褐煤鍋爐余熱集成梯級利用系統的應用與研究

趙小楠，楊巨生

(1.內蒙古京能錫林發電有限公司，內蒙古 錫林郭勒 026000；2.太原理工大學，太原 030024)

褐煤鍋爐余熱集成梯級利用系統的應用與研究

趙小楠1，楊巨生2

(1.內蒙古京能錫林發電有限公司，內蒙古 錫林郭勒 026000；2.太原理工大學，太原 030024)

褐煤鍋爐空預器排煙溫度達161 ℃，不利于節能。基于能量品位梯級利用原理和系統集成方法論，設計實施了尾部煙氣余熱集成梯級利用系統，與蒸汽回熱系統進行耦合優化，排擠高品質抽汽返回汽輪機內繼續膨脹做功。相對于將低溫省煤器布置在空氣預熱器出口之后的傳統方案，采用梯級利用技術節能優勢顯著。

能量梯級利用，煙氣余熱，低溫省煤器，節能

0 引言

1 煙氣余熱的熱力學分析方法

在尾部煙道中增設余熱換熱裝置，利用煙氣余熱加熱回熱系統的冷凝水，排擠部分進入回熱換熱器的回熱抽汽，增加進入汽輪機后續級的蒸汽流量，從而增加汽輪機的總輸出功率，提高整個發電機組的效率。

煙氣余熱系統熱力平衡分析。對第i級回熱加熱器(如圖1所示)的熱平衡式如下

qmn,i-1hn,i-1-qmn,ihn,i=(qme,ihe,i+

qms,i-1hs,i-1-qms,ihs,i)ηh,i。

(1)

當存在余熱回收利用時，對于同樣的換熱器熱平衡式如下

圖1 回熱加熱器熱平衡關系

(2)

式中：Qg為給水或凝結水吸收的煙氣余熱量，kJ/h；η為回熱加熱器效率；qm為質量流量，kg/h；he，hn，hs分別代表蒸汽、凝結水或給水、疏水的比焓，kJ/kg；有*的量表示采用煙氣余熱利用時的參數。

根據傳熱學原理可知，電站鍋爐尾部煙氣用于加熱凝結水的熱量Qg大致相當于煙氣的放熱量， 凝結水吸熱量熱平衡式如下

在之后與它的談話中，我得到了一些信息。人類為了發展科技，大肆破壞自然環境，在三千年后科技終于位居宇宙排名的前五名。三千年后的人都很富裕，像醫院、酒吧、游樂場都只有機器人員工。這時候的人類不用工作，也能得到每天一萬元的宇宙幣（一種宇宙的通用貨幣），但唯一的問題是：地球環境受到了無法修復的破壞，自然界已經沒有了氧氣，所以人類要戴著氧氣面罩才能到戶外進行活動。因為環境受到污染，地球人只能向外星球移民，給外星球增添了負擔。外星球一再提出要地球人改善地球的環境，但地球人依舊我行我素。最終，外星人忍無可忍，決定聯手消滅地球人。此時此刻，在地球上的某一處，外星人大軍正在與地球士兵作戰呢。

Qg=qm×cρ,g×Δt×φ，

(3)

凝結水或給水吸收煙氣余熱后，可排擠的該級節約回熱抽汽量為

(4)

根據該級回熱加熱器的抽汽量變化Δqmi，可計算出汽輪機機組做功增量 ΔPi為

(5)

式中：he，i為該級加熱器抽汽的比焓；hc為汽機低壓缸排汽的比焓， kJ/kg；ηm為機組的機械效率；ηg為發電機效率。

2 煙氣余熱利用系統的熱力學分析

某電廠汽輪機為單軸、一次中間再熱、三缸兩排汽、 間接空冷凝汽式汽輪機，型號為NJK660-28/600/620。鍋爐為超超臨界中間一次再熱∏型變壓直流爐，型號為B&WB-2117/29.4-M。回熱系統采用九級回熱抽汽“三高、五低、一除氧”。鍋爐燃用設計煤種，低位發熱量為14.69 MJ/kg，鍋爐實際燃煤量為408 t/h，鍋爐熱效率為93.02%。空預器出口排煙溫度為161.3 ℃。

根據該廠系統參數，對采用常規低溫省煤器的煙氣余熱利用系統和集成梯級煙氣余熱系統2種技術方案分別進行熱力平衡計算。各方案的主要設備及其設計參數見表1。

表1 2種系統主要設備及其設計參數 ℃

2.1低溫省煤器熱力學分析

采用傳統的低溫省煤器的技術方案如圖2所示(圖中高加為高壓加熱器，低加為低壓加熱器，下同)，將#7低加入口的凝結水引出加熱后送人#6低加出口，排擠6次抽汽量來提高蒸汽做功能力，又考慮到工程應用實際，必須保證換熱器的兩側節點有15.0 ℃以上的溫差。#7低加入口凝結水溫度為98.3 ℃，因此排煙溫度控制在113.0 ℃左右。根據表的設計參數，圖3給出了煙氣余熱利用系統常規方案和煙氣余熱利用過程的T-Q圖。由圖3可見凝結水溫升較小，此方案對提高機組經濟性效果有限，只能降低煤耗約2 g/(kW·h)。對于褐煤機組的煙氣余熱利用不充分。

圖2 低溫省煤器煙氣余熱利用系統

圖3 低溫省煤器煙氣余熱利用系統的T-Q圖

2.2煙氣余熱集成梯級利用系統的分析

根據“溫度對口，能級匹配”的梯級利用原則，對尾部煙道的煙氣余熱利用系統進行優化設計，如圖4所示。首先利用低品位煙氣余熱加熱冷一、二次風，提高空預器入口風溫，減少煙氣在空預器中的換熱，而將這部分高品位熱量在煙氣旁路加熱高加旁路給水和#5低加凝結水，通過排擠汽輪機一、二、三、五次高品位的回熱抽汽從而獲得更高的經濟效益。集成梯級利用系統不僅有利于余熱的梯級回收利用，在變工況運行時，排煙溫度的控制有更好的適應性與靈活性[3-4]。

圖4 煙氣余熱集成梯級利用系統

鍋爐尾部煙氣余熱梯級利用方案具體包括：空預器旁路換熱器(給水換熱器，凝結水換熱器)、凝結水煙冷器、熱媒水交換器。給水換熱器從給水泵出口引出1路給水，利用煙氣旁路余熱將給水溫度從196.0 ℃左右升至310.0 ℃左右再送至省煤器入口，通過排擠汽輪機一、二、三次高品級的回熱抽汽從而獲得更高的經濟效益。從#6低加出口引出的部分凝結水，通過凝結水煙氣換熱器將凝結水溫度由138.0 ℃升至158.0 ℃再送至#5低加出口，排擠汽輪機五次抽汽量提高蒸汽做功能力。凝結水煙冷器將#7低加入口的凝結水引出加熱后送入#6低加出口，排擠六、七次抽汽量來提高蒸汽做功能力。熱媒水換熱器采用低品質的低溫煙氣以熱媒水作為中間介質預熱空預器進口一、二次冷風，提高空預器入口風溫，防止空預器低溫腐蝕與堵灰。圖5給出了梯級煙氣余熱利用系統的T-Q圖。

圖5 煙氣余熱集成梯級利用系統的T-Q圖

2.32種系統的熱力分析對比

低溫省煤器系統和煙氣余熱梯級綜合利用系統的熱力學分析結果見表2。

表2 2種系統熱力分析結果

計算結果表明采用煙氣余熱梯級利用系統后，使低溫省煤器煤耗降低值由2.0 g/(kW·h)提高到7.7 g/(kW·h)，同時使機組效率提高1.5%。效率比采用單一熱源的低溫省煤器更高。

3 結論

通過對集成梯級煙氣余熱系統的熱力學研究分析，表明余熱的轉換利用不僅要關注余熱的數量，還要考慮余熱的品位質量問題。高溫高壓熱源比低溫低壓熱源轉換力大。通過對不同品位能量的合理分配以及與各系統的優化匹配，可以獲得更好的整體節能效果。與常規低溫省煤器的煙氣余熱利用技術相比，高效褐煤煙氣余熱集成梯級利用系統具有以下明顯優勢。

(1)采用梯級利用技術可使機組供電煤耗降低值由2.0 g/(kW·h) 提高至7.7 g/(kW·h)。

(2)集成煙氣余熱換熱器使阻力提高導致風機能耗增加量與煙氣量減少引起的電耗降低量基本相當。

(3)空預器進出口的冷一、二次風溫水平均較高達95.3 ℃，減小了低溫腐蝕的可能。

(4)在變工況運行時，電除塵入口煙溫的控制有更好的適應性與靈活性。

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[4]黃圣偉，徐鋼，楊勇平，等.電站鍋爐煙氣余熱利用的熱力學分析與優化設計原則[J].現代電力，2013(1):75-80.

TK 323

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1674-1951(2017)10-0066-03

2017-08-23；

2017-09-10

(本文責編：劉炳鋒)

趙小楠(1988—)，男，河南商丘人，工程師，工學碩士，從事火電廠發電運行工作(E-mail:873170744@qq.com)。

楊巨生(1965—)，男，山西太谷人，教授，從事節能技術研究工作。