鍋爐排煙余熱高能級深度利用研究

梁巖 LIANG Yan

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013）

（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute CORR,Ltd.，Ji'nan 250013，China）

0 引言

本文依托我院設計的1000MW級超超臨界燃煤機組工程，對加裝低溫煙氣換熱器方案做了深入的研究。經(jīng)測算，設置低溫煙氣換熱器后，進入脫硫吸收塔的煙氣溫度由120℃降為85℃，降低汽輪機熱耗37kJ/kwh，發(fā)電標準煤耗降低約1.354g/kWh，單臺1000MW機組年節(jié)標煤量約0.745萬噸；進入吸收塔煙氣溫度降低，所以吸收塔噴水量相應減少約68.26t/h，單臺1000MW機組年節(jié)水量約37.5萬噸，將有效實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水。

1 煙氣換熱器工藝系統(tǒng)

1.1 節(jié)能優(yōu)化意義 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展以及環(huán)保要求的提高，越來越多的大型火力發(fā)電廠投入使用，給社會帶來很大的效益。但由于資源的日趨緊張以及用戶的燃料費用大幅提高，提高發(fā)電機組的效益日趨迫切，而且國家又新出臺節(jié)能政策和標準，對節(jié)能提出了新的要求，節(jié)能降耗日益成為主要研究課題。為了達到節(jié)約資源的目的，首先從設計上應做到按最佳經(jīng)濟性原則擬定熱力系統(tǒng)和選擇設備，做到工藝系統(tǒng)流程合理，設備技術先進，節(jié)能效果明顯，施工安裝方便，運行安全經(jīng)濟，從而實現(xiàn)節(jié)能目標。

1.2 工藝必要性 排煙熱損失是鍋爐各項熱損失中最大的一項，一般約為5%～12%，占鍋爐熱損失的60%～70%。影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度，一般情況下，排煙溫度每增加10℃，排煙熱損失增加0.6%～1.0%。所以，降低排煙溫度對于節(jié)約燃料、降低污染具有重要的實際意義。本文按采用石灰石濕法脫硫系統(tǒng)，由引風機出口來的煙氣要經(jīng)噴淋、脫硫等工藝從吸收塔入口的120℃左右最終降低到50℃左右從脫硫系統(tǒng)排出，這一工藝系統(tǒng)浪費了大量的水和能源。在吸風機出口煙道加裝煙氣余熱回收裝置，將來自回熱系統(tǒng)的凝結水加熱后回至凝結水回熱加熱系統(tǒng)。采用凝結水回收煙氣余熱，可以顯著降低汽輪機熱耗，降低發(fā)電煤耗，提高電廠熱效率。

1.3 工藝流程 機組BMCR工況運行時，空預器出口排煙溫度為120℃，過高的排煙溫度損失了大量的熱量，降低了機組效率。為實現(xiàn)節(jié)能減排目標，根據(jù)電廠煙道的布置情況及節(jié)能要求，擬在機組空預器后至脫硫塔前的煙道內加裝煙氣冷卻器，冷卻水采用凝結水，以降低煙氣溫度，充分利用煙氣余熱，提高機組能源利用效率。根據(jù)設計經(jīng)驗并結合電廠實際情況，低溫省煤器的設置可以采用兩級方案：第一級低溫省煤器設置在除塵器前，由于排煙溫度降低，煙氣體積減小，飛灰比電阻降低，可大大提高除塵器的收塵性，對新建機組除塵器設計上可采用較小的除塵器規(guī)格、較少的能耗、較低的占地，對于改造機組可實現(xiàn)更高的除塵效率，降低排放煙氣中的含塵量；但由于煙氣酸露點的計算溫度為84.9℃，需保證低溫受熱面金屬壁溫高出煙氣酸露點溫度10℃左右，才能避免產生低溫腐蝕，煙氣冷卻器換熱面也能避免出現(xiàn)粘性積灰，因此第一級低溫省煤器排煙溫度控制在95℃。第二級低溫省煤器設置在引風機后，這樣可以進一步利用煙氣的余熱量，并節(jié)約脫硫用水，此時煙氣溫度可降至85℃。

凝結水的接出及接入位置，根據(jù)排煙溫度及熱平衡圖中的凝結水溫度來確定。本文暫按排煙溫度為85℃，8號低加出口凝結水溫度為83.5℃，因此煙氣余熱利用效率最高的方案為凝結水從9號低加之后抽出一部份流量至低溫省煤器，經(jīng)過煙氣加熱后接入8號低壓加熱器出口，即與8號低加的凝結水流程并列的形式。具體工藝流程見圖1。

圖1 煙氣換熱器流程圖

2 低溫煙氣換熱器技術方案

2.1 設計參數(shù) 根據(jù)煙風系統(tǒng)計算和原則性熱力系統(tǒng)圖，引風機出口煙氣溫度為85℃；8號低加水側壓力1.328MPa，入口溫度58.8℃，出口溫度83.5℃，凝結水量約1787t/h。根據(jù)煙氣與凝結水換熱平衡計算，低溫煙氣換熱器設計煙氣側入口煙氣溫度為120℃，煙氣側出口溫度為85℃，煙氣溫度降低約35℃，可以將1337t的凝結水由58.8℃加熱至83.5℃。每臺爐設置一臺低溫煙氣換熱器裝置。低溫煙氣換熱器設計數(shù)據(jù)見表1。

表1 低溫煙氣換熱器設計數(shù)據(jù)表（單臺機組）

根據(jù)汽機廠熱平衡圖，利用steam-pro軟件對增加了低溫省煤器后的汽機熱耗進行了計算，結果見圖2，經(jīng)過計算可降低熱耗37kJ/kWh，發(fā)電標煤耗降低1.354g/kWh。按照年利用小時數(shù)5500小時計算，單臺1000MW機組年節(jié)約標煤耗0.745萬噸。

2.2 設備運行方式 由熱平衡圖THA工況，1臺機組額定工況下凝結水量約1787t/h，而進入低溫煙氣換熱器的凝結水為1337t/h，所以低溫煙氣換熱器和8號低加并聯(lián)運行。在系統(tǒng)設計中，低溫省煤器后至8號低加出口管道上加裝調節(jié)閥。在系統(tǒng)運行中，當熱量回收裝置出水溫度低于8號低加出水溫度時，減小調節(jié)閥開度，增加8號低加進水流量，減少低溫煙氣換熱器進水流量，直至低溫煙氣換熱器出水溫度和8號低加出水溫度相等；當熱量回收裝置出水溫度高于8號低加出水溫度時，增大調節(jié)閥開度，減少8號低加進水流量，增加熱量回收裝置進水流量，直至熱量回收裝置出水溫度和8號低加出水溫度相等。

2.3 材質選擇及設備形式 由于煙氣冷卻器的傳熱溫差小，為使受熱面結構緊湊以減小體積，并減少材料耗量，傳熱管必須采用擴展受熱面強化傳熱。

目前較為常用的擴展受熱面是H翅片管和螺旋翅片管。在火電廠實際運行過程中，發(fā)現(xiàn)螺旋翅片管換熱器容易積灰、磨損等缺點，而H翅片管較螺旋翅片管來說，其阻力小、積灰輕、易清灰、耐磨損、壽命長，由于換熱器結構緊湊，體積較小便于布置，其應用廣泛。因此，本項目中煙氣冷卻器的傳熱管采用H型翅片管。

圖2 帶低溫省煤器熱平衡計算結果

由于煙氣深度冷卻器工作介質的傳熱溫差小，為使受熱面結構緊湊以減小體積，并減少材料耗量，傳熱管必須采用擴展受熱面強化傳熱。H翅片管作為換熱元件，由于其制造工藝簡單，能增大管外換熱面積，強化傳熱，因而在常規(guī)鍋爐設計與改造、利用中低溫余熱的余熱鍋爐以及其它燃汽鍋爐換熱設備中得到了廣泛的應用。

3 經(jīng)濟效益分析

3.1 投資分析 設備的初投資費用列表如表2（單臺機組）。

3.2 資源節(jié)約量分析 采用該裝置的節(jié)煤和節(jié)水情況，年利用小時數(shù)按5500考慮，詳細的數(shù)據(jù)見表3。

表2

表3 年資源節(jié)約量計算（單臺機組）

3.3 運行維護費用 煙道加裝低溫煙氣換熱器后，系統(tǒng)阻力增大，引風機運行功耗會相應增加。因此設備年運行費用包括系統(tǒng)設備的年維護費用、煙道加裝煙氣換熱器增加系統(tǒng)阻力帶來的引風機運行功耗增加的年費用等。設備年運行維護費用列表如表4。

表4 年運行維護費用（單臺機組）

表5 收益分析（單臺機組）

3.4 收益分析（見表5）

4 結論

據(jù)本文測算，采用低溫省煤器方案，進入脫硫吸收塔的煙氣溫度由120℃降為85℃，因而單臺1000MW機組吸收塔噴水量相應減少約68.26t/h，年節(jié)水量約37.5萬噸；發(fā)電標準煤耗降低1.354g/kWh，年節(jié)標煤量約0.745萬噸。另外，低溫省煤器可以與除塵器相結合，對除塵效果有利。

在煤炭和水資源日益寶貴的今天，如何實現(xiàn)資源的最高效利用是國家和企業(yè)面臨的重要難題。低溫煙氣換熱器煙氣余熱回收裝置同時節(jié)約了寶貴的煤炭和水資源，并且本工藝其工程實施的可行性好，節(jié)能、節(jié)水效果顯著，具有巨大的環(huán)境效益、資源效益和企業(yè)效益。

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