基于600 MW超臨界鍋爐煙氣余熱利用改造研究

海潮峰，俆 啟

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045；2.華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 濟(jì)源 459000)

在火力發(fā)電廠中，煙氣的排放損失在鍋爐各項(xiàng)熱損失中所占比重最大。通常情況下，煙氣排放溫度每升高10 ℃，排放熱損失會(huì)增長(zhǎng)0.6%～1.0%。目前，國(guó)內(nèi)電站鍋爐普遍存在排煙溫度較高的問(wèn)題，排煙溫度過(guò)高將影響機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)對(duì)空預(yù)器的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。因此，降低煙氣的排放溫度對(duì)于節(jié)約能源和提高鍋爐的可靠性具有重大的意義[1-4]。

鍋爐煙氣余熱利用是通過(guò)換熱器回收鍋爐排放煙氣的部分熱量，加熱凝結(jié)水或進(jìn)入空預(yù)器的送風(fēng)，降低排放煙氣的熱損失[5]。煙氣冷卻器的煙氣余熱回收工程是將煙氣冷卻器布置在鍋爐尾部煙道，將實(shí)際運(yùn)行中偏高的排煙溫度降低到適宜于除塵器運(yùn)行和脫硫的某個(gè)溫度值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)組節(jié)能降耗的目的。

1 煙氣冷卻器設(shè)置方案

目前常用的煙氣冷卻器布置方式有2種，即煙氣冷卻器布置在空預(yù)器出口與除塵器入口之間，或煙氣冷卻器分2級(jí)同時(shí)布置在除塵器前和引風(fēng)機(jī)后脫硫塔前[6]。 2種布置方式都可以在一定程度上回收煙氣余熱，減少脫硫水耗，并具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 煙氣冷卻器布置在空預(yù)器與除塵器之間

煙氣冷卻器布置在空預(yù)器出口與除塵器入口之間，當(dāng)煙氣流經(jīng)煙氣冷卻器時(shí)，煙氣向冷卻器釋放低溫余熱，煙氣溫度降低，并且體積流量相應(yīng)減少，因此可以減少除塵器的除塵面積以及除塵器的占地面積和用材。同時(shí)，飛灰的比電阻隨溫度的降低而降低，電除塵器的除塵效率隨之增高。 當(dāng)煙氣溫度低于110 ℃(90～110 ℃)時(shí)，其攜帶的SO3粉塵很容易被電除塵器除去。一般灰硫比在100時(shí)，鍋爐排放煙氣中的 SO3去除率可以高達(dá)95%以上，此時(shí)鍋爐下游煙氣的露點(diǎn)溫度有很大程度降低，可以很大幅度減輕鍋爐尾部設(shè)備的低溫腐蝕[7]，見(jiàn)圖1。

圖1 煙氣冷卻器在空預(yù)器與除塵器之間布置圖

1.2 煙氣冷卻器分兩級(jí)布置

煙氣冷卻器分兩級(jí)布置在除塵器前和引風(fēng)機(jī)后脫硫塔前，即在除塵器前端頭喇叭筒內(nèi)設(shè)置第一級(jí)煙氣冷卻器，在脫硫塔前設(shè)置第二級(jí)煙氣冷卻器。正常運(yùn)行時(shí)，第一級(jí)煙氣冷卻器加熱低溫的凝結(jié)水，在第二級(jí)煙氣冷卻器與二次風(fēng)暖風(fēng)器之間設(shè)置閉式水循環(huán)回路，利用閉式循環(huán)水作為介質(zhì)將第二級(jí)煙氣冷卻器中的熱量傳遞至冷風(fēng)，加熱進(jìn)入空預(yù)器的冷二次風(fēng)，節(jié)約高品質(zhì)輔助蒸汽用量，并置換高品質(zhì)煙氣[8]。

同時(shí)，由于冷二次風(fēng)溫提高，空預(yù)器所需的煙氣量減少，減少的煙氣通過(guò)旁路煙道接至空預(yù)器后，這部分煙氣溫度較高，可在旁路煙道上依次設(shè)置空預(yù)器旁路一級(jí)煙氣冷卻器和空預(yù)器旁路二級(jí)煙氣冷卻器。其中空預(yù)器旁路二級(jí)煙氣冷卻器用來(lái)加熱被第一級(jí)煙氣冷卻器加熱后的凝結(jié)水，空預(yù)器旁路一級(jí)煙氣冷卻器加熱給水[9]，見(jiàn)圖2。

2 煙氣冷卻器改造方案設(shè)計(jì)

根據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行情況，空預(yù)器平均排煙溫度為130 ℃，設(shè)計(jì)排煙溫度為140 ℃，TRL工況平均排煙溫度為136 ℃，THA工況平均排煙溫度為130 ℃，75%THA工況平均排煙溫度為124 ℃，50%THA工況平均排煙溫度為118 ℃。考慮到空預(yù)器可能分步實(shí)施進(jìn)行改造，煙氣冷卻器入口溫度選取140 ℃，兼顧空預(yù)器改造前后的出口煙氣溫度。

2.1 方案1

方案1采用煙氣冷卻器布置在空預(yù)器出口與除塵器入口之間，煙氣冷卻器布置在4個(gè)水平煙道內(nèi)，一個(gè)煙道布置1臺(tái)，每臺(tái)爐共布置4臺(tái)，具體煙氣冷卻器熱力參數(shù)見(jiàn)表1。

煙氣冷卻器取水方案，采用同時(shí)從8號(hào)低加入口和7號(hào)低加出口取全部凝結(jié)水混合至70 ℃，經(jīng)煙氣冷卻器加熱后回5號(hào)低加入口。通過(guò)調(diào)節(jié)與低加系統(tǒng)主管道并聯(lián)的調(diào)閥開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)煙氣冷卻器進(jìn)水流量的調(diào)整，進(jìn)而調(diào)控?zé)煔饫鋮s器出口煙溫。為避免因管道溫度較低而造成惡劣的低溫腐蝕，裝置內(nèi)設(shè)有熱水再循環(huán)，控制煙氣冷卻器入口水溫在70 ℃以上。

圖2 煙氣冷卻器分兩級(jí)布置圖

表1 煙氣冷卻器熱力參數(shù)(單臺(tái)爐)

2.2 方案2

方案2采用煙氣冷卻器分兩級(jí)布置在除塵器前和引風(fēng)機(jī)后脫硫塔前，分別在除塵器前端頭喇叭筒內(nèi)設(shè)置第一級(jí)煙氣冷卻器，在脫硫塔前設(shè)置第二級(jí)煙氣冷卻器。煙氣冷卻器兩級(jí)布置系統(tǒng)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 煙氣冷卻器兩級(jí)布置系統(tǒng)數(shù)據(jù)

3 改造經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 初投資分析

在進(jìn)行煙氣余熱改造后，方案1每臺(tái)爐增加了4臺(tái)ND鋼管煙氣冷卻器，包括設(shè)置的冷卻水旁路調(diào)溫系統(tǒng)和低負(fù)荷冷卻水升溫的再循環(huán)泵系統(tǒng)。方案2每臺(tái)爐設(shè)2級(jí)ND鋼管煙氣冷卻器以及二次熱媒水循環(huán)泵、閉式膨脹水箱，煙氣冷卻器設(shè)冷卻水旁路調(diào)溫系統(tǒng)及二次熱媒水閉式水熱交換等設(shè)備。

另外，增設(shè)煙氣冷卻器初投資費(fèi)用還包括增加的土建費(fèi)用，給水、凝結(jié)水和二次熱媒水系統(tǒng)管道和閥門(mén)費(fèi)用，電氣開(kāi)關(guān)及電纜費(fèi)用，熱控部分投資，引風(fēng)機(jī)揚(yáng)程費(fèi)用，引風(fēng)機(jī)設(shè)備費(fèi)用以及凝結(jié)水水泵設(shè)備費(fèi)用，具體初投資匯總表如表3所示。

表3 初投資匯總表(單臺(tái)爐) 萬(wàn)元

3.2 運(yùn)行費(fèi)用分析

3.2.1 煤耗分析

進(jìn)行煙氣冷卻器余熱改造后，機(jī)組的煤耗也會(huì)有所變化。以機(jī)組THA工況為基礎(chǔ)，在保持發(fā)電量不變的情況下，其具體煤耗分析如表4所示。

表4 煤耗分析(單臺(tái)爐)

3.2.2 廠用電分析

進(jìn)行煙氣冷卻器余熱改造后，水側(cè)和煙氣側(cè)阻力均增大，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)揚(yáng)程、電機(jī)軸功率增大，導(dǎo)致廠用電費(fèi)增加，同時(shí)采用凝結(jié)水升壓泵或熱水循環(huán)泵也會(huì)使廠用電費(fèi)增加，具體廠用電分析如表5所示。

表5 廠用電分析(單臺(tái)爐)

3.2.3 脫硫島用水量分析

進(jìn)行煙氣冷卻器余熱改造后，脫硫島入口煙氣溫度降低，脫硫島用水量減少，相應(yīng)的用水費(fèi)用也會(huì)減少，具體如表6所示。

表6 脫硫島用水量分析(單臺(tái)爐)

注：年利用小時(shí)數(shù)按5 500 h。

3.2.4 年運(yùn)行費(fèi)用分析

運(yùn)行費(fèi)用包括燃煤費(fèi)用、廠用電費(fèi)用和用水費(fèi)用等。由以上分析可知，對(duì)于單臺(tái)機(jī)組而言，方案1設(shè)置煙氣冷卻器比不設(shè)置煙氣冷卻器的年運(yùn)行費(fèi)用降低約308.4萬(wàn)元，方案2設(shè)置兩級(jí)煙氣冷卻器比不設(shè)置煙氣冷卻器的年運(yùn)行費(fèi)用降低約493.1萬(wàn)元。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)以上技術(shù)分析數(shù)據(jù)，按現(xiàn)行年實(shí)際貸款利率I=6.55%，償還年限n=15 a，年固定費(fèi)率N=(1+I)n×I/((1+I)n-1)=0.106 7，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，如表7所示。

表7 經(jīng)濟(jì)性分析(單臺(tái)爐)

由表7可見(jiàn)，進(jìn)行煙氣冷卻器余熱改造后，方案1每年的經(jīng)濟(jì)收益為152.6萬(wàn)元，方案2每年的經(jīng)濟(jì)收益為184.7萬(wàn)元，2種方案的經(jīng)濟(jì)收益基本相當(dāng)。進(jìn)行煙氣冷卻器余熱改造除了要降低熱耗率，達(dá)到節(jié)能效果，還要降低煙氣溫度，提高除塵器效率，減少煙塵排放量。同時(shí)，還要考慮環(huán)保效益以及系統(tǒng)簡(jiǎn)單有效。因此，綜合考慮后建議采用方案1進(jìn)行煙氣余熱節(jié)能改造。

4 結(jié)論

a.方案1煙氣冷卻器布置在空預(yù)器出口與除塵器入口之間的煙道上，可以提高電除塵器的除塵效率，使下游煙氣露點(diǎn)大幅度下降，但煙溫只能降到90～110 ℃，脫硫吸收塔節(jié)水量不大。方案2采用了兩級(jí)煙氣冷卻器和空預(yù)器旁路系統(tǒng)，可使煙氣溫度進(jìn)一步降低，但系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。

b.進(jìn)行煙氣冷卻器余熱改造后，2種方案的初投資費(fèi)用均有明顯增加。方案1煙氣冷卻器采用一級(jí)布置，系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，初投資費(fèi)用約增加1 460萬(wàn)元；方案2煙氣冷卻器采用二級(jí)布置，增加的設(shè)備較多，系統(tǒng)較為復(fù)雜，前期初投資費(fèi)用約增加2 890萬(wàn)元。

c.改造完成后，綜合考慮燃煤電站的各運(yùn)行費(fèi)用，方案1和方案2分別單臺(tái)機(jī)組每年節(jié)省標(biāo)煤量約5 326.2 t和9 956.1 t，全年節(jié)約燃煤費(fèi)用約351.5萬(wàn)元/a和657.1萬(wàn)元/a；單臺(tái)機(jī)組每年增加耗電量約330 kW和950 kW，增加廠用電費(fèi)約76.1萬(wàn)元和219萬(wàn)元；單臺(tái)機(jī)組每年節(jié)約用水量約30 t/h和50 t/h，全年節(jié)約水費(fèi)約33萬(wàn)元和55萬(wàn)元。

d.改造完成后，方案1和方案2均能達(dá)到節(jié)能的效果，每年增加經(jīng)濟(jì)收益分別約152.6萬(wàn)元和184.7萬(wàn)元，兩者效益相當(dāng)。但進(jìn)行煙氣冷卻器余熱改造除了要降低熱耗率，同時(shí)要考慮環(huán)保效益以及系統(tǒng)簡(jiǎn)單有效。因此，建議采用方案1對(duì)電站進(jìn)行煙氣余熱利用改造，環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益顯著。