深度利用煙氣回熱循環對于電廠性能及指標的影響

高巖++高緒棟++彭吉偉+++欒濤

摘 要：本文研究了深度利用煙氣回熱循環技術對于電廠性能及指標的影響，通過熱量轉移和置換能級，使得加熱回熱系統的余熱能級得以提升，系統效率得到提高，燃煤機組發電煤耗減小。該系統同時具備爐側煙氣回熱循環和機側煙氣回熱循環的優勢，且避免了他們的不足，更加有效提高了機組效率，是燃煤電廠深度節能減排并安全可靠運行的先進技術。

關鍵詞：煙氣回熱循環；低溫省煤器；高溫省煤器；前置式空預器

1 前言

煙氣回熱循環系統在國外較早已得到應用，國內近年來在該系統的研究中也積累了一定的經驗[1]。機側煙氣回熱循環是采用前置式熱管空氣預熱器回收鍋爐廢熱，是近幾年正在逐步推廣的一項新技術。在空氣預熱器后安裝前置式熱管空氣預熱器，冷空氣首先流經熱管空氣預熱器，被加熱到一定溫度后，再進入空氣預熱器。采用該設備能夠有效減輕空氣預熱器低溫腐蝕程度。但采用煙氣余熱加熱空預器入口的冷空氣，會改變鍋爐輻射換熱與對流換熱的比例，導致爐膛出口煙溫升高，進而使得在尾部豎井的煙道上，對流受熱面的煙溫隨之提高。計算表明，該裝置效率較低，僅為10%左右，鍋爐煙氣余熱用于加熱冷空氣回收的熱量有很大部分是沒用的。新增前置式空氣預熱器，回收的熱量造成空預器入口風溫提高，傳熱溫差減小，換熱量下降，最終導致排煙溫度升高。

機側煙氣回熱循環是從凝結水系統中引一路凝結水到鍋爐尾部煙道，利用排煙余熱加熱凝結水，凝結水吸收熱量后，再送回到回熱系統的適當位置。這種方法降低了鍋爐排煙溫度，沒有熱量進入鍋爐本體，不會對鍋爐產生負面影響。目前煙氣余熱加熱凝結水的低壓省煤器技術成為火電機組鍋爐煙氣余熱利用的主要有效途徑。但低壓省煤器余熱利用排擠汽輪機低參數抽汽，該技術對于提高機組效率、降低煤耗及能耗的作用較為有限，特別是對于百萬級機組，尚屬于較為低層次的熱量回收應用，煙氣中仍有大量的高能級余熱未加以回收利用。

爐側煙氣回熱循環系統能夠減小空氣預熱器冷端熵產，該系統熱經濟性不受鍋爐排煙溫度局限，但其實際利用的煙氣熱量減少，會導致熱經濟性較低；機側煙氣回熱循環的熱經濟性主要受到電站鍋爐排煙溫度的限制，當鍋爐排煙溫度降低時，其熱經濟性會大幅下降[2]。

低溫煙氣換熱元件在抗低溫腐蝕研究中取得了較多成果[3-6]，可以應用于燃煤電廠低溫排煙余熱深度利用中。通過對煙氣回熱循環系統深入優化，能夠降低機組熵產與做功能力損失，使經濟性得以提升。本文將機側煙氣回熱循環與爐側煙氣回熱循環進行結合，從提高煙氣余熱利用能級角度進行優化，提出了深度利用煙氣回熱循環系統，并對該系統進行了熱平衡分析，根據回收煙氣余熱的不同利用途徑，進行了經濟性計算，通過某1000MW超超臨界機組的應用計算，驗證了深度利用煙氣回熱循環系統具有較高的熱經濟性。

2 深度利用煙氣回熱循環系統熱平衡分析

深度利用煙氣回熱循環系統采用鍋爐排煙余熱加熱冷風、凝結水與給水，提升低溫煙氣的能級，使得余熱利用效率得到大幅提高。該技術核心是通過排煙余熱利用系統設備的合理組合，從系統的角度，通過熱量轉移、能級置換等手段，使加熱回熱系統的余熱能級得到提高，進而獲得較大的經濟效益。

爐側煙氣回熱循環是在空氣進入空預器前，先采用煙氣余熱加熱，使空預器冷端端差變小。但該技術會導致空預器出口煙溫升高，換熱量變小。如同時采用機側煙氣回熱循環系統，可不減少被利用的煙氣熱量，利用煙氣受熱面加熱鍋爐給水或汽輪機凝結水。采用空預器煙氣旁路，可以使高溫煙氣通過空預器旁路的煙氣冷卻器，用來加熱抽汽加熱器的給水和凝結水。利用旁路的煙氣調節器，可將空預器后主路與旁路出口的煙氣溫度同時降至原額定工況下的排煙溫度。

圖1是深度利用煙氣回熱循環系統熱平衡t-q圖，橫坐標表示煙氣或空氣相對于1kg新蒸汽的傳熱量（KJ/Kg），縱坐標表示煙氣或空氣的溫度。各連線的斜率表示煙氣或空氣的單位熱容的倒數。

線段ec與of分別表示未采用深度利用煙氣回熱系統時，空預器煙氣與空氣的傳熱量。在某工況下，采用深度利用煙氣回熱系統時，空預器的空氣進口溫度由to增大到ta，空氣出口溫度由tf減小到tg，煙溫出口由tc增大到tb。此時，eb與ag分別表示空預器煙氣與空氣的傳熱量。傳熱平衡方程為：

△qgf-△qge=△qae+qw （△qae<0）

上式等號左端為實際煙氣回收熱量，等號右端為不同利用途徑的煙氣回收熱量。在深度利用煙氣回熱系統中，一部分回熱循環的煙氣回收熱量增大了空預器出口熱風熱量，另一部分增大了凝結水和給水的熱量?？疹A器后煙氣主路和旁路的煙氣溫度同時降為原額定工況下的排煙溫度。此時，煙氣換熱量在低溫煙氣冷卻器進口前減少的量為△qge=0，上式變為：

△qgf=△qae+qw

冷空氣在前置式空氣預熱器中被煙氣余熱加熱，其空氣進口溫度上升，使得空預器傳熱溫差減小，換熱量降低，且排煙溫度和熱風溫度都升高。所以僅使用前置式空氣預熱器，絕大部分煙氣余熱沒有得到利用。采用煙氣旁路時，空預器中通過的煙氣量減少，熱風溫度得到降低，可降至原額定工況下的排煙溫度；利用旁路煙氣熱量加熱給水和凝結水，煙氣溫度得到降，也可降至原額定工況下的排煙溫度。流經旁路的煙氣溫度比常規排煙溫度高，所以利用其加熱給水和凝結水，可以得到更高的出口溫度，甚至不流經高壓加熱器直接進入省煤器。采用此方法可以使低能級熱量的能級升高，使鍋爐煙氣余熱在高能級狀態下被深度利用。

3 深度利用煙氣回熱循環工程計算與分析

本文以1000MW超超臨界機組為例，鍋爐最大連續蒸發量3125 t/h，主蒸汽溫度605℃，壓力29.4MPa（a），再熱蒸汽溫度605℃。汽輪機額定功率為1050MW，間接空冷凝汽式汽輪機，具有8級非調整回熱抽汽。

3.1 深度利用煙氣回熱循環系統參數設計endprint

深度利用煙氣回熱循環系統中主要回熱裝置：

（1）前置式空氣預熱器，設置在空預器之后，進入空預器的冷空氣被低溫段低壓省煤器回收的煙氣余熱加熱；

（2）一級高溫加熱器和二級低溫加熱器，設置在空預器的煙氣旁路上。一級高溫加熱器用于加熱給水，二級低溫加熱器用于加熱凝結水。深度利用煙氣回熱循環系統結構如圖2所示。

1）除塵器前煙氣系統：高溫煙氣流經省煤器，在脫硝裝置后分為兩路，一路流經空預器，約占82%；另一路進入空預器煙氣旁路，約18%，依次流經一級高溫加熱器和二級低溫加熱器，經換熱后，煙氣出口溫度與空預器出口相同。在空預器出口處，兩路煙氣匯合，流入除塵器?？疹A器冷空氣平均溫度21℃，空預器熱風平均溫度380℃，空預器排煙溫度123℃。

2）引風機后煙氣系統：從引風機排出的低溫煙氣依次流經煙氣擋板門、低溫低壓省煤器、煙氣擋板門，然后進入脫硫塔。低溫低壓省煤器進口煙溫123℃，出口煙溫93℃，煙溫降低30℃，換熱量27987.57kW。

3）送風系統：一次風機出口的冷風經過一次風前置空預器后，風溫提高，再進入空氣預熱器；二次風機出口的冷風流經二次風前置空預器后，進入空氣預熱器。前置空預器熱源來自于低溫換熱器，進口空氣平均溫度21℃，出口空氣平均溫度61℃，換熱量27987.57kW。

4）一級高溫加熱器回路：給水在給水泵出口分為兩路，一路仍為高壓加熱器系統管路，另一路形成一級高溫加熱器回路，在省煤器中，與高溫煙氣逆流換熱。經換熱后，一級高溫加熱器出口水溫與1#高加出口水溫相同，兩支路在鍋爐側給水操作平臺之前混合。旁路一級高溫加熱器進口煙溫380℃，出口煙溫230℃，進口水溫189.1℃，出口水溫301.4℃，給水流量114.7t/h，換熱量17510.57kW。

5）二級低溫加熱器回路：在7#低加的進出口分別設置取水管路，以7#低加THA工況下的進水溫度作為回路設計溫度，回路出口凝結水流入除氧器。二級低溫加熱器回路與流經一級高溫加熱器的煙氣逆流換熱，二級低溫加熱器回路的回水點布于凝結水量測點前。旁路二級低溫加熱器進口煙溫230℃，出口煙溫123℃，進口水溫85.8℃，出口水溫160℃，凝結水流量128.5t/h，換熱量10477kW。

6）閉式循環水回路：在前置空預器與低溫換熱器之間為閉式水系統，由水泵克服循環管路的阻力，實現煙氣余熱加熱冷風的目的。

3.2 深度利用煙氣回熱循環系統經濟性計算分析

采用動態投資回收期法計算出深度利用煙氣回熱循環系統投資差額的回收年限。設投資差額回收年限為n，則：

n=1-log（1+i） （1-ΔU×i×（1+i）/ΔB）

式中：ΔU為與基準相比投資增加的費用（萬元）；ΔB為本方案帶來的收益（萬元）；i為年利率（%），本工程取6.55%。

回收年限n=6.44年。

采用深度利用煙氣回熱循環系統在發電標煤耗、燃煤費用、運行費用等方面均優于未采用的系統，其主要經濟性參數列于表1中。

4 結語

深度利用煙氣回熱循環系統有機整合了利用排煙余熱的設備，采用熱量轉移和能級置換，使加熱回熱系統的余熱能級得到提高，進而使得經濟效益大幅提升。該系統同時具備爐側煙氣回熱循環和機側煙氣回熱循環的優勢，且避免了他們的不足，更加有效提高了機組效率。某1000MW超超臨界機組采用深度利用煙氣回熱循環系統，電廠發電標煤耗降低2.67 g/kW·h，年標煤消耗節省1.54噸，年運行費用節省776.69萬元，該系統是實現電廠深度節能并安全可靠運行的有效技術手段。

參考文獻：

[1]陸萬鵬，孫奉仲，史月濤.電站鍋爐排煙余熱能級提升系統火用分析[J].中國電機工程學報，2012，23（32）：09-14.

[2]陸萬鵬.基于電站鍋爐排煙余熱的機爐煙氣回熱循環理論與應用研究[D].山東大學，2012.

[3]Gao Y， Luan T， Lü T， et al. Performance of V2O5-WO3-MoO3/TiO2 Catalyst for Selective Catalytic Reduction of NOx by NH3[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering， 2013，21（01）：01-07.

[4]Gao Y， Luan T， Cheng K， et al. Industrial experiment on selective catalytic reduction honeycomb catalyst [J]. Proceedings of the Chinese Society of Electrical Engineering， 2011，31（35）：21-28.

[5]Gao Y， Luan T， Lv T， Xu H. The Mo Loading Effect on Thermo Stability and SO2 Oxidation of SCR Catalyst [J]. Advanced Materials Research，2012（573）：58-62.

[6]Gao Y， Luan T， Lv T， Xu H. The Mo loading effect on SCR deNOx performance for V-W-Mo/TiO2 catalyst [J]. Applied Mechanics and Materials，2012（229）：126-129.

通訊作者：欒濤endprint