供熱機組煙氣余熱利用系統研究

陳兵兵， 寧廣飛， 李國元

(中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司， 鄭州 450007)

鍋爐排煙損失約占鍋爐熱損失的60%～70%，而排煙損失的主要指標是排煙溫度。一般來說，鍋爐排煙溫度每提高10 K，鍋爐排煙損失升高0.6%～1.0%。在鍋爐尾部煙道中加裝換熱設備，回收煙氣余熱，回收的熱量在采暖期加熱熱網水，在非采暖期進入汽輪機回熱系統，有利于提高機組熱效率，節約能源[1-3]。

國外方面，原蘇聯很多供熱電廠在優化改造鍋爐煙道時，在鍋爐下部對流豎井內設煙氣余熱利用換熱器，以加熱熱網回水，減少排煙損失；德國某 2臺800 MW褐煤電廠在電除塵器和脫硫塔間增設了煙氣余熱利用換熱器，利用煙氣余熱加熱凝結水，以降低機組熱耗；德國某1 000 MW褐煤電廠采用煙道旁路系統降低鍋爐排煙溫度，降低排煙損失，把煙氣余熱利用換熱器配置于空氣預熱器的旁路煙道上，在煙氣熱量充裕的運行工況下將部分高溫煙氣引入到旁路煙道中加熱高壓給水[4-5]。

國內方面，很多學者對煙氣余熱回收技術進行了深入的研究，并將其投入工程應用。王帥[6]為提高某300 MW機組鍋爐效率，提出了2種煙氣余熱回收改造方案，通過熱經濟性計算得到煙氣余熱回收改造方案節能效益顯著；王利敏等[7]從提高煙氣余熱的熱能品質著手，提出了利用汽輪機凝結水與低溫省煤器配合共同提高煙氣品位的方法，并于某1 000 MW機組上成功應用，運行結果表明提升煙氣熱能品位后能有效改善機組余熱利用的節能效果。

筆者結合供熱機組機運行特點，對2臺350 MW超臨界燃煤供熱發電機組煙氣余熱利用系統進行優化，在采暖期和非采暖期對煙氣余熱利用系統、凝結水系統及熱網循環水系統進行系統耦合，挖掘煙氣的梯級利用潛能，并綜合分析機組熱經濟性指標。

1 煙氣余熱利用換熱器布置方案

1.1 換熱器布置在除塵器進口煙道

采用低溫省煤器作為煙氣余熱利用換熱器，并將其放置于除塵器的進口煙道內，有效降低鍋爐的排煙溫度，同時降低飛灰比電阻，可以提高除塵器的除塵效率，降低電耗。由于煙氣余熱利用換熱器出口煙溫降低，引風機進口的煙氣流量減少，加裝煙氣余熱利用換熱器后，煙氣阻力增加約330 Pa；并且該溫度已經接近煙氣露點，煙氣余熱利用換熱器后的設備(如除塵器、引風機及煙道)均存在腐蝕風險。另外，除塵器前煙氣中煙塵含量較高，某供熱機組除塵器入口粉塵質量濃度約為46 g/m3(設計煤種)、45 g/m3(校核煤種)，還應考慮飛灰對管壁的磨損。

1.2 換熱器布置在脫硫塔進口煙道

對于大部分褐煤電廠，一般將煙氣余熱利用換熱器布置在脫硫塔進口處，煙氣余熱利用換熱器將進口煙氣溫度由160 ℃降低至100 ℃左右后排入脫硫塔，用煙氣余熱加熱低溫凝結水。由于煙氣余熱利用換熱器進口煙氣已經過除塵器，煙氣的粉塵質量濃度低于50 mg/m3，顯然換熱器工作于低塵含量區，飛灰對管壁的磨損程度較弱。另外，煙氣余熱利用換熱器出口的煙氣由于溫度較低且具有酸腐蝕性，但該換熱器布置位置在除塵器及引風機之后，煙氣對這些設備造成腐蝕的可能性較小，并且吸收塔內原先處于酸性環境中，煙氣離開脫硫島的溫度約為48 ℃，脫硫區域已進行了防腐處理，所以該布置方案腐蝕性較弱。

相反，由于煙氣余熱利用換熱器前煙氣溫度為高溫煙氣，除塵器的電耗較大，且加裝換熱器后煙氣阻力升高較明顯，引起引風機軸功耗增大，使得引風機電動機功耗增大。另外，該換熱器布置的位置遠離汽輪發電機組，凝結水管道很長，管道阻力較高，凝結水泵的電耗增加。

1.3 兩級串聯布置

將煙氣余熱利用換熱器按兩級串聯布置，第一級布置于除塵器入口側，第二級布置于脫硫島入口處。第一級煙氣余熱利用換熱器配備凝結水旁路系統，并設置調節閥，使煙氣余熱利用換熱器出口煙溫始終高于酸露點，避免對下游設備造成腐蝕。

該布置方案可以提高除塵器的除塵效率，節省廠用電，有效避免設備腐蝕問題。但第一級煙氣余熱利用換熱器處于高塵含量區工作，磨損問題較為突出，且該方案汽水系統較其他方案復雜。

1.4 供熱機組推薦布置方案

為了降低煙氣側阻力，考慮將煙氣余熱利用換熱器裝設于引風機出口、脫硫島進口處的煙道上。此處煙氣中飛灰較少，可以避免堵灰的問題，對換熱器的設計有較大優勢。根據鍋爐熱力計算結果，熱耗率驗收(THA)工況下引風機出口煙氣溫度約為123 ℃(已考慮引風機的溫升)，考慮到避免脫硫設備的低溫酸腐蝕及對煙囪進口溫度的要求，換熱器煙氣出口溫度擬定為93 ℃，軸封加熱器(簡稱軸加)出口凝結水在THA工況下溫度為32.6 ℃。在采暖期選擇熱網回水作為被加熱水源，在非采暖期選擇軸加之后的凝結水作為余熱利用的被加熱水源。煙氣系統流程見圖1。

根據圖1設置1臺煙氣余熱利用換熱器，將其布置于引風機出口的垂直煙道內?？紤]設備的換熱性能及抗腐蝕能力，煙氣余熱利用換熱器內換熱元件采用H形翅片管，管子及翅片管采用優質改進型ND鋼，設備壽命超過55 000 h。換熱元件按照前后兩級布置，吹灰器布置于設備中央。

2 熱力系統配置方案

根據供熱電廠的設計特點，對于煙氣余熱利用換熱器水側系統的設置，建議在采暖期利用煙風道尾部煙氣的余熱提高部分熱網水的溫度，回收煙氣余熱；在非采暖期，利用煙風道尾部煙氣的余熱用于加熱換熱部分凝結水，排擠低壓加熱器(簡稱低加)的抽汽量，提高機組能源利用率。

2.1 煙氣余熱利用換熱器水側系統

由于采暖期與非采暖期加熱的對象不同，因此煙氣余熱利用換熱器水側系統設置須要根據機組運行負荷特性變化進行調整。按照熱源調整方式，可分為2種水側系統設置模式。

2.1.1 一次循環直接加熱模式

煙氣余熱利用換熱器中的煙氣與主機凝結水、熱網水直接傳熱，熱網水和凝結水之間可采用閥門控制方式進行切換。機組運行在采暖期時，開啟熱網水進出口閥門組，關閉凝結水進出口閥門組，利用鍋爐尾部煙氣的余熱加熱熱網水。機組運行在非采暖期時，首先關閉熱網水進出口閥門組，開啟熱網水側排污閥門組將熱網水排放掉；其次開啟凝結水進口及排污閥門組，采用凝結水沖洗管道，待管道內工質滿足凝結水水質要求時，開啟凝結水出口閥門組，凝結水加熱系統投入運行。一次循環直接加熱模式的具體系統設置見圖2。

該模式的優點為綜合換熱效率高、控制系統簡單、設備投資低；缺點為對換熱元件抗腐蝕、抗壓要求較嚴格，控制系統較苛刻，如2種不同水質進行切換時操作失誤，易造成凝結水水質污染，對運行管理水平要求較高。

2.1.2 二次循環間接加熱模式

煙氣余熱利用換熱器中的煙氣與主機凝結水、熱網水不直接傳熱，而是通過中間媒質(閉式水)間接傳熱，凝結水、熱網水各自設置獨立的換熱管組。采暖期與非采暖期加熱水源的切換只須要分別開啟和關閉相應換熱管組的閥門即可實現無擾切換。二次循環間接加熱模式的具體系統設置見圖3。

該模式的優點為對換熱元件抗腐蝕、抗壓要求較寬松，系統維護檢修簡易，且不同加熱水源相對獨立，不易污染凝結水；缺點為綜合換熱效率低、控制系統復雜、設備投資高。

考慮到鍋爐尾氣煙氣的余熱為低品位熱能，熱能回收利用需要付出較大的經濟代價，若選用二次循環間接加熱模式，增加了初投資，且換熱效率也顯著降低。另外，煙氣余熱利用換熱器的設計應充分考慮煙氣對換熱元件腐蝕的影響，換熱元件應滿足煙氣與熱網水或凝結水直接傳熱的運行要求。綜上，參考供熱機組典型設計，推薦采用一次循環直接加熱方式，并以此為基礎進行熱經濟性比較。

2.2 凝結水系統

煙氣余熱利用換熱器接入汽輪機回熱系統有串聯和并聯兩種方式[8]。串聯是將煙氣余熱利用換熱器串聯接在回熱系統中(串聯在兩級低加之間)，優點為傳熱溫差較大，金屬消耗量相對于并聯方式要少，運行維護操作簡便；缺點為管道系統壓降加大，接入系統時須要尋求一個最佳接入點，主機廠須要重新核算原有熱平衡，且存在因煙氣余熱利用換熱器故障而引起機組故障停機的風險。并聯是將煙氣余熱利用換熱器并聯接入凝結水系統中一級或多級低加上，優點為可對鍋爐余熱進行梯度回收、多級使用，余熱利用較科學、合理，且換熱元件的水阻及汽側壓降比較小，運行中調節鍋爐排煙溫度較方便；缺點為傳熱溫差低于串聯方式，配置的傳熱面積較大。由于并聯方案不存在因煙氣余熱利用換熱器故障而引起機組停機的風險，因此推薦汽輪機回熱加熱系統采用煙氣余熱利用換熱器和低加并聯的方案。

3 熱經濟性分析

3.1 采暖期熱經濟性

在采暖期利用煙氣的余熱加熱熱網水，熱網水系統的熱平衡計算按1臺機組采暖期額定抽汽量進行計算。裝設余熱利用換熱器前的系統流程見圖4(圖中壓力均為絕對壓力)。

裝設余熱利用換熱器后的系統流程見圖5。部分熱網水被高溫煙氣加熱，采暖蒸汽的抽汽量減少，該部分抽汽可繼續在汽輪機低壓缸中做功，增加了發電量，降低了汽輪機機組熱耗率，提高了機組整體熱效率。

煙氣余熱利用換熱器換熱計算見表1。

表1 煙氣余熱利用換熱器換熱計算結果

熱經濟性計算結果見表2。由表2可見：約存在324.68 t/h熱網回水經過煙氣余熱利用換熱器換熱，熱網首站所需的五級抽汽量相應減少，在保證機組進汽量不變的前提下，排擠抽汽在汽輪機中多做功3 201.7 kW，機組熱效率提高0.68百分點，發電標煤耗降低2.42 g/(kW·h)。

表2 采暖期熱經濟性計算結果

3.2 非采暖期熱經濟性

在非采暖期采用煙氣余熱利用換熱器將煙氣的余熱加熱主機凝結水，凝結水系統的熱平衡計算按1臺機組采暖期額定抽汽量進行計算。裝設余熱利用換熱器前的系統流程見圖6。

裝設余熱利用換熱器后的系統流程見圖7。凝結水系統設置再循環旁路，保證煙氣余熱利用換熱器進口水溫高于60 ℃。

熱經濟性計算結果見表3。由表3可見：非采暖期約在軸加出口接引150 t/h的凝結水經過煙氣余熱利用換熱器換熱，凝結水加熱后匯至7號低加凝結水出口，煙氣余熱利用換熱器與7號、8號低加形成并聯系統。排擠的抽汽在汽輪機中多做功1 120.6 kW，機組熱效率提高0.25百分點，發電標煤耗降低0.88 g/(kW·h)。

表3 非采暖期熱經濟性計算結果

4 結語

設置煙氣余熱利用換熱器能有效降低進入脫硫島的煙氣溫度，回收煙氣中的低品位余熱。根據供熱機組的特點，在采暖期、非采暖期利用煙氣尾部余熱分別加熱熱網水、凝結水，降低全廠熱耗率，提高機組效率。機組在采暖期、非采暖期投入煙氣余熱利用換熱器可分別節約標煤約2 143 t/a、653 t/a，每臺機組可節省標煤約2 796 t/a、節約燃料費用約196萬元/a，減少CO2排放量約7 326.4 t/a、SO2排放量約23.8 t/a、NOx排放量約20.7 t/a。