350MW機組低溫省煤器系統節能減排效益分析

李飛

（大唐環境產業集團股份有限公司大唐（北京）能源管理有限公司北京100097）

350MW機組低溫省煤器系統節能減排效益分析

李飛

（大唐環境產業集團股份有限公司大唐（北京）能源管理有限公司北京100097）

降低煤耗和碳排放是中國煤電行業在“十三五”期間面臨的重大挑戰。本研究以某350MW典型亞臨界機組為研究對象，在空預器和電除塵器之間的煙道設計加裝低溫省煤器，用等效熱降法計算了系統在THA工況下的節能減排收益。結果表明：機組發電標煤耗和供電煤耗分別降低了2.8g/kW·h和2.5g/kW·h，當年等效運行小時數為4500時，每年可降低標煤耗3997.7t，節約燃料成本319.8萬元，有著顯著的節能效益和經濟收益；機組每年排碳量可減少3167.0t，大約相當于78.2ha中國森林的平均碳俘獲量，在國內外碳排放交易市場正在建立與完善的背景下，系統逐年的減排量有著巨大的潛在收益。

低溫省煤器；煤耗；等效熱降法；節能減排；亞臨界機組

1 引言

2014年，三部委聯合發布了《煤電節能減排升級與改造行動計劃》，要求到2020年中國現役燃煤發電機組平均煤耗降至310g/kW·h；同年，發改委在《國家應對氣候變化規劃》中提出“2020年單位GDP碳排放水平比2005年降低40%-45%”。盡管煤電行業的節能改造工程已取得了一定成效，但“十三五”期間，其節能減排任務依舊艱巨，進一步降低發電煤耗勢在必行。

鍋爐是燃煤電廠三大主機之一，其排煙熱損失約占鍋爐熱損失總量的70%~85%[1]。研究表明，煙溫每提升10℃，鍋爐熱損失就會提高0.6%~1.0%[2,3]。目前中國火電機組排煙溫度普遍比設計值高20℃左右[4]，有著很大的節能減排潛力。在鍋爐尾部煙道加裝低溫省煤器可有效回收其排煙余熱，是提高機組能效的有力途徑[5]。對于煤耗較高的亞臨界機組，熱效率的提高往往能獲得更大的節能減排收益。

本文以國內某亞臨界機組為研究對象，在其鍋爐尾部煙道設計加裝低溫省煤器，回收其排煙余熱加熱凝結水。基于等效熱降法計算和分析其節能減排收益，為同類機組提供參考。

2 熱力系統改造

2.1 系統概況

某350MW燃煤濕冷機組，鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、雙拱形單爐膛、自然循環汽包型。汽輪機為單軸雙缸、雙排氣凝汽式汽輪機，設有4臺低壓加熱器、3臺高壓加熱器與1臺除氧器。由于設備老化以及燃用煤種變化等原因，鍋爐空氣預熱器出口煙溫高達132℃，影響了電除塵系統工作效率；煙氣攜帶的大量余熱不僅直接造成了能源浪費，而且增加了引風機電耗和脫硫系統水耗，顯著降低了電廠的熱經濟性。合理回收利用鍋爐排煙余熱對機組的節能減排有著重大意義。

2.2 改造方案

本方案設計在空預器出口至電除塵器入口的4個水平煙道加裝低溫省煤器（每個煙道設置1臺），回收利用排煙余熱加熱系統凝結水。換熱器由多個獨立模塊組成，采用雙H型翅片管，材料為耐磨、耐腐蝕的ND鋼與20G（低溫段采用ND鋼），規格為Φ38×5，H型翅片厚度為2mm。由于電除塵器前煙塵含量較高，因此在每個模塊印封面安裝2排防磨假管。單臺低溫省煤器的參數見表1。

表1 單臺低溫省煤器參數

低溫省煤器水側通過增壓泵與凝結水系統相連，采用與3號低壓加熱器并聯的方式布置，其工藝流程如圖1所示（由熱平衡圖簡化）。由凝汽器而來的凝結水依次通過1～4號低壓加熱器，其中1、3號為匯集式加熱器，2、4號為疏水放流式。低溫省煤器煙氣側采用順列管排逆流方式布置，控制換熱段煙氣壓降不高于380Pa。

圖1 低溫省煤器流程簡圖

3 節能減排效益

3.1 等效熱降與抽汽效率的計算

等效熱降法由前蘇聯學者庫茲涅佐夫提出，后經西安交通大學林萬超教授等人拓展形成了完整的理論體系[6]。該方法屬于能量轉化中的熱平衡法，采用相對簡便的局部運算代替整個系統的復雜計算，被廣泛應用于診斷或預測熱力系統局部變化的經濟性[7,8]。本研究采用等效熱降法對機組汽輪機各級抽汽的等效熱降（Hj）和抽汽效率（ηj）進行了計算，計算公式下：

式中，hj——加熱器j的抽汽焓（k J/kg）

hn——汽輪機排汽焓（kJ/kg）

Hr——r級抽汽的等效熱降（kJ/kg）

qr,qj——加熱器r、j中1kg抽汽的放熱量（k J/kg）

Ar——視加熱器類型選擇疏水放熱量或凝結水的焓升（kJ/kg）[6]

計算結果如表2所示，前6級抽汽等效熱降與抽汽效率隨級數增大而增大，7-8級加熱器由于抽汽焓值較低，所以H與η有所降低。

表2 汽輪機各級抽汽等效熱降與抽汽效率

3.2 節能減排效益計算

低溫省煤器與3號低壓加熱器并聯布置，流經換熱器的凝結水量相對于1kg新蒸氣的份額α為：

式中，Dd——流經換熱器的凝結水流量（t/h）

D——新蒸氣流量（t/h）

根據等效熱降法，加裝低溫省煤器后，系統獲得的實際做功收益△H為[6]：

式中，td——低溫省煤器出口水焓（kJ/kg）

t3——3號低壓加熱器出口水焓（kJ/kg）

η4——4號低壓加熱器抽汽效率

η3——3號低壓加熱器抽汽效率

τ3——3號低壓加熱器前后的焓升（kJ/kg）

低溫省煤器使系統熱經濟性相對提高量△η為：

式中，H——新蒸氣等效焓降（kJ/kg）

發電節約標煤量△b為：

式中，b——機組原發電標煤耗（g/kW·h）

由于加裝低溫省煤器增大了系統水側和煙氣側的阻力，增壓水泵和引風機的電耗會增大。在計算供電煤耗的時候，需從發電煤耗降低值中扣除這些部分。該部分煤耗由設備增加的電耗（功率）計算[9]。

3.3 節能減排效益分析

本方案的節能減排效益如表3所示。在THA工況下，加裝低溫省煤器使系統熱經濟性相對提高了0.876%，機組發電標煤耗降低了2.8g/kW·h，供電標煤耗降低了2.5g/kW·h。以800元/t的標煤價計算，在年等效運行小時數為4500h的情況下，機組每年可分別節約標煤和設計煤約3997.7t和4581.9t，減少319.8萬元的煤耗成本，節能效益顯著。

表3 加裝低溫省煤器節能減排效益

加裝低溫省煤器可使機組每年排碳量減少約3167.0t（年等效運行4500h）。隨著全球變暖問題的加劇，地球的碳收支動態早已成為了世界各國關注的熱點，在陸地各類型植被中，森林是大氣二氧化碳最重要的匯。據最近第八次全國森林資源清查報告，中國森林資源的平均碳存儲密度約為40.514t/ha[10]。以此推算，系統每年的碳減排量相當于78.2ha森林的碳俘獲量，減排效益顯著。此外，在國內外碳排放權交易市場正在建立與完善的背景下，系統逐年積累的碳減排量可顯著降低電廠運營成本，有著巨大的潛在收益。由于煤耗的降低，鍋爐煙道出口硫排放量每年可減少15.6t，這在一定程度上降低了煙道后部脫硫設備的負擔；此外，排煙溫度的下降也可以使脫硫設備的水耗大幅降低，在節約資源的同時降低了系統運行成本。

4 結語

本研究以350MW典型亞臨界燃煤機組為研究對象，在空預器和電除塵器之間的煙道加裝低溫省煤器，用等效熱降法計算了系統節能減排的收益，結果表明：在THA工況下，機組發電標煤耗和供電煤耗分別降低了2.8g/kW·h和2.5g/kW·h；當年等效運行小時數為4500h時，系統每年可節約標煤3997.7t，減少319.8萬元的煤耗成本，機組每年排碳量可減少3167.0t，鍋爐煙道出口硫排放量可減少15.6t。

降低煤耗和碳排放是中國“十三五”期間的重大戰略規劃，也是電力行業向高度節約模式轉型的必由之路。對排煙溫度過高的燃煤機組加裝低溫省煤器可實現煙氣余熱的深度利用，在節約煤炭和水資源的同時，可減少二氧化碳和其它大氣污染物的排放，具有顯著的節能減排效益。

[1]閆斌.1000MW超超臨界空冷火電機組低溫省煤器系統設計優化[D].北京：華北電力大學,2014.

[2]崔立明.盧權.350MW亞臨界鍋爐加裝低溫省煤器節能及環保應用分析[J].神華科技,2015,13（2）：89-93.

[3]閆順林,李永華,周蘭欣.電站鍋爐排煙溫度升高原因的歸類分析[J].中國電力，2000,45（6）：20-22.

[4]張超.鍋爐低溫省煤器系統優化設計及熱經濟性分析[D].吉林:東北電力大學,2015.

[5]康曉妮,馬文舉,馬濤,等.320MW機組鍋爐加裝低溫省煤器的經濟性研究[J].熱力發電,2012,41（5）：8-11.

[6]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.

[7]張國柱.電廠鍋爐排煙余熱利用系統設計優化[J].資源節約與環保,2013,12（12）：30-31.

[8]何川，孔德偉，馬素霞,等.600MW機組煙氣余熱利用技術綜合分析[J].熱力發電,2016，45（7）：1-6.

[9]安連鎖.泵與風機[M].北京:中國電力出版社,2008.

[10]國家林業局.第八次全國森林資源清查結果[J].林業資源管理, 2014（1）：1-2.

李飛（1984—），男，工程師，從事火電節能技術研發工作。