1 000 MW高效超超臨界鍋爐煙氣余熱利用系統應用分析

唐虎震，黎懋亮，曾令午通信作者

(1.蘇能(錫林郭勒)發電有限公司，內蒙古 錫林郭勒 027299； 2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001； 3.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731)

0 引言

中國的能源結構決定了以煤電為主的電力系統總格局。截至2020年底，中國電力總裝機超過21億kW，其中煤電占比51.2%[1]。2020年9月22日，我國在第75屆聯合國大會上鄭重承諾，中國確保2030年前實現“碳達峰”，力爭2060年前實現“碳中和”。在未來很長一段時間中，煤電將繼續發揮保障中國能源安全主力軍的角色[2]。提升煤電機組效率、節能減排是我國燃煤機組可持續性發展的重要任務。對于火力發電機組來說，鍋爐排煙熱損失占鍋爐總熱損失的60%以上，采用高效煙氣余熱利用技術來降低鍋爐排煙溫度、減少排煙損失是火力發電機組節能減排的一項重要措施[3-4]。

目前國內火力發電機組常采用的煙氣余熱利用手段有低溫省煤器、低溫省煤器聯合暖風器、空預器旁路聯合暖風器(機爐深度耦合)系統等[5-14]。行業內普遍認為機爐深度耦合系統是其中節能效果最為明顯、能量品位利用最高的余熱利用方案。該方案通過旁路空氣預熱器入口處部分煙氣進入空預器旁路煙道，在旁路煙道中布置煙氣-低溫給水換熱器和煙氣-低溫凝結水換熱器，將熱量梯級利用傳遞給高壓的給水和低壓的凝結水，同時在尾部煙道上布置煙氣-熱媒水換熱器來加熱熱媒水，再將熱媒水中的熱量傳遞給低溫凝結水及空預器入口一次風、二次風[15-17]。截至目前，我國已投運的1 000 MW二次再熱鍋爐大多采用機爐深度耦合系統，該系統已逐漸成為大容量、高參數機組鍋爐的標配設計[18]。

本文以某1 000 MW高效超超臨界機組鍋爐為例，對大容量、高參數燃煤鍋爐尾部煙氣余熱利用技術進行系統性分析，提出了適用于本項目的一種機爐深度耦合、煙氣余熱梯級利用的先進余熱利用系統方案。通過本系統方案的實施，在不影響其他設備正常穩定運行的前提下，減少汽機抽汽，降低汽機熱耗，大大提高了電廠的經濟性，為其他同類型機組余熱利用方案提供參考。

1 鍋爐概況

本項目機組鍋爐為東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司設計制造的DG3136/31.4-Ⅱ7型高效超超臨界參數、前后墻對沖燃燒、一次中間再熱直流鍋爐。鍋爐的設計參數如表1所示。

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

本工程為煤電一體化項目，利用賀斯格烏拉南露天煤礦豐富的褐煤資源建設煤電一體化坑口電廠，設計煤種為賀斯格烏拉南露天煤礦的褐煤。煤質資料如表2所示。

表2 鍋爐煤質資料Tab.2 Coal specification of the boiler

2 機爐深度耦合余熱利用方案

本文以某1 000 MW機組鍋爐為工程應用背景，機爐深度耦合煙氣余熱利用方案如圖1所示。旁路煙道從空氣預熱器前的煙道引出，高壓給水換熱器布置在空預器旁路煙道的高溫段，回收的余熱用于加熱高壓給水，給水取自給水泵出口，經煙氣-給水換熱器后溫度升高，然后回至省煤器前。煙氣-凝結水換熱器布置在空預器旁路煙道的低溫段，回收的余熱用于加熱低壓凝結水，凝結水取自#6低加入口，經煙氣-換熱器換熱后溫度升高，然后回至#5低加出口。

煙氣-熱媒水換熱器布置在空預器旁路煙道和空預器出口煙道合并后與除塵器之間的煙道中，回收的余熱用于加熱低壓凝結水和空預器進口冷風，凝結水取自#9低加入口，經換熱器換熱后溫度升高，然后回至#7低加出口；另外一部分熱媒水加熱空預器入口冷風，將冷一次、二次風溫度從30℃、25℃加熱到100℃。

機爐深度耦合系統相對于常規的低溫省煤器及低溫省煤器聯合暖風器系統來說，能量品位利用最高，機組經濟性更佳，但同時系統更加龐大，需要耦合控制的參數更多。本文基于烏拉蓋2×1 000 MW機組鍋爐，對機爐深度耦合系統的以下5項關鍵技術問題進行系統性分析。

2.1 空預器旁路煙氣份額選取

機爐深度耦合方案最早應用于德國Niederaussem超臨界鍋爐，設計的初衷在于緩解褐煤鍋爐空預器體型過大的問題，采用空預器煙氣旁路可有效降低通過空預器的煙氣流量[19]。設計空預器旁路的煙氣份額時主要考慮的因素有排煙溫度、布置空間、空預器出口熱風溫度、煙氣阻力平衡、煙氣調節擋板調節性能及選型等，同時煙氣旁路的布置以不影響鍋爐其他設備正常運行為原則。若旁路煙氣份額過高，則通過空預器的煙氣量減少，空預器出口熱風溫度將大幅下降，影響鍋爐效率；而煙氣份額過小又會導致給水或凝結水吸熱減少，經濟性不明顯。

通常新建機組鍋爐空預器旁路煙氣份額宜選擇20%～30%，在役運行的機組空預器旁路改造煙氣份額宜為5%～15%[20]。排煙溫度、空預器出口熱風溫度還關系到鍋爐其他設備的設計和運行，如下游設備低溫腐蝕、磨煤機干燥出力等，在旁路煙道開啟工況的熱力計算中需要格外關注。

本項目空預器旁路煙氣份額選取為20%，設計煤、校核煤在各工況下的計算結果分別如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可知，空預器旁路開啟相較旁路隔離工況，排煙溫度較高，空預器冷端低溫腐蝕風險更低；空預器入口冷風溫度差異明顯，由旁路隔離時的～25℃上升至100℃；空預器出口熱風溫度稍低，但2種工況各負荷下熱風溫度差別可控制在15℃以內，整體來說差別不大，對下游設備運行無明顯影響。

圖2 設計煤各負荷下熱風/煙氣參數Fig.2 Hot air or flue gas parameters under each load of design coal

圖3 校核煤各負荷下熱風/煙氣參數Fig.3 Hot air or flue gas parameters under each load of check coal

2.2 煙氣區間的選取

本項目設計煤、校核煤硫含量0.28%、0.15%，煙氣中含有一定量的SO2、SO3等腐蝕性氣體，SO3能與煙氣中的水蒸氣結合形成硫酸，當煙溫低于酸露點時，硫酸在受熱面管子上凝結，從而導致受熱面低溫腐蝕，危害受熱面安全運行[21]；同時，煙氣中的SO2也可在高溫及催化劑的作用下氧化生成SO3，再與由脫硝裝置噴入煙道中逃逸的氨反應生成腐蝕性較強的硫酸氫銨(NH4HSO4)。硫酸氫銨腐蝕性強、黏性大，極易附著在受熱面管子上，影響設備的換熱效率及安全性[22]。設計煤、校核煤在各負荷下的煙溫區間計算結果分別如圖4、圖5所示。

圖4 設計煤各換熱器煙氣溫度區間Fig.4 Flue gas temperature range of each heat exchanger of design coal

圖5 校核煤各換熱器煙氣溫度區間Fig.5 Flue gas temperature range of each heat exchanger of check coal

根據試驗研究表明，硫酸氫氨從氣態向液態轉變的溫度區間為232℃～149℃(氨逃逸濃度3～5 mg/L時)，低于149℃時，硫酸氫氨發生結晶，高于232℃時硫酸氫氨變為氣態[22]。因此，煙氣-給水換熱器及煙氣-凝結水換熱器運行溫度區間的選擇極為重要，需要綜合排煙溫度、換熱器出入口工質溫度、鍋爐效率、受熱面積、布置空間等因素綜合考慮，盡量避免出現硫酸氫銨結晶現象。

30%～100%負荷范圍內，煙氣-給水換熱器的出口煙溫均高于149℃，有效地避免了煙氣-給水換熱器的硫酸氫銨腐蝕問題。但是，煙氣-凝結水換熱器、煙氣-熱媒水換熱器正常運行時的出口煙溫分別為108℃～151℃、82℃～85℃，處在硫酸氫銨液態及結晶的溫度區間，換熱器存在硫酸氫銨腐蝕結晶的風險，因此需要從選材、吹灰等方面采取措施來應對硫酸氫銨結晶腐蝕的問題。

2.3 冷風溫度選取

空預器入口冷風需要選取合適的溫度，冷風溫度不宜選取過低，冷風溫度直接關系到空預器冷段綜合溫度，尤其是低負荷排煙溫度較低時，若冷風溫度過低將導致冷端綜合溫度低，冷端腐蝕風險大；但冷風溫度也不宜選取得過高，冷風溫度過高時空預器冷端換熱端差將減小，從而導致排煙溫度升高，鍋爐效率受到影響，機組經濟性大打折扣。同時，須保證空預器出口熱風溫度基本一致，以免影響下游設備正常運行。

本項目在除塵器前煙道處布置煙氣-熱媒水換熱器來加熱熱媒水，再通過熱媒水暖風器來將熱媒水中的熱量傳遞給冷一次風、二次風。通過計算發現，機爐深度耦合系統投運時，空預器入口冷風溫度可從～25℃加熱到100℃，滿負荷、30%THA負荷時熱一次風、二次風溫度均小幅下降8℃、13℃；排煙溫度有所上升，尤其是低負荷時上升明顯，上升幅度達23℃。

表3 旁路隔離、旁路開啟時風溫及煙溫對比Tab.3 Comparison of air and flue gas temperature during bypass isolation and bypass opening

2.4 各換熱器工質溫度選取

空預器旁路煙氣-給水、煙氣-凝結水換熱器、熱媒水-凝結水換熱器及熱媒水暖風器工質溫度的選取，鍋爐側須與汽機側抽汽深度耦合起來，通過熱力計算選取合適的換熱溫差、布置形式、外形尺寸、連接方式、工藝流程等，從而確定進出口工質溫度。本項目給水取自給水泵出口，經煙氣-給水換熱器后匯合至鍋爐省煤器入口；煙氣-凝結水換熱器凝結水取自6號低加入口，經換熱器加熱后匯合至5號低加出口；熱媒水-凝結水換熱器凝結水取自9號低加入口，經加熱器加熱后匯合至7號低加出口；熱媒水暖風器冷風取自一次、二次風機出口冷風，經暖風器加熱至100℃后進入鍋爐空預器。經過本系統對煙氣余熱的梯級利用，有效減少了汽機抽汽，實現了機組經濟效益的顯著提升。BMCR工況下給水、凝結水換熱器工質側邊界條件選取如表4所示。

表4 各換熱器工質側邊界Tab.4 Working medium side boundary of each heat exchanger

2.5 煙氣-熱媒水換熱器布置位置及出口煙溫的選取

由于煙氣中含有CO2、SO2等酸性氣體，當煙氣溫度低于酸露點時，煙氣中的酸性物質將在受熱面管子表面凝結下來，從而導致設備的低溫腐蝕。按照常規項目煙氣余熱利用系統設計經驗，煙氣-熱媒水加熱器出口煙溫選取85℃。將煙氣-熱媒水換熱器設計布置在引風機出口，可有效地利用煙氣余熱，同時避免飛灰磨損的問題，但經過電除塵后，煙氣中的大部分堿性顆粒已被除塵器篩選捕捉，導致煙氣更偏酸性，低溫腐蝕風險更高，同時靜電除塵器后細灰粒帶電，更易沾污導致受熱面積灰問題。本項目每臺機組配置2臺低低溫靜電除塵器，85℃已可滿足除塵器正常工作的需要。綜合考慮上述各因素，將煙氣-熱媒水換熱器布置在除塵器前的煙道內。

3 結論

本文基于某1 000 MW高效超超臨界機組鍋爐，提出了適用于本項目的機爐深度耦合煙氣余熱利用方案，對余熱利用系統的幾項關鍵問題進行重點分析，得出結論如下。

1)空預器旁路煙氣份額選取20%，旁路開啟后，空預器入口冷風由-25℃升高到100℃；空預器出口熱風溫度略有下降，但下降幅度不大；排煙溫度有所上升，30%THA負荷升高幅度可達23℃，可有效減弱低溫腐蝕的風險。

2)煙氣-給水換熱器出口煙溫保持在149℃以上，避開硫酸氫銨易腐蝕區間；但煙氣-凝結水換熱器及煙氣-熱媒水換熱器須充分考慮措施來減緩硫酸氫銨堵塞及腐蝕的影響。

3)煙氣-熱媒水換熱器布置在除塵器前的煙道內，出口煙溫選取-85℃，滿足低低溫靜電除塵器的工作需求。

4)各換熱器須考慮合適的邊界條件以匹配汽機側的需求。

通過本機爐深度耦合余熱利用系統的實施，鍋爐煙氣余熱得到了梯級利用，能量品位利用較高，同時可有效減少汽機側抽汽，降低汽機熱耗，大大提高機組經濟性。