鍋爐深度利用煙氣余熱變能級系統的原理與設計

常家星，段君寨，黃新元， 高鵬

(1.國網能源伊犁煤電有限公司，新疆 伊寧835000； 2.華電國際山東分公司，濟南 250101； 3.山東大學 能源與動力工程學院，濟南 250061； 4.山東泓奧電力科技有限公司，濟南 250101)

0 引言

隨著國內節能減排形勢的發展，鍋爐煙氣余熱利用領域出現了一些新的變化，這些變化可歸納為：(1)鍋爐排煙溫度從早期的125～130 ℃，下降到90～100 ℃，以最大限度地回收排煙余熱；(2)節能與環保密切協同，如低低溫省煤器配靜電除塵技術，在明顯提高除塵效率的同時，降低煙氣露點；(3)排煙溫度很高的機組越來越少，余熱的能級水平越來越低；(4)隨著火電機組全部完成選擇性催化還原(SCR)脫硝系統改造，鍋爐空氣預熱器的硫酸氫銨腐蝕和堵灰問題凸顯出來，除控制氨逃逸之外，提高空氣預熱器冷端綜合溫度也是有效措施之一。

本文介紹了一種鍋爐深度利用煙氣余熱變能級系統(以下簡稱變能級系統)，其特點可概括為：(1)煙氣余熱同時用于加熱送風和汽輪機凝結水，取得余熱能級提高和保護空氣預熱器的雙重效益；(2)將鍋爐出口煙氣溫度降至煙氣露點以下，達到深度節能和初級脫硫之目標。該技術已獲得國家發明專利(ZL 2010 1 0242930.X)。

1 變能級系統組成

變能級系統由高能級段(HES)、低能級段(LES)和空氣加熱段(AHS)3個單元組成，如圖1所示。所回收煙氣余熱分成2個部分：HES用于加熱汽輪機凝結水，排擠抽汽、增發功率來實現節能；LES借助閉式循環水和AHS,加熱入爐冷風，提高空氣預熱器進風溫度和排煙溫度，實施對空氣預熱器的保護。LES在提升進風溫度的同時，使排煙余熱和凝結水吸熱的能級提高，增益HES的標煤節省量。機組負荷、煤質變化時的調整由一個控制器(CSD)來執行。LES采用石墨改性漆膜鋼作為傳熱元件、安裝高聲強聲波吹灰器來應對極低煙溫下的受熱面低溫腐蝕和積灰問題。

圖1 變能級系統示意圖

2 設計方案

2.1 機組概況

某電廠#3鍋爐為1 025 t/h自燃循環汽包爐，配335 MW純凝發電機組。設計煤種為煙煤，設計鍋爐效率為92.5%，設計排煙溫度為134 ℃，實際運行時夏季滿負荷排煙溫度為135 ℃，年平均排煙溫度為120 ℃。空氣預熱器為三分倉回轉式。濕法脫硫系統已取消煙氣換熱器(GGH)。汽輪機組為335 MW亞臨界純凝機組，回熱系統為典型的四低三高一除氧型。設計熱耗率為8 140 kJ/(kW·h)。

2.2 布置與參數

圖2為所設計變能級系統的總體布置圖。按照低低溫靜電除塵器原理，將HES布置于靜電除塵器前，煙溫降至90 ℃，冷卻介質為汽輪機凝結水；LES布置于脫硫塔前，煙溫降至75 ℃，冷卻介質為鍋爐冷風。在LES與AHS之間以閉式水傳遞熱量。按常用負荷75%機組熱耗保證工況(THA)設計。原始排煙溫度120 ℃。在冬季工況下，關閉閥3、閥4、閥5，開啟閥1、閥2，HES與LES合并加熱鍋爐送風，排煙溫度從104 ℃降到97.5 ℃，實現冬季熱風加熱零汽耗。

圖2 變能級系統總體布置示意圖

變能級裝置布置于兩側煙道，截面尺寸4 400 mm×8 800 mm，其中HES的傳熱元件采用H型翅片管，LES的傳熱元件采用雙縱肋管。受熱面材質按金屬壁溫分段選擇。設計總傳熱面積31 200 m2,傳熱設備總質量530 t，系統主要設計參數見表1。

表1 主要設計性能參數(75%THA)

3 若干設計說明

3.1 能級提升

變能級余熱利用系統與常規低壓省煤器的最大區別是其運用了能級提升原理，現結合設計方案加以說明：利用煙氣余熱加熱空氣后，空氣預熱器進口風溫升高22.1 ℃，空氣預熱器出口煙溫升高11.3 ℃，煙溫升高就是煙氣能級的提升，煙氣能級提升后用于加熱凝結水即可獲得比常規低壓省煤器更多的排擠功。為此，變能級系統將加熱空氣裝置后置，高的煙溫首先加熱汽輪機凝結水，隨后再去加熱空氣，這個位置的顛倒，是能級提升的關鍵。參照表1和表2，HES的煙溫降區域是89.4～131.3 ℃，平均抽汽效率為0.173 1，若設計為常規低壓省煤器時，相應煙溫降區域為78～120 ℃，平均抽汽效率僅為0.138 4。

3.2 鍋爐效率

某電廠的空氣預熱器出口煙溫(排煙溫度)升高11.3 ℃，鍋爐效率升高0.135個百分點，這與常識似乎相悖。分析其原因在于升高溫度后的排煙并未終結向空氣傳熱過程。設計方案是將LES繼續加熱空氣的煙溫降低14 ℃，扣除排煙溫度升高值11.3 ℃，其差值為2.7 ℃，即加熱空氣多消耗的煙溫降(稱爐內煙溫降)，以此計算鍋爐效率升高為0.135個百分點。

實際上，依據GB/T 10184—1988 《電站鍋爐性能試驗規程》的排煙損失Q2計算公式，同樣可以得出結論：鍋爐效率隨排煙溫度升高而增加。

Q2=(Vgycgy+VH2OcH2O)(tPY-t0) ，

式中：tPY為排煙溫度，℃；t0為空氣預熱器進風溫度，℃；Vgy為干煙氣質量體積，m3/kg(標態，下同)；VH2O為水蒸氣質量體積，m3/kg；cgy為干煙氣比熱容，kJ/(m3·℃)(標態，下同)；cH2O為水蒸氣比熱容，kJ/(m3·℃)。

上式中，tpy隨t0的升高而升高，但其差值(tpy-t0)減小，故Q2損失降低。

以上分析結果表明，當排煙溫度的增加是由于非外來熱量加熱進風而引起時，排煙損失不僅不升高，反而降低。這里的非外來熱量是指環境溫度或排煙余熱，不包括用汽輪機抽汽加熱的暖風器。

3.3 空氣預熱器冷端保護

國內電廠普遍投運爐外脫硝裝置后，需應對空氣預熱器的冷端腐蝕、堵灰和差壓增大的問題。除降低氨的逃逸率之外，提高空氣預熱器冷端綜合溫度也是有效措施之一。設計方案是在非冬季工況下，利用煙氣余熱提升空氣溫度22.1 ℃，提高排煙溫度11.3 ℃，提高冷端綜合溫度33.4 ℃；在冬季工況下，利用煙氣余熱提升空氣溫度41.6 ℃，提高排煙溫度28 ℃，提高冷端綜合溫度69.6 ℃。因此，變能級系統還具有常年減緩空氣預熱器腐蝕、積灰，減小空氣預熱器差壓的功能。

3.4 受熱面腐蝕、堵灰對策

(1)材質選擇。該工程煙氣露點99.4 ℃，最低壁溫90 ℃為有限腐蝕區下界，75 ℃為酸結露腐蝕區下界，65 ℃為水結露腐蝕區下界。按以下原則選擇金屬材料：管排最低壁溫高于90 ℃時，選用20 G鋼；管排最低壁溫在75～90 ℃區間，選用ND鋼；管排最低壁溫低于75 ℃，選用ZS-1041鋼(石墨改性漆膜鋼)。以上3種材料的相應傳熱面積比例為0.37∶0.40∶0.23。所研制的ZS-1041材料的防腐蝕性能與其他材料的對比試驗結果見表3。

表3 試件在φ(H2SO4)=10%溶劑中的腐蝕速率

(2)壁溫控制。各級受熱面均設計進口水溫的調節裝置，在任意負荷下保持與該級金屬材料的匹配。

(3)傳熱管結構。LES的傳熱元件采用小直徑低直翅光管,其防積灰性能優于“H”型翅片管。

(4)設置清灰裝置。在LES安裝可調頻高聲強吹灰器，實施運行連續吹灰；安裝高壓離線清洗裝置，停爐期間一次性徹底清灰。

4 變能級系統與常規低壓省煤器的比較

本文主要比較變能級系統與常規低壓省煤器的熱經濟性。

4.1 比較原則

(1)兩種系統的設計傳熱面積、設備質量相同。

(2)兩種系統的最低管排壁溫相同。

(3)冬季工況維持風溫升相同，非冬季工況低壓省煤器水量按最佳水量選取[2]。

4.2 計算方法

(1)變能級系統。在非冬季工況下，HES的熱量用于機側，采用等效熱降法計算其熱經濟性。LES的熱量用于爐側，采用常規算法計算鍋爐效率。總的熱經濟性為機側、爐側兩部分之和。在冬季工況下，高、低能級段的全部煙氣用于加熱鍋爐送風，效益按其所節省的常規暖風器抽汽計算。

(2)常規低壓省煤器。按等效焓降法計算熱經濟性。在冬季工況下，低壓省煤器進口煙溫按暖風器投入后的排煙溫度選取。

4.3 比較結果

變能級系統與常規低壓省煤器的節能量比較見表2。

表中數據表明，變能級系統與常規低壓省煤器方案相比，按冬季運行3個月，非冬季運行9個月計算，全年可多節省標準煤0.59 g/(kW·h)，空氣預熱器提高冷端綜合溫度33.4 ℃，常規低壓省煤器沒有這一功能。在冬季工況下，變能級系統排擠的抽汽的能級(除氧器)高于常規低壓省煤器(2，3級)，故冬季工況的節能量也是前者多于后者。

5 不同煙溫降方案的比較

為評定降煙溫至75 ℃的技術經濟合理性，選擇2個不同煙溫降方案進行比較。方案1從120 ℃降低到75 ℃，方案2為比對方案，從120 ℃降低到95 ℃。主要結果見表4。

表4 不同煙溫降方案計算結果匯總

表4中標煤價格按650元/t計算。在此煤價下，方案1的回收期略優于方案2。如果煤價下降，則投資回收期延長，方案1不及方案2，反之若煤價升高，方案1的優越性則比較明顯。

6 結論

(1)變能級系統利用變能級原理使低煙溫區加熱鍋爐送風、高煙溫區加熱汽輪機凝結水，既可以提高空氣預熱器的金屬壁溫，又可以增加排擠抽汽的能級，可比常規低壓省煤器節省供電煤耗0.5～0.6 g/(kW·h)。鍋爐的原始排煙溫度越低，變能級系統相對常規低壓省煤器的標煤節省越多。

(2)對低低溫煙氣環境下的抗腐蝕材料ZS-1041進行了試驗研究，按照腐蝕速率從小到大的排序習慣，依次排序為：ZS-1041，ND，12Cr1MoV，T91，20G。

(3)在采取有效措施后，變能級系統可將煙溫深度降低到露點以下。技術經濟比較結果表明，降低到75 ℃的變能級系統，其投資回收年限略小于降低到95 ℃的變能級系統。入廠煤價越高，投資回收年限的差異越大。

(4)對于利用煙氣自身余熱加熱鍋爐送風的系統，鍋爐效率會隨著排煙溫度的升高而增加。大致的定量關系為，排煙溫度每升高1 ℃，鍋爐效率提高約0.012個百分點。

(5)變能級系統尤其適用于原始排煙溫度較低的鍋爐(115～125 ℃)。該系統能夠達到節省標煤、空氣預熱器冷端保護、低低溫提高靜電除塵器效率、降低煙風機電耗的效果。

參考文獻：

[1]林萬超.火電廠熱系統節能理論[M].西安:西安交通大學出版社，1994.

[2]黃新元,平亞明，孫奉仲，等. 火電廠低壓省煤器系統的最優水量分配[J].水動力學研究與進展，2003(5):526-531.