火力發電廠煙氣余熱回收及熱力系統性能分析

楊大偉

【摘 要】對于煙氣進入脫硫塔前煙氣余熱利用問題，分析指出這部分煙氣余熱可通過低壓省煤器加熱凝結水，然后讓加熱后的凝結水再并入某級加熱器，從而提高機組效率的效率。根據溫度對口、按質用能、梯級利用的原則，提出了四種種集成發電方案，通過對機組經濟性、安全性對比得出最佳加熱方案。研究結果可為中低品位余熱的高效利用提供理論指導。

【關鍵詞】煙氣余熱;低壓省煤器;經濟性

0 引言

鍋爐煙氣濕法脫硫工藝需要將鍋爐排煙溫度降到50℃左右進入脫硫塔脫硫，脫硫后的凈煙氣需加熱到85℃左右，然后通過煙囪排放。若進入吸收塔前的煙氣溫度以125℃計，傳統煙氣再熱方法實際上意味著脫硫系統浪費掉了85℃～125℃這一溫度區間的熱量。

1 集成方案的提出

在低壓省煤器與燃煤機組集成的系統中，采用煙氣余熱加熱低溫給水，根據煙氣溫度特點可以有不同的集成方式，凝結水在低壓省煤器內吸收排煙熱量，降低排煙溫度，而凝結水自身被加熱、升高溫度后再次返回低壓加熱器系統。低壓省煤器串聯在低壓加熱器回路之中，代替部分低壓加熱器的作用，排擠部分或全部低壓缸抽汽，該排擠抽汽將從低壓抽汽口返回汽輪機繼續膨脹做功。如果機組輸出功率不變，則機組煤耗、熱耗、污染物排放量將減小;如果機組燃料消耗量不變，則機組可獲得更多的發電量。經過除塵之后的煙氣，進入低壓省煤器，經過煙水換熱，然后再流入脫硫塔進行脫硫。本文提出四種集成方案。

方案（a）：低壓省煤器與軸封加熱器出口串聯，加熱軸封加熱器出口的凝結水，低壓省煤器（LPE）出口與7號低壓加熱器入口相連，此種方式排擠了機組的8段抽汽，被排擠的抽汽返回汽輪機做功。

方案（b）：將低壓省煤器串入8號低壓加熱器和7號低壓加熱器之間，此種情況下給水經過低壓省煤器加熱后進入7號低壓加熱器。

方案（c）：低壓省煤器與8號低壓加熱器出口串聯，加熱8號低壓加熱器出口的給水，低壓省煤器（LPE）出口與6號低壓加熱器入口相連，此種方式排擠了機組的7段抽汽，被排擠的抽汽返回汽輪機做功。

方案（d）：將低壓省煤器串入7號低壓加熱器和6號低壓加熱器之間，此種情況下給水經過低壓省煤器加熱后進入6號低壓加熱器。

2 熱力學分析

對于低壓省煤器與機組集成的熱力系統，采用燃料節省型運行方式時，總的發電量與原燃煤機組相同，凝結水的熱量部分由低壓省煤器提供。煙氣與凝結水的換熱主要是對流換熱。

凝結水在低壓省煤器中與煙氣進行對流換熱，煙氣的入口溫度 T1和凝結水的入口溫度t1一般都是知道的。當低壓省煤器的結構已經確定以后，需要先假定一個低壓省煤器出口的溫度T2。根據這些參數，可以求出煙氣的放熱量Qs，以及總的換熱量Q，通過Qs與Q的比較，可以改進T2的假定值。計算的主要過程如下：

2.1 煙氣放熱量的計算

低壓省煤器中煙氣釋放的熱量為低壓省煤器進口煙氣焓和出口煙氣焓值之差，這個焓差值可以通過煙焓表計算確定。煙焓表一般都是通過計算煙氣中不同成分的焓值的調和平均值來確定，然后通過數學中的線性差值計算不同溫度下煙氣的焓值，進出口不同溫度下煙氣的焓值的差值就是所要求取的焓差，也就是本文所設定的煙氣放熱量，這個熱量也就是回熱系統中凝結水所吸收的熱量的來源。

2.2 傳熱溫差計算

煙氣與凝結水的換熱為逆流換熱，在沒有熱量損失的情況下，當煙氣的出口溫度確定后，煙氣的放熱量等于凝結水的吸熱量，此時可根據能量平衡及煙焓差計算凝結水的出口溫度。這時計算過程中需要確定逆流換熱過程中的一個平均溫差，本文在計算時采用傳熱學中經常使用的對數溫差來進行計算，對數溫差相對于普通的平均溫差來說計算的精度更大，更符合實際情況，特別是當進口溫差與出口溫差相差較大時，使用對數溫差能得到平均溫差不能達到的精度的結果。

2.3 傳熱系數計算

煙氣流經低壓省煤器與凝結水換熱時，忽略輻射損失及熱傳導損失，對流受熱面傳熱系數可以采用傳熱學中熱阻并聯的方式來確定。串聯的兩部分熱阻分別是煙氣側的熱阻以及水側的熱阻，相似于電工學中電阻并聯的方法就可以確定換熱過程的總熱阻。

煙氣對管壁的放熱系數可參考文獻[2]中關于煙氣換熱的換熱系數的計算關系式來實現。想要得到煙氣的換熱系數，就需要確定煙氣側的換熱系數，首先要確定關于煙氣流速以及換熱器的結構參數的相關數據，

這些數據也就是煙氣換熱器熱力計算的基礎，同時還有一部分管內換熱的概念，管內換熱也采用該文獻中的相關擬合公式用來確定，這時就要確定換熱器管內結構的相關參數，以及水在運動過程中的相關變動參量值。

在次基礎上，采用熱阻并聯的概念，就可以確定整個換熱過程中的換熱系數，通過換熱系數和換熱溫差就可以就可以計算整個過程的換熱速率[1]。

2.4 傳熱速率計算

換熱速率是換熱系數換熱面積與換熱溫差的乘積，這些數據均可通過上文所述的方法計算確定。這個換熱速率和煙氣放熱量從理論上講應該是相等的，但是計算過程中往往不能一次確定出口的煙氣和水的溫度的大小，這也是傳熱學中換熱器設計的一個過程，計算過程實際是一個不斷迭代出口溫度的過程，最終讓煙氣放熱量和總換熱量相等，就完成了最終的迭代。

3 安全性分析

煙氣露點溫度計算：煤在燃燒過程中產生二氧化硫，當排煙溫度過低時，就容易對受熱面造成低溫腐蝕。為了有效的防止低溫腐蝕的發生，確定鍋爐低溫受熱面的壁溫和鍋爐的運行條件，必須計算出硫酸蒸汽的酸露點溫度。如果出口的煙氣的溫度低于了酸露點，就會對低壓省煤器造成腐蝕，設備的壽命就會大大降低。所以在設定過程中酸露點是一個十分重要的概念。

4 經濟性分析

4.1 機組經濟性分析

系統的熱經濟性可借助等效焓降原理分析，將所吸收的排煙熱量作為外部純熱量引入系統，然后確定新蒸汽的等效焓降和機組新蒸汽的等效焓降增量，在二者的基礎上就可以確定機組效率相對提高率，從而得到機組熱耗、氣耗以及煤耗的變化量。再此基礎上就可以確定機組加裝低壓省煤器后全年節省的標煤量。

4.2 污染物減排量分析

在機組輸出功率不變的情況下，引入煙氣余熱利用系統，不僅降低了煤耗量，同時減少了污染物的排放量。污染物減排量基本與煤耗降低量和機組容量成正比。

5 算例分析

研究了一個300MW的機組的四種種集成形式，它們采用相同的低壓省煤器結構，只是采用了不同的耦合方式。根據所建立的數學模型計算了四種方案的出口煙溫和出口水溫，分析了機組的效率的變化以及二氧化碳的減排量。通過計算結果可以看出，方案a使機組的煤耗降低最多為2.893g/kWh，其次是方案c為2.181g/kWh，但是電廠中一般不采用前三種方案而采用采用方案d，其煤耗降低最少為1.435g/kWh，因為前三種方案使得低壓省煤器出口煙溫低于酸露點，容易對設備造成腐蝕。若近似取煙氣側金屬壁溫為出口煙溫，可以看出，只有d的金屬壁溫要高于酸露點的溫度，不易對設備造成腐蝕。

6 結論

通過對機組經濟性、安全性對比得出了最佳加熱方案。分析的結果如下：

（1）利用等效焓降法，對機組的經濟性進行了分析，a、b、c、d四種方案的煤耗分別降低了2.893g、1.886g、2.181g以及1.435g。因為前三種方案在經濟性上雖然占優勢，但是出口煙溫較低，容易腐蝕設備，故最終采用了方案d。

（2）在分析的過程中不能只看重經濟性，還要考慮到設備的壽命，綜合這兩種思路才能獲得最佳方案。

【參考文獻】

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].高等教育出版社，2012-9-27.

[2]莊俊，張紅.熱管技術及其工程應用[M].化學工業出版社，2000.

[責任編輯：楊玉潔]