蒸汽-煙氣余熱協同回收聯合利用系統應用研究

王 林，楊 博，高景輝，李 斌，張亞夫，王紅雨，孟穎琪

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.華能陜西渭南熱電有限公司，陜西 渭南 714000）

電站鍋爐輔機中，以引風機功率最大[1]。為降低機組的廠用電率，通常將引風機設計為小汽輪機驅動形式，該小汽輪機簡稱為小機[2]。機組汽輪機（簡稱大機）的排汽作為小機的汽源。蒸汽在小機中做完功后，排汽仍然具有較高的溫度。這部分蒸汽蘊藏的熱能，在大多數情況下轉移至冷卻水（即循環水）中并被帶往冷卻塔，最終散失在大氣中，造成一定的能量損失[3]。

電站鍋爐排煙熱損失在鍋爐熱損失中占比最大[4-5]。目前，針對鍋爐煙氣余熱的利用手段較為成熟，多是借助在空氣預熱器（空預器）出口、電除塵裝置進口煙道或者引風機進出口煙道內布置單級或多級低溫省煤器（低省）[6]，吸收鍋爐排煙熱量加熱凝結水，從而降低供電煤耗，提高機組運行經濟性[7]。

針對上述情況，本文提出一種蒸汽-煙氣余熱聯合利用系統，將蒸汽、煙氣2種形式余熱協同回收、統一利用。一體化集成式設備既降低了系統造價，又可實現“1+1＞2”的綜合節能效果。該聯合系統以熱媒水作為能量傳遞轉換的載體，通過設置獨立的引風機小機凝汽器與低省，回收汽輪機排汽及鍋爐排煙的熱量，吸熱后的高溫熱媒水，進入空預器入口處的暖風器，對入爐一次風、二次風進行加熱，從而達到節能增效的目的。設備實際運行表現表明，上述余熱聯合利用系統投用靈活，季節適應性強，具有顯著的節能優勢。

1 機組概況

某電廠2×350 MW熱電聯產工程1號機組采用型號為HG-1145/25.8-YM3的超臨界直流鍋爐。鍋爐主要設計參數見表1。

表1 鍋爐主要設計參數Tab.1 Main design parameters of the boiler

送入爐膛的煤粉在充分燃燒后，產生了大量的熱煙氣，熱煙氣向上依次經分隔屏過熱器、末級過熱器、經爐膛出口進入水平煙道，經末級再熱器，穿過水冷壁排管進入轉向室，煙氣在轉向室內下行進入尾部豎井煙道。分隔墻將煙道分成了前后豎井。一部分煙氣在前豎井通過一級再熱器，另一部分煙氣在后豎井通過一級過熱器和省煤器。2路煙氣最終在煙氣調溫擋板后匯成1路，繼續流經脫硝反應器、空預器入口煙道，在預熱器內與空氣進行換熱后，經預熱器出口煙道離開鍋爐。煙氣繼續前進，依次經過電除塵裝置、引風機、脫硫塔，最終從煙囪排往大氣。

為節約用水，本工程主機循環水采用間接空冷塔方式冷卻。小機循環水取自大機循環水的供回水管道。

2 蒸汽-煙氣余熱聯合利用系統

為同步利用鍋爐排煙及小機的排汽余熱，提出并建立了一套由小機凝汽器、低省及暖風器組成的蒸汽-煙氣余熱聯合利用系統。

2.1 系統構成

本系統整體構成如圖1所示。系統利用熱媒水作為能量傳遞和轉換的載體。熱媒水取自大機的循環水。熱媒水進入小機凝汽器后，吸收小機排汽熱量，隨后在增壓泵的驅動下，進入低省中再次吸收煙氣的熱量。最后，高溫的熱媒水在一二次風暖風器處與冷空氣完成換熱。降溫后的熱媒水回到大機循環水中，也可以重新進入小機凝汽器，往復循環。

圖1 蒸汽-煙氣余熱聯合利用系統組成Fig.1 Composition of the steam-flue gas waste heat combined utilization system

2.2 低省

本工程煙氣余熱的回收，主要依靠布置于電除塵器入口煙道內的低省來完成。低省管組整體采用順列布置，管束與煙氣逆流換熱。為強化換熱效果，各管子采用了H型翅片管，有效增大換熱面積[8-9]。經計算，本工程煙氣酸露點為102.2 ℃，煙氣換熱器翅片與基管均采用耐腐蝕材質ND鋼（牌號09CrCuSb），故能保證低省在設計工況下具有較高的耐腐蝕性能。換熱器腐蝕計算按校核煤種含硫率1.23%設計考慮，其年腐蝕速率小于0.06 mm。低省相關設計參數見表2。

表2 低省設計參數Tab.2 Design parameters of the low temperature economizer

2.3 小機凝汽器

本工程1號機組設置1臺100%容量的汽動引風機，其小機為國產單缸、單軸、反動凝汽式、自帶獨立凝汽器的小汽輪機。小機共配置2路汽源，調試及啟動用汽為輔助蒸汽，正常運行用汽為大機四段抽汽。

小機的排汽經排汽管道至引風機凝汽器，在小機凝汽器中凝結后，經過小機凝泵、小機軸封加熱器，最后排至主機凝汽器。小機凝汽器冷卻水源來自大機循環水，吸收小機排汽余熱后回到冷卻塔，將熱量散失于大氣中。小機設計參數見表3。

表3 小機主要設計參數Tab.3 Main parameters of small turbine of the induced draft fan

2.4 一二次風暖風器

蒸汽-煙氣余熱最終在暖風器處得到統一利用。本工程選用了四分倉回轉式空預器，設置有2個二次風倉室，1個一次風倉室。

每臺鍋爐設置2臺二次風暖風器，位于空預器入口水平風道內。設置1臺一次風暖風器，位于一次風機出口風道內。為加強換熱效果，一二次風暖風器均采用金屬翅片管增大接觸面積[10-12]。暖風器相關性能參數見表4。

表4 暖風器設計參數Tab.4 Design parameters of the air heater

3 系統投用方式探討

3.1 系統運行方式分析

該工程采用了由“小機凝汽器-低省-熱水暖風器”組成的熱媒水綜合利用裝置。該裝置的循環工質為大汽輪機循環水（簡稱循環水）。循環水自母管進入熱媒水系統，首先進入小機凝汽器，作為小機循環水，吸收蒸汽熱量，升高自身溫度，成為熱媒水。隨后，熱媒水經過出口增壓泵，提升壓力，再次進入位于空預器后、電除塵前的低省，受到煙氣的二次加熱后，進入一次風暖風器、二次風暖風器，在此處釋放熱量，加熱冷空氣。降溫后的熱媒水沖洗回到小機凝汽器入口管，或者進入大機循環水回水母管。

上述裝置中，熱媒水回收蒸汽、煙氣2部分熱量，但僅有一二次風暖風器一處利用場所。若是炎熱夏季，一二次暖風器無投用必要，從系統中解列出來，則意味著低省與小機凝汽器處的回收熱量無處釋放，而小機需要低溫的熱媒水作為冷卻水，這樣的矛盾決定了該熱媒水余熱回收利用系統僅適用于寒冷時節。到了夏季，暖風器及低省均需徹底放水，鍋爐運行期間，低省將處于內無工質的干燒狀態。根據管材性能數據，上述工作狀態允許存在。此時小機循環水完全由大機循環水供應。從上述分析可知，該套裝置的季節適應性較差。

根據前述分析，提出本工程熱媒水余熱回收利用裝置的3種工作模式如下。

1）純凝汽器運行 此模式適用于炎熱夏季，暖風器停用時期，此時小機凝汽器、低省回收來的熱量無處釋放利用，若直接排入大機循環水，提高了大機循環水的溫度，進入冷卻塔將不可避免占用了本屬于大機循環水的冷卻能力。因此，該模式下，低省與暖風器需從系統解列，大機循環水直供小機凝汽器。

2）凝汽器聯合暖風器運行 此種工作模式適用于春秋季節，此時環境溫度開始升高，但暖風器還可勉強投用。熱媒水從小機凝汽器處回收蒸汽余熱，經增壓泵提升壓力后，經過低省旁路，進入暖風器。此模式下的暖風器，充當了小機專屬“機力空冷塔”，可較好地滿足系統運行要求。

3）凝汽器聯合低省-暖風器運行 該模式適用于寒冷冬季。通過凝汽器、低省兩級加熱，熱媒水進入一二次風暖風器放熱，可最大程度地發揮裝置的節能潛力。

經機組實際運行，3種工作模式下，系統主要參數見表5。從運行參數看，主要參數均接近設計值，蒸汽-煙氣余熱聯合利用系統在3種模式下能夠實現經濟可靠運行。

表5 系統運行參數 單位：℃Tab.5 Operation parameters of the system

3.2 高效沖洗方案研究

現代火電機組為了進一步提高節能水平，常常需要布置多級多類型的換熱器。這些換熱器間的聯通管道復雜，各級受熱面管束的水容積較大，首次啟動前需要對系統內部的焊渣銹皮進行大流量水沖洗。實際投用過程表明，這類系統內部臟污程度高，沖洗起來費時費水，很難在煙溫到達投用溫度時及時投入運行。因此，制定合理的沖洗方案，提高沖洗效率，縮短水質合格的時間，能夠有力地保證上述系統盡早投入運行、盡早發揮節能作用。

由于大機循環水采取間冷塔方式，水質要求較高，熱媒水裝置冷熱態沖洗的污水不能直接匯入循環水回水母管，因此需要制定合理高效的沖洗方案。沖洗方案的基本原則是，按3種工作模式安排管道沖洗，不投用的部分進行隔離，從而減少沖洗容積，提高沖洗效率。

1）純凝汽器運行 此方式下，利用小機凝汽器自身的多路排空及排污粗管，即可實現較好的沖洗效果。初步沖洗結束后，系統再次注滿水，關閉循環水進回水閥，啟動變頻增壓泵，適當增加出力，進行閉式循環沖洗5 h，結束后取水樣化驗，若不合格，則重復注水，繼續進行帶壓閉式循環沖洗。

2）凝汽器聯合暖風器運行 此方式下，沖洗水走低省旁路，分段進水，分段排污。凝汽器進水初步沖洗，連續排污后，重新注水，并注水至暖風器。初步沖洗結束后，系統再次注滿水，關閉循環水進回水閥，啟動變頻增壓泵，適當增加出力，進行閉式循環沖洗，時間為4 h，結束后將污水自沖洗排污管排放至機組排水槽。閉式沖洗3~5次后，取水樣化驗，若不合格，則重復注水，繼續進行帶壓閉式循環沖洗。

3）凝汽器聯合低省-暖風器運行 該方式下涉及的換熱設備較多，管道沖洗工作量大。為提高沖洗效率，不影響機組升負荷，針對系統構成特點，提出并應用以下高效沖洗方案：a）在一二次暖風器出口母管上增加一路沖洗排污管，該管道直排機組排水槽（圖2）；b）利用大機循環水為整套系統注水，注水過程中注意逐級排氣，將凝汽器、低省、暖風器等按順序充滿水后，打開聯通閥，保持循環水注水閥開啟狀態下，啟動熱媒水增壓泵，進行系統帶壓閉式沖洗，根據增壓泵電流及進出口水壓情況，逐步關小大機循環水注水閥，將系統閉式沖洗4 h；c）閉式沖洗的污水，通過打開沖洗排污管上閥門，排放至機組排水槽內，排污過程中，開大循環水進水閥，增壓泵降低轉速維持運行狀態，系統換水完成后，關閉排污閥，進行下一輪閉式帶壓沖洗；d）經過3~5次閉式沖洗后，可在沖洗排污管處取水樣化驗，視水質情況決定下一步沖洗力度。

圖2 系統沖洗示意Fig.2 Schematic diagram of system flushing

經實際應用，上述閉式+外排沖洗方案較常規利用循環水附帶沖洗，能夠有效縮短沖洗合格時間，及早實現系統整體投入運行。

4 結 語

近年來，隨著國家對煤電機組的能耗指標要求愈加嚴格[13-15]，各種形式的余熱回收利用裝置逐步在火電廠推廣應用開來。相較與單純回收煙氣或單純回收蒸汽余熱的設備，本文提出的煙氣-蒸汽余熱聯合利用系統能夠將2類余熱協同回收、統一利用。經電廠實際應用測算，引風機小機排汽余熱和煙氣余熱的綜合利用，節約了脫硫系統耗水量，提高了電除塵效率，機組發電標煤耗降低3.948 g/(kW·h)，脫硫系統減少耗水量20 t/h，單臺機組年收益增加約360萬元。上述系統的相關應用調試經驗，可供后續同類機組參考。