耦合余熱回收下電站鍋爐尾部煙氣熱能高效梯級利用系統(tǒng)設(shè)計

趙偉 賈熙 湯宣

摘 要 針對電站鍋爐尾部煙氣熱能利用效率較低，梯級利用數(shù)值模擬過程與全尺度數(shù)據(jù)分析過程偏差較大的問題，設(shè)計了一種耦合余熱回收下的電站鍋爐尾部煙氣熱能高效梯級利用系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的最佳煙氣熱能高效梯級節(jié)點利用情況和熱能梯級置換情況整體都保持在60%以上，采用熱能階梯式溫差電站后，系統(tǒng)整體效率提高了約22%，證明了所設(shè)計系統(tǒng)的使用優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞 耦合余熱回收 電站鍋爐 煙氣熱能 梯級利用

中圖分類號 TH862? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A? ?文章編號 1000?3932（2024）01?0107?06

燃煤發(fā)電具有熱源適用性強等特點，能夠很好地將鍋爐尾氣與燃?xì)馀欧偶夹g(shù)相融合，但由于其熱電轉(zhuǎn)換效率相對較低，制約了電站鍋爐尾部煙氣熱能控制的發(fā)展與應(yīng)用［1，2］。耦合余熱回收技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、操作方便等優(yōu)點，且能夠與燃?xì)鉄崮芘浜鲜褂?，具有很好的?yīng)用前景。相對于常規(guī)的燃?xì)鉁u輪、燃?xì)鈨?nèi)燃機、微型燃?xì)廨啓C等，電站鍋爐具有壽命長、無需維護的特點，因此具有更好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。近年來，雖然研究學(xué)者們在改善熱電材料和溫差發(fā)電系統(tǒng)方面已經(jīng)取得了一定的進展，但是現(xiàn)有的研究工作仍集中于傳統(tǒng)的單級溫差發(fā)電［3］。為此，筆者設(shè)計了耦合余熱回收下的電站鍋爐尾部煙氣熱能高效梯級利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)耦合余熱回收溫差產(chǎn)生的熱能進行階梯式應(yīng)用，同時對各子系統(tǒng)進行流場和溫度場優(yōu)化，從而改善系統(tǒng)整體運行性能。

1 基于耦合余熱回收的熱能梯級利用系統(tǒng)

1.1 電站鍋爐尾部煙氣耦合余熱回收算法

筆者根據(jù)廢氣耦合余熱回收溫差特征進行電站鍋爐尾部煙氣熱能回收階梯式優(yōu)化設(shè)計，并對系統(tǒng)各子模塊進行流場熱能轉(zhuǎn)化，以改善系統(tǒng)的運行特性［4，5］。利用大氣交換原理改善電站鍋爐尾部煙氣初始溫度；在高能階段，通過增加初始溫度將部分熱風(fēng)排出，然后對燃燒后的高溫?zé)煔膺M行冷凝并排出，從而提高耦合余熱回收效率，實現(xiàn)對電站鍋爐尾部煙氣耦合余熱的梯次使用。

為保障電站鍋爐尾部煙氣熱能收集效果，將煙塵能量回收分為低能部分和高能部分。從熱量回收、熱量轉(zhuǎn)移、熱量置換和熱量使用4個方面，并結(jié)合回收煙氣的熱量品質(zhì)差異，分析不同耦合余熱回收下的熱量傳遞規(guī)律［6］。假設(shè)電站鍋爐尾部的傳熱區(qū)域是固定的，在工作條件下，系統(tǒng)的總煙氣量趨于一致，利用耦合余熱回收和熱量力學(xué)的基本原理建立熱量均衡數(shù)學(xué)模型，從熱量γ和質(zhì)量ρ的角度推導(dǎo)各部件的溫度t、壓力p及流量u等，得到表層加熱爐煙氣放熱量a、給水焓升量m和上層加熱爐的疏水放熱量g的計算式：

其中，s為第j階段循環(huán)加熱爐的煙氣釋放率，d為第j階段供水焓下降的疏水性釋放性，r′為第j階段循環(huán)加熱器的排氣比焓值，η為蒸汽質(zhì)量流量與熱容量的積。

在已有的1 000 MW超臨界基礎(chǔ)上，改進電站鍋爐尾部煙氣熱能的初始參數(shù)，使總煙氣壓力由26.25 MPa上升至30.00 MPa，主要煙氣熱能維持在600 ℃；采集電站鍋爐汽缸的煙氣并進行耦合余熱回收［7］。根據(jù)常用電站鍋爐熱裝置布局結(jié)構(gòu)，在電站鍋爐熱裝置中使用二段式高壓加熱裝置、低壓式加熱裝置對基于耦合余熱回收的煙氣熱能循環(huán)流程進行優(yōu)化，具體如圖1所示。

基于耦合余熱回收下的電站鍋爐尾部煙氣熱能裝置通過低溫?zé)煔?、引風(fēng)機和冷卻水進口，向液體媒質(zhì)輸送能源，從而得到相應(yīng)的液體媒質(zhì)，經(jīng)封閉環(huán)路輸送至空氣預(yù)熱器中后接入鼓風(fēng)機進口，從而提高氣體濃度，并將低溫余熱輸送至爐內(nèi)，使其初始溫度升高，然后在電站鍋爐內(nèi)，通過封閉的循環(huán)液態(tài)媒質(zhì)進行耦合余熱回收傳導(dǎo)，以此對煙氣中的低溫余熱進行再利用。在此過程中，耦合余熱回收率Q為：

其中，E為流經(jīng)電站鍋爐煙氣的平均定壓比熱容，c為單位質(zhì)量制冷量，R為單位時間流經(jīng)電站鍋爐煙氣的質(zhì)量流量，T為電站鍋爐的出口煙氣溫度?；诖穗娬惧仩t獲得的回收煙氣熱量U為：

其中，λ是液體介質(zhì)的定壓比熱容，m是電站鍋爐的入口煙氣溫度，K是電站鍋爐裝置中液體介質(zhì)的入口處溫度。

1.2 電站鍋爐尾部燃燒部件數(shù)值計算

以某典型的1 000 MW電廠實際生產(chǎn)情況為依據(jù)，對其進行評價和定量計算。設(shè)電站鍋爐尾部進風(fēng)口處煙氣溫度為750 ℃，煙氣產(chǎn)量為10～15 t/h，為保障系統(tǒng)應(yīng)用消耗，對電站鍋爐尾部燃燒排放數(shù)值進行規(guī)范，具體見表1。

當(dāng)電站鍋爐的煙霧從煙囪排放出來時，在煙道拐角處部分煙霧會被引入橫向煙道，并在水平彎折的煙道中排放到外界［8］。為了實現(xiàn)煙霧的耦合余熱回收利用，需在電站鍋爐尾部燃燒部件上增設(shè)一個結(jié)構(gòu)［9］。在電站鍋爐尾部燃燒部件的構(gòu)造中，燃燒器是主要部件，其主要作用是進行熱量處理［10］。本系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)由熱回收面、連接管、吊梁等部件構(gòu)成，利用耦合余熱回收算法對煙氣流動進行優(yōu)化計算，即：

同時，為了解決廢熱鍋爐內(nèi)管道拉裂紋、積灰等問題，在其內(nèi)部采用輻射組件和對流組件的側(cè)面冷卻壁，使電站鍋爐尾部與熱源構(gòu)件高效地連接在一起，并在對流管束前方安裝豎向式隔板，增大自身的排煙區(qū)域，從而實現(xiàn)輻射部分加熱面積增大、輻射部分出口溫度下降的目的。優(yōu)化后的系統(tǒng)部件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

優(yōu)化后的余熱梯級利用系統(tǒng)關(guān)鍵裝置參數(shù)見表2。

根據(jù)我國現(xiàn)行的火力發(fā)電廠運行規(guī)范，將系統(tǒng)裝置的工作負(fù)載規(guī)范在200～400 MW范圍內(nèi)［11］?；诖朔治?00、400 MW負(fù)載下煙道截面煙氣流場等值線分布情況，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，煙氣流場的流速等高曲線與實測流速曲線具有類似的特征，即煙氣橫斷面有煙氣回流、低流速、中流速、高流速區(qū)域，流場非均質(zhì)性廢氣綜合循環(huán)是以燃?xì)鉁u輪廢氣為鍋爐熱風(fēng)、以煙氣循環(huán)為主要成分的熱循環(huán)。煙氣周期中，如果輸入熱能是1，那么整個[火][用]循環(huán)的煙氣和氣體輸出力分別為：

η/η=div（α）（1+Ur）/（Ec-TR）（5）

其中，η為煙氣輸出力，η為熱能轉(zhuǎn)化力。相對于高溫?zé)嵩?，中、低溫?zé)嵩吹臒崮苻D(zhuǎn)化較差，使得整個系統(tǒng)的一體化更加復(fù)雜。而優(yōu)化后的耦合余熱回收梯級利用系統(tǒng)能有效吸收上循環(huán)的中、低溫廢氣熱量，從而節(jié)約鍋爐的熱量消耗，達(dá)到能源階梯有效利用的目的。

1.3 電站鍋爐尾部煙氣熱能高效梯級利用實現(xiàn)

電站鍋爐尾部煙氣熱能高效梯級利用系統(tǒng)中，從預(yù)熱器入口到電站鍋爐出口排出的熱能主要包括由預(yù)熱器、附加省煤器、電站鍋爐排放出來的熱能。通過在前排風(fēng)中采集煙氣熱能并在預(yù)熱器中進行轉(zhuǎn)換，從而得到電站鍋爐尾部煙氣的熱能。為方便研究，煙氣余熱梯級利用系統(tǒng)熱量和輸出[火][用]的過程如圖4所示。

在熱量運轉(zhuǎn)過程中，最大的熱轉(zhuǎn)功取決于卡諾周期的最佳效率，而當(dāng)煙氣溫度較低時，其有效熱轉(zhuǎn)[火][用]就會變得更加難以實現(xiàn)，因此需要進一步對系統(tǒng)進氣模塊進行優(yōu)化［12］。系統(tǒng)進氣模塊包含空氣預(yù)熱器、附加省煤裝置和低溫節(jié)能裝置以及風(fēng)機、引風(fēng)機，基于此對預(yù)加熱裝置和空氣預(yù)加熱裝置中的氣體排放能效進行梯級計算，公式為：

其中，Z為氣體排放能效，z為系統(tǒng)運行過程中所需的[火][用]，z為系統(tǒng)得到的煙氣排放量，z為排放的煙塵量；V為空氣預(yù)加熱裝置運行功率，v為系統(tǒng)輸出[火][用]，v為預(yù)熱器運行功率，v為附加裝置熱能功率。

電站鍋爐尾部煙氣熱能高效梯級特征的計算式為：

A=η/η（A+A）???? （7）

F=η/η（F+F）???? （8）

其中，A為平均熱能梯級，A為鍋爐內(nèi)部循環(huán)煙氣的熱能梯級，A為電站鍋爐的進料煙氣熱能梯級；F為尾部煙氣熱能高效梯級特征系數(shù)，F(xiàn)和F分別為進風(fēng)管和輔助裝置的排煙氣熱能梯級。設(shè)ζ是預(yù)熱器熱均衡值，對系統(tǒng)梯級利用算法進行規(guī)范，得到：

其中，Q為能級均衡因子。電站鍋爐入口煙溫為能級均衡結(jié)點的溫度，在能級均衡因子最大時，電站鍋爐入口溫度最合理，此時系統(tǒng)能源利用率達(dá)到最優(yōu)。

2 實驗與結(jié)果分析

為驗證耦合余熱回收下的電站鍋爐尾部煙氣熱能高效梯級利用系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果，進行實驗測試，確定實驗裝置的運行狀態(tài)，并與數(shù)值計算數(shù)據(jù)進行比較，從而驗證數(shù)值計算的正確性。采用1251 DP型差壓式流量傳感器對電站鍋爐尾部煙氣熱能進行計量，其主要性能指標(biāo)如下：

采樣流量 10～50 kJ/min

煙溫測量范圍 0～500 ℃

數(shù)據(jù)存儲量 300組

功耗 不大于100 W

氣[火][用]負(fù)載 不小于30 kJ/min

煙霧相對濃度 95ppm（1ppm=10-6）

以某600 MW電廠煙道余熱階梯利用為例，對其進行能量級均衡結(jié)點的溫度分析。電站鍋爐入口煙道溫度85 ℃，前置式空氣預(yù)熱器入口風(fēng)溫20 ℃，電站鍋爐出風(fēng)口溫度315 ℃，將附加省煤器和電站鍋爐的換熱溫差進行比較，得到各能量等級均衡結(jié)點上的電站鍋爐尾部煙氣熱能高效梯級利用系統(tǒng)的能量等級平衡系數(shù)如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)能量等級平衡結(jié)點溫度低于110 ℃時，平衡系數(shù)隨著溫度的升高而逐漸降低，當(dāng)溫度高于120 ℃后平衡系數(shù)持續(xù)上升。當(dāng)能量等級平衡結(jié)點溫度為120 ℃時，平衡系數(shù)最小，說明在此溫度下，系統(tǒng)的使用合理度最優(yōu)，即此時是最優(yōu)的能級均衡結(jié)點。結(jié)合圖5，在不同的初始大氣溫度條件下，對電站鍋爐的回收效率、轉(zhuǎn)移效率、置換效率、利用效率、系統(tǒng)效率和能量水平進行置換，獲取不同初始溫度下的最佳煙氣熱能高效梯級節(jié)點利用情況以及熱能梯級置換情況，結(jié)果如圖6、7所示。

由圖6、7可以看出，隨著空氣初始溫度的上升，回收效率、利用效率、轉(zhuǎn)移效率、能級置換及置換效率整體都保持在60%以上，說明本系統(tǒng)運行效果整體較好。

進一步將單級高溫溫差系統(tǒng)的各項特性指標(biāo)與筆者設(shè)計系統(tǒng)的進行比較，結(jié)果見表3?？梢钥闯?，采用熱能階梯式溫差電站后，系統(tǒng)整體效率提高了約22%，可以更好地實現(xiàn)對熱能的回收利用，有效處理鍋爐煙霧，實現(xiàn)能源節(jié)約利用目標(biāo)，證明了筆者設(shè)計系統(tǒng)的使用優(yōu)越性。

3 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一種耦合余熱回收下的電站鍋爐尾部煙氣熱能高效梯級利用系統(tǒng)。對電站鍋爐尾部燃燒部件進行了數(shù)值計算，規(guī)范了電站鍋爐尾部燃燒排放數(shù)值，優(yōu)選了電站鍋爐尾部燃燒部件的應(yīng)用數(shù)據(jù)，并在部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中設(shè)置了余熱梯級利用系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。同時，對電站鍋爐尾部煙氣耦合余熱回收算法進行了優(yōu)化，在能級平衡系數(shù)最大時，生成電站鍋爐尾部煙氣熱能高效梯級利用方案。實驗結(jié)果表明，筆者所提系統(tǒng)能夠很好地反映電站鍋爐煙氣熱力學(xué)性能，顯著加強煙氣湍流和熱能轉(zhuǎn)換，改善了溫差發(fā)電組件的內(nèi)部壁溫，增加了實際發(fā)電量，實現(xiàn)了對高溫?zé)嵩吹奶荽卫谩?/p>

參 考 文 獻(xiàn)

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