煙氣冷卻器的節(jié)能效果評價(jià)

段立強(qiáng)，李 冉，楊勇平

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

0 前言

排煙損失是火電廠鍋爐各項(xiàng)熱損失中最大的一項(xiàng)，占了鍋爐總的熱損失的70% ～80%[1]。我國很多火力發(fā)電廠的鍋爐排煙溫度都超過設(shè)計(jì)值較多，因此如何有效的利用煙氣余熱，減少排煙熱損失，具有重要意義。

煙氣冷卻器是利用排煙余熱加熱凝結(jié)水的節(jié)能設(shè)備。該設(shè)備利用鍋爐排煙來加熱凝結(jié)水，從而替代部分汽輪機(jī)抽汽，使汽機(jī)做功增加，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性提高[2]。

傳統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律分析法僅從能量平衡角度出發(fā)，計(jì)算出采用煙氣冷卻器后整個(gè)機(jī)組煤耗的降低量，但不能深層挖掘煙氣冷卻器對機(jī)組各個(gè)設(shè)備能耗的影響。本文根據(jù)單耗分析理論，深入分析了煙氣冷卻器的節(jié)能效果。

1 單耗分析理論

“單耗分析”是基于熱力學(xué)第二定律，所提出的一種能量系統(tǒng)分析理論[3]，更加直觀的表示出了設(shè)備的能耗分布情況，為節(jié)能降耗提供了明確的理論依據(jù)。

1.1 單耗的簡介及一般表達(dá)式[3－5]

產(chǎn)品的單耗由兩部分組成:理論最低單耗和附加單耗。

理論最低單耗是指在可逆情況下，單位產(chǎn)品在理論上所必須消耗的最低燃料量。其表達(dá)式為

式中ep，eF——單位產(chǎn)品和單位燃料的值，在沒

有任何附加損失的理想系統(tǒng)中P=F。

生產(chǎn)某種產(chǎn)品的理論最低單耗是個(gè)定值。附加單耗bI則因設(shè)備而異，對于同一設(shè)備又因該設(shè)備的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和運(yùn)行情況而不同[3]。

1.2 電力生產(chǎn)的最低理論單耗[5]

生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，其燃料單耗的量綱不同。對于發(fā)電過程，其燃料單耗的量綱是g/kWh[5]火電機(jī)組以煤為燃料，煤的比為1 kg標(biāo)煤理論上可能轉(zhuǎn)變成的功量(電量)

1.3 設(shè)備內(nèi)部的附加單耗[3]

根據(jù)定義，熱力系統(tǒng)中各設(shè)備的附加單耗計(jì)算公式如下

式中Ii——設(shè)備i的損失/kJ·s－1;

P——機(jī)組發(fā)電量/MW。

2 實(shí)例分析

本文對某2×1 000 MW超超臨界火電機(jī)組的煙氣余熱利用方案進(jìn)行深入分析。

2.1 機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)

圖1 機(jī)組熱力系統(tǒng)圖Figure 1 The flowchart of unit thermal system

2.2 機(jī)組參數(shù)

(1)鍋爐:1 000 MW超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table1 Main design parametersof boiler

(2)汽輪機(jī):單軸、四缸四排汽，中間再熱反動凝汽式汽輪機(jī)，采用八級回?zé)岢槠謩e供給三個(gè)高壓加熱器、除氧器、四個(gè)低壓加熱器。

(3)煤種特性見表2。

表2 煤質(zhì)特性Table2.Components of Coal

(4)煙氣的酸露點(diǎn)[6－8]

根據(jù)蘇聯(lián)1973年鍋爐熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中列出的公式計(jì)算得到煙氣露點(diǎn)溫度

式中tld——煙氣露點(diǎn)溫度/℃;

——煙氣水露點(diǎn)溫度/℃;

β——系數(shù)，取值125;

——煙氣中的折算硫含量/[%];

經(jīng)計(jì)算煙氣的酸露點(diǎn)溫度為87.44℃。

3 不同聯(lián)結(jié)方式的節(jié)能效果比較

該機(jī)組的排煙溫度為125℃，為防止煙氣溫度低于酸露點(diǎn)溫度引起設(shè)備酸腐蝕，煙氣冷卻器出口煙溫定為90℃。而煙氣冷卻器水側(cè)溫度的選取，需綜合考慮其經(jīng)濟(jì)效益及對低溫腐蝕的影響。雖然采用較低的冷凝水進(jìn)口溫度能有效增大傳熱溫差，減小換熱器的外形尺寸和重量，節(jié)省了初期投資，但是其經(jīng)濟(jì)效益卻低于采用較高進(jìn)水溫度的方案，這主要是由于在抽汽量相同的情況下，高一級低加抽汽做功的能力要明顯高于低一級低加的抽汽做功能力。根據(jù)機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)熱平衡圖，6#低壓加熱器的入口水溫選為煙氣冷卻器的入口水溫最為適宜。

3.1 煙氣冷卻器與低壓加熱器串聯(lián)模型

串聯(lián)時(shí)(如圖2)，煙氣加熱全部凝結(jié)水，使流進(jìn)6#低壓加熱器的凝結(jié)水溫上升，汽輪機(jī)抽汽量隨之降低，汽機(jī)做功增加，機(jī)組效率提高。

通過熱力計(jì)算[9]，在變工況下，系統(tǒng)串聯(lián)了煙氣冷卻器后的節(jié)能效果見表3。以額定工況為例，在保證進(jìn)汽量不變的情況下，系統(tǒng)串聯(lián)了煙氣冷卻器后，6#低加的入口凝結(jié)水溫增加了15.1℃，汽輪機(jī)做功量增加 5.956MW，發(fā)電煤耗下降1.609 g/kWh。

圖2 煙氣冷卻器與6#、7#低加串聯(lián)Figure2 The series connection of flue gas cooler with the No.6 and No.7 heaters

表3 煙氣冷卻器與6#、7#低加串聯(lián)的節(jié)能效果Table3 The energy－saving effect of the series connection mode

3.2 煙氣冷卻器與低壓加熱器并聯(lián)模型

并聯(lián)時(shí)(如圖3所示)，煙氣加熱部分凝結(jié)水，使流經(jīng)6#低加的凝結(jié)水流量減小，汽輪機(jī)抽汽量隨之降低，汽機(jī)做功增加，機(jī)組效率提高，(如圖3)。

總之，提升醫(yī)學(xué)留學(xué)生輔導(dǎo)員職業(yè)能力，建設(shè)一支內(nèi)涵豐富、能力突出的輔導(dǎo)員隊(duì)伍，需要各方共同努力，推動醫(yī)學(xué)留學(xué)生管理工作再上新臺階。

圖3 煙氣冷卻器與6#低加并聯(lián)Figure3 The parallel connection of the flue gas cooler with the No.6 heater

表4 煙氣冷卻器與6#低加并聯(lián)的節(jié)能效果Table4 The energy－saving effect of the parallel connection mode

表4反映了機(jī)組在不同工況下，當(dāng)系統(tǒng)并聯(lián)了煙氣冷卻器后對機(jī)組節(jié)能效果的影響。與串聯(lián)時(shí)的趨勢相同，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，煙氣冷卻器的節(jié)煤效果逐漸下降。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷低于75%THA時(shí)，并聯(lián)的節(jié)煤效果要明顯優(yōu)于串聯(lián)(見圖5)。

圖4 煙冷器的兩種集成方式使機(jī)組做功增加量隨工況變化趨勢Figure4.The change trend of the power increase with the load change at two integration modes of flue gas cooler

4 煙氣冷卻器與系統(tǒng)集成后對汽輪機(jī)側(cè)能耗的影響

4.1 煙氣冷卻器與系統(tǒng)集成后對各級加熱器內(nèi)部能耗的影響

通過熱力計(jì)算得出了系統(tǒng)聯(lián)結(jié)煙氣冷卻器后，機(jī)組總體的節(jié)能效果。而利用單耗理論，能夠更清晰的反映出系統(tǒng)聯(lián)結(jié)煙氣冷卻器后各級加熱器內(nèi)部所發(fā)生的能耗變化。

(1)加熱器i內(nèi)部的損失Ii

圖5 煙冷器的兩種集成方式使機(jī)組發(fā)電煤耗減少量隨工況變化趨勢Figure5 The change trend of the unit coal consumption decrease with the load change at two integration modes of flue gas cooler

式中 ∑Ein、∑Eout——流入、流出加熱器的總量;

DFw，i+1——第i+1級加熱器出口給水流量;

eFw，i+1——i+1 級加熱器出口給水比;

ec，i——第i級加熱器的抽汽比;

Ds，i－1——來自第i－ 1 級加熱器的疏水流量;

es，i－1——來自第i－1 級加熱器的疏水比。

回?zé)嵯到y(tǒng)與煙氣冷卻器集成后，由于利用煙氣余熱來加熱凝結(jié)水，使回?zé)岢槠繙p少，加熱器內(nèi)部的損失也隨之發(fā)生了變化。當(dāng)煙氣冷卻器與6#、7#低壓加熱器串聯(lián)，或與6#低加并聯(lián)時(shí)，主要排擠了6#低加的抽汽量，故導(dǎo)致6#低加內(nèi)部附加單耗的變化最大。

煙冷器與6#、7#低加串聯(lián)時(shí)，6#低加內(nèi)部的附加單耗比并聯(lián)時(shí)小。這主要是由于串聯(lián)時(shí)流經(jīng)煙冷器的凝結(jié)水量是全部凝結(jié)水的流量，而并聯(lián)時(shí)的流量是部分凝結(jié)水，在吸收等量煙氣余熱后串聯(lián)的溫升較并聯(lián)時(shí)小，所以損失小。同時(shí)由于串聯(lián)時(shí)流量大，所以凝結(jié)水與煙氣的換熱效果也好，損失小。并聯(lián)時(shí)，煙冷器出口被加熱了的部分凝結(jié)水還要與流經(jīng)6#低加的另一部分凝結(jié)水混合，混合過程也會產(chǎn)生損失。故造成串聯(lián)時(shí)加熱器內(nèi)部的附加單耗要比并聯(lián)時(shí)小的多，見圖6。

(2)加熱器內(nèi)部的附加單耗

根據(jù)公式(5)，計(jì)算加熱器內(nèi)部的附加單耗:

圖6 系統(tǒng)與煙氣冷卻器的不同集成方式對各級加熱器內(nèi)部附加單耗的影響Figure 6 The changes on the additional unit consumption of every heater in regenerative system after integrating the flue gas cooler

4.2 煙氣冷卻器與系統(tǒng)集成后對汽輪機(jī)本體能耗的影響

回?zé)嵯到y(tǒng)聯(lián)結(jié)了煙氣冷卻器后，利用煙氣余熱加熱凝結(jié)水替代了汽輪機(jī)部分回?zé)岢槠浚蛊啓C(jī)做功增加，但排汽量也隨時(shí)增加，使排汽損失增大。表6反映了加裝煙冷器后汽輪機(jī)本體及凝汽器附加單耗的變化量。由于6#低加的抽汽來自汽輪機(jī)的低壓缸，當(dāng)6#低加吸收煙氣余熱后，替代了部分6#回?zé)岢槠?，使低壓缸的排汽量增加，排汽損失增加，故低壓缸的附加單耗增加。同時(shí)，凝汽器吸收的汽機(jī)排汽流量增加，使凝汽器的損失增加[10]，故附加單耗增加，趨勢見表5。

表5 煙冷器與系統(tǒng)集成后汽輪機(jī)本體及凝汽器內(nèi)部能耗的變化Table5 The changes on the additional unit consumptions of steam turbine and condenser after integrating the flue gas cooler

5 結(jié)論

(1)降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗

利用煙氣冷卻器回收煙氣余熱能夠替代部分回?zé)岢槠瑴p少了回?zé)嵯到y(tǒng)對低壓缸的抽汽，使汽輪機(jī)做功量增加，提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，機(jī)組煤耗降低。

計(jì)算表明:按照并聯(lián)集成方案，在75%的平均負(fù)荷下，煤耗約降低1.48 g/kWh，按全年發(fā)電量56.7億kWh計(jì)，每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約839 1.6 t，標(biāo)煤價(jià)格按1 200元/t(2011年底)，每年可節(jié)省燃煤費(fèi)約1 007萬元。

(2)不同聯(lián)結(jié)方式的差異

煙氣冷卻器以相同的入口水溫分別串聯(lián)和并聯(lián)在同級加熱器所帶來的節(jié)煤效果差異不大。但是隨著機(jī)組的負(fù)荷降低，并聯(lián)的節(jié)煤效果要逐漸優(yōu)于串聯(lián)。

同時(shí)，不同的聯(lián)結(jié)方式對加熱器內(nèi)部的能耗影響有所不同，串聯(lián)時(shí)該級加熱器內(nèi)部的附加單耗要明顯低于并聯(lián)時(shí)的附加單耗。

(3)排煙溫度降低的限制

煙冷器出口的排煙溫度越低，回收的煙氣余熱越多，但是為防止受熱面發(fā)生酸腐蝕，排煙溫度必須高于煙氣的酸露點(diǎn)。若能在材料上有所突破，就可獲得更低的煙氣溫度，提高熱經(jīng)濟(jì)性。

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