó)電力行業(yè)節(jié)能減排的升級(jí)改造提供借鑒。

1 案例機(jī)組介紹

案例機(jī)組系統(tǒng)示意圖如圖1所示。表1為機(jī)組的熱力參數(shù)。

表1 案例余熱回收機(jī)組的基礎(chǔ)參數(shù)Tab.1 Basic parameters of heat recovery unit in case

圖1 案例機(jī)組系統(tǒng)示意圖Fig.1 Case unit system diagram

2 余熱利用方案

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為提高朗肯循環(huán)的平均吸熱溫度，從而提高電站發(fā)電效率、降低能耗，通常燃煤電站都會(huì)設(shè)置回?zé)嵯到y(tǒng)，該回?zé)嵯到y(tǒng)可以將部分蒸汽抽取出來(lái)用以加熱凝結(jié)水/給水。雖然回?zé)嵯到y(tǒng)抽取蒸汽加熱凝結(jié)水提高了凝結(jié)水溫度，但是抽取的蒸汽也會(huì)因此凝結(jié)成相應(yīng)壓力下的飽和水而失去做功能力，從而減少機(jī)組總出功。

2.1 低溫省煤器方案

本方案主要通過(guò)在鍋爐尾部布置低溫省煤器的方式進(jìn)一步降低鍋爐排煙溫度，回收排煙余熱，將熱量注入汽機(jī)側(cè)回?zé)嵯到y(tǒng)中，替代加熱凝結(jié)水，節(jié)約汽輪機(jī)抽汽，從而起到節(jié)能的效果，該方案系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 低溫省煤器方案系統(tǒng)示意圖Fig.2 Sschematic diagram of low temperature economizer scheme system

2.2 二級(jí)低溫省煤器方案

本方案將低溫省煤器分為2級(jí)布置，由于經(jīng)過(guò)引風(fēng)機(jī)會(huì)使煙氣有一定的溫升，所以節(jié)能效果略優(yōu)于低溫省煤器方案，該方案系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 二級(jí)低溫省煤器方案系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of two-stage low temperature economizer system

2.3 旁路煙道方案

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，無(wú)論回收的煙氣能量有多大，低溫省煤器內(nèi)的介質(zhì)溫度也無(wú)法超過(guò)鍋爐排煙溫度，因此至多能替代低溫段的抽汽(提高排煙溫度以提高系統(tǒng)節(jié)能效果的行為將導(dǎo)致鍋爐效率下降，并不可取)，節(jié)能效果相對(duì)有限。若能提高可利用煙氣的溫度，便可將凝結(jié)水加熱到更高溫度，從而提升節(jié)能效果。由于回?zé)嵯到y(tǒng)的最高水溫一般低于300 ℃，這剛好和空預(yù)器的煙氣溫度相差不大，在空預(yù)器設(shè)置旁路煙道形成旁路煙道方案，可進(jìn)一步提高節(jié)能效果，該方案系統(tǒng)示意如圖4所示。

圖4 旁路煙道方案系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of bypass flue scheme system

旁路煙道系統(tǒng)將鍋爐島與汽機(jī)島之間熱質(zhì)傳遞過(guò)程的流程壁壘打破，將煙氣、空氣、給水、凝結(jié)水和蒸汽等統(tǒng)一視為系統(tǒng)能量利用過(guò)程中的放熱和吸熱介質(zhì)進(jìn)行耦合集成，實(shí)現(xiàn)利用低品位蒸汽或凝結(jié)水熱量置換出高品位煙氣熱量的效果。旁路煙道系統(tǒng)將省煤器出口之后的鍋爐尾部分隔成主煙道和旁路煙道，主煙道中布置主空預(yù)器，預(yù)熱進(jìn)鍋爐之前的冷空氣，在旁路排煙口中布置有高、低溫?zé)?水換熱器，加熱鍋爐給水和凝結(jié)水。在主煙道中與旁路煙道出口的2股煙氣匯合流入合流煙道，并在合流煙道中設(shè)有前置式空預(yù)器來(lái)預(yù)熱冷空氣，以補(bǔ)償因煙氣分流引起的空氣吸熱量不足。而旁路煙口系統(tǒng)則利用了省煤器出口的高溫排煙熱量，能夠預(yù)熱較高水溫的鍋爐給水和凝結(jié)水，從而排擠汽輪機(jī)的較高品位抽汽。

2.4 機(jī)爐耦合方案

該方案主要是在旁路煙道方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步加強(qiáng)鍋爐和汽機(jī)之間的耦合集成程度，從而引出部分低溫凝結(jié)水對(duì)空氣進(jìn)行加熱，進(jìn)而將空氣在高段升溫時(shí)所需要的熱能降低，排擠更多高溫?zé)煔饬魅肱月窡煹?，從而提高旁路煙道方案的?jié)能效益。因此，相比于旁路煙道方案，該機(jī)爐耦合方案以多抽6號(hào)、7號(hào)低壓抽汽的代價(jià)，置換出了前幾級(jí)高壓抽汽，而這部分高壓抽汽可在汽輪機(jī)中繼續(xù)做功，從而增加機(jī)組的總出功，進(jìn)一步減少機(jī)組煤耗。

如前所述，旁路煙道方案中的前置式空預(yù)器處依舊有較大的換熱溫差，還能繼續(xù)優(yōu)化。因此抽引低溫凝結(jié)水預(yù)熱空氣，排擠更多高溫?zé)煔膺M(jìn)入旁路煙道，該方案系統(tǒng)示意如圖5所示。

圖5 機(jī)爐耦合方案系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of machine-furnace coupling scheme system

3 建模與分析方法

本文利用EBSILON軟件進(jìn)行熱力建模[18]。以案例機(jī)組的汽水過(guò)程原則性熱力圖(平衡圖)為基準(zhǔn)，對(duì)此模型進(jìn)行了精確性驗(yàn)證。該模型最終發(fā)電功率為630.10 MW，發(fā)電效率為46.35%，發(fā)電熱耗率為7 767.48 kJ/(kW?h)。

模型參數(shù)誤差分析如表2所示，其中THA工況指熱耗率驗(yàn)收工況。從表2中可以看出，在以機(jī)組平衡圖初始參數(shù)(壓力、溫度、流量、抽汽及管道壓損)及再熱蒸汽參數(shù)和排汽參數(shù)作為模型輸入?yún)?shù)對(duì)機(jī)組進(jìn)行驗(yàn)證，由模型計(jì)算得到的各項(xiàng)參數(shù)與設(shè)計(jì)值相差不大，各段抽汽壓力和抽汽流量的誤差都在可控的范圍內(nèi)。最終，機(jī)組發(fā)電功率誤差為0.02%，熱耗率誤差為0.1%，相差很小。由此可知案例機(jī)組模型的計(jì)算結(jié)果基本可靠，可用于后續(xù)研究。

表2 案例機(jī)組THA工況模型檢驗(yàn)Tab.2 Condition model test of case unit THA

4種余熱利用方案的節(jié)能效果通過(guò)供電煤耗率b進(jìn)行表征，其表達(dá)式為

式中：q為機(jī)組熱耗率，kJ/(kW?h)；Lfcy為廠用電率。

4 結(jié)果與討論

4.1 各余熱利用方案參數(shù)

4.1.1 低溫省煤器方案和二級(jí)低溫省煤器方案參數(shù)

機(jī)組布置低溫省煤器回收鍋爐煙氣余熱實(shí)現(xiàn)節(jié)能。案例機(jī)組排煙溫度設(shè)置為90 ℃，而引風(fēng)機(jī)之后的煙氣溫度為127 ℃，與排煙溫度有37 ℃的溫差[19]，將8號(hào)低溫加熱器之前的凝結(jié)水抽引出來(lái)回收排煙余熱，凝結(jié)水被煙氣加熱后返回6號(hào)低溫加熱器入口，這就等于用煙氣的熱量加熱了8段抽汽，計(jì)算結(jié)果如表3、4所示。

表3 低溫省煤器方案特性參數(shù)及節(jié)能效果Tab.3 Characteristic parameters and energy saving effect of low-temperature economizer scheme

表4 二級(jí)低溫省煤器方案特性參數(shù)及節(jié)能效果Tab.4 Characteristic parameters and energy saving effect of secondary low temperature economizer

4.1.2 旁路煙道方案參數(shù)

由于低溫腐蝕和空預(yù)器出口煙溫等的限制，前2種方案節(jié)能效果并不是十分理想，而旁路煙道方案可以將煙氣的利用范圍擴(kuò)大至空氣預(yù)熱器入口，從而替代更高品位的抽汽，取得更加理想的節(jié)能效果，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 旁路煙道方案主要換熱器性能參數(shù)Tab.5 Main heat exchanger performance parameters of bypass flue scheme

從表5中數(shù)據(jù)可以得知，旁路煙道方案重新構(gòu)建了鍋爐空預(yù)器之前的煙氣－空氣換熱流程，一、二次風(fēng)先經(jīng)過(guò)前置式空預(yù)器的預(yù)熱再進(jìn)入空預(yù)器。

4.1.3 機(jī)爐耦合方案

旁路煙道方案中的前置式空預(yù)器處依舊具有相當(dāng)大的換熱溫差，還能夠繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。因此可抽引低溫凝結(jié)水預(yù)熱空氣，排擠更多高溫?zé)煔膺M(jìn)入旁路煙道，表6為機(jī)爐耦合方案主要換熱器性能參數(shù)。

表6 機(jī)爐耦合方案主要換熱器性能參數(shù)Tab.6 Main heat exchanger performance parameters of machine-furnace coupling scheme

4.2 各種余熱利用方案節(jié)能效果對(duì)比

4種方案的節(jié)能效果如表7所示，與案例機(jī)組相比，低溫省煤器方案可以降低供電煤耗1.88 g/(kW?h)；二級(jí)低溫省煤器方案可以降低供電煤耗2.16 g/(kW?h)。旁路煙道方案中，系統(tǒng)功率輸出增加了6.12 MW，供電煤耗比案例機(jī)組下降2.29 g/(kW?h)；機(jī)爐耦合方案中，系統(tǒng)出功增加了7.16 MW，供電煤耗為279.07 g/(kW?h)，比案例機(jī)組下降2.66 g/(kW?h)，節(jié)能效果為4種方案中最優(yōu)。

表7 4種余熱利用方案節(jié)能效果匯總Tab.7 Summary of energy saving effect of four heat utilization schemes

5 結(jié)論

利用EBSILON對(duì)4種方案的節(jié)能效果進(jìn)行了模擬計(jì)算和對(duì)比，得出結(jié)論如下：

1）一次再熱機(jī)組擁有非常豐富的排煙余熱資源，通過(guò)4種余熱利用方式，機(jī)組的節(jié)能效果顯著，經(jīng)計(jì)算，4種方案供電煤耗率分別降低了1.88、2.16、2.29、2.66 g/(kW?h)。

2）4種余熱利用方案中，低溫省煤器方案和二級(jí)低溫省煤器方案的節(jié)能效果相對(duì)較差，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅增設(shè)了低溫省煤器，改造投資少；機(jī)爐耦合方案雖然節(jié)能效果相對(duì)最佳，但是增設(shè)了高溫?zé)熕畵Q熱器、低溫?zé)熕畵Q熱器、前置式空預(yù)器、凝結(jié)水-空氣換熱器等多個(gè)換熱器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，因此改造投資也會(huì)增加。