薩拉齊電廠300MW循環流化床鍋爐機組耦合空氣透平系統試驗方案研究

王玉召，李建鋒

（1.承德石油高等專科學校，承德067000；2.中國電力企業聯合會，北京100055）

據中國電力企業聯合會統計，我國規模以上火力發電機組2011年的發電標準煤消耗總量超過12億t.在可以預見的將來，我國以燃煤為主的發電方式不會有很大的改變.大量煤炭的燃燒帶來了嚴重的環境污染問題，如產生大量的SO2、NOx和粉塵等污染物，同時也會產生大量的CO2，引發較嚴重的溫室效應.為了降低燃煤消耗量，科研工作者在努力研究各種新的技術或方法來提高發電機組的發電效率［1-9］.

與直接提高發電效率相比，降低火力發電廠的廠用電率是提高火力發電廠效率最直接的手段之一.目前，火力發電廠常用的降低廠用電率的方法有變頻調速技術、電磁調速技術及小型汽輪機驅動技術等.除非機組的輔機設備選型偏大，否則在采用變頻或電磁調速技術時，節電效果受機組負荷的影響較大，尤其是在高負荷下，該技術節電效果更有限.而且在采用變頻技術時，由于風機或者水泵轉速的改變，其工作狀態往往會偏離設計工況，風機或者水泵本身效率會降低.采用小汽輪機驅動給水泵或者風機的方式可以降低火力發電廠的廠用電率，但由于小汽輪機的相對內效率遠低于主汽輪機的低壓缸內效率，再加上抽汽時的節流損失、管道損失以及排汽損失，所以采用小型汽輪機驅動的方式降低廠用電率時，在火力發電廠負荷較高的情況下，火電廠的供電煤耗反而會有所上升.

因此，為了降低廠用電率，提高火電機組的系統效率，李建鋒等通過移植渦扇航空發動機技術［10-11］，提出了一種空氣透平系統與火力發電機組相耦合的新的技術方案［12-14］.該技術方案通過在鍋爐送風機的出口抽取少部分鍋爐給風，經過壓氣機進一步壓縮后送入一個高溫換熱器中加熱，加熱后的高溫高壓空氣驅動透平，做功后的空氣作為二次風送入鍋爐爐膛，透平的輸出功除驅動壓氣機外，還可以取代部分廠用電，高溫換熱器的熱源為高溫煙氣.與采用小型汽輪機降低廠用電率相比，采用該技術方案相當于將小汽輪機的排汽熱損失用于加熱鍋爐送風，所以提高了系統效率.

1 試驗方案

試驗機組為薩拉齊電廠300 MW 循環流化床鍋爐機組，該機組采用亞臨界參數、自然循環、一次中間再熱國產循環流化床鍋爐，鍋爐緊身封閉布置.鍋爐容量和主要參數與300 MW 空冷汽輪機參數相匹配，鍋爐機組的相關參數見表1，鍋爐的熱流分布見圖1.

制定試驗方案的首要目的是驗證該系統的可行性，所以盡管比較合理的機組廠用電率的降低幅度約為2%～3%［12-13］，但綜合考慮試驗系統的經濟性和風險性以及國產煙氣輪機系列型號和性能參數后，空氣透平系統的輸出功率確定為1 400kW，廠用電率的降低幅度僅為0.5%.根據對國產煙氣輪機以及壓氣機型號的調研，空氣透平系統的設備性能參數見表2.其中，高溫換熱器采用熱管式換熱器，由于鍋爐爐膛內部容積有限，所以高溫換熱器布置在鍋爐的外面.壓氣機直接從環境中吸取空氣，從而可以避免對風機風道進行改造，降低試驗成本.另外，考慮到換熱器的材質及造價，取換熱器出口空氣溫度為650℃.從提高機組效率的角度來看，因為耦合了新的系統，一部分空氣將流經壓氣機，造成空氣預熱器的空氣流量減小，導致排煙溫度升高.為了防止排煙溫度升高，需要對空氣預熱器進行相應改造.因此，根據對空氣預熱器改造與否又制定了3種試驗方案.

表1 薩拉齊300 MW 循環流化床鍋爐機組的相關參數Tab.1 Operational parameters of Salaqi 300 MW CFB boiler unit

圖1 300 MW 循環流化床鍋爐熱流圖Fig.1 Heat flow diagram of the 300 MW CFB boiler

表2 空氣透平系統主要設備的性能參數Tab.2 Performance parameters of main test facilities in the air turbine system

方案1：不改造空氣預熱器，僅在原鍋爐機組上耦合空氣透平系統，即從鍋爐爐膛出口開孔，抽取部分煙氣，該部分高溫煙氣在高溫換熱器內放熱后一直冷卻到與空氣預熱器入口煙氣溫度相同，該部分煙氣可以直接并入空氣預熱器，利用空氣預熱器處煙氣與鍋爐爐膛出口處煙氣的壓差自動抽取高溫煙氣，從而可以降低試驗成本.

方案2：除了改造空氣預熱器外，其余部分以及性能參數與方案1中相同.在方案2中，通過增加空氣預熱器的受熱面來保持排煙溫度不變，但是鍋爐的熱風溫度會得到較大幅度的提高.

方案3：不改造空氣預熱器，但是增加高溫換熱器低溫段的換熱面積，即通過冷空氣來降低抽出煙氣的溫度，一直將排煙溫度降至與鍋爐排煙溫度大致相同，約為135℃，然后將高溫換熱器的排煙直接送入除塵器.

2 3種方案的性能比較

3種試驗方案的系統熱流分布圖見圖2，性能試驗參數的比較見表3.在圖2中，取0 ℃為熱流計算的基準點，其中送風溫度39.89 ℃為一次風溫和二次風溫的加權平均值.

從圖2可以看出，機組耦合了空氣透平系統后，高溫換熱器從煙氣中吸收的熱量除了轉換為功外，其余大部分通過透平排氣又送回了鍋爐爐膛.對比圖1和圖2可以看出，在耦合了空氣透平系統后，空氣預熱器出口的熱風溫度得到不同程度的提高，尤其是在方案2中，由于改造了空氣預熱器，熱風溫度提高幅度最高，達到11K，而且方案2中由于改造了空氣預熱器，所以煤耗量的增幅最小.在方案1中，因為沒有改造空氣預熱器，所以排煙溫度最高，排煙熱損失也最大.在計算耦合系統的各項性能參數時，假定除排煙熱損失外，其他熱損失保持不變.

表3 3種方案性能參數的對比Tab.3 Comparison of performance parameters among the three schemes

從表3可以看出，由于耦合了空氣透平系統后鍋爐機組的煤耗量增加，所以機組的熱耗量也會增加，方案2的煤耗量最少，因此熱耗量也最少，空氣透平系統的發電效率最高；方案1由于沒有改造空氣預熱器，所以排煙溫度升高，額外帶走了一部分熱量，導致空氣透平系統的效率最低.在計算中，取空氣透平系統的發電效率為其輸出功率與機組增加熱耗量的比值.

由于透平的排汽作為鍋爐的二次風送入爐膛，因此透平系統可以節省一部分風機電耗，考慮節省的風機電耗后，空氣透平系統的供電效率最高可以達到90.31%，接近鍋爐效率.

原鍋爐機組空氣預熱器的換熱溫差為76.72 K，如果采用方案1，則換熱溫差降低至74.9K，意味著換熱量減少，排煙溫度升高；如果采用方案2，因為熱風溫度提高，則換熱溫差進一步降低至70.16K，需要增加較多的換熱面積.另一方面，對于高溫換熱器而言，如果煙氣溫度降至301℃，則換熱溫差為227.2K，如果通過增加換熱面積將煙氣冷卻至135 ℃，換熱溫差將降低至89.25K，仍然高于空氣預熱器的換熱溫差，所以整體增加的換熱面積小于方案2中增加的換熱面積.方案3的空氣預熱器換熱溫差降低，但是煙氣與空氣流量均有減小，所以排煙溫度為135.5 ℃，與鍋爐原來的排煙溫度相差不大.

經初步估算，采用方案1、方案2和方案3的投資成本分別為2 319萬元、2 871萬元和2 439萬元，考慮到系統的效率以及投資，方案3的投資成本較小、效率較高，且對鍋爐改動較小，應該是最佳方案.

圖2 耦合系統的熱流分布圖Fig.2 Heat flow diagram of the coupling system

3 幾個重要問題的探討

在試驗過程中，耦合空氣透平系統后對燃燒的影響、換熱器的結構形式、煙氣的抽取與回送以及系統的調節是很重要的幾個問題，需要對其進行認真分析與研究.

考慮了透平的排氣熱量后，對入爐風溫加權計算的結果表明，耦合了空氣透平系統后，鍋爐整體的送風溫度提高，在改造空氣預熱器的情況下，最高可以提高20K 以上，見表3.因此，耦合空氣透平系統后對鍋爐的整體燃燒狀況有利，因為燃燒需要足夠的氧氣、燃料以及足夠高的溫度，提高入爐風溫，能夠有效促進燃燒并提高燃燒效率，降低飛灰含碳量，這對于飛灰含碳量較高的鍋爐或者燃用不易著火煤種的鍋爐有利.

在綜合考慮了現有高溫換熱器的結構形式后，熱管換熱器具有阻力小、可靠性高、能夠承受較大的煙氣溫度波動的優點，所以在本試驗方案的制定過程中，熱管換熱器為首選形式.但是因為空氣側的壓力相對較高，煙氣側的壓力為常壓，熱管換熱器中間的隔板既要受到兩面熱氣的烘烤，又要承受空氣的壓力，所以材質的選擇與強度設計有一定困難，尤其是采用逆流布置方式時熱空氣出口／熱煙氣進口處困難更明顯.

目前的解決方案主要有2個：一是在中間隔板靠近熱空氣出口／熱煙氣進口處安裝冷卻管道，管道中通有一定量的冷卻水，從而可以使隔板溫度保持在一定范圍內，提高隔板強度，但是會降低換熱器的換熱效率；第二個方案如圖3所示，即在靠近熱空氣出口部分安裝折流板，使大部分冷空氣與熱煙氣的換熱采用逆流布置方式，而少部分空氣則采用先順流再逆流的布置方式，以便對熱空氣出口／熱煙氣進口處隔板進行冷卻，降低隔板溫度.當然，兩部分冷空氣量的比例以及折流板的安裝位置和長度還需要通過進一步計算確定.

圖3 熱管換熱器結構示意圖Fig.3 Structural diagram of the heat pipe exchanger

在采用方案1和方案2時，經過計算，當抽取煙氣量為13.64kg／s時（方案3為10.8kg／s），如果煙氣流速為10m／s，則需要在鍋爐爐膛上部開2個2.56m2的孔；由于煙氣溫度降低后，煙氣體積流量減少，所以在鍋爐尾部煙道空氣預熱器前開2個大小為1.21m2的孔即可.當然，在采用方案3時，煙氣回送位置放在空氣預熱器后，由于煙氣流量僅有10.8kg／s，且煙氣溫度更低，回送位置的負壓更低，所以開孔的面積更小.

另一方面，為了便于安裝調試系統和檢修，在高溫煙道和高溫換熱器后的低溫煙道上均應安裝煙氣風門.在運行中，高溫側的煙氣風門全開，煙氣流量依靠低溫側風門調節，從而可以防止調節風門被高溫煙氣加熱變形后卡死，系統可靠性提高.高溫煙氣風門的安裝位置也需要認真考慮，因為在系統退出的時候，為了防止煙氣風門受到爐膛內高溫煙氣的直接烘烤產生變形，可以將高溫煙氣風門遠離爐膛開孔，而且最好安裝在與開孔位置有一定距離的豎直段中，如圖4所示.這樣，擋板上方的拐角能夠阻擋爐膛高溫火焰產生的熱輻射，同時擋板上方的煙氣還可以起到隔熱作用.

圖4 煙氣的抽取與回送Fig.4 Extraction and return of flue gas

4 結 論

在火電機組耦合了壓縮機、高溫換熱器以及空氣透平后，機組的廠用電率可以有較大的節能潛力.因此，如果火力發電機組與空氣透平耦合系統能夠在電廠得以實施，最終可較大幅度地降低電廠的供電煤耗.經過對3種試驗方案進行詳細分析，方案3應該是最佳方案，該方案與方案1相比，由于排煙溫度較低，所以系統的節能效果較好；與方案2相比，由于不改動空氣預熱器，所以對鍋爐部分的改動最小，因此整個試驗對系統正常運行的影響也最小.但為了更好地發揮系統的節能效果，在今后實際實施該系統時，空氣預熱器也應該進行相應改造.

［1］李建鋒，呂俊復，李斌，等.新型燃氣輪機與流化床鍋爐耦合系統性能的分析［J］.動力工程學報，2011，31（8）：630-637.LI Jianfeng，Lü Junfu，LI Bin，etal.Performance analysis of the system coupling gas turbine and CFB boiler［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31（8）：630-637.

［2］YUE Guangxi，LüJunfu，ZHANG Hai，etal.Design theory of circulating fluidized bed boilers［J］.Proc of the 18th Inter Conf on CFB.Toronto：ASME，2005：135-146.

［3］李建鋒，郝峰，郝繼紅，等.一種新型空氣預熱器及其性能分析［J］.動力工程，2008，28（4）：585-588.LI Jianfeng，HAO Feng，HAO Jihong，etal.The anal-ysis on the capability of one kind of new air pre-heater［J］.Journal of Power Engineering，2008，28（4）：585-588.

［4］李建鋒，朱超，冷杰，等.降低鍋爐排煙溫度的2種方式比較［J］.中國電力，2012，45（7）：28-33.LI Jianfeng，ZHU Chao，LENG Jie，etal.Comparison of two methods for reducing boiler exhaust flue gas temperature［J］.Electric Power，2012，45（7）：28-33.

［5］李建鋒，呂俊復.熱力塔系統用于空冷發電余熱利用的研究［J］.中國電機工程學報，2009，29（26）：19-24.LI Jianfeng，LüJunfu.A study of the chimney power used in the recuperation of the power plant［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29（26）：19-24.

［6］VANROOYEN J A，KROGER D G.Performance trends of an air-cooled steam condenser under windy conditions EJ-t［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2008，130（2）：1-7.

［7］李建鋒，呂俊復.熱力塔系統用于濕冷火電廠余熱利用及水回收研究［J］.中國電機工程學報，2010，30（23）：24-33.LI Jianfeng，LüJunfu.Studies on application of chimney power system in water-cooling power plants for waste heat utilization and water recovery［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30（23）：24-33.

［8］黃河，何芬，李政，等.中國整體煤氣化聯合循環電廠的經濟性估算模型［J］.動力工程，2008，28（4）：633-638.HUANG He，HE Fen，LI Zheng，etal.Integrated gasification combined cycle economic estimation model of China［J］.Journal of Power Engineering，2008，28（4）：633-638.

［9］堯國富，李建鋒，李斌.鍋爐與汽輪機等高設計研究［J］.工程設計學報，2012，19（2）：143-149.YAO Guofu，LI Jianfeng，LI Bin.Research on same height design of boiler and turbine［J］.Chinese Journal of Engineering Design，2012，19（2）：143-149.

［10］李建鋒，呂俊復.渦輪燃燒技術在渦扇航空發動機上的應用分析［J］.空氣動力學學報，2010，28（3）：358-362.LI Jianfeng，LüJunfu.Performance study of technology of combustion inside turbine using in fanjet［J］.Acta Aerodynamic Sinica，2010，28（3）：358-362.

［11］廉筱純，吳虎.航空發動機原理［M］.西安：西北工業大學出版社，2005.

［12］李建鋒，李斌，堯國富，等.燃氣輪機與鍋爐耦合系統提高電廠供電效率的研究［J］.中國電機工程學報，2012，32（14）：7-13.LI Jianfeng，LI Bin，YAO Guofu，etal.Research on systems coupled with gas turbines and boilers for power supply efficiency improvement of thermal power plants［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（14）：7-13.

［13］李斌，李建鋒，張全勝，等.燃氣輪機與鍋爐耦合系統降低電廠風機電耗的研究［J］.中國電機工程學報，2012，32（8）：50-57.LI Bin，LI Jianfeng，ZHANG Quansheng，etal.Research on systems coupled with gas turbines and boilers for power consumption reduction of fans in thermal power plants［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（8）：50-57.

［14］李建鋒，李斌，呂俊復.渦扇發動機技術用于降低火電機組廠用電分析［J］.機械工程學報，2012，48（18）：137-143.LI Jianfeng，LI Bin，LüJunfu.Analysis of transplanting turbofan engine technology to reducing power consumption rate of thermal power unit［J］.Journal of Mechanical Engineering，2012，48（18）：137-143.