電站低低溫煙氣余熱利用系統熵產分析

陸萬鵬，孫浩森，趙元東

（1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南250101；2.山東建筑大學 學報編輯部，山東濟南250101；3.山東大學 后勤保障部，山東 濟南250100）

電站低低溫煙氣余熱利用系統熵產分析

陸萬鵬1，孫浩森2，趙元東3

（1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南250101；2.山東建筑大學 學報編輯部，山東濟南250101；3.山東大學 后勤保障部，山東 濟南250100）

電站低低溫煙氣處理技術是實現電站鍋爐煙氣高效除塵、脫硫的有效方法之一，高效回收利用鍋爐煙氣降溫過程中形成的煙氣余熱，并準確評價其節能收益，對于電站節能有重要意義。文章基于熱力學第二定律，根據等效熱降的分析思想，利用熵產分析法，建立了電站低低溫煙氣余熱利用系統各環節的做功能力損失模型，結合N300-16.7／537／537-7型亞臨界機組的熱力參數，分析了低低溫煙氣余熱利用系統的熱經濟性及各環節的能量損失。結果表明：煙氣余熱利用各環節中，影響系統熱經濟性的最主要因素是煙氣余熱輸入損失，占總做功能力損失的85.23%；系統將鍋爐排煙溫度從138℃降至90℃，可降低機組標準煤耗率2.15 g／（kW·h），提高全廠效率0.66%。

低低溫煙氣處理；電站節能；熵產分析；經濟性

Abstract：Super-low temperature treatment of boiler flue gas in thermal power plants is one of highefficient techniques in dust removal and desulfurization.In a super-low temperature flue gas waste heat recovery system（super-low FGWHRS），the waste heat coming from flue gas cooling is reused to save energy.It is of great significance for power plant energy conservation to efficiently utilize the waste heat and accurately evaluate its energy saving effect.Based on the second law of thermodynamics，the energy loss model of each process was established using entropy generation method combined with equivalententhalpy analysis.Based on the developedmodel，the heateconomy and energy losses of each process of the super-low FGWHRSof a subcritical unitwith the tipe of N300-16.7／537／537-7 were analyzed.The results show that themain influencing factor on the system thermal efficiency is the exhaust gas energy of the boiler，accounting for 85.23%of total loss of working capacity.The studied system reduces the exhaust gas temperature of the boiler from 138 to 90℃.As a result，the plant efficiency is improved by 0.66%，saving standard coal consumption rate of 2.15 g／（kW·h）.Emission reduction and energy saving are achieved.

Key words：super-low temperature flue gas treatment；energy conservation；entropy generation analysis；economic performance

0 引言

隨著能源環境問題日益嚴峻，國家對電站的節能環保工作提出了更高的要求，低低溫煙氣處理技術在許多電站得以應用［1-4］。其將電除塵器進口前的煙溫深度降低至露點附近，煙氣中的硫酸霧會被飛灰顆粒吸附，然后被電除塵器捕捉后隨飛灰排出，不僅保證了更高的除塵效率，還解決了下游設備的防腐蝕難題。實踐證明，低低溫煙氣處理技術與濕法煙氣脫硫工藝的組合可以達到高效除塵、脫硫的效果，是達到電站鍋爐煙氣超凈排放的有效途徑之一［5-6］。另一方面，回收的煙氣余熱若引入蒸汽回熱系統，用于加熱凝結水，則成為低低溫煙氣余熱利用系統，可以節省回熱抽汽，起到替代部分低壓加熱器的功能，節省的抽汽返回汽輪機繼續做功，會提高機組的循環效率［7-11］。因此，電站低低溫煙氣余熱利用系統使環保與節能相結合，具有雙重功效。

電站熱系統節能分析方法大多以熱力學第一定律為依據，如施延洲等在某電廠煙氣余熱利用系統熱力試驗中采用熱平衡法進行節能分析［12］。閆水保、郭江龍等指出了等效熱降法、矩陣法和循環函數法等分析方法之間的關系［13-14］。這些方法均基于能量和質量的守恒，利用系統熱力學平衡的概念來分析、完善所研究系統，但它們僅考慮了能量的數量而忽視了能量的品質，所以在分析系統能量品質下降的原因上無能為力，因此也無法正確地分析系統節能和優化的潛力。而熱力學第二定律指出了能量轉換的方向性，注重于能量的品質與可用性［15-16］，以熱力學第二定律為依據的熵產法能夠對煙氣余熱利用過程中的不可逆損失進行分析和量化，同時辨識系統中不可逆損失的原因和產生的部位，可以清晰揭示出能量在傳遞和轉換的各環節中能量耗損的分布特征，從而更好地為提高低低溫煙氣余熱利用的有效性指引方向。因此，文章采用熵產法建立了低低溫煙氣余熱利用系統各環節的能量損失模型，并應用于型號為N300-16.7／537／537-7的亞臨界300 MW機組。

1 電站低低溫煙氣余熱利用系統熵產分析模型的建立

1.1 電站低低溫煙氣余熱利用系統簡述

低低溫煙氣余熱利用系統，如圖1所示，在空氣預熱器出口和電除塵器之間的煙道中增設低低溫省煤器，將煙溫深度降低至約90℃，其水側通常與回熱系統中的某級（或某幾級）低壓加熱器并聯連接，回收的余熱用于加熱部分凝結水，以排擠對應的抽汽，增加機組做功功率。

圖1 低低溫煙氣余熱利用系統示意圖

1.2 低低溫煙氣末級回熱利用系統熵產分析模型

如果低低溫省煤器系統只并聯于末回熱加熱器，利用煙氣余熱回熱凝結水排擠末級抽汽，稱之為低低溫煙氣末級回熱利用。低低溫煙氣末級回熱利用的 T-s圖，如圖2所示，下標 in、gh、sh、t、c、en分別表示余熱輸入、煙氣冷卻器、回熱加熱器、汽輪機、凝汽器及環境。

圖2 低低溫煙氣末級回熱利用過程熵產分析圖

圖2 中，7-8線表示低低溫排煙余熱在利用過程中的溫度變化線，相對1 kg新蒸汽利用的煙氣余熱熱負荷被輸入到蒸汽回熱系統，表示為虛線圍成的面積788″7″。4-5-1線表示煙氣余熱利用所排擠的末級回熱抽汽線，排擠1 kg抽汽，定壓線1′4′下的矩形面積為煙氣余熱輸入其自帶的做功能力損失、煙氣冷卻器的傳熱損失及回熱加熱器的傳熱損失等三項之和；矩形 1′2′2″1″面積為排擠抽汽在汽輪機內的流動損失；矩形322′3′面積為排擠抽汽在凝汽器中凝結放熱損失。這樣，將回收的低低溫煙氣余熱在傳遞與轉換中熵產及做功能力變化過程分4個環節：煙氣余熱輸入環節、煙氣冷卻器與回熱加熱器傳熱環節、排擠抽汽在汽輪機中的流動環節、凝汽器中的放熱環節。

1.2.1 煙氣余熱輸入環節

煙氣余熱輸入低低溫省煤器的同時，會將其自帶的 一同輸入，從而造成煙氣余熱輸入環節的熵產及做功能力損失，其輸入熵產由式（1）表示為

式中：Δσin為煙氣熱負荷輸入熵產，kJ／（kg·K）；s為相對1 kg新蒸汽所利用煙氣的熵kJ／（kg·K）；Δqge為相對1 kg新蒸汽所利用的煙氣熱負荷，kJ／kg為 回收煙氣余熱的對數平均溫度，K。

1.2.2 煙氣冷卻器與回熱加熱器傳熱環節

T-s圖中的面積用A表示，末級加熱器的抽汽系數為μ，μ＝回熱抽汽量 ／新蒸汽量，則煙氣余熱經過煙氣冷卻器與回熱加熱器傳熱環節，煙氣熱負荷 Δqge＝μA1544″1″。煙氣余熱在前兩個環節的總熵產由式（2）表示為

式中：Δσgh、Δσsh分別為煙氣冷卻器和回熱加熱器的熵產，kJ／（kg·K）為末級加熱器排擠抽汽的平均溫度，K。

1.2.3 排擠抽汽在汽輪機中的流動環節

排擠的抽汽進入汽輪機，蒸汽膨脹及粘性流動環節產生的熵產由式（3）表示為

式中：Δσt為蒸汽的流動熵產，kJ／（kg·K）。

1.2.4 凝汽器中的放熱環節

排擠的抽汽在汽輪機中膨脹做功后排入凝汽器，在凝汽器內的放熱負荷 Δqc＝μ（h2-h3），kJ／kg，其做功能力損失由式（4）表示為

式中：Ic為凝汽器內蒸汽做功能力損失，kJ／kg；Ten、Tc分別為環境和汽輪機排汽溫度，K。

1.3 低低溫煙氣多級回熱利用系統熵產分析模型

相對低低溫煙氣單級回熱利用，如低低溫省煤器并聯于幾級回熱加熱器，則稱之為低低溫煙氣多級回熱利用。如圖1所示，自x-1級加熱器出口引出凝結水進入低低溫省煤器加熱，吸收煙氣余熱熱負荷Δqge后，回到m級加熱器入口的主凝結水管道，此過程中，排擠了x～m級加熱器的抽汽。以低低溫煙氣末級回熱利用熵產分析為基礎，對其多級級回熱利用系統進行熵產分析。

1.3.1 煙氣余熱輸入和煙氣冷卻器、回熱加熱器傳熱環節

根據火電廠熱系統節能理論［11］，若不計散熱損失，低低溫省煤器抽取1 kg熱水，x～m級回熱加熱器排擠抽汽的熵產由式（5）表示為

式中：Δσx～m為x～m級回熱加熱器排擠抽汽的熵產，kJ／（kg·K）為第 j級加熱器出口水比焓，kJ／kg為第j級加熱器排擠抽汽的平均溫度，K；τj為第j級加熱器水側比焓差下標we（water exit）表示低低溫省煤器回水。由式（5）可得出x～m級回熱加熱器排擠抽汽的平均溫度，其由式（6）表示為

由式（2）、（6），可得到余熱輸入、煙氣冷卻器及回熱加熱器等三環節的熵產之和，由式（7）表示為

煙氣余熱輸入和煙氣冷卻器、回熱加熱器傳熱環節總做功能力損失可由式（8）表示為

1.3.2 排擠抽汽在汽輪機內流動環節

在電站機組回熱系統中，若因利用熱量改變而排擠某級加熱器抽汽，會對其后的各級加熱器造成影響［11］。對于疏水式加熱器，抽氣量減少會使進入下級的疏水量會減少；對于匯集式加熱器，會使以后各級的凝結水量增加，這些原因都會造成后級加熱器的可利用熱量相對減少，因此，后面各級加熱器會增加抽汽量以保持熱量平衡。

圖1中，n為x～m級中間的某一級，若因煙氣余熱加熱凝結水排擠1 kg第n級加熱器抽汽，導致其后第j級抽汽量增加βjkg，則βj可由式（9）表示為

根據第j級加熱器型式，式（9）中Aj為取疏水焓差 γj或凝結水焓差 τj，kJ／kg；qj為加熱器抽汽與疏水的焓差

如果第n級加熱器為匯集式，則Aj均以τj代替；如果第n級加熱器為疏水自流式，則從n級以下直到匯集式加熱器用γj代替Aj，而在匯集式加熱器以下，無論是匯集式或疏水自流式加熱器，一律用τj代替Aj。

根據式（9），相對1 kg水流量，低低溫省煤器系統排擠第n級加熱器的抽汽量由式（10）表示為

第n級排擠抽汽在汽輪機內流動到第j級剩余的流量由式（11）表示為

式中：dj（n）為相對1 kg水流量系統排擠第n級加熱器的抽汽量，在汽輪機內流動到第j級剩余的流量，kg／kg。

相對1 kg新蒸汽，第n級排擠抽汽從第j級到第j-1級的流動損失由式（12）表示為

式中：Ij（n）為第n級排擠抽汽從第j級到第j-1級的流 動 損 失，kJ／kg；Sj為 第 j級 抽 汽 的 比 熵，kJ／（kg·K）；αd為加熱凝結水的份額，若 Dd為流經低低溫省煤器的凝結水流量，kg／s，D為汽輪機進汽量，kg／s，則 αd＝Dd／D。

第n級排擠抽汽在汽輪機流動環節的做功能力損失由式（13）表示為

對于低低溫煙氣多級回熱利用系統，排擠抽汽在汽輪機流動環節產生的總做功能力損失由式（14）表示為

式中：It為系統排擠抽汽在汽輪機流動環節產生的總做功能力損失，kJ／kg。

1.3.3 凝汽器放熱環節

對于x～m級中間的任意第n級，由式（11）可推得相對1 kg水流量，多級回熱利用系統進入凝汽器的排擠抽汽量，其由式（15）表示為

相對1 kg新蒸汽，排擠抽汽在凝汽器內的放熱過程中做功能力損失由式（16）表示為

式中：Ic為排擠抽汽在凝汽器內的放熱做功能力損失，kJ／kg；hc和 h′c為分別為凝汽器進、出口的焓值，kJ／kg；Tc為排汽的飽和溫度，K。

1.3.4 經濟性計算

低低溫煙氣多級回熱利用系統使蒸汽做功能力增加由式（17）表示為

對應使全廠效率相對提高由式（18）表示為

式中：Δw為低低溫煙氣多級回熱利用系統使蒸汽做功能力增加值，kJ／kg；w為蒸汽的原始做功能力，kJ／kg。

2 熵產分析模型應用計算與分析

針對型號為N300-16.7／537／537-7的亞臨界300 MW單元機組，在空氣預熱器至電除塵器之間設置低低溫省煤器，將煙溫降至90℃，用熵產法分析系統的熱經濟性。

機組的燃料特性及機組熱力參數見表1，回熱系統參數見表2。

表1 N300-16.7／537／537-7機組熱力主參數

表2 N300-16.7／537／537-7機組回熱系統參數

低低溫煙氣余熱利用水側系統如圖3所示。為防止嚴重的低溫腐蝕，系統設置了回水再循環管路，8＃低加進口的凝結水與再循環回水混合至70℃，進入低低溫省煤器被加熱至109.5℃，回到6＃低加進口的凝結水主管路。

圖3 低低溫煙氣余熱利用水側系統示意圖

低低溫煙氣余熱利用系統設計參數及經濟性計算結果見表3。

表3 低低溫煙氣余熱利用系統設計參數及經濟性計算結果

表3計算結果表明，應用低低溫煙氣余熱利用系統降低排煙溫度48℃，回收煙氣單位熱負荷69.33 kJ／kg，熵產法計算蒸汽做功能力增加了7.66 kJ／kg，標準煤耗率降低 2.15 g／（kW·h），全廠效率相對提高0.66%。

按照表3計算結果，低低溫省煤器回收熱量的做功能力損失分布如圖4所示，表明總做功能力損失包含了煙氣余熱輸入損失、加熱器損失、汽輪機流動損失和凝汽器放熱損失等4項，分別占總損失的份額分別為 85.23%、5.94%、3.96%和 4.87%。

圖4 低低溫煙氣余熱利用系統能量做功能力損失分布圖

根據圖4分析可以看出：

（1）煙氣冷卻器和回熱加熱器這兩種加熱器存在傳熱溫差，產生了加熱器傳熱損失。提高低低溫省煤器進、出口水溫，煙氣冷卻器傳熱溫差減少，傳熱損失降低；另外，煙氣冷卻器進、出口水溫的提高還可以排擠更高能級的回熱抽汽，在圖2中表現為回熱抽汽線的上移，從而使兩種加熱器的總傳熱損失減少。但過小的煙氣冷卻器端差會導致其傳熱面積增大、投入增加，低低溫省煤器出口水溫選擇往往要依據投資和收益進行綜合考慮。

（2）低低溫煙氣余熱利用系統通過加熱凝結水排擠回熱抽汽，在增加汽輪機做功的同時導致排汽量較原來增加2.79%，使汽輪機內流動損失和凝汽器放熱損失增加。

對于汽輪機內流動損失，由于鍋爐排煙溫度的限制，低低溫省煤器排擠的抽汽一般為低壓回熱抽汽，僅造成的汽輪機低壓缸后部的流動損失增加，影響有限。汽輪機流動損失增加占總損失的3.96%。

排汽量增加造成的凝汽器放熱損失增加占總做功能力損失的4.87%，而在以熱力學第一定律為基礎的分析方法中，排汽量增加導致冷源損失增大，回收余熱的所有做功損失都被歸為冷源損失之中。

（3）由于系統利用的是煙氣余熱，煙溫較低，因此煙氣余熱自身帶有大量的，構成了煙氣余熱輸入損失，其在幾項損失中份額最大。根據式（1），可知本項損失與利用煙溫相關，表明煙氣余熱利用系統的熱經濟性受到鍋爐原始排煙溫度的限制。如果鍋爐排煙溫度較高，一方面煙氣余熱輸入損失減小；另一方面，低低溫省煤器的出口水溫得以提高，加熱器傳熱損失降低，還可以排擠更高能級的抽汽，相同回收熱量下排擠抽汽量減少，凝汽器放熱損失也會降低，從而使系統的熱經濟性顯著提高。

3 結論

利用熵產分析法，建立了低低溫煙氣余熱利用系統各環節的能量損失模型，應用于型號為N300-16.7／537／537-7的亞臨界 300 MW 機組，結果表明：

（1）將低低溫煙氣余熱利用過程分為煙氣熱量輸入、加熱器傳熱、排擠抽汽在汽輪機流動和凝汽器放熱等環節，加熱器損失、汽輪機流動損失和凝汽器放熱損失等3項損失近乎相當且較小，而煙氣余熱輸入損失最大，占總做功能力損失的85.23%。

（2）利用低低溫煙氣余熱利用系統將排煙溫度從138℃降至90℃，可降低標準煤耗率2.15 g／（kW·h），提高全廠效率 0.66%，可實現環保與節能雙重功效。

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（學科責編：趙成龍）

Entropy generation analysis of the super-low tem perature flue gas heat recovery system in thermal power plants

Lu Wanpeng1，Sun Haoshen2，Zhao Yuandong3
（1.School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Editorial Department of Journal of Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.Logistics Security Department，Shandong University，Jinan 250100，China）

TK115

A

1673-7644（2017）04-0327-06

2017-07-12

國家發改委-電力行業低碳技術創新及產業化示范工程項目（發改辦高技［2013］1819號）；山東建筑大學博士基金項目（0000601336）

陸萬鵬（1973-），男，副教授，博士，主要從事熱力設備節能及可靠性等方面的研究.E-mail：luwp＠sdjzu.edu.cn