鍋爐尾部煙氣余熱回收復(fù)合相變換熱器設(shè)計與應(yīng)用

杜有前

（湖北華電襄陽發(fā)電有限公司，湖北 襄陽 441141）

在火力發(fā)電生產(chǎn)過程中，煤炭燃燒產(chǎn)生的熱能僅有35%～45%能夠轉(zhuǎn)換成電能，約60%熱能以凝汽器冷源熱損失、鍋爐排煙熱損失等形式被浪費掉。其中，鍋爐排煙熱損失是主要熱量損失源之一，可占到鍋爐熱損失的80%左右。因此，開展鍋爐煙氣余熱回收對加強火電廠節(jié)能與環(huán)境保護具有重要意義。在利用鍋爐低溫?zé)煔庥酂徇^程中，由于溫差較小使得余熱利用效率較低，在鍋爐負荷變化時管道金屬壁溫有可能低于煙氣酸露點進而形成低溫腐蝕，極大影響設(shè)備安全運行。本文在充分考慮防止低溫腐蝕的基礎(chǔ)上，研究了利用復(fù)合相變換熱技術(shù)替換傳統(tǒng)煙氣余熱利用的技術(shù)方案，對復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對其實際應(yīng)用的經(jīng)濟性進行分析。

1 復(fù)合相變換熱器的工作原理

復(fù)合相變換熱器工作原理如圖1所示。其分為兩個部分，煙氣側(cè)換熱器和蒸汽-水換熱器（汽包），煙氣側(cè)換熱器的換熱介質(zhì)（水）在吸收煙氣熱量后蒸發(fā)變?yōu)樗羝羝ㄟ^上升管進入安裝在上部的汽包，與低溫除鹽水在汽包中換熱，換熱后的高溫除鹽水進除氧器，中間介質(zhì)換熱后冷凝成液體后通過下降管返回?zé)煔鈧?cè)換熱器，與煙氣繼續(xù)換熱，如此循環(huán)利用。

復(fù)合相變換熱余熱回收過程包括內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。蒸發(fā)換熱器與相變換熱汽包的殼程相連接，即為內(nèi)循環(huán)，它以水為換熱媒介，水在蒸發(fā)換熱器內(nèi)吸收煙氣余熱后發(fā)生相變形成水蒸汽，水蒸汽由上升管匯集到相變換熱汽包內(nèi)，對凝結(jié)水進行加熱后水蒸汽發(fā)生相變凝結(jié)成水。相變換熱汽包的管程與外循環(huán)水（例如：除鹽水、凝結(jié)水或熱網(wǎng)循環(huán)水）管道并聯(lián)，稱為外循環(huán)，其吸收汽包殼程內(nèi)水蒸汽的凝結(jié)潛熱，被加熱后返回到電廠熱力循環(huán)中。

圖1 復(fù)合相變換熱器工作原理圖

2 總體方案設(shè)計

根據(jù)采暖季和非采暖季熱量需求的不同，復(fù)合相變換熱器所回收方案可分為兩種：（1）在采暖季，將回收熱量用于加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，從而降低了冬季供熱系統(tǒng)對新蒸汽的需求量，如圖2所示。（2）在非采暖季，將回收的熱量用于加熱電廠除鹽水，可使進入到除氧器的除鹽水溫度從40℃加熱至90℃，如圖3所示。

圖2 供暖季煙氣余熱回收方案

在季節(jié)交替時，上述兩種方案可進行切換。在兩個不同應(yīng)用的設(shè)計過程中，均應(yīng)確保煙氣流速控制在一定范圍內(nèi)，以保證換熱器表面的自除灰能力達到一個有效的平衡。

圖3 非供暖季煙氣余熱回收方案

3 復(fù)合相變換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計

以220t/h鍋爐為例，相變換熱器入口煙溫約145℃，出口煙溫110℃；換熱器吸熱段入口管內(nèi)水溫為90℃，出口處水蒸汽溫度為110℃。管外為煙氣沖刷換熱管之間換熱形式為對流換熱，管內(nèi)為水的對流換熱與相變換熱。為了提高換熱效率，管束采用錯列布置的方式，管束的前排可加裝防磨瓦以減小在高速氣流下管束的磨損。

設(shè)計計算是通過先計算換熱量、換熱系數(shù)和每根管束的換熱面積來計算出共需要的管束，然后再計算出管束的布置方式。先設(shè)計復(fù)合相變換熱器布置處的尾部煙道的橫截面的尺寸，再假設(shè)每排管束的個數(shù)，最后求得總共排管束數(shù)量。復(fù)合相變換熱器結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如表1。

表1 復(fù)合相變換熱器結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

4 復(fù)合相變換熱器的運行控制

控制系統(tǒng)由壁溫測試儀、控制裝置、節(jié)流控制裝置等組成。為了避免煙氣換熱管道被腐蝕，需要使壁面的最低溫度高于煙氣的最露點溫度。壁溫測試儀可以監(jiān)測壁面的溫度然后傳輸給控制裝置，控制裝置再對信號進行處理，然后向系統(tǒng)內(nèi)部的控制閥門與放熱段冷源的控制閥門發(fā)出相應(yīng)的處理信號，從而控制循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的循環(huán)流量與速度以及放熱段冷源的流量，最終使放熱段管束的最低壁溫始終在煙氣的露點以上，保證了復(fù)合相變換熱器的長久有效運行。

鍋爐在停爐的過程中，負荷逐漸減少，通過自動調(diào)節(jié)進入汽包內(nèi)水的自動控制閥，進入復(fù)合相變換熱器汽包的水量自動減少，直到閥門全部關(guān)閉。由于自動控制閥不會完全的關(guān)閉，有時其會有一定的泄漏量，為保證吸熱段的壁溫最低值不少于 110℃，自控閥前后的閘閥可以通過手動來控制以關(guān)小汽包進水，但閥門不能夠全部關(guān)閉，因為煙道余熱會使汽包的管程除鹽水汽化，有時甚至?xí)斐伤畵羰鹿省９十斉艧煖囟炔桓哂?120℃時，閘閥需要關(guān)畢，此時換熱器則不再運行。當復(fù)合相變換熱器仍處于工作狀態(tài)而鍋爐處于停爐狀態(tài)時態(tài)時，相變段除鹽水系統(tǒng)的出水閥和進水閥不可以同時關(guān)閉，如果同時關(guān)閉，可能造成設(shè)備的損壞或更嚴重的后果。當鍋爐啟動后，汽包進水控制閥控制儀表設(shè)置為自動狀態(tài)。隨著鍋爐排煙溫度的逐漸升高，復(fù)合相變換熱器的顯示壁溫也會隨其升高。緩慢打開汽包進水自控閥前后的閘閥，直至兩者全開，此后調(diào)節(jié)閥自動控制換熱器汽包的進水量。隨著鍋爐負荷的逐漸升高，自動控制閥也隨之自動開大，當鍋爐達到額定負荷時，此時，換熱器表面的顯示壁溫值將圍繞 110℃上下波動。如果排煙溫度高于125℃時，設(shè)備則開始正常工作。

當鍋爐發(fā)生故障時，進入復(fù)合換熱器的補水流量不夠或補水中斷時，壁溫顯示儀顯示的溫度將迅速隨之上升。在相變段壁溫顯示的溫度超過120℃之前時打開放氣閥，并進行排汽減壓。當換熱器的故障排除后放氣閥關(guān)閉，換熱器也可以恢復(fù)運行。為了適應(yīng)現(xiàn)有的引風(fēng)機出力，可以選擇優(yōu)化設(shè)計對換熱器進行設(shè)置，并根據(jù)電廠實際運行情況，相變換熱器將增加的煙氣阻力將在350Pa范圍以內(nèi)。

5 安全經(jīng)濟性分析

復(fù)合相變換熱器煙氣余熱回收系統(tǒng)在湖北某火力發(fā)電廠220t/h鍋爐投入運行以來，能較好適應(yīng)鍋爐運行參數(shù)波動，在鍋爐排煙溫度變化時自動調(diào)整除鹽水或熱網(wǎng)水流量，管束壁溫穩(wěn)定在105～107℃之間，安全性良好。采用復(fù)合相變換熱器后，供電煤耗率下降6.27 g/(kW·h)。按照發(fā)電功率為50MW，機組年平均運行小時數(shù)為8000h，每年可節(jié)省標煤量：6.27×8000×50×103×10-6=2508t，如果標煤價格按500元/t，每年直接經(jīng)濟收益為125.4萬元。整套復(fù)合相變換熱煙氣余熱回收裝置總投資為225.7萬元，回收成本周期僅為1.79年。此外，由于火力發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)運行要求，煙氣進入脫硫系統(tǒng)前，需要預(yù)先對煙氣進行噴水減溫，降至脫硫系統(tǒng)允許溫度。煙氣余熱系統(tǒng)投運后，煙氣經(jīng)余熱回收系統(tǒng)吸熱后溫度降低，將減少脫硫母液的蒸發(fā)量，進而達到節(jié)水的效果。

6 結(jié)語

（1）介紹了復(fù)合相變換熱器吸收鍋爐煙氣余熱的工作原理，并對復(fù)合相變換熱器技術(shù)方案和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了設(shè)計。

（2）分析了復(fù)合相變換熱器在鍋爐啟動、停爐及故障處理過程中的運行控制方法和注意事項。

（3）所設(shè)計的復(fù)合相變換熱器在湖北某火電廠進行了實際應(yīng)用，該系統(tǒng)具有良好的安全經(jīng)濟性。