660 MW 超臨界機組鍋爐排煙余熱利用方案設(shè)計及經(jīng)濟性分析

馬娟，崔健，陳應虎

（1.銀川能源學院，銀川 750105；2.國能寧夏大壩發(fā)電有限責任公司，寧夏 吳忠 751600）

中國是能源消費大國，其中火電仍占據(jù)半壁江山。研究表明，鍋爐排煙溫度過高會使大型煤粉鍋爐的熱經(jīng)濟性嚴重降低，排煙溫度每升高15 ℃左右，鍋爐效率就下降1%左右[1]。實際生產(chǎn)中，鍋爐排煙溫度大部分都超標，加上煙氣流量大，回收利用鍋爐排煙余熱能顯著提高能源利用率，為火電行業(yè)節(jié)能減排起到重要作用，對建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會至關(guān)重要。

近幾年，很多現(xiàn)役或新建的大型燃煤機組開展了煙氣余熱回收項目改造，回收利用電廠余熱資源。但是，煙氣余熱利用系統(tǒng)在回收余熱方面也面臨煙氣余熱密度低、酸露點腐蝕、綜合利用差、系統(tǒng)運行控制不夠完善等問題[2]。同時，若排煙溫度設(shè)置較高，則余熱利用效果不好，而如果排煙溫度設(shè)置過低，則可能導致受熱面壁溫低于酸露點，導致受熱面上金屬發(fā)生嚴重腐蝕，影響電廠安全[3]。基于現(xiàn)存問題，有必要設(shè)計更高效適用的煙氣余熱利用方案，以回收燃煤電廠余熱資源。

1 鍋爐尾部煙氣余熱利用方案設(shè)計

國內(nèi)某660 MW 超臨界燃煤發(fā)電機組采用一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、帶有8 級回熱的凝汽式汽輪機。該機組燃煤對應的煙氣酸露點高達123 ℃，而金屬壁溫一般至少比酸露點高10 ℃時，受熱面才能有效抵抗低溫腐蝕。經(jīng)鍋爐排煙余熱利用系統(tǒng)后，煙氣溫度明顯會低于123 ℃，恰好低于煙氣酸露點，低溫腐蝕不可避免。為保證設(shè)計機組在設(shè)計年限內(nèi)安全運行，選擇具有優(yōu)越耐硫酸露點腐蝕的高性價比釹鋼作為換熱器材料。

現(xiàn)代大型燃煤機組設(shè)計中，空預器進口煙溫達370 ℃左右，而進口送風溫度一般才20 ℃左右，換熱溫差非常大。在空預器內(nèi)，煙氣熱容量比空氣大，所以煙氣溫降較大，空氣溫升較小[4]。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

煙氣余熱利用系統(tǒng)由暖風器、省煤器（高壓、低壓兩種）和空預器耦合而成，低壓省煤器擁有旁路煙道，如圖1 所示。當抽取部分煙氣后，剩余煙氣在空預器內(nèi)的加熱能力下降，即使在空預器進口空氣溫度提高較大時，空預器出口煙溫也較低，因此將高、低壓省煤器均設(shè)置在旁路煙道上。在引入暖風器的同時，部分煙氣從空預器前直接引出，可以減少空預器內(nèi)不可逆損失，實現(xiàn)煙氣能量的梯級利用。回收的煙氣余熱既可加熱凝結(jié)水，還可加熱給水，因此該系統(tǒng)可最大幅度地提高機組熱經(jīng)濟性。

圖1 煙氣余熱利用系統(tǒng)設(shè)計方案

1.2 參數(shù)選擇

因旁路煙道中流過的煙氣溫度從355.8 ℃降至90 ℃，溫度跨度大，鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)熱力參數(shù)選擇應遵循溫度對口、梯級利用的原則。煙氣旁路中的換熱器分為高、低壓省煤器兩部分，對應的冷凝水是以除氧器為界的高壓給水和低壓給水，冷凝水溫度在高、低壓省煤器間有明顯跳躍，因此應注意選擇合適的高壓省煤器出口煙氣溫度，以保證一定的傳熱溫差。考慮以上原則，鍋爐煙氣余熱利用系統(tǒng)的主要初始熱力參數(shù)設(shè)計如表1 所示。在本設(shè)計系統(tǒng)中，高、低壓省煤器設(shè)置在旁路煙道中，均為煙氣-水換熱器，換熱面采用H 形翅片管，管束順列布置。暖風器的換熱面選擇螺旋翅片管，管束錯列布置。

表1 系統(tǒng)的主要初始熱力參數(shù)設(shè)計

2 效益分析

2.1 系統(tǒng)熱經(jīng)濟性分析

煙氣分流系數(shù)是采用旁路煙道的低壓省煤器的重要設(shè)計參數(shù)，對系統(tǒng)投資及節(jié)煤量有重要影響。隨著煙氣分流系數(shù)的增加，空預器出口煙溫及出口空氣溫度都減小，但旁路煙道內(nèi)的煙氣流量增大，當高壓省煤器進口給水溫度與流量均保持不變時，給水出口溫度不斷升高。隨著煙氣分流系數(shù)的增加，汽輪機側(cè)節(jié)煤量逐漸增加，而鍋爐側(cè)煤耗量的增加值逐漸減小，廠用電折算煤耗量略有增加。此外，隨著高壓省煤器出口煙氣溫度的升高，鍋爐側(cè)煤耗增加量逐漸升高，同時低壓省煤器吸熱量增加，低壓省煤器出口凝結(jié)水溫度升高，排擠抽汽做功量增大，汽輪機側(cè)節(jié)煤量升高[5]。最終，系統(tǒng)凈節(jié)煤量隨高壓省煤器出口煙氣溫度的升高而降低。

隨著暖風器出口空氣溫度的升高，汽輪機側(cè)節(jié)能量逐漸降低，凝結(jié)水放熱量增加，相應的低加抽汽量增加，汽輪機發(fā)電功率降低，但廠用電功耗逐漸升高。由于暖風器出口空氣溫度升高，進入空預器的氣溫升高，此時空預器出口氣溫也會升高，該部分折算的煤耗率增加。在三者共同作用下，機組的凈節(jié)煤量隨暖風器出口空氣溫度的升高而降低。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性分析

研究發(fā)現(xiàn)，多種因素均對換熱器的換熱面積有很大影響，而換熱面積直接關(guān)系著系統(tǒng)投資和運行功耗，因此煙氣分流系數(shù)、高壓省煤器出口煙氣溫度以及暖風器出口空氣溫度對煙氣余熱利用系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性有很大影響。隨著系統(tǒng)煙氣分流系數(shù)的增加，投資回收期先縮短后增長。暖風器出口溫度越高，投資回收期越長，但暖風器出口空氣溫度直接影響空預器的運行，若暖風器出口空氣溫度過低，會加劇空預器的低溫腐蝕。高壓省煤器給水流量升高時，系統(tǒng)的投資回收期會先縮短后增長。隨著低壓省煤器凝結(jié)水流量的升高，系統(tǒng)投資回收期先縮短后增長。

2.3 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)數(shù)學模型[6]，考慮換熱器換熱溫度的約束條件，得到煙氣余熱利用系統(tǒng)優(yōu)化的經(jīng)濟性指標，如表2 所示。優(yōu)化結(jié)果表明，最優(yōu)設(shè)計方案中，機組凈節(jié)煤量為3.44 g/（kW·h），系統(tǒng)換熱面積為49 800 m2，投資回收期為0.89 年。當然，由于換熱面積增加較大，該方案適用于新建機組，但效益好，投資回收期短，值得推廣應用。

表2 系統(tǒng)最佳方案的主要經(jīng)濟性指標

3 結(jié)論

在火電行業(yè)實際生產(chǎn)中，鍋爐排煙溫度大部分都超標，由于煙氣流量大，鍋爐排煙溫度過高會使大型煤粉鍋爐的熱經(jīng)濟性嚴重降低，而回收利用鍋爐排煙余熱能顯著提高能源利用率，實現(xiàn)節(jié)能減排[7-10]。本文結(jié)合具體案例，設(shè)計了660 MW 超臨界機組鍋爐排煙余熱利用系統(tǒng)，分析了其熱經(jīng)濟性與技術(shù)經(jīng)濟性，得到最優(yōu)設(shè)計方案。研究表明，該方案適用于新建機組，但效益好，投資回收期短，值得推廣應用。