復合相變換熱器在鍋爐排煙余熱深度利用中的應用研究

呂夢菲，曹 棟

（1.北京國電電力大連開發區熱電廠，遼寧 大連 116600；2.中電神頭發電有限責任公司，山西 朔州 036002）

0 引言

鍋爐作為火電機組重要設備之一，每年消耗的煤炭量占我國全部煤炭消耗總量的55%。盡管大型火電機組鍋爐的效率達到90%以上，但是其排煙溫度仍高達110～150 ℃之間，排煙損失占鍋爐熱損失的65%以上，采用余熱利用技術將鍋爐煙氣中的熱量重新利用起來，將會極大提高鍋爐效率，對火電機組的節能運行具有重要意義。

直接利用鍋爐煙氣余熱的常用方法是在鍋爐尾部煙道加裝空氣預熱器和省煤器，加熱凝結水或熱網水；此外將高壓給水換熱器和低壓凝結水換熱器布置在旁路煙道，充分利用旁路空氣預熱器中的部分煙氣熱量加熱給水和凝結水，也可實現煙氣余熱深度利用[1]。省煤器的特點是加熱給水效果最直接，給水焓值增加，且工藝簡單。其缺點是如果間斷給水，效果不理想[2]。空預器加熱進風，因為空氣比熱容比水低很多，效果較差。另外，煙氣通道如果灰塵較多容易堵死，造成鍋爐負壓不足。近年來有學者采用有機朗肯循環回收鍋爐排煙中的余熱。朗肯循環是以低沸點有機物為工質，工質通過低溫下的蒸發、膨脹做功和凝結等過程，將低溫煙氣回收的熱量轉化成為高品位的機械能或者電能。有機朗肯循環的特點是系統簡單，改造成本小，但其也有明顯的缺陷，如運行中的安全問題和設備運行維護量大，余熱利用效率低等，導致其得不到廣泛應用[3]。

近年來出現的復合相變換熱技術，利用相變潛熱較高的傳熱效率，突破了低溫余熱利用的瓶頸。該技術將最低壁溫控制在煙氣酸露點之上，同時縮小了壁溫與排煙溫度之間的溫差。該技術的創新之處還在于換熱器壁溫整體可控可調，在確保受熱面不結露的前提下有效回收鍋爐排煙余熱，從而獲得較好的節能效果[4]。

1 復合相變換熱器工作原理

復合相變換熱器是利用水在密閉的管排束構件內通過相變潛熱進行傳熱，水在熱管下端面加熱后變成飽和蒸汽后移動至熱管上端，蒸汽放熱后冷凝成水，然后飽和水經過汽水分離后再次進入受熱段加熱汽化。如此不斷地循環，從而實現熱量傳遞[5]。復合相變換熱器的主要核心部件是“相變段”，它利用結構優化使熱管換熱器中相互獨立的部分重構成互相關聯的整體。充分利用汽液兩相同向流動促進相變換熱和工質自然循環。

作為一種設計原理新穎、高效可靠的節能技術，復合相變換熱器與其他換熱器相比在模塊構成、工作壓力范圍、抗腐蝕性和灰堵能力和節能效益等方面具有較大優勢，其主要特點有以下幾方面：大幅度降低排煙溫度，有效回收中低溫熱量，經濟效益顯著；可將最低壁溫控制在煙氣酸露點之上，有效解決了結露腐蝕和堵灰的難題；利用寬幅度的調節能力，維持相對穩定的排煙溫度和壁面溫度，從而更好地適應鍋爐煤種和運行負荷的變化，復合相變換熱器原理如圖1所示。

圖1 復合相變換熱器原理示意圖

2 復合相變換熱器鍋爐排煙余熱利用方案

本文將復合相變換熱器技術應用于國內某電廠2 號機組鍋爐排煙深度余熱利用技術改造項目，并進行方案設計和效益分析。

2.1 項目情況簡述

國內某電廠2 號鍋爐是引進美國B&W（巴布科克·威爾科克斯）公司技術的B&WB-670/13.7-M 型單汽包、一次中間再熱的自然循環鍋爐，其結構特點是采用Π 型布置的單爐膛和平衡通風，爐膛采用膜式水冷壁，尾部煙道呈倒L 型。屏式過熱器布置于爐膛的上部，且二級高溫過熱器布置于爐膛折焰角的上方，高溫再熱器設置于水平煙道中，隔離墻將尾部的豎井分隔成兩部分，分別布置低溫再熱器、一級過熱器和省煤器。蒸汽溫度采用兩級噴水減溫調節。在尾部煙道設置上、下兩組管式空氣預熱器。鍋爐主要參數如表1 所示。

表1 鍋爐主要參數

2.2 鍋爐煙氣余熱利用方案設計

某電廠2 號鍋爐空預器后煙道加裝復合相變換熱器，如圖2 所示。煙氣酸露點為95 ℃，為了避免設備的酸露腐蝕，將相變換熱器最低壁面溫度設定于103 ℃。將復合相變換熱器的排煙溫度從148 ℃下降至118 ℃。回收熱量用于將1 號低壓加熱器入口引出的148.3 t/h、36.07 ℃凝結水加熱到95 ℃，后與2 號低壓加熱器進口的凝結水混合，節省部分汽機抽汽熱能。由于鍋爐排煙溫度及換熱器壁面溫度受鍋爐負荷或風溫等因素影響，為了適應鍋爐運行參數變化，避免設備低溫腐蝕，系統將控制合理的最低壁面溫度。

圖2 系統示意圖

2 號鍋爐復合相變換熱系統設計參數如表2 所示，由表2 可知：鍋爐排煙溫度降到118 ℃，凝結水控制出水溫度95 ℃以上。受熱面增加后，煙氣阻力不超過400 Pa。

表2 系統設計參數

根據某電廠2 號機組的設備情況，可采用兩種技術方案：第一種方案是將復合相變換熱器加裝在空預器后、電除塵器之前。此方案的優點是低溫煙氣熱量能夠最大化的回收；超溫時保護除塵器安全、延長使用壽命；安裝位置相對充足，且便于施工。缺點是煙氣中含灰量大，換熱器受熱面磨損稍嚴重，需采取防磨措施。第二種方案是將復合相變換熱器加裝在電除塵器之后、引風機之前。此方案的優點是換熱器受熱面磨損較輕，不需采用防磨措施。其缺點是起不到對電除塵的保護作用，安裝位置有局限性，凝結水管路較長投資增加，經除塵器之后煙氣溫度降低5 ℃，可回收熱量減少。通過綜合比較后選擇第一種方案。

2.3 鍋爐煙氣余熱利用經濟效益評價

2.3.1 回收熱量計算

相變換熱器可回收熱量公式為：

式中：Q 為低溫受熱面回收煙氣熱量，kW；Vg為煙氣流量，取900000 Nm3/h；ρg為煙氣密度，取1.09 kg/Nm3；Cpg為煙氣比熱，取1.295 kJ/（kg·℃）；ΔT 為低溫受熱面前、后排煙溫度溫差，取148～118℃；φ 為系統熱損失系數，取0.98。

將數值帶入式（1）可得低溫受熱面回收煙氣熱量為10375 kJ/s。

2.3.2 節能效益計算

加熱冷凝水可節約1 號、2 號低壓加熱器抽汽。1 號低壓加熱器原進口水溫及焓值分別為36.07 ℃、152.8 kJ/kg，2 號低壓加熱器原進口水溫及焓值分別為74.42 ℃和313.2 kJ/kg；進入1 號、2 號低壓加熱器的熱量公式為：

式中：Qi為相變換熱器回收熱量，kW；m 為被加熱的凝結水流量，取148.3×103kg/h；hwi為相變換熱器進口凝結水焓值，取1 號低壓加熱器凝結水焓hwi1為152.8kJ/kg、2 號低壓加熱器凝結水焓hwi2為313.2kJ/kg；hwo為相變換熱器出口凝結水焓值，取1 號低壓加熱器出口水焓hwo1為313.2 kJ/kg、2 號低壓加熱器出口水焓hwo2為398.2 kJ/kg；φ 為系統熱損失系數，取0.98；由式（2）可得進入1 號、2 號低壓加熱器的熱量分別為6475.4 kJ/s 和3431.5 kJ/s。

加裝相變換熱器后，可以節省的1 號、2 號低壓加熱器抽汽量Gi計算公式為：

式中：hi、hdi分別為低壓加熱器抽汽焓和疏水焓，取1號低加熱器疏水焓hd1為326.7 kJ/kg，取1 號低加熱器抽汽焓h1為2655.9 kJ/kg，取2 號低加熱器疏水焓hd2為462.15 kJ/kg、抽汽焓h2為2861.8 kJ/kg；由式（3）可得1 號、2 號低壓加熱器抽汽量分別是2.78 kg/s和1.43 kg/s。

由于2 號低加節省了抽汽，導致進入1 號低加凝結水量減少，即減少了輸入熱量，使得1 號低加抽汽量增加，1 號低加抽汽增加量公式：

式中：hd2為2 號低壓加熱器疏水焓，取2 號低加熱器疏水焓hd2為462.15 kJ/kg；hwo1為1 號低壓加熱器出口水焓，取313.2 kJ/kg；h1、hd1分別為1 號低壓加熱器抽汽焓和疏水焓，1 號低加熱器抽汽焓h1為2655.9 kJ/kg，取1 號低加熱器疏水焓hd1為326.7 kJ/kg。

由式（4）可得1 號低加抽汽增加量為0.091 kg/s。

節省的2 號低加抽汽如用于發電，折合功率P 如式（5）所示：

式中：h2為號2 低加抽蒸汽焓，取2861.8 kJ/kg；hc為汽輪機出口蒸汽焓，取2407.8 kJ/kg；ηe為汽輪機軸效率，取99%；ηm為發電機效率，取98.9%。

由式（5）可得折合功率為1288.82 kW。

按2 號機組平均年發電利用小時數5000 h，供電煤耗350g/kWh 計，折合年增發電量為6444100kWh，折合年節約標煤量為2255.4 t。

2.3.3 增加電耗計算

1）煙道增加阻力消耗功率（兩側煙道合計）公式為：

式中：Vy為總煙氣流量，取6.95×105Nm3/h；t 為引風機進口煙溫，取118℃；ΔPy為相變換熱器煙氣側實際增加阻力，取183.7 Pa；ηy為引風機效率，取75%。

由式（6）可得煙道增加阻力消耗功率67.7 kW。

2）增壓泵增加能耗由式（7）所示：

式中：qv為水流量，取427.1kg/s；H 為水泵揚程，取30m；ηb為水泵的效率，取75%。

由式（7）可得增壓泵增加能耗46.5 kW。

3）年增加耗電量及耗煤量。由上述計算可得年增加耗電量及耗煤量分別為571000 kWh 和199.85 t，扣除增加的能耗后，實際節約標煤量為2055.6 t。標煤單價按900 元計，每年可節約購煤資金185.0 萬元。

3 項目實施及經濟效益分析

3.1 系統改造與設備型號選擇

相變換熱器安裝于除塵器之前的豎直煙道內，與主凝結水形成并聯系統，其進水取自2 號低壓加熱器進口（電動門前）的凝結水，通過系統所增設的管道泵，經相變換熱器加熱后返回2 號低加入口電動門后的凝結水。在每臺機組空預器出口至除塵器入口的4 條煙道上，分別布置1 套相變下段，每臺爐4 套。改造時將相變下段嵌入改造煙道中。

根據2 號機組實際情況選取的復合相變換熱器和新省煤器型號具體設置參數如表3、表4 所示。

表3 煙氣復合相變換熱器（型號：1dc.2t13）設計參數

表4 新省煤器（型號：1dc.2t13.04）設計參數

3.2 復合相變換熱器性能評價分析

某廠2 號汽輪機是由哈爾濱汽輪機廠有限公司生產的CC140/N200-12.75/535/535 型超高壓、中間再熱、雙抽冷凝式汽輪機，經通流部分改造后額定功率為220 MW。汽輪機的8 段非調整抽汽分別送至高壓加熱器、除氧器及低壓加熱器。其中汽輪機的1～2 段抽汽分別向2 臺高加提供加熱蒸汽，5～8 段抽汽向4 臺低加提供加熱蒸汽。工業抽汽取自3 段，采暖抽汽取自6 段。額定抽汽流量50 t/h，額定抽汽壓力1.054 MPa，額定抽汽溫度260 ℃，額定采暖抽汽流量300 t/h，額定采暖抽汽壓力0.245 MPa。機組設置了2 臺蒸汽冷卻器和1 臺疏水冷卻器。

復合相變換熱器節能技術改造的實際運行效果與設計值基本一致，如圖3 所示。

圖3 設計及運行情況對比

通過改造后測定機組在3VWO 工況下的復合相變換熱器進出水壓力、溫度、流量等參數，評估復合相變換熱器的節能效果。試驗結果表明：投入復合相變換熱器后，在3VWO 工況時，確保尾部受熱面不腐蝕的條件下，鍋爐排煙溫度從123.75 ℃下降至113.75 ℃，降低熱耗率25.54 kJ/kWh，折合發電煤耗降低約0.966 g/kWh。復合相變換熱器設計煙氣阻力為小于300 Pa，而在3VWO 工況下相變段煙氣阻力135.60 Pa，但由于引風機功耗值，與煙氣量有關，因此就煙氣阻力無法判斷引風機功耗是否高于設計功耗。

經過實際運行數據計算，若年利用小時按5500 h計，煤價按900 元/t 計，每年可回收熱量約55000 GJ，每年可節約運行成本137.5 萬元。驗證了復合相變換熱器在余熱利用中的節能效果明顯。

4 結語

本文對比分析了復合相變換熱器技術的基本原理及技術特點，總結了其在模塊構成、工作壓力范圍、抗腐蝕性及灰堵能力和節能效益等方面的技術優勢。針對國內某電廠2 號鍋爐提出了將復合相變換熱器加裝在空預器后、電除塵器之前的煙氣余熱利用技術方案，并進行了改造后的經濟效益分析。

改造后的性能考核試驗結果表明，在3VWO 工況時，確保尾部受熱面不腐蝕的條件下，鍋爐排煙溫度從123.75 ℃下降至113.75 ℃，降低熱耗率25.54 kJ/kWh，折合發電煤耗降低約0.966 g/kWh，達到了預期技術指標，驗證了復合相變換熱器煙氣余熱利用的節能效果。經過實際運行數據計算，若年利用小時按5500 h 計，煤價按900 元/t 計，每年可回收熱量約55000 GJ，可節約運行成本137.5 萬元，具有明顯的經濟效益。