煤電升級改造背景下煙氣余熱利用節能效益對比評估

王華霆，陳衡，徐鋼，安吉振

（熱電生產過程污染物監測與控制北京市重點實驗室(華北電力大學)，北京市 昌平區102206）

0 引言

煤電行業是燃煤消耗的重點產業之一，是我國節能減排工作的重點管控產業。“十一五”到“十三五”時期，中國深入推進煤電節能減排提升技術改造，火電供電煤耗水平不斷降低。2020年我國6 000 kW及以上的火電廠平均供電標準煤耗約為305.5 g/(kW?h)，比2015年、2010年、2005年分別降低9.9、27.5、64.5 g/(kW?h)。以2005年為基礎年，2006—2020年，我國電力煤耗的降低累計削減CO2排放量66.7億t，對我國電力行業CO2減排的貢獻約為36%，從而有效降低了我國電力行業CO2排放量的增幅。目前我國僅供電行業與供熱行業排放的CO2占我國排放量的比例就已經達到40%以上。所以，進一步提升能源利用效率的最有效措施之一是深入推動我國煤電機組節能降耗工作，這對于完成我國電力行業碳排放量達峰，乃至我國“碳達峰、碳中和”目標都有著重要意義[1-2]。

一次再熱機組由于鍋爐排煙溫度高，排煙余熱資源豐富，若能回收利用排煙余熱，機組的節能潛力可進一步提高。國內的研究人員已經對燃煤電站余熱利用技術展開了大量的研究[3-9]，無論是在一次再熱機組還是二次再熱機組領域都做了大量的研究工作[10-17]。

本文以某630 MW一次再熱機組為例，模擬了低溫省煤方案、二級低溫省煤器方案、旁路煙道方案及機爐耦合方案4種余熱利用方式的流程，并對4種方案的節能效果與經濟效益進行對比，為我國電力行業節能減排的升級改造提供借鑒。

1 案例機組介紹

案例機組系統示意圖如圖1所示。表1為機組的熱力參數。

表1 案例余熱回收機組的基礎參數Tab.1 Basic parameters of heat recovery unit in case

圖1 案例機組系統示意圖Fig.1 Case unit system diagram

2 余熱利用方案

實際生產過程中，為提高朗肯循環的平均吸熱溫度，從而提高電站發電效率、降低能耗，通常燃煤電站都會設置回熱系統，該回熱系統可以將部分蒸汽抽取出來用以加熱凝結水/給水。雖然回熱系統抽取蒸汽加熱凝結水提高了凝結水溫度，但是抽取的蒸汽也會因此凝結成相應壓力下的飽和水而失去做功能力，從而減少機組總出功。

2.1 低溫省煤器方案

本方案主要通過在鍋爐尾部布置低溫省煤器的方式進一步降低鍋爐排煙溫度，回收排煙余熱，將熱量注入汽機側回熱系統中，替代加熱凝結水，節約汽輪機抽汽，從而起到節能的效果，該方案系統示意圖如圖2所示。

圖2 低溫省煤器方案系統示意圖Fig.2 Sschematic diagram of low temperature economizer scheme system

2.2 二級低溫省煤器方案

本方案將低溫省煤器分為2級布置，由于經過引風機會使煙氣有一定的溫升，所以節能效果略優于低溫省煤器方案，該方案系統示意圖如圖3所示。

圖3 二級低溫省煤器方案系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of two-stage low temperature economizer system

2.3 旁路煙道方案

根據熱力學第二定律，無論回收的煙氣能量有多大，低溫省煤器內的介質溫度也無法超過鍋爐排煙溫度，因此至多能替代低溫段的抽汽(提高排煙溫度以提高系統節能效果的行為將導致鍋爐效率下降，并不可取)，節能效果相對有限。若能提高可利用煙氣的溫度，便可將凝結水加熱到更高溫度，從而提升節能效果。由于回熱系統的最高水溫一般低于300 ℃，這剛好和空預器的煙氣溫度相差不大，在空預器設置旁路煙道形成旁路煙道方案，可進一步提高節能效果，該方案系統示意如圖4所示。

圖4 旁路煙道方案系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of bypass flue scheme system

旁路煙道系統將鍋爐島與汽機島之間熱質傳遞過程的流程壁壘打破，將煙氣、空氣、給水、凝結水和蒸汽等統一視為系統能量利用過程中的放熱和吸熱介質進行耦合集成，實現利用低品位蒸汽或凝結水熱量置換出高品位煙氣熱量的效果。旁路煙道系統將省煤器出口之后的鍋爐尾部分隔成主煙道和旁路煙道，主煙道中布置主空預器，預熱進鍋爐之前的冷空氣，在旁路排煙口中布置有高、低溫煙-水換熱器，加熱鍋爐給水和凝結水。在主煙道中與旁路煙道出口的2股煙氣匯合流入合流煙道，并在合流煙道中設有前置式空預器來預熱冷空氣，以補償因煙氣分流引起的空氣吸熱量不足。而旁路煙口系統則利用了省煤器出口的高溫排煙熱量，能夠預熱較高水溫的鍋爐給水和凝結水，從而排擠汽輪機的較高品位抽汽。

2.4 機爐耦合方案

該方案主要是在旁路煙道方案的基礎上，通過進一步加強鍋爐和汽機之間的耦合集成程度，從而引出部分低溫凝結水對空氣進行加熱，進而將空氣在高段升溫時所需要的熱能降低，排擠更多高溫煙氣流入旁路煙道，從而提高旁路煙道方案的節能效益。因此，相比于旁路煙道方案，該機爐耦合方案以多抽6號、7號低壓抽汽的代價，置換出了前幾級高壓抽汽，而這部分高壓抽汽可在汽輪機中繼續做功，從而增加機組的總出功，進一步減少機組煤耗。

如前所述，旁路煙道方案中的前置式空預器處依舊有較大的換熱溫差，還能繼續優化。因此抽引低溫凝結水預熱空氣，排擠更多高溫煙氣進入旁路煙道，該方案系統示意如圖5所示。

圖5 機爐耦合方案系統示意圖Fig.5 Schematic diagram of machine-furnace coupling scheme system

3 建模與分析方法

本文利用EBSILON軟件進行熱力建模[18]。以案例機組的汽水過程原則性熱力圖(平衡圖)為基準，對此模型進行了精確性驗證。該模型最終發電功率為630.10 MW，發電效率為46.35%，發電熱耗率為7 767.48 kJ/(kW?h)。

模型參數誤差分析如表2所示，其中THA工況指熱耗率驗收工況。從表2中可以看出，在以機組平衡圖初始參數(壓力、溫度、流量、抽汽及管道壓損)及再熱蒸汽參數和排汽參數作為模型輸入參數對機組進行驗證，由模型計算得到的各項參數與設計值相差不大，各段抽汽壓力和抽汽流量的誤差都在可控的范圍內。最終，機組發電功率誤差為0.02%，熱耗率誤差為0.1%，相差很小。由此可知案例機組模型的計算結果基本可靠，可用于后續研究。

表2 案例機組THA工況模型檢驗Tab.2 Condition model test of case unit THA

4種余熱利用方案的節能效果通過供電煤耗率b進行表征，其表達式為

式中：q為機組熱耗率，kJ/(kW?h)；Lfcy為廠用電率。

4 結果與討論

4.1 各余熱利用方案參數

4.1.1 低溫省煤器方案和二級低溫省煤器方案參數

機組布置低溫省煤器回收鍋爐煙氣余熱實現節能。案例機組排煙溫度設置為90 ℃，而引風機之后的煙氣溫度為127 ℃，與排煙溫度有37 ℃的溫差[19]，將8號低溫加熱器之前的凝結水抽引出來回收排煙余熱，凝結水被煙氣加熱后返回6號低溫加熱器入口，這就等于用煙氣的熱量加熱了8段抽汽，計算結果如表3、4所示。

表3 低溫省煤器方案特性參數及節能效果Tab.3 Characteristic parameters and energy saving effect of low-temperature economizer scheme

表4 二級低溫省煤器方案特性參數及節能效果Tab.4 Characteristic parameters and energy saving effect of secondary low temperature economizer

4.1.2 旁路煙道方案參數

由于低溫腐蝕和空預器出口煙溫等的限制，前2種方案節能效果并不是十分理想，而旁路煙道方案可以將煙氣的利用范圍擴大至空氣預熱器入口，從而替代更高品位的抽汽，取得更加理想的節能效果，計算結果如表5所示。

表5 旁路煙道方案主要換熱器性能參數Tab.5 Main heat exchanger performance parameters of bypass flue scheme

從表5中數據可以得知，旁路煙道方案重新構建了鍋爐空預器之前的煙氣－空氣換熱流程，一、二次風先經過前置式空預器的預熱再進入空預器。

4.1.3 機爐耦合方案

旁路煙道方案中的前置式空預器處依舊具有相當大的換熱溫差，還能夠繼續進行優化。因此可抽引低溫凝結水預熱空氣，排擠更多高溫煙氣進入旁路煙道，表6為機爐耦合方案主要換熱器性能參數。

表6 機爐耦合方案主要換熱器性能參數Tab.6 Main heat exchanger performance parameters of machine-furnace coupling scheme

4.2 各種余熱利用方案節能效果對比

4種方案的節能效果如表7所示，與案例機組相比，低溫省煤器方案可以降低供電煤耗1.88 g/(kW?h)；二級低溫省煤器方案可以降低供電煤耗2.16 g/(kW?h)。旁路煙道方案中，系統功率輸出增加了6.12 MW，供電煤耗比案例機組下降2.29 g/(kW?h)；機爐耦合方案中，系統出功增加了7.16 MW，供電煤耗為279.07 g/(kW?h)，比案例機組下降2.66 g/(kW?h)，節能效果為4種方案中最優。

表7 4種余熱利用方案節能效果匯總Tab.7 Summary of energy saving effect of four heat utilization schemes

5 結論

利用EBSILON對4種方案的節能效果進行了模擬計算和對比，得出結論如下：

1）一次再熱機組擁有非常豐富的排煙余熱資源，通過4種余熱利用方式，機組的節能效果顯著，經計算，4種方案供電煤耗率分別降低了1.88、2.16、2.29、2.66 g/(kW?h)。

2）4種余熱利用方案中，低溫省煤器方案和二級低溫省煤器方案的節能效果相對較差，但系統結構簡單，僅增設了低溫省煤器，改造投資少；機爐耦合方案雖然節能效果相對最佳，但是增設了高溫煙水換熱器、低溫煙水換熱器、前置式空預器、凝結水-空氣換熱器等多個換熱器，系統結構更加復雜，因此改造投資也會增加。