分段式煙氣冷卻器的設計與應用

郭伯春，賴海兵，肖 勝

(1.四川廣安發電有限責任公司,四川廣安 638000；2.中航工業南充可再生能源有限公司,四川南充 637000；3.西安熱工研究院有限公司,西安 710032)

隨著我國環保政策的深入推進，火電機組進一步降低煤耗和粉塵排放、提高經濟性和發電競爭力勢在必行。當前燃煤鍋爐排煙溫度高、排煙損失增大，導致鍋爐效率降低、煤耗升高，對設備運行的經濟性和安全性構成嚴重影響，目前主要采用增加煙氣冷卻器方案。筆者全新設計了分段式煙氣冷卻器工藝，即采用低溫段煙氣冷卻器控制排煙溫度、高溫段煙氣冷卻器控制電除塵器入口煙溫的技術，順利實現了排煙溫度的控制和煙氣余熱回收利用。

1 設計方案

采用煙氣冷卻器降低排煙溫度，當前方案有：加裝煙氣冷卻器利用低壓加熱器凝結水回收余熱方案，冷一、二次風與煙氣冷卻器閉式循環方案[1]，煙氣冷卻器與煙囪排煙加熱閉式循環方案[2]，熱一次風加熱器與低壓省煤器聯合方案[3]等。筆者在當前已有方案的基礎上，設計了更有效、更節能的分段式煙氣冷卻器工藝和控制策略。

以某火力發電廠630 MW機組為例，其鍋爐為前后墻對沖燃燒、超臨界、本生型直流鍋爐，排煙溫度設計值為106 ℃，鍋爐熱效率為93.5%。近年來，實際運行表明，鍋爐在50%熱耗率驗收(THA)工況時，排煙溫度在125.5 ℃以上，排煙溫度明顯高于設計值，超過脫硫系統入口煙氣溫度設計值，夏季更為嚴重。

圖1 煙氣冷卻器改造方案示意圖

結合電廠運行參數，設計的改造方案見圖1。

圖1中，低溫段煙氣冷卻器的換熱器布置在電除塵器與引風機之間，管路與一、二次風管道上的暖風器連接，引入凝結水形成閉式循環，達到降低引風機后排煙溫度的目的，通過一、二次風管道上的暖風器進行熱交換，從而提高空氣預熱器(簡稱空預器)入口一、二次風溫度，改善空預器運行條件，提高鍋爐效率。低溫段煙氣冷卻器管束為H形鰭片管，換熱管支撐結構和殼體材料為ND鋼，換熱管及鰭片材質為316L，一、二次風暖風器換熱管材質為20G碳鋼。在原電除塵器進口煙道內加裝高溫段煙氣冷卻器的換熱器，采用引入6號低壓加熱器進出口的凝結水，通過高溫段煙氣冷卻器換熱，降低煙氣電除塵器進口煙氣溫度，吸熱后的凝結水回流入5號低壓加熱器。分段式煙氣冷卻器實現回收煙氣余熱，降低發電煤耗，同時減小粉塵比電阻，提高電除塵器的除塵效率，減少粉塵排放，節能環保。高溫段煙氣冷卻器管束為H形鰭片管，換熱管及鰭片材質為20G和20號鋼，換熱管支撐結構及殼體材料為Q235。

低溫段及高溫段煙氣冷卻器主要設計參數分別見表1和表2。

表1 低溫段煙氣冷卻器設計參數

表2 高溫段煙氣冷卻器設計參數

為了保證高溫段煙氣冷卻器長期運行的安全性和熱交換效率，對高溫段煙氣冷卻器加裝了聲波吹灰裝置，實現對高溫段煙氣冷卻器自動定期吹掃表面灰塵。

2 控制策略

按照分段式煙氣冷卻器設計方案，分別對高溫段煙氣冷卻器和低溫段煙氣冷卻器設計控制策略，使低溫段的煙氣冷卻器在控制好排煙溫度的同時，加熱一、二次風來回收煙氣余熱；高溫段的煙氣冷卻器在控制好電除塵器入口煙溫的同時，加熱凝結水回收煙氣余熱，在盡量提高熱效率的同時，避免對原系統的影響，保證改造后的煙氣冷卻器長期安全可靠地投入運行。

2.1 低溫段煙氣冷卻器

2.1.1 排煙溫度控制

依據排煙溫度調整變頻泵的頻率，改變閉式循環水的流量，通過低溫省煤器低溫段的熱交換，調節引風機處的排煙溫度，因脫硫系統對排煙溫度要求在90 ℃左右，因此可以將大量的熱應用到暖風器中加熱一、二次風，提高空預器入口風溫，改善空預器運行條件，達到節能降耗。

2.1.2 一、二次風溫度控制

依據左右側一、二次風溫差調整暖風器出口風溫調節閥開度，改變通過暖風器的閉式循環水流量，通過暖風器熱交換，提高空預器入口一、二次風的溫度，在提高鍋爐效率的同時，保證一、二次風溫度的平衡和可控。

因風機出口一次風溫度與二次風溫度具有相對恒定的溫差，通過暖風器的閉式循環水流量分配按一、二次風“溫升相等”調節。因此，以控制二次風暖風器出口風溫調節閥為主，一次風暖風器出口風溫調節閥開度參照二次風溫升調節。

2.1.3 閉式循環水溫度控制

依據變頻泵出口循環水溫度調節閉式循環水溫度調節閥開度，改變熱循環水流量，從而改變循環水冷、熱混合比，調節閉式循環水溫。當水溫低于60 ℃時，調節閥全開；當水溫高于75 ℃時，調節閥全關，使閉式循環水溫控制在一個較好的溫度，從而保證排煙溫度調節品質。

2.2 高溫段煙氣冷卻器

2.2.1 電除塵器入口煙溫控制

依據電除塵器入口煙氣溫度調整電除塵器入口煙溫調節閥開度，改變從6號低壓加熱器直接流經5號低壓加熱器的凝結水流量，從而改變流經高溫段煙氣冷卻器的凝結水流量，通過高溫段煙氣冷卻器熱交換，從而降低電除塵器入口煙氣溫度，控制電除塵器入口煙溫在120 ℃，從而減小粉塵比電阻，提高電除塵的除塵器效率，減少粉塵排放，同時經5號低壓加熱器入口回收高溫段煙氣冷卻器加熱的凝結水，降低發電煤耗。

2.2.2 凝結水流量調節

依據機組負荷調整凝結水流量調節閥開度，調整從6號低壓加熱器入口抽取的凝結水流量，自動分配通過6號低壓加熱器和高溫段煙氣冷卻器的凝結水流量，使6號低壓加熱器和高溫段煙氣冷卻器出口溫度偏差在一定范圍，達到低壓加熱器和高溫段煙氣冷卻器的熱交換分配平衡，進一步提高熱效率。

2.2.3 凝結水溫度調節

依據高溫段煙氣冷卻器入口溫度調整凝結水溫度調節閥開度，改變從6號低壓加熱器出口抽取的凝結水流量，從而改變流經高溫段煙氣冷卻器的凝結水冷、熱混合比，從而改變混合后凝結水溫度，使通過高溫段煙氣冷卻器的凝結水溫度控制在一個平穩的范圍內，進一步提高電除塵器入口煙溫調節品質。

由于凝結水溫度調節閥和凝結水流量調節閥對流經高溫段煙氣冷卻器的凝結水流量都有影響，即這兩個調節閥和電除塵器入口煙溫調節閥對電除塵器入口煙溫控制具有一定的耦合性；因此在實際控制邏輯中，可通過前饋控制來實現解耦處理，即用凝結水溫度調節閥開度作為凝結水流量調節閥的前饋，避免因凝結水溫度調節閥的變化影響混合后凝結水流量，用電除塵器入口煙溫調節閥開度作為凝結水流量調節閥的前饋，保證凝結水流量調節的快速性。

3 投運過程

高溫段煙氣冷卻器隨機組凝結水系統一起上水，注滿管道和換熱設備；然后，開煙溫調節閥，隨鍋爐燃燒逐漸增強，排煙溫度升高，水溫升高并可能汽化，熱量隨水的緩慢流動帶回5號低壓加熱器。

機組負荷逐步升高后，電除塵器入口煙溫和水溫均逐步提高，為了防止水的汽化和管道水擊，當電除塵器入口煙溫達到120 ℃以上時，將凝結水流量調節閥緩緩開啟，當6號低壓加熱器入口水溫在70 ℃以上時，凝結水溫度調節閥投入自動，將水溫控制在80 ℃，然后將電除塵器入口煙溫調節閥投入自動，控制電除塵器入口煙氣溫度為120 ℃，使得煙氣溫度高于其酸露點溫度。

低溫段煙氣冷卻器儲水箱的補水來自于煙氣冷卻器高溫段主管道的凝結水，當高溫段煙氣冷卻器注水完成后，對低溫段煙氣冷卻器的儲水箱和管路進行注水，儲水箱水位控制在1.5 m。注水完成后，開啟閉式循環水溫度調節閥，啟動一臺變頻泵，另一臺變頻泵投入聯鎖備用，使閉式循環水循環起來。

當排煙溫度達到90 ℃時，變頻泵投入自動，將排煙溫度設定為90 ℃，然后把暖風器出口風溫調節閥投入自動，并將閉式循環水溫度調節閥投入自動，變頻泵出口循環水溫度控制在65 ℃。

4 應用情況

分段式煙氣冷卻器改造完成后，機組點火啟動，分段式煙氣冷卻器與機組一同啟動投運。機組正常運行中，低溫段煙氣冷卻器運行情況(見圖2)和高溫段煙氣冷卻器運行情況(見圖3)穩定，經調試自動投入效果良好。

PAF A—A側一次風暖風器；PAF B—B側一次風暖風器；FDF A—A側二次風暖風器；FDF B—B側二次風暖風器；LOW TMP GC A—A側低溫段煙氣冷卻器；LOW TMP GC B—B側低溫段煙氣冷卻器

圖2 機組低溫段煙氣冷卻器投入運行圖

CND WTR—凝結水；6—6號低壓加熱器；5—5號低壓加熱器；APH GAS—空預器出口煙氣；A1—A側1號高溫段煙氣冷卻器；A2—A側2號高溫段煙氣冷卻器；B1—B側1號高溫段煙氣冷卻器；B2—B側2號高溫段煙氣冷卻器；ESP—電除塵；ASH BLOW—聲波吹灰裝置

圖3 機組高溫段煙氣冷卻器投入運行圖

低溫段煙氣冷卻器的入口煙溫在115～123 ℃，排煙溫度控制在87～91 ℃，煙氣壓降為280～370 Pa，能使439 t/h的循環水從63 ℃升至98 ℃，經暖風器使一次風冷風由30.8 ℃升高至42 ℃，二次風冷風由20 ℃升高至81 ℃，一次風暖風器壓降為350～380 Pa，二次風暖風器壓降為160～220 Pa。

高溫段煙氣冷卻器進口煙溫為136～153 ℃，出口煙溫為111～122 ℃，將6號低壓加熱器進出口抽取的凝結水混合溫度從83.3 ℃加熱到128 ℃后，回流到5號低壓加熱器進口。高溫段煙氣冷卻器平均壓降約為200 Pa。

經過一年來的運行實踐，該電廠在投用分段式煙氣冷卻器系統后，提高了鍋爐熱效率。鍋爐在大于50%THA工況時，經多次數據采集，得到分段式煙氣冷卻器的運行參數(見表3)。

表3 分段式煙氣冷卻器運行數據

從表3數據可見：分段式煙氣冷卻器系統運行參數達到了設計要求，煙氣和一、二次風壓降在可控范圍內，低溫段煙氣冷卻器熱回收功率為3.16 MW，鍋爐效率提高了0.502%，高溫段冷卻器熱回收功率為6.53 MW，鍋爐效率提高了1.036%，兩段煙氣冷卻器鍋爐效率提高合計為1.538%，與當前采用單一煙氣冷卻器方案比較(其鍋爐效率提高為0.5%～1.0%)，經濟效益更好。

5 結語

該電廠在630 MW機組排煙溫度節能改造中，采用分段式煙氣冷卻器技術，結合現場運行調試，在控制鍋爐排煙溫度并回收煙氣余熱等主參數方面，達到了設計的預期目標。在接下來的機組運行中發現，由于凝結水流量調節存在耦合性，并影響凝結水供給除氧器的安全性，需要在煙氣冷卻器運行中進一步完善和修改控制策略，在自動調節電除塵器入口煙溫的同時，避免調節閥關得過多，凝結水受阻導致除氧器供水不足引起的安全性問題，并合理分配通過高溫段煙氣冷卻器和6號低壓加熱器凝結水流量，達到熱交換效率的最優化。