燃氣-蒸汽聯合循環余熱鍋爐尾部煙氣余熱利用方式及經濟性分析

胡秀濤（廣東粵電新會發電有限公司，廣東江門529100）

燃氣-蒸汽聯合循環余熱鍋爐尾部煙氣余熱利用方式及經濟性分析

胡秀濤
（廣東粵電新會發電有限公司，廣東江門529100）

闡述了煙氣余熱利用現狀、可利用價值及余熱回收利用對我國節能減排的意義，介紹了燃氣-蒸汽聯合循環余熱鍋爐尾部煙氣余熱的利用方式以及利用裝置對機組的影響，并對390MW F級燃氣輪機余熱鍋爐余熱回收效益進行了對比分析，表明通過回收燃氣-蒸汽聯合循環余熱鍋爐尾部煙氣余熱，可以在保證設備安全的基礎上，獲得可觀的經濟效益。

余熱鍋爐；余熱利用；經濟性分析

0 引言

目前，隨著環保要求的日益提高，我國正在積極調整能源結構。天然氣作為一種清潔能源，在替代煤炭以改善空氣質量方面具有優勢:一方面，天然氣利用效率普遍高于燃煤；另一方面，天然氣燃燒產生的污染相比煤炭明顯要低。基于此，以及隨著“西氣東輸”及“引進液化天然氣”工程的實施，我國已建設或正在建設一批燃氣-蒸汽聯合循環機組，這對改變我國電站的燃料結構、改善能耗和提高環境質量都將發揮重大作用。

由于燃氣輪機燃燒溫度極高，通常高達1400-1500℃，因此其排氣溫度亦較高，一般高達500-600℃，造成燃氣輪機單獨運行時熱效率偏低。為充分利用燃氣輪機排氣的熱量，通常由余熱鍋爐回收燃氣輪機排氣中的大量余熱，產生高溫蒸汽并推動蒸汽輪機做功發電，蒸汽輪機與燃氣輪機組成燃氣-蒸汽聯合循環機組，使得整體發電效率可高達60%左右。然而，目前大型F級燃氣輪機機組余熱鍋爐排煙溫度一般在90℃左右，這一部分煙氣余熱也是一個潛力很大的資源，余熱鍋爐煙氣排放溫度高既浪費了大量能源，又造成嚴重的環境熱污染。

為響應國家“節能環保”的號召，對于余熱鍋爐煙氣余熱，要做到充分利用，以達到節能環保的效果。

1 余熱鍋爐尾部煙氣余熱回收利用的現狀

1.1 國外應用

在國外，煙氣余熱利用技術已經得到了比較廣泛的應用。

例如，德國黑泵（S c hw ar z e P um p e）電廠[1]建有兩臺800MW褐煤發電機組，為充分利用排煙余熱，在靜電除塵器和煙氣脫硫塔間裝有煙氣冷卻器，利用煙氣余熱加熱鍋爐凝結水，并將煙氣溫度從170℃降至130℃，然后送入煙氣脫硫塔。

日本的常陸那珂電廠[2]采用管式氣氣換熱器（GG H）。在電除塵器上游布置煙氣放熱段GG H，煙氣被冷卻至90-100℃左右后進入低溫除塵器，在煙囪入口布置煙氣加熱段GG H，利用循環水加熱煙氣，該GG H也類似低溫省煤器。

1.2 國內應用

國內部分電廠在煙氣余熱利用方面也已有了較多成功的實踐經驗和初步應用。

山東龍口電廠[2]2×100MW機組裝有國內首臺煙氣余熱冷卻器，該冷卻器布置在鍋爐空預器之后，解決了排煙溫度高的問題。開封電廠、大唐太原第二熱電廠等的燃煤鍋爐也采用了上述類似布置方案。

外高橋電廠三期2×1000MW機組[3]在引風機后脫硫吸收塔前布置低溫省煤器，加裝的煙氣余熱利用系統使煙氣溫度從125℃降至85-93℃，盡管煙氣溫度低，但實踐證明該裝置可長時間安全經濟地運行，節能效果非常明顯。

華電國際鄒縣電廠300MW機組[2]通過機組優化改造后，排煙溫度可降至130℃，在增設低壓省煤器后，排煙溫度降至105℃以下，上述改造可使機組供電煤耗降低1.582g/k Wh，節省標煤2871t/a，節省水量9.58萬t/a，減少煙囪內凈煙氣含水率20%。

2 余熱鍋爐尾部煙氣余熱的利用方式

余熱鍋爐煙氣余熱利用的主要思路是通過熱交換器利用煙氣中的余熱對其它介質進行加熱，從而降低煙氣溫度，回收煙氣中余熱，而被加熱的介質作為熱源在不同的場合使用。主要有以下幾種用途:

2.1 降低燃氣輪機進氣溫度

燃氣輪機的熱力循環通常為工質取自大氣的開式循環，其功率和效率隨環境溫度的變化而變化。當溫度升高時，因大氣的密度降低，燃氣輪機空氣流量、壓力等參數下降，其效率隨之下降，熱耗率上升，燃氣輪機進氣溫度過高，對機組發電功率和熱耗產生不利影響。目前常用的解決方法是對燃氣輪機進氣進行冷卻，通過降低進氣溫度，從而提升燃氣發電效率和整機功率的目的。

不同于采用電制冷或蒸汽制冷的燃氣輪機進氣冷卻方案需消耗電力或蒸汽，采用煙氣余熱制冷，屬于廢熱利用，因此可提高全廠能源利用效率。因此，可以考慮利用煙氣余熱制冷降低燃氣輪機進氣溫度。

2.2 加熱調壓站的天然氣

自供氣末站至調壓站的天然氣經調壓站降壓后，溫度降低，為避免凝露發生，需要使用加熱器對其進行加熱后，才能達到燃氣輪機供氣分界點所需的溫度（6-38℃），同時為防止低溫下調壓單元故障，因此設置天然氣加熱單元。

加熱系統的設置主要考慮以下因素:

1）滿足燃氣輪機在各種工況下運行時，對燃料的溫度的要求；

2）使盡可能多的設備和管道工作在常溫下。

加熱器布置在調壓站流量計量裝置及快關裝置后。加熱器的形式主要有:以燃氣為能源的水浴式加熱器、管殼式換熱器（用蒸汽或熱水作為加熱介質）以及電加熱器。電加熱器一般用于啟動時小流量的加熱。

因此，可以考慮利用煙氣余熱回收產生的熱水，對調壓站內降壓后降溫的天然氣進行加熱，提高其溫度，避免凝露發生，以取代水浴式加熱器，從而減少能源消耗，提高電廠能源綜合利用效率。

2.3 生活用熱水

生活用熱水一般只需50℃左右。根據目前大型F級燃氣蒸汽聯合循環機組余熱鍋爐的排煙溫度，可以利用的溫度空間比較大。在幾乎不影響燃氣輪機及余熱鍋爐運行的前提下，可以利用余熱鍋爐煙氣余熱，生產60℃左右的熱水供給相應用戶，如廠區內的職工食堂、浴室或廠區外居民區、酒店等用戶使用。

2.4 夏季供空調制冷或冬季供暖

夏季可以利用余熱鍋爐煙氣余熱回收生產熱水，提供給熱水型制冷機組進行制冷，冬季也可以提供熱水供空調機采暖。

3 余熱鍋爐尾部煙氣余熱回收裝置對機組的影響

3.1 余熱鍋爐尾部煙氣余熱回收裝置的方案

煙氣余熱回收裝置可考慮主要方案有:

（1）通過對凝結水加熱器增加旁路循環水的形式實現，以犧牲部分低壓系統主蒸汽流量（最大不超過10%），但不增加煙氣阻力，不改變原有受熱面結構。

（2）通過抬高余熱鍋爐高度和增加受熱面的方法，在保證各項性能參數的前提下（保持汽水系統熱力參數和煙氣阻力不變），實現余熱供熱。

（3）在余熱鍋爐尾部直接布置受熱面來降低排煙溫度，該方案不但會明顯增加煙氣阻力，而且產生的熱水溫度較低（因排煙溫度只有90℃左右，熱水溫度僅約80℃），不便于利用。

如余熱鍋爐產生的熱水經過熱用戶后的回水水質較差時，為了保護余熱鍋爐尾部受熱面，需額外增加一表面式換熱器；當回水水質滿足余熱鍋爐的要求時，可以采取閉式循環的方式直接進入余熱鍋爐。

3.2 對余熱鍋爐換熱面的影響

表1 典型天然氣成分[4]

余熱鍋爐換熱面的低溫腐蝕問題是阻礙降低煙氣排煙溫度的重要因素。由于燃氣-蒸汽聯合循環使用潔凈天然氣作為燃料，燃料典型成分見表1，燃燒后產生的典型煙氣成分見表2。

表2 典型天然氣燃燒后煙氣成分[4]

由上面兩個表可以看出，由于天然氣燃料中不含硫成分，煙氣成分中也不含硫化物，在降低排煙溫度之后，不會像燃煤電廠一樣產生低溫時硫化物腐蝕換熱面的情況。

4 效益分析

表3為采用方案A和方案B的390MW F級燃氣輪機余熱回收效益對比。供熱計算均按直接回水（假定68℃）到余熱鍋爐考慮，即采用閉式循環的方式利用熱水中的熱量對其它介質進行加熱。方案A不增加尾部受熱面，隨熱水產量的增加，余熱鍋爐的熱效率將增加，排煙溫度降低，但是低壓蒸汽產量下降，會影響發電量。方案A1為熱網水流量小的設計，對低壓主蒸汽的流量影響較小；方案A2為熱網水流量大的設計，對低壓主蒸汽的流量影響較大。方案B為不影響低壓系統的出力，還可滿足供熱熱水需求，但增加余熱鍋爐鋼材耗量。

表3 390M W F級燃氣輪機余熱回收效益對比

根據方案B，在保證各項性能參數的前提下（保持熱力參數和煙氣阻力不變），每臺機組增加152.5℃的熱水73t/h，則可以利用的熱量為:

Q1=cmΔT=4.2×73×（152.5-68）/1000=25.9G J/h

式中Q1—熱量，G J/h；

c—水的比熱容，4.2×103J/（k g℃）；

m—水的質量（流量），t/h；

ΔT—水進出口溫度變化，℃。

考慮到換熱器的效率為80%，則每小時可以轉化的熱量為:

Q2=Q1η=25.9×0.8=20.7G J/h

方案計算機組的供熱氣耗率為26N m3/G J，則機組每小時節省的熱量相當于:

F=Q2Fc=20.7×26=538.2N m3/h天然氣燃燒放出的熱量。

式中F—天然氣流量，N m3/h；

Fc——機組供熱氣耗率。

按年供熱利用小時5665h計算，在保證工況下全年共節省的天然氣量為305萬N m3/a。

在保證工況下390MW F級燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產機組全年的氣耗量為44034.865萬N m3/a，則節省的天然氣量相當于燃氣輪機總的天然氣耗量的: 305/44034.865=0.69%。天然氣價格按2.83元/N m3計算，則每年節省的費用為863萬元。而余熱鍋爐增加的鋼材按230t計，共增加的設備成本約100萬元。

從以上結果可以看出:相對于增加的設備成本，節省的熱量價值是非常可觀的。

5 結語

（1）國內外已經有多個鍋爐尾部煙氣余熱回收應用，節能效果顯著；

（2）由于燃氣-蒸汽聯合循環余熱鍋爐尾部煙氣不含硫化物，因此其余熱回收可保證設備安全，同時獲得可觀的經濟效益；

（3）對于典型的390MW燃氣輪機配套余熱鍋爐尾部煙氣，采用增加余熱鍋爐高度的方法進行余熱回收，每年可節約用氣約0.69%，年節省費用約863萬元，具有較好的經濟效益。

[1]宗文.施瓦茨蓬普褐煤電廠設計與建設[J].國際電力,1999（1）：7-12.

[2]程小松.電廠冷端系統及煙氣余熱利用系統運行優化控制[D].重慶：重慶大學,2015.

[3]趙之軍，馮偉忠，張玲，等.電站鍋爐排煙余熱回收的理論分析與工程實踐[J].動力工程,2009,29（11）：994-997.

[4]趙欽新，惠世恩.燃油燃氣鍋爐[M].西安：西安交通大學出版社,2000.

Methods and Economic Analysis of Waste Heat Recovery From Gas Steam Combined Cycle Waste Heat Boiler Flue Gas

HU Xiu-tao
（Guangdong Yuedian Xinhui Power Co.，Ltd，Jiangmen 529100，China）

Fir s t，t h i s p a p er b rie f ly intro d uce d t h e s tatu s o f h eat reco v ery f rom f lue g a s，an d t h e v alue o f h eat reco v ery f rom f lue g a s to ener g y con s er v ation an d emi ss ion re d uction in C h ina.T h en,it intro d uce d t h e met h o ds o f h eat reco v ery o f f lue g a s f rom com b ine d g a s an d s team cycle w a s te h eat reco v ery b oiler an d t h e in f luence o f h eat reco v ery equi p ment on w a s te h eat reco v ery b oiler.Finally，t h e w a s te h eat reco v ery e ff iciency o f a 390MW F-cla ss g a s tur b ine w a s com p are d an d analy z e d，t h e re s ult sh o w e d t h at b y reco v erin g t h e w a s te h eat o f f lue g a s f rom com b ine d g a s an d s team cycle w a s te h eat reco v ery b oiler，con s i d era b le economic b ene f it s can b e o b taine d on t h e b a s i s o f g uaranteein g t h e s a f ety o f t h e equi p ment.

w a s te h eat reco v ery b oiler；w a s te h eat utili z ation；economic analy s i s

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.012

T K115

B

2095-3429（2017）03-0043-04

2017-05-21

修回日期：2017-06-16

胡秀濤（1982-），男，山西陽泉人，本科，工程師，研究方向：火力發電廠運行與節能環保技術。