煙氣余熱深度梯級利用裝置應用分析

鄭國寬

(中國神華能源股份有限公司勝利能源分公司，內蒙古錫林浩特026000)

煙氣余熱深度梯級利用裝置應用分析

鄭國寬

(中國神華能源股份有限公司勝利能源分公司，內蒙古錫林浩特026000)

某廠兩臺燃褐煤直流鍋爐采用煙氣余熱深度梯級利用與減排系統加熱凝結水和高壓給水來提高機組熱效率和降低污染物排放量。對系統投運與停運進行試驗研究和運行影響分析，試驗研究可知，機組在660 MW負荷下，實測發電煤耗和供電煤耗分別降低4.97 g/(kW·h)和5.12 g/(kW·h);運行分析可知，低負荷時對除塵系統、脫硫工藝用水量影響不明顯，高負荷時送風機和引風機電流上升幅度較大。經濟性和社會效益分析可知，系統節能和減排效益十分優越。并對該系統今后經濟運行提出建議。

直流鍋爐;褐煤;余熱利用;試驗研究;運行分析;經濟性分析

0 引言

某廠因燃煤水分高、熱值低、煤粉顆粒度大以及褐煤鍋爐爐膛容積大等因素，造成鍋爐排煙溫度比常規煙煤鍋爐高約30℃，BMCR工況下，回轉式空氣預熱器出口煙氣修正前溫度141.3℃，修正后136.4℃，煙氣可回收熱量高達80 MW，鍋爐排煙損失較大。其次，引風機、送風機、一次風機、磨煤機、空預器等鍋爐輔機功率高造成廠用電率居高不下。再者，脫硫耗水量大，鍋爐排煙煙塵、硫化物含量高。為進一步降低鍋爐排煙熱損失、脫硫耗水量、煙塵和硫化物的排放量，在機組初設階段，深入調研各種煙氣余熱利用裝置后設置深度梯級煙氣余熱利用系統來加熱機組高壓給水和低壓凝結水，深度回收煙氣余熱、降低廠用電率和脫硫耗水量、減少污染物排放。

本文以該廠660 MW燃褐煤直流鍋爐深度梯級煙氣余熱利用系統為研究對象，研究其對機組穩定性、安全性的影響，分析其對機組節能、減排的貢獻，以期為同類型燃褐煤鍋爐煙氣余熱利用系統的設計與應用提供參考。

1 鍋爐設備及煤質概況

某廠2×660 MW超超臨界機組，兩臺鍋爐均為單爐膛、四角切圓燃燒、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全懸吊結構、緊身封閉布置、Π型變壓運行直流鍋爐。制粉系統采用中速磨煤機正壓冷一次風機直吹式制粉系統，每臺爐配置6臺MPS245－HP－Ⅱ型中速磨煤機。鍋爐點火方式采用大功率可調等離子點火裝置，廠內取消儲油設施。鍋爐煙氣余熱利用裝置采用深度梯級利用系統。

鍋爐燃煤為內蒙古錫林郭勒地區生產的褐煤，其全水分高達35%，表面水分大于15%，設計煤種煤質分析見表1。由表1可以看出，該煤種為高水分、高揮發分、中低硫分、低發熱量、褐煤，屬于極易著火、極易燃盡、易結焦的煤種。

表1 煤質分析

2 煙氣余熱利用簡介

煙氣余熱利用裝置主要用來提高助燃空氣溫度、增加磨煤機干燥出力、加熱高壓給水、加熱低壓凝結水、采暖制冷等。在國外，燃煤機組煙氣回收利用裝置應用較早，該技術在日本、德國、俄羅斯、美國等國家應用較為廣泛。我國在20世紀80年代開始應用煙氣利用裝置來降低鍋爐排煙氣溫度，提高機組熱效率。經過近四十多年的發展，通過借鑒和吸收國際先進技術，目前自主研發的煙氣余熱利用技術大體可歸納為煙氣冷卻器、冷風加熱器+煙氣冷卻器、冷風加熱器+空氣預熱器煙氣旁路、水媒式煙氣－煙氣換熱器4種形式［1］。這4種形式的煙氣利用裝置用途各不相同，煙氣冷卻器、冷風加熱器+煙氣冷卻器、冷風加熱器+空氣預熱器煙氣旁路主要用作節能，水媒式煙氣－煙氣換熱器以環保為主、節能為輔的系統，煙氣冷卻器因其裝設位置不同具有低溫除塵和協同脫硫的功效。

3 煙氣余熱深度利用系統

3.1 系統布置

該機組煙氣余熱深度利用系統共設置3級換熱器，其工作流程見圖1。由圖1可以看出，第1級煙氣余熱利用裝置為高壓給水煙氣換熱器，設置在回轉式空預器前。第2級、第3級煙氣余熱利用裝置為低壓凝結水煙氣換熱器，第2級煙氣余熱利用裝置裝設在靜電除塵器入口，第3級煙氣余熱利用裝置裝設在濕法脫硫吸收塔入口。

系統的高溫段水側由機組3號高加入口給水接出，通過第1級高壓給水煙氣換熱器加熱后接入至省煤器的給水系統。低溫段水側由機組8號低加出口凝結水接出，依次通過第3級煙氣余熱利用裝置、第2級煙氣余熱利用裝置加熱后接入6號低加出口的凝結水系統。

3.2 系統設計原則

該系統在設計原則上綜合考慮現場空間布置、磨煤機干燥出力、磨損、低溫腐蝕等因素［2］。1級換熱器、2級換熱器位于高煙塵區域，磨損嚴重，對煙氣流速進行模擬分析，確定合適的煙氣流速、采用H型翅片換熱器、設置防磨裝置和增厚管壁來降低換熱器的磨損速度，并設置壓縮空氣旋轉除灰系統來加強吹灰能力［3］。3級換熱器處于煙氣低溫區域，低溫腐蝕問題突出，對該段換熱器的翅片進行優化、換熱器管材采用ND鋼、冷端煙氣溫度高于酸露點溫度5℃等措施來延緩低溫腐蝕［4］。在換熱器水側和煙氣側均裝設壓力探頭和溫度測點，來監測換熱器泄漏情況。換熱器采用集成化、分塊設計，當出現泄漏時，隔絕隔絕其中一個分塊，不影響整體換熱器運行。

圖1 深度梯級煙氣余熱利用系統流程圖

4 試驗分析

4.1 試驗概況

按照GB/T8117.1－2008《汽輪機熱力性能驗收試驗規程》的要求、結合ASME PTC 6A－2000《汽輪機性能試驗規程附錄A》，對煙氣余熱深度梯級利用系統的節能、減排性能進行試驗研究。試驗期間，汽輪機、鍋爐、發電機等主、輔設備正常運行，軸封系統、真空系統合格，抽汽系統投入，煤質穩定，換熱器吹灰系統停運，AGC退出。汽輪機為THA工況，機組負荷為660 MW、480 MW和330 MW下進行換熱系統投運與停運對比試驗，試驗數據見表2。

4.2 試驗數據分析

表2給出了各工況下測試及計算數據，由表2中的試驗測試數據可知，深度梯級余熱利用系統投運后，汽輪機熱耗率在3種試驗負荷下均呈下降趨勢，在660 MW、480 MW、330 MW負荷下，系統投運以后比停投運前的實測熱耗率分別減少了134.8kJ/(kW·h)、127.8 kJ/(kW·h)、145.7 kJ/(kW·h)。

廠用電率主要由高廠變功率和脫硫變功率兩部分組成，由表2可以看出，在480 MW負荷下時，系統投運后比投運前實測廠用電率增加0.05%，其余兩種試驗負荷下實測廠用電率分別下降了0.17%和0.13%。

結合鍋爐效率試驗、汽輪機熱耗率試驗和廠用電率試驗，采用反平衡法計算不同試驗負荷下機組的發電標煤耗和供電標煤耗［5］。在不同試驗負荷下，系統投運后和投運前相比較，實測機組發電標煤耗和供電標煤耗均降低。在660 MW負荷下，實測發電煤耗和供電煤耗分別降低了4.97 g/(kW·h)和5.12 g/(kW·h);在480 MW負荷下，實測發電煤耗和供電煤耗分別降低4.86 g/(kW·h)和5.03 g/(kW·h);在330 MW負荷下，實測發電煤耗和供電煤耗分別降低4.68 g/(kW·h)和4.83 g/(kW·h)。由此可見，煙氣余熱深度梯級利用系統對提高整機效率的貢獻十分明顯。

5 運行分析

5.1 對汽輪機側的影響分析

系統投運后，第3級煙氣回熱加熱器的入口水溫約為78℃，出水溫度約88℃，再經過第2級煙氣回熱加熱器后凝結水的出水溫度約為125℃，5號低加凝結水溫度提高約20℃，低壓加熱器抽氣量減少，低壓缸做功份額增加，在相同主蒸汽流量下，機組做功量增加，汽輪機熱耗率降低［6］。

凝結水管路阻力增加，導致凝結水泵功耗增加。機組在480 MW和330 MW時，除氧器水位調門或旁路調門沒有100%打開，凝結水管路阻力增加，凝結水流量減少。為保持平衡，將增加鍋爐上水門開度來維持除氧器水位，由此，凝結水泵功率的增加量由鍋爐上水泵承擔。當機組負荷在660 MW時，除氧器上水調門開度為100%，凝結水泵通過變頻來克服凝結水管路增加的阻力。

5.2 對鍋爐側的影響分析

系統投運后，機組在660 MW負荷時，空預器入口煙氣溫度由408℃降至370℃，降低約38℃，煙氣體積將減少約5%［7］。機組在480 MW負荷時，空預器入口煙氣溫度降低約27℃。機組負荷為330 MW時，空預器入口溫度降低約19℃。鍋爐總風量、氧量、風機電流、煙道阻力測試結果在機組負荷穩定、燃燒負荷不變、燃料質量不變的情況下測試5次，取平均值，具體數據見表3。

表3 煙氣深度梯級利用系統投停對送風機、引風機電流及煙道阻力變化

在鍋爐總風量、氧量變化不大的條件下，機組在660 MW負荷下，煙氣余熱深度梯級利用系統投運與停用時送風機、引風機電流共增加47.6 A。480 MW時送風機和送風機引風機電流共增加15.6 A;330 MW時，送風機和引風機電流共增加1.57 A。機組在330 MW負荷時，系統投用與停運對送風機和引風機電流影響不明顯，煙氣溫度下降幅度較小。機組在480 MW和660 MW負荷時，系統投用與停運相比，送風機和引風機電流增加明顯，煙氣溫度下降幅度也較大。綜合來看，不同試驗負荷工況下，鍋爐煙道阻力增加帶來的功耗均小于給水溫升帶來的效益，系統起到了節能降耗的作用。

5.3 對除塵系統的影響分析

機組除塵系統采用雙室五電場靜電除塵器，每臺鍋爐配置兩臺除塵器，燃用設計煤種時停1個供電單元后除塵效率大于99.9%，除塵器出口含塵濃度小于30 mg/m3，3種試驗負荷下除塵器實測數據見表4。由表4可以看出，在3種試驗負荷下，在高負荷時煙氣深度梯級利用系統投停對除塵系統的的影響較為明顯，在低負荷時影響不明顯。

表4 煙氣深度梯級利用系統投停對除塵效率的影響

5.4 對脫硫系統的影響分析

機組脫硫系統采用單塔雙循環技術，脫硫裝置出口SO2排放濃度不超過35 mg/m3，脫硫效率不低于99.4%，表5給出3種不同試驗負荷下，煙氣余熱深度梯級利用系統投停對脫硫系統運行的影響。從表5可以看出，當煙氣余熱深度梯級利用系統投運后，3種不同負荷下脫硫工藝用水量均降低，660 MW負荷脫硫工藝用水降低32.4 t/h，480 MW負荷下時脫硫工藝用水量降幅最大，為46.6 t/h，330 MW負荷時脫硫工藝用水量降幅較小，為18.3 t/h。

表5 煙氣深度梯級利用系統投停對除塵效率的影響

6 經濟效益與社會效益分析

以機組負荷660 MW、汽輪機THA工況、機組年利用小時數5 500 h/a、標煤價213.9元/t(錫林浩特地區生產的褐煤折算后的標準煤價格)、上網電價314.5元/(MW·h)、水價13元/t、貸款利率5.9%等作為邊界條件，進行分析。

6.1 投資回收期分析

采用深度梯級煙氣余熱利用系統后，供電標煤耗下降約5 g/(kW·h)，機組總效率提高約0.94 %，單機每小時發電量按660 MW/h計算，全廠年發電量約6.3×106MW/h，兩臺機組每年節約標準煤約為3.15萬t，折合燃煤約為7萬t，按目前坑口煤價(100元/t)計算，單臺機組每年產生經濟效益約為750萬元。

設置深度梯級煙氣余熱利用系統后，由于設備費用、土建費用、安裝費用等方面增加、單臺機組初投資增加約4 000萬元。采用費用現值比較法對煙氣余熱深度梯級利用系統的投資回收期進行計算，約6年可以收回成本［8－11］。

由于該廠為坑口電廠，煤價較低，遠低于目前電煤價的平均水平，所以，采用煙氣余熱利用后的經濟效益還不是特別明顯，但根據根據工程的實際情況，利用的煙氣余熱量越大，降低的煤耗量越大。經濟效益卻和當地標煤價有直接的關系，標煤價越高，收益越大。根據市場發展趨勢，電廠燃煤價格將會逐年升高，節煤經濟效益會日漸顯現，回收成本的時間將更短。

6.2 社會效益分析

在機組利用小時數為5 500 h、負荷為600 MW、汽輪機為THA工況條件下測算煙氣余熱深度梯級利用系統對環境的貢獻。兩臺機組每年節約燃煤按7.486萬t計算，減少煙塵排放量1.863 t/a、減少SO2排放量14.3 t/a、減少NOx排放量17.83 t/a、減少CO2排放量9.3萬t/a。由此可見，煙氣余熱深度梯級利用系統對污染物控制方面貢獻巨大，具有廣闊的應用前景和推廣意義。

7 結論

機組采用的煙氣余熱深度梯級利用與減排系統共設置3級換熱器。機組在3種不同試驗負荷下分析可知，480 MW負荷下時，系統投運后比投運前實測廠用電率增加0.05%，600 MW和330 MW負荷下實測廠用電率分別下降0.17%和0.13 %。660 MW負荷下，實測發電煤耗和供電煤耗分別降低4.97 g/(kW·h)和5.12 g/(kW·h);在480 MW負荷下，實測發電煤耗和供電煤耗分別降低4.86 g/(kW·h)和5.03 g/(kW·h);在330 MW負荷下，實測發電煤耗和供電煤耗分別降低4.68 g/(kW·h)和4.83 g/(kW·h)。

運行分析可知，低壓加熱器抽氣量減少，低壓缸做功份額增加，機組做功量增加，汽輪機熱耗率降低。低負荷時由于凝結水管路阻力增加導致凝結水泵功率的增加量由鍋爐上水泵承擔，此時對送風機和引風機電流、除塵系統、脫硫工藝用水量影響不明顯。高負荷時凝結水泵通過變頻來克服凝結水管路增加的阻力，此時對送風機和引風機電流、除塵系統、脫硫工藝用水量影響明顯，爐煙道阻力增加帶來的功耗均小于給水溫升帶來的效益，系統起到了節能降耗的作用。

經濟性和社會效益分析可知，單臺機組每年產生經濟效益約為750萬元，設備投資回收期約6年，每年減少煙塵排放量1.863 t/a、減少SO2排放量14.3t/a、減少NOx排放量17.83 t/a、減少CO2排放量9.3萬t/a。

在實際運行中，該系統還需要進一步優化，3號換熱器出口煙氣溫度偏低，應適當減少3號換熱器面積。其次，旁路管徑較小，應適當增大旁路管徑來提高煙溫。再者，壓縮空氣旋轉除灰系統吹灰能力不足，建議在運行中增加吹灰頻次。

探討［J］．中國電力，2016，49(10):1－6．

［2］李翠翠，李建偉，鄭國寬．600MW超超臨界機組直流鍋爐煙氣高效利用設計優化［J］．內蒙古電力技術，2016，34(5):9－13．

［3］李翠翠，鄭國寬，陳廣林．600MW級燃褐煤直流鍋爐超低排放技術路線分析［J］．電力科學與工程，2017，33(3):68－73．

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［11］王巍，袁園，別璇．燃煤電廠超低排放控制設備改造前后物耗和能耗分析［J］．電力科學與工程，2016，33(1): 15－20．

Application Analysis of Gas Waste Heat Deep Level Cascade Utilization System

ZHENG Guokuan
(China Shenhua Shengli Energy Branch Company，Xilinhaote 026000，China)

For the two lignite fired boiler in a plant，the deep cascade utilization of flue gas waste heat and emission reduction system as well as the heated condensation water and high pressure feed water were adopted to improve the thermal efficiency and reduce pollutant emissions of the unit．Experimental study and analysis on the system under the conditions of operation and out of operation are carried out，and experimental research shows that the under the load of 660 MW，the actual coal consumption of power generation declines by 4.97 g/(kW·h)and the coal consumption of power supply declines by 5.12 g/(kW·h)．Operation analysis shows that the influence on dust removal system and water consumption of desulphurization process is not obvious at low load，but the currents of the induced draft fan as well as the draft rise significantly at high load．Economic and social benefits analysis show that the effect of system energy saving and emission reduction are very remarkable．And suggestions for future economic operation of the system are also given．

once-through boiler;lignite;waste heat utilization;experimental study;operation analysis;economic analysis

TK09

A

1672－0792(2017)07－0064－06

鄭國寬(1983－)，男，工程師，主要研究方向為大型火電機組節能減排技術及潔凈煤燃燒技術。

10.3969/j.ISSN.1672－0792.2017.07.011

2017－05－19。

中國神華科技項目(SHGF－17－61)。

［1］劉宇鋼，易廣宙．燃煤發電機組鍋爐余熱利用系統