火電機組低壓省煤器節能效果的定量解析

吳 文，石奇光，曾大海

（上海電力學院 能源與機械工程學院，上海 200090）

0 概 述

低壓省煤器是一種有效的節能設備，已在火電機組中得到廣泛應用。低壓省煤器是通過降低鍋爐的排煙溫度，回收煙氣中的余熱，加熱汽輪機回熱系統的凝結水，達到節能的目的。

在我國有關省煤器的文獻中，就有徐永康，林萬超等關于低壓省煤器節能技術［1，2］方面的論述，并定量分析了低壓省煤器的節能效果。任彥等［3］通過實際的電廠測量計算，驗證了低壓省煤器也是節能的。張紅方等［4］通過等效焓降法，定量計算了330 MW機組應用低壓省煤器后的省煤量。火力發電廠由三大熱力系統組成，即為鍋爐熱力系統、管道熱力系統和汽輪發電機組熱力系統。機組的熱經濟性與三大系統的節能運行息息相關。然而，對于低壓省煤器的節能效果對三大熱力系統產生的影響，有關這方面的研究文獻仍不多見。

現以某300MW機組為例，定量分析低壓省煤器對鍋爐熱效率、管道熱效率和汽輪發電機組效率的影響。全面分析低壓省煤器的節能效果，所得結論在推廣應用低壓省煤器及完善節能理論上均有實際意義。

1 低壓省煤器連接系統

低壓省煤器一般安裝在鍋爐空預器之后，除塵器之前，有串聯和并聯兩種布置方式［2］。并聯連接是指部分凝結水進入低壓省煤器吸收煙氣余熱，與汽輪機的低壓加熱器并聯（或多臺并聯）。串聯連接是指低壓省煤器串聯在2臺低壓加熱器之間，凝結水全部或部分進入其中加熱。

鍋爐的排煙溫度高，會增大排煙損失，降低鍋爐的熱效率，而低壓省煤器利用鍋爐的煙氣余熱，加熱凝結水，獲得了節能效果。

發電煤耗b：

其中：ηb—鍋爐熱效率；

ηp—管道熱效率；

ηe—汽輪發電機組效率；

q1—煤的低位發熱量，kJ／kg。

如式（1）和式（2）所示，電廠熱效率包括了鍋爐熱效率、管道熱效率和汽輪發電機組效率。提高了電廠的熱效率，機組的發電煤耗才會降低。分析低壓省煤器對火電廠的熱經濟性影響，就應該分析低壓省煤器對鍋爐熱力系統、管道熱力系統和汽輪機熱力系統各個效率的影響。

根據熱力發電廠的系統布置，低壓省煤器處在鍋爐熱力系統邊界內，其水側連接于汽輪機熱力系統，如圖1所示。

圖1 低壓省煤器與熱力系統的連接

2 低壓省煤器的熱經濟性

以某315MW機組的原則性系統為例，定量分析低壓省煤器對三大熱力系統熱經濟性的影響。熱力系統的布置，如圖2所示。

圖2 315MW機組原則性系統

該機組為亞臨界一次中間再熱300MW凝氣式機組，系統中的低壓省煤器采用了串聯連接方式。

2.1 對鍋爐熱效率的影響

根據熱力系統的布置，應用低壓省煤器后，鍋爐的熱負荷Qb為：

鍋爐正平衡效率為［6］：

式（4）中，Qcp為全廠熱耗量。

鍋爐熱損失：

鍋爐反平衡效率為：

式（5）中：Q1為排煙熱損失，Q2為氣體不完全燃燒熱損失，Q3為固體不完全燃燒熱損失，Q4為散熱損失，Q5為其他熱損失。排煙熱損失所占的比重最大，而影響排煙熱損失的主要因素就是排煙溫度和煙氣容積。排煙溫度對鍋爐熱效率的影響曲線，如圖3所示。排煙溫度越高，熱損失就越大，排煙溫度提高15℃，鍋爐熱效率降低0.9%［7］。

圖3 排煙溫度對鍋爐熱效率影響［7］

從反平衡進行分析，火電廠在應用低壓省煤器后，鍋爐的排煙溫度是降低的。當排煙熱損失減少，在其他損失基本不變的前提下，鍋爐熱效率是提高的。通過正平衡分析，同樣可發現，當應用低壓省煤器后，鍋爐負荷比未應用前多了一項Ddy（h0dy－hidny），即低壓省煤器回收了鍋爐煙氣余熱，提高了鍋爐熱效率。

2.2 對管道熱效率的影響

在火力發電廠的熱經濟性計算中，通常取管道熱效率為99%。事實上，火力發電廠管道熱效率達不到該值。通過管道熱效率正平衡和反平衡方法，分別分析低壓省煤器對管道熱效率的影響是必要的。反平衡算法［8］是從管道損失的角度去考慮，管道損失ΔQp一般分為：一是散熱損失類，包括新蒸汽管道散熱損失q1，再熱蒸汽管道散熱損失q2，給水管道散熱損失q3；二是帶熱量工質泄露損失類，如系統汽側和水側帶熱量工質泄露熱損失q4；三是輔助系統損失類，如廠用輔助蒸汽系統熱損失q5和鍋爐連續排污熱損失q6。而在應用低壓省煤器的機組中，如圖2的系統布置中，還需要考慮低壓省煤器冷段和熱段管道的散熱損失q7。

管道反平衡熱效率為：

管道熱損失：

管道正平衡熱效率為：

機組在應用低壓省煤器后，管道的散熱損失多了一項q7，所以管道熱效率是降低的。

2.3 對汽輪發電機組效率的影響

汽輪發電機組效率ηe包括汽機絕對內效率ηi和機電效率ηmg，當機電效率保持不變時，只需分析低壓省煤器對絕對內效率的影響。

當汽輪機的汽耗量為D0時，其實際內功為Wi，kJ／h；絕對內效率ηi為［5］：

以汽輪機的進汽為1kg計，它的比內功ωi關系式：

式（12）中：ac—凝汽份額；aj—1至n號加熱器抽汽份額；Δhci—每kg凝汽流的實際焓降，kJ／kg；Δhri—回熱抽汽的實際焓降，kJ／kg。

當使用低壓省煤器時，利用煙氣余熱加熱汽輪機回熱系統的凝結水，會排擠低壓加熱器的抽汽，增大機組凝汽流的流量，降低了汽輪發電機組的效率。

綜上所述，使用低壓省煤器后，鍋爐的熱效率會得到提高，管道熱效率和汽輪發電機組效率均會下降。

現通過實例計算，驗證低壓省煤器對電廠三大熱力系統及全廠熱經濟性的影響。

3 計算案例

某電廠鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、自然循環鍋爐。汽輪機為單軸、雙缸雙排汽一次中間再熱，高中壓缸合缸反動凝氣式。當機組負荷為315MW時，運行參數如表1所示。

表1 315MW機組參數

低壓省煤器為串聯布置，如圖2所示。省煤器水側的進口在6號低壓加熱器的水側出口，被加熱后的凝結水通往5號低壓加熱器的水側進口。低壓省煤器的設計參數：進口煙氣溫度為152℃，煙氣焓為158.9kJ／kg，出口煙氣溫度為122.5℃，煙氣焓為127.6kJ／kg，煙氣質量流量為1331.4t／h；進口凝結水溫度為105.2℃，焓值為442.1kJ／kg，出口水溫為118.6℃，焓值為498.9kJ／kg，凝結水流量為733.74t／h。

3.1 節能效果分析

以反平衡方法計算管道熱效率時，新蒸汽管道、冷熱再熱管道和主給水管道是從鍋爐側連接到汽機側，由于距離較遠，溫度一般會降低1～2K。計算時，統一以1K溫降為標準。在應用低壓省煤器的機組中，管道是從汽機側到鍋爐側，需要考慮散熱損失。帶熱量工質的泄漏產生了熱損失，近似認為蒸汽泄漏主要集中在主蒸汽管道和再熱蒸汽管道兩處，泄漏量為8.669 1t／h。廠用蒸汽量為5.779 4 t／h，返回水份額為零。回熱加熱器的運行參數，如表2所示。

表2 回熱加熱器參數 （kJ／kg）

根據熱力發電廠原理［5］，參照表2各回熱加熱器的參數，在額定功率315MW的情況下，按照公式1～12可得到應用低壓省煤器前后鍋爐熱效率ηb、管道熱效率ηp、絕對內效率ηi、全廠效率ηcp和發電煤耗的變化值，如表3、表4所示。

表3 四種案例參數對比

對比案例一和案例二，考慮管道熱效率后發電煤耗升高3.793g／（kW·h）。對比案例三和案例四，考慮管道熱效率后發電煤耗升高4.357 7 g／（kW·h），發現管道熱效率對發電煤耗影響很大，是不能忽略的。對比案例一和案例三，低壓省煤器降低了發電煤耗3.139 7g／（kW·h）。對比案例二和案例四，在考慮管道熱效率后，低壓省煤器降低了發電煤耗2.574 9g／（kW·h），可看出低壓省煤器具有明顯的節能作用，如果忽略管道熱效率，就會高估低壓省煤器的節能效果。

表4 案例四管道各部分損失所占份額 （%）

表4是案例四中管道各項損失所占比例。可看出管道熱效率比一般取的定值99%低了很多，在該案例中，管道熱效率為97.568 0%，相差1.432%。另外，在各項熱損失中，帶熱量工質泄漏的熱損失和廠用汽熱損失約占70%，所以，減少工質泄漏可有效提高管道熱效率。

3.2 低壓省煤器進水量的影響

定義的分流流量系數，是指進入低壓省煤器的凝結水占6號低加加熱器凝結水出水量的比例。以案例四為基礎，可得到不同分流流量系數條件下的鍋爐熱效率、管道熱效率、機組絕對內效率和全廠熱效率的變化值，如表5和圖4所示。

表5 各個熱效率與分流流量系數的變化關系 （%）

分析計算結果可知，當分流流量系數從0升至1后，鍋爐熱效率由91%提高到92.721 0%，管道熱效率由97.764 1%降至97.568 0%，機組絕對內效率由46.426 8%降至46.046 9%，全廠熱效率從40.481 8%提升至40.827 8%。換算至電廠熱經濟性的運行成本上，無低壓省煤器投入時的發電煤耗為303.840 4g／（kW·h），應用省煤器后的發電煤耗為 301.265 5g／（kW·h），發電煤耗降低了2.574 9g／（kW·h）。

圖4 各個效率隨分流流量系數的變化

由圖4可知，隨著分流流量系數的升高，回收的煙氣余熱也會增多，鍋爐熱效率是提高的，而機組絕對內效率和管道熱效率都是降低的，但全廠熱效率是增高的。這表明對低壓省煤器節能效果的評價，必須依據電廠能量系統的作用原則進行全面系統的考察。

6 結 語

（1）在火電機組的熱經濟性計算中，應該考慮管道熱效率的實際值。管道熱效率取定值99%，會得到偏高的全廠熱效率。從計算案例可知，管道熱效率為97.568 0%，如果取定值99%，則全廠熱效率將上升至0.599 2%，發電煤耗降低4.357 7g／（kW·h）。忽略管道熱效率會高估低壓省煤器的節能效果，在本算例中會高估至0.564 8g／（kW·h）。

（2）低壓省煤器利用了鍋爐的余熱，會引起汽輪發電機組效率的降低，但是降低了鍋爐熱損失，提高了鍋爐熱效率。在算例中，煙氣降低29.5℃，明顯降低了煙氣的排煙損失，鍋爐熱效率提高1.721 0%。

（3）低壓省煤器具有顯著的節能效果。在計算案例中，應用低壓省煤器后，鍋爐熱效率上升1.721 0%，管道熱效率降低0.196 1%，汽機絕對內效率降低0.379 9%，全廠熱效率增加0.346 0%，全廠發電煤耗降低2.574 9g／（kW·h）。