330 MW機組雙級低溫省煤器系統熱經濟性分析

李慧君，王妍飛，常澍平，郭江龍，王曉峰

(1. 華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定071003； 2. 河北省電力研究院，河北石家莊050021)

330 MW機組雙級低溫省煤器系統熱經濟性分析

李慧君1，王妍飛1，常澍平2，郭江龍2，王曉峰1

(1. 華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定071003； 2. 河北省電力研究院，河北石家莊050021)

摘要：低溫省煤器煙氣余熱利用技術在汽輪機熱力系統上的應用，一般都會出現平均傳熱溫差變小、存在低溫腐蝕等一系列問題。基于對西柏坡電廠4臺330 MW的發電機組，實施雙級低溫省煤器煙氣利用改造技術，并依據能效分布矩陣(EEDM)方程，建立汽輪機輔助汽水系統數學模型。通過3種設計方案的經濟性計算分析與比較，設計方案三機組煤耗降低了2.69 g/(kW·h)，效率由未引入低溫省煤器系統的47.35%提高至48.16%，每臺機組每年可節約119.52萬元，二氧化碳排放量每年可減少18 322.90 t。結果表明，方案三中提出的雙級低溫省煤器系統在減少煤炭消耗、降低經濟成本等方面都優于方案二常規低溫省煤器系統，具有明顯的經濟效益和環境效益。

關鍵詞：雙級低溫省煤器；能效分布矩陣；模型；機組效率

中圖分類號：TK115

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.06.012

收稿日期：2015-04-16。

作者簡介：李慧君(1964-)，男，教授，研究方向為強化傳熱和數值計算，電廠熱力系統節能與監測診斷，E-mail:hjli009@sina.com。

Abstract：The technology of flue gas waste heat utilization of low temperature economizer in the application of steam turbine thermal system generally arises a series of problems, such as the decrease average heat transfer temperature difference, low temperature corrosion, etc.The transformation technology of flue gas waste heat utilization of two-stage low temperature economizer is used in the four units of 300 MW generating set of Xibaipo Power Plant. Besides, according to the energy efficiency distribution matrix (EEDM) equation, the mathematical model of auxiliary steam-water system of steam turbine is established. The results show that the unit coal consumption of third project is reduced 2.69g/(kW·h) and its efficiency is increased from 47.35 %, which is not equipped low temperature economizer, to 48.16% by calculating and comparing the economical efficiency of three different design projects, each unit can save 1.1592 million Yuan per year. The CO2emission can be reduced by 18322.9t each year. The results show that the two-stage low temperature economizer of the third project is superior to the conventional low temperature economizer of second on the aspects of reducing coal consumption saving cost, etc. In conclusion，the third project has high performance on the aspects of economy and environment.

Keywords：two-stage low temperature economizer; energy efficiency distributing matrix; model; unit efficiency

0引言

我國火力發電廠鍋爐排放的煙氣溫度普遍偏高，煙氣排放溫度過高不但鍋爐排煙損失增大，機組煤耗偏高，同時導致煙氣體積流量增大，電袋、布袋除塵器除塵效率降低以及壽命減少、除塵器出口的粉塵排放濃度有所增加。電廠的排煙熱損失約占鍋爐總熱損失的80%或更高，是在所有損失中最大的一個。因此，從節能減排、安全環保的整體利益出發，降低鍋爐排煙溫度具有重大意義[1～5]。在鍋爐煙道尾部增加低溫省煤器可有效地降低排煙溫度，保護電袋、布袋除塵器。國內十里泉發電廠分別投產了2套縱肋的低溫省煤器，降低排煙溫度25.4 ℃，降低煤耗3.3 g·(kW·h)-1。龍口電廠運行雙縱向翅片管低溫省煤器，降低排煙溫度30 ℃，運行良好，取得了明顯的經濟效益[6]。而德國科隆Nideraussem 百萬千瓦級發電機組把低溫省煤器加裝在空氣預熱器的旁路煙道中，并將一小部分煙氣引到旁通煙道，用來對鍋爐的給水加熱[7]。日本Tomato-Atsuma電廠，將低溫省煤器布置在除塵器和空氣預熱器之間，排煙溫度可以降低約90 ℃，并應用了低溫電氣除塵器[8]。低溫省煤器在國內外都得到了廣泛應用，經濟和環境效益顯著。西柏坡電廠由于實際燃用煤種偏離設計煤種等原因，目前該4臺鍋爐非采暖季平均排煙溫度達到了143 ℃，夏季最高排煙溫度超過170 ℃。對此，實施雙級低溫省煤器煙氣利用技術，并基于能效分布矩陣方程建立了雙級低溫省煤器系統矩陣數學模型，利用該模型對西柏坡電廠1～4號機組投用雙級低溫省煤器系統的3種方案進行了計算、比較與分析。

1雙級低溫省煤器系統

從圖1可以看出，煙氣旁路空氣預熱器出口低溫省煤器設有雙層，分別為低壓高溫省煤器和低溫低壓省煤器。空氣預熱器立式煙道除塵器安裝在第一級低溫省煤器后，非采暖季排煙平均溫度從142 ℃降低到125 ℃，保護電袋除塵效果，同時回收一定的余熱。一次風溫度降低會減少制粉系統與冷空氣的混合量，排煙溫度進一步降低。與二次空氣溫度降低，它將會影響到鍋爐的燃燒過程；第二級低溫省煤器布置在脫硫塔前的水平煙道內，將排煙溫度繼續降低到95 ℃，可以將除塵器后脫硫塔前的煙氣溫度降得更低，增大節能量，節約脫硫系統噴淋水量。煙氣經電袋除塵器時煙氣溫度將有所下降，經引風機時煙溫將有所升高。

非采暖季從8號低加入口和7號低加出口分別取部分凝結水，混合至80 ℃后進入煙氣低溫省煤器，額定工況下，通過兩級低溫省煤器，逐級升溫至120 ℃，并最終返回6號低加出口，與主凝結水匯合后進入5號低加。

采暖季時，系統通過凝結水在低溫省煤器與板式換熱器之間的循環，將熱量傳遞給熱網水，按熱網來水和出水溫度分別為63 ℃和95 ℃計算，可加熱熱網水量為408.6 t/h。雙級低溫省煤器煙氣余熱利用的原理如圖1所示。

1-省煤器　2-空氣預熱器　3-第一級低溫省煤器　4-旁路調節閥　5-電袋除塵器　6-引風機　7-增壓風機　8-第二級低溫省煤器 9-脫硫塔　10-煙囪圖1　雙級低溫省煤器原理

2能效分布矩陣方程計算模型

低溫省煤器并聯在汽輪機回熱系統中，其回熱系統如圖2所示。

圖2　系統流程圖

當低溫省煤器投用到低壓加熱器時，給水將分流一部分進入低溫省煤器吸收熱入水后。任意輔助汽水成分對熱效率的影響因素是通過改變加熱器回熱系數達到的，因此，在分析研究輔助汽水對系統熱經濟效率影響的時候，都要歸根到對回熱系統抽氣系數改變上來。

輔助汽水系統組成：第一種進口純熱；輔助汽水成分第二種：從加熱器側進入系統的制冷劑；輔助汽水成分第三種：從加熱器水側入口系統的制冷劑；輔助汽水成分第四種：從汽輪機本體進入、離開回熱系統[9]。

在鍋爐尾部煙道的低溫省煤器，并聯在低壓加熱器上，利用加熱鍋爐的煙氣尾氣排放冷凝水，具有輔助蒸汽水兩個部分，第一部分是凝結水系統的導流部分，另一部分是被加熱的凝結水進系統。根據能效分布矩陣方程，建立了數學模型[10]：

(1)

其中，[Af][αf]代表的制冷劑從加熱器汽側進出系統的組件；[Aτ][ατ]代表的制冷劑是從蒸汽熱水器的水側進出系統的組件；[Δq]代表純熱；使上述各輔助元件0，那么方程退化系統的q-γ-τ方程為

(2)

式中：h0為新蒸汽焓值，kJ/kg；η0為再熱機組循環效率；hn為排汽焓值，kJ/kg；[Av]=(E-[Af][αf]d-[Aτ][ατ]d-[Δq]d)-1[A]，對于此熱力系統，其余各矩陣填寫如下：

(3)

煤耗率計算式[10]：

(4)

式中：ηb為鍋爐效率；ηp為管道效率；η0為機組循環效率；ηd為電機效率

循環效率的變化，引起煤耗率的變化為[10]：

(5)

全年節省標煤[11]：

(6)

因此，一般采用相對值δη0來表達輔助汽水成分對熱經濟性影響。

3熱經濟性分析與計算

機組年利用時間n非采暖季按4 900 h,采暖季按照2 880 h計算，標準煤折算價格按照550元/t計算。針對西柏坡電廠4臺330 MW機組排煙溫度非采暖季達到142 ℃，夏季炎熱期滿負荷時段的最高排煙溫度甚至超過170 ℃，采暖季平均排煙溫度約為132 ℃，并考慮到低溫省煤器進出口溫差及低溫腐蝕問題，提出3種設計方案進行經濟性分析與計算比較。

方案一：沒有低溫省煤器系統投入到汽輪機回熱系統，鍋爐的排煙溫度為142 ℃。

方案二：單級低溫省煤器系統從6號低壓加熱器出口取105.6 ℃凝結水，經低溫省煤器，出口水達到124 ℃，返回6號低加出口，與主凝結水匯合后進入5號低加。鍋爐排煙溫度由142 ℃降到約124 ℃。

方案三：投入雙級低溫省煤器系統，非采暖季從8號低加入口和7號低加出口分別取部分凝結水，混合至80 ℃后進入低溫省煤器，在額定工況下，通過兩級低溫省煤器，逐級升溫至120 ℃，并最終返回6號低加出口，與主凝結水匯合后進入5號低加。采暖季通過凝結水在低溫省煤器和板式換熱器之間的循環，將熱量傳遞給熱網水。第一級低溫省煤器出口煙溫由142 ℃降低到125 ℃，第二級低溫省煤器出口煙溫由121 ℃降低到95 ℃。

機組初始參數見表1，利用上述能效分布矩陣方程的計算模型，對3種方案分別進行計算的結果見表2。

表1　330 MW機組主要熱力參數　kJ/kg

注：汽輪機排汽焓hn=2 343.4 kJ/kg；再熱蒸汽焓hzr=3 538.9 kJ/kg；凝結水焓hwc=136.3 kJ/kg；給水泵功τb=26.3 kJ/kg；再熱量σ=492.6 kJ/kg。

表2　各方案經濟性指標計算結果

由表2可見，與方案一不加裝低溫省煤器系統相比，方案二和方案三全年的總節煤量分別為2 173 t/a，6 006 t/a，總的節煤效益分別達到119.52萬元/a和330.33萬元/a，煤耗均降低，且方案三雙級低溫省煤器布置方式的煤耗下降比方案二布置方式多出1.29 g·(kW·h)-1，單級低溫省煤器比雙級低溫省煤器年節煤量少3 833 t/a，總節煤效益高出210.81萬元/a。這表明，雙級低溫省煤器系統的節能潛力與原系統和常規低溫省煤器相比，具有明顯優越性。

因為將第一級布置在除塵器前，能夠調節進入布袋除塵器的煙氣溫度，起到保護濾袋的作用，并且使飛灰比電阻降低，提高電除塵器的除塵效率，還可以部分抵消加裝低溫省煤器本體阻力所增加的阻力。第二級低溫省煤器布置到脫硫塔前，流經低溫省煤器磨損粉塵含量低，熱交換管的磨損大大降低，可充分利用煙氣流經引風機時產生的溫升，更大程度地提高煙氣余熱回收量。

方案二和方案三中，由于增設低溫省煤器系統，分流一部分凝結水進入低溫省煤器，而剩余部分的凝結水則通過低壓加熱器進入到除氧器。進入低溫省煤器的水流量不同對煤耗降低值有很大的影響，圖3是方案三中流經雙級低溫省煤器水流量和煤耗降低值的關系。

圖3　分水率與降低煤耗的關系

由圖3可以看出，方案三雙級低溫省煤器在分水率為0.45時可以降低煤耗2.69 g·(kW·h)-1，此時的經濟效益最佳。

4結論

(1)與常規低溫省煤器系統相比，雙級低溫省煤器系統在降低煤炭消耗，節約成本方面更有優勢。

(2)雙級低溫省煤器布置有利于提高機組電除塵器的除塵效率，充分利用煙氣流經引風機時產生的溫升，更大程度地提高煙氣余熱回收量。

(3)在方案三下，機組循環效率由未引入低溫省煤器系統的47.35%提高至48.16%，機組煤耗降低2.69 g·(kW·h)-1，每臺機組每年可節約119.52萬元，CO2排放量每年可減少18 322.90 t，經濟和環保效益都十分顯著。

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Two-stage Low Temperature Economizer Hot Economic Analysis of 330 MW Units

Li Huijun1，Wang Yanfei1，Chang Shuping2，Guo Jianglong2，Wang Xiaofeng1

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China；2. Hebei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021, China)