1 000 MW機組煙氣余熱利用方案對比

張 健，甄 輝，向柏祥，李 燕，黃 軍，王 鵬，王大鵬

(1.神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025；2.國華定州電廠，河北保定 071003)

低溫省煤器在電力系統的大規模加裝和應用開始于2013年，初始目的是為了采用低低溫電除塵的理念，在降低排煙溫度后使飛灰比電阻降低，更有利于電除塵器的收塵[1-4]。另外，煙溫低于酸露點后，SO3氣體會吸附極細微的高比電阻飛灰，從而降低電除塵器出口的煙塵含量。但低低溫電除塵器改造后，受限于低溫省煤器出口混合距離不足和煤種多變等因素，電除塵器出現了眾多潛在隱患。

傳統低溫省煤器的設計和改造建立在對鍋爐排煙的直接利用上。第一代低溫省煤器直接布置在空氣預熱器(簡稱空預器)后部，吸收排煙余熱，加熱凝結水、供熱循環水或水媒式煙氣-煙氣再熱器(MGGH)熱媒水，節能效率較低。第二代低溫省煤器在第一代的基礎上，增加了分級空預器的功能，節能效果大大增強。第三代低溫省煤器在第二代的基礎上，將部分空預器的煙氣引至旁路后，用來加熱給水和凝結水?？偟膩碚f，低溫省煤器變相地增加了空預器面積，提高了排煙余熱的回收量[5-10]。三代低溫省煤器技術的采用均未考慮增強空預器換熱效率，直接采用鋼鐵換熱的方式，不能稱之為最優。

筆者比較了采用0號高壓加熱器(簡稱高加)入口給水、0號高加疏水、凝結水和原系統冷媒水作為冷卻介質，以降低熱一次風溫度，間接降低空預器出口排煙溫度的性價比。在降低一次風溫度的基礎上，結合現場設備空間，分析增加一次風暖風器，且改變原一級低溫省煤器用途等4種煙氣余熱利用方案的性價比。

1 機組概況

某電廠一期工程建設2臺1 000 MW燃煤發電機組，每臺鍋爐空預器出口配置2級低溫省煤器。一級低溫省煤器在鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)工況下煙氣溫度由155.8 ℃降至 143.9 ℃，二級低溫省煤器由 143.9 ℃降至90 ℃。二次風暖風器在BMCR工況下將二次風溫度由 25 ℃升至100 ℃。一級低溫省煤器煙溫降設計值為11.9 K，熱量利用至凝結水系統，循環熱效率較低。二級低溫省煤器煙溫降設計值為53.9 K，熱量交換給二次風暖風器，用來加熱二次風，相當于二級空預器(見圖1)，該系統循環熱效率較高。

圖1 低溫省煤器原始設計圖

2 低溫省煤器存在的問題

夏季工況下，機組的排煙溫度最高超過110 ℃(設計值為90 ℃)，年平均溫度為103 ℃；冬季工況下，機組的排煙溫度約97 ℃，二次風暖風器出口溫度為85 ℃；二次風暖風器出口年平均溫度為91 ℃(設計值為100 ℃)，不能達到深度節能運行的目標，見圖2和圖3。另外，由于采用了暖風器和空預器結合的煙氣利用系統，造成一次風溫度高，磨煤機的冷風摻入量大，年均摻入質量流量達到了171 t/h，這些均會造成排煙溫度升高。低溫省煤器后煙氣溫度和暖風器后空氣溫度不能達到設計值，說明低溫省煤器系統換熱不足，存在能源浪費，與節能降耗行動不符。

圖2 低溫省煤器系統運行溫度隨負荷變化趨勢

圖3 低溫省煤器系統運行溫度隨時間變化趨勢

排煙溫度高與低溫省煤器換熱能力有關，也與冷一次風量大有關。冷一次風量大，經過空預器換熱的總風量下降，煙氣放熱量下降，排煙溫度升高。冷一次風主要包括進入磨煤機的冷風、制粉系統的密封風、火檢風和脫硝稀釋風。其中，部分排煙余熱可以通過一次風回收。

暖風器出口溫度低，可以通過提高暖風器入口的熱媒水溫度，增加暖風器面積或配合增加熱媒水流量改善。但受限于空間不足，暖風器面積不能增加；試驗結果顯示，熱媒水流量也較充足，所以提高暖風器入口的熱媒水溫度是提高暖風器出口溫度的唯一途徑。

3 熱一次風冷卻器改造方案比較

磨煤機密封風體積流量設計值為81.91 m3/min，給煤機密封風體積流量設計值為7～9 m3/min，兩者合計約90 m3/min?？紤]到密封風與一次風的壓差較設計值高2倍左右，所以密封風體積流量約為150 m3/min，6臺磨煤機合計質量流量約70 t/h。年均冷一次風質量流量為171 t/h，從磨煤機入口摻入的質量流量約為100 t/h。約100 t/h的風量將通過空預器換熱，可降低排煙溫度約7.9 K。

需要說明的是，若采用高加出口的給水冷卻熱一次風(見圖4)，相當于熱一次風冷卻器替代了一部分省煤器的功能，雖然制粉系統出口的溫度會降低，但剔除對燃燒的影響外，鍋爐效率會得到較大提高。因為一二次風已全部通過空預器換熱，對空預器的冷卻能力已經達到極限，再采用提高制粉系統出口溫度的方法來降低冷一次風量，也不會降低排煙溫度。

圖4 一次風改造圖

冷卻水取自給水，循環熱效率高，但投資成本上升。若冷卻水取自除氧器入口凝結水，并返回至除氧器，循環熱效率降低，但可利用現有管道，投資下降。直接使用原有管道，并使用原有系統，投資更低，但循環熱效率最低。從0號高加疏水取水并升壓，然后經過相變換熱器換熱[11]，變成蒸汽后，進入0號高加，循環熱效率較高，投資較少。

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磨煤機入口摻入的冷一次風，經空預器換熱后，再摻入磨煤機，提高了鍋爐效率，且回收的熱量用來加熱更高參數的循環水或給水，循環熱效率提高。由于熱一次風冷卻器投入使用后，空預器入口煙氣溫度下降約8 K，原一級低溫省煤器的節煤量下降，所以剔除原有設備的回收效果，節煤量見表1。

表1 熱一次風冷卻方式的比較

4 煙氣余熱利用方案的比較

4.1 方案一

因一次風機出口至空預器的入口有一定的空間，建議加裝一次風暖風器(見圖5)。

圖5 煙氣余熱回收方案一

改造后一級低溫省煤器轉化為二級低溫省煤器的一部分，該方案相當于增加了21%的二級低溫省煤器面積和25%的暖風器面積。因冷一次風量減小，一級低溫省煤器入口的煙氣溫度與原一級低溫省煤器出口溫度的設計值相差約2 K，串聯低溫省煤器相當于增加了二級低溫省煤器的面積。一次風暖風器的投入，增加了暖風器的面積，夏季工況下，可以使排煙溫度降低至92 ℃。雖然空預器入口二次風溫度并沒有升高，但總的空預器入口冷風溫度提高，鍋爐效率提高最大，可在目前階段下節煤1.5 g/(kW·h)。若耦合一次風加熱給水的方式，節煤量增加至2.2 g/(kW·h)，且設備均布置在0 m層，人工成本低，投資較少。

熱一次風冷卻器可以自由調節進入磨煤機的熱一次風溫度，保證磨煤機出口溫度在70～80 ℃，且將從冷風調門摻入的冷一次風量降低至最小，不影響機組安全穩定運行。

4.2 方案二

方案二同樣加裝一次風暖風器，但熱一次風的熱量回收至二次風(見圖6)。該方案能將空預器入口的二次風溫提高到100 ℃以上。熱一次風溫度的升高會使空預器出口的煙氣溫度升高約10 K，而冷一次風的加入會使得空預器出口的排煙溫度降低約8 K，綜合計算空預器出口的煙氣溫度小幅升高約2 K。由于一級低溫省煤器可以將溫度降低至設計值，所以二級低溫省煤器入口的煙氣溫度不變，入口的熱媒水溫度降低，使出口煙氣溫度降低，可節煤約1.8 g/(kW·h)，但在夏季高負荷時二級低溫省煤器出口煙氣溫度不能降低至95 ℃以下。

圖6 煙氣余熱利用方案二

4.3 方案三

方案三在一次風機出口不加裝暖風器(見圖7)。

圖7 煙氣余熱利用方案三

4.4 方案四

方案四(見圖8)充分利用了原系統的設備，在一次風機出口不加裝暖風器，可以將排煙溫度降低至90 ℃，也可以將二次風溫度加熱至100 ℃。但該方案中凝結水壓力高于二級低溫省煤器和二次風暖風器的設計壓力，需要通過節流降壓，增加了廠用電率。該方案配合凝結水變頻并降低凝結水泵出口壓力的方案時，低負荷循環熱效率較好。

圖8 煙氣余熱利用方案四

4.5 方案比較

采用加熱給水方案，省煤器出口給水溫差ΔT(T1-T2，T1為給水壓力下的飽和溫度，T2為給水溫度)見表2。增加冷卻器并加熱給水后，熱耗率驗收(THA)工況下給水溫度上升約3 K；50%THA工況下，給水溫度上升約5 K，省煤器不會出現汽化的風險。從節約投資，降低風險考慮，采用加熱0號高加疏水方案的效果最優。

表2 方案一給水溫差的校核計算

設置一級低溫省煤器的初衷是回收二級低溫省煤器多余的熱量。設置一次風加熱器后，經過空預器的風量增加，對排煙起到了冷卻作用，空預器后排煙溫度下降約7.9 K。一級低溫省煤器大部分時間處于閑置狀態，所以將其利舊，用來補充二級低溫省煤器的不足，性價比最高。

暖風器面積不足造成二級低溫省煤器后煙溫升高，增加一次風暖風器可以彌補暖風器面積不足導致的低溫省煤器熱一次風冷卻器入口水溫過高，并且可以提高熱一次風溫度，從而使給水吸熱量增加，提高了熱力系統的循環熱效率。

綜上所述，采用熱一次風加熱0號高加疏水，并加裝一次風暖風器方案，性價比高，循環熱效率高，節煤效益顯著(見表3)。

表3 整體改造方案的比較

5 結語

2臺1 000 MW機組采用排煙熱量加熱暖風器方式對煙氣余熱進行回收改造后，一次風溫度明顯升高；因計算誤差，有些項目的換熱設備不能很好地兼顧冬夏兩個季節，影響節能。采用加熱給水、降低一次風溫度，從而減小冷風摻入的設計，可實現高效率的能量回收。在此基礎上，通過在0 m層增加暖風器可彌補基建階段換熱面積的不足。

此外，熱一次風冷卻器和暖風器均設置在鍋爐0 m層，不需要額外增加過多的地基投資，建設費用省，檢修方便，是設備改造的首選方案。