降低鍋爐排煙溫度利用煙氣余熱的實踐與理論研究

胡廣濤，岳益鋒

(上海理工大學 能源與動力工程學院，上海200093)

0 引言

近年來節能減排已作為我國的一項基本國策。火電廠作為消耗一次能源的幾大行業之一，火電廠的節能潛力更是巨大，故對于火電廠的節能技術方法是亟待解決的問題。當前國內火電廠的余熱利用空間更是巨大，如鍋爐排煙余熱、排污余熱、除氧器乏汽余熱及相關冷卻器余熱等都是可以利用的余能。然而理論和實踐證明降低鍋爐排煙溫度利用煙氣余熱是有可觀的經濟效益的做法［1］。

1 利用煙氣余熱的理論基礎

1.1 煙氣余熱利用的方法

排煙熱損失是鍋爐運行中最大的一項熱損失，提高能源利用率，提高電廠經濟性，降低排煙溫度利用煙氣余熱是一項重要的措施。目前降低排煙溫度的方法主要分為兩種，一是改造鍋爐的省煤器，另一種是增設尾部熱回收裝置，可稱為低壓省煤器。

相對來說改造原省煤器的余熱利用能級較高，在對排煙溫降要求不高，且對鍋爐的燃燒穩定性要求不嚴格時，可利用改造原省煤器來達到降低排煙溫度的目的。但大多數的實際情況下并非如此，往往改造原省煤器不合理也不被接受，它會影響到整個鍋爐的運行安全。理論和實踐證明在鍋爐的尾部加裝低壓省煤器是一種行之有效的途徑。

山東大學黃新元［2－3］教授對低壓省煤器做了較深入的分析，提出了相關的數學理論模型。西安交通大學的林萬超［4］教授對低壓省煤器系統的熱經濟性利用等效焓降理論進行了深入的研究，提出了余熱梯級利用的概念。近年來國內很多電廠陸續成功加裝了低壓省煤器，如開封電廠、長春第二熱電廠、大唐淮北電廠等，且運行狀況良好，如大唐淮北電廠［5］將8號210 MW機組加裝低壓省煤器后煙溫降低了23℃，年節省標煤2 633 t，節能效益顯著。

1.2 低壓省煤器的原理

低壓省煤器與傳統省煤器相仿，安裝在鍋爐的尾部煙道，一般在空氣預熱器之后。其水側一般是低壓給水或汽輪機回熱系統的低壓水。水在低壓省煤器中吸收煙氣被加熱后，一般進入除氧器等設備被利用。

低壓省煤器接入系統時可分為串聯和并聯兩種［6］，串聯如圖1示，從第N級低加出口引出全部凝結水，經過低壓省煤器進入第N+1級低加出口。串聯時該省煤器中的水流量較大，故當在省煤器換熱面積一定時，可將煙氣溫度降低的更低，即排煙余熱利用程度大。然而串聯時因水流量大，故勢必引起工質側的阻力增加，所以在大多數情況下需加裝凝結水泵。

圖1 串聯式

并聯如圖2示，低壓省煤器跨過一個或多個低加，流經該省煤器的水占了總凝結水的一部分。這種工況下一般無需增設凝結水泵，因低壓省煤器跨過了多個加熱器，此時所產生的壓差一般情況足以彌補低壓省煤器及相關設備所增加的阻力。但并聯時由于分流量小于全流量，則水的出口水溫較高，所以并聯時的傳熱溫壓較低，余熱利用程度較低。

圖2 并聯式

1.3 低壓省煤器設計時主要參數的選擇

(1)進水流量

低壓省煤器的節能效果和流量有如圖3示的關系，可知進水流量G存在一個最佳數值，無論是增加或減少進水流量都會使節能效果變差［7］。

圖3 進水流量—節能關系

(2)負荷大小

當機組低負荷運行時，因各低壓加熱器的出口溫度、出口比焓均降低，進入除氧器的主凝結水溫度降低［7］，這使低壓省煤器的吸熱量變化且該變化能夠減少高能級抽氣的重新分配。負荷與流量的關系如圖3示，從圖3上能夠看出在相同的流量下低負荷時的節能效果更有利。

(3)進水溫度

在設計鍋爐的低溫受熱面時務必要考慮低溫腐蝕和堵灰的問題，安裝低壓省煤器也同樣需注意，但大多數情況下兩者不能協調統一，這種情況下應優先考慮防腐蝕措施。一般工程要求腐蝕速度≤0.2 mm，根據低溫腐蝕機理，要求管壁溫度在下述范圍［8］:tld+25℃ ＜t＜105℃，其中tld為煙氣水露點溫度。由于低壓省煤器管內的工質水的換熱系數遠大于煙氣側的，所以其冷段管壁的溫度近似等于水的溫度，故低壓省煤器的進水溫度需在以上要求的范圍之內。

2 低壓省煤器的工程實例計算

某電廠130 t/h煤粉爐排煙溫度高達180℃，現欲通過加裝該低壓省煤器來降低煙溫，利用余熱。以下為該低壓省煤器的計算示例。

2.1 結構特性及設計參數

本次改造欲將溫度降低至150℃左右，即溫降并不是很大，故該低壓省煤器用采用并聯式接入系統。低壓省煤器結構特性及參數見表1。

表1 結構特性及設計參數

2.2 熱力計算

(1)換熱系數的計算

一般鍋爐受熱面傳熱系數可表示為［9］

式中ay——煙氣側對流換熱系數;

as——工質水側對流換熱系數;

ε——灰污系數。

因鍋爐省煤器中工質水側的對流換熱系數相對于煙氣側很大，故上式可寫為

煙氣側傳熱系數計算如下［9］:

式中Cs、Cd、Cw——分別為修正系數，由文獻［9］中查表得出;

λ——煙氣導熱系數/W·m－1·℃－1;

d——管徑/m;

ν——煙氣運動粘度/m2·s－1;

w——煙氣速度/m·s－1;

a——煙氣熱擴散系數/m2·s－1。

灰污系數計算:

式中 ε0——灰污系數基本值/m2·℃·W－1;

Cg——管徑修正系數;

Csf——飛灰修正系數;

Δε——灰污系數改正值/m2·℃·W－1。

帶入實際參數，并參考文獻［9］中相關修正系數，得總換熱系數為K=30.52 W/(m2·℃)

(2)校核計算

換熱量為Q'=KAΔT=1 863.45 kW

煙氣放熱量Q″=(Ij－Ic)Vy=1 812.52 kW

3 節能效益分析

利用低壓省煤器回收余熱，并作為純熱量利用于熱力系統，但鍋爐產生單位新蒸汽的耗能不變。故在此條件下抽氣減少所增加的功率使汽輪機的效率提高。以上文介紹工程為計算實例，利用等效焓降法計算其工程收益［10］，計算如下:

1 g新氣全部做功量稱為新氣等效焓降(記為H)，所有排擠抽氣所增加的功量稱為等效焓降增量(記為ΔH)計算如下

式中d——機組汽耗率/kg·kWh－1;

ηjd——汽輪機機電效率;

β——低壓省煤器流量系數;

hdc——低壓省煤器出口水比焓/kJ·kg－1;

hcj——除氧器進口水比焓/kJ·kg－1;

λj——所繞過的各低加工質焓升/kJ·kg－1;

ηj——所繞過的各低加的抽氣效率;

ηg——低壓省煤器出口到除氧器管道效率。

經計算H=844.63 kJ/kg;ΔH=22.46 kJ/kg熱經濟性相對提高為

鍋爐年節約能量為

式中N——機組額定容量;

n——機組年運行小時;

b——發電標準煤耗率。

經計算得ΔB=1 296.9(t/a)

年節能價值為

式中P——煤價，取P=800元/t。

因前期投資成本不到50萬元，將該投資和維修費用總和與收益相比知，該項目投資約半年時間即可回收成本，可見投資收益顯著，值得各電廠借鑒實施。

4 結論

(1)煙氣溫度降要求在30℃左右時低壓省煤器一般采用并聯接法接入系統，此時可不用再安裝凝結水泵;但在煙氣溫度要深度降低時可用串聯接法，水流量可更大，溫差更大，有利于強化低溫換熱;

(2)鍋爐運行穩定時，低壓省煤器進水流量存在一個最佳值，使其節能效率達到最高;且鍋爐低負荷運行時的節能效率更高些;

(3)因尾部煙氣溫度低，灰的硬度大，故磨損較嚴重，且磨損與速度三次方成正比，所以為減輕低壓省煤器中的磨損，煙氣的速度可以較低些，這樣也減少了煙氣側的阻力，減少風機耗能;

(4)從本文介紹的工程實例來看，安裝低壓省煤器的經濟效益很顯著，值得推廣應用。

［1］高占民，張少平.降低電站鍋爐排煙溫度新技術研究［J］.節能技術，2006，24(1):9－11，

［2］黃新元，孫奉仲，史月濤，等.670 t/h鍋爐增設低壓省煤器降低排煙溫度的實踐［J］.中國電力，2008，41(6):55－58.

［3］黃新元，王家明，孫啟超，等.鍋爐加裝低壓省煤器改造技術研究［J］.電力建設，2008，29(3):98－101.

［4］林萬超.火電廠熱系統節能理論［M］.西安;西安交通大學出版社，1994.

［5］王潤生.200 MW鍋爐余熱利用關鍵技術及節能效果［J］.安徽電力，2011(28):54－57.

［6］周新軍，房林鐵，張紅方，田松峰.330 MW機組增裝低壓省煤器及經濟性分析［J］.節能，2011(6):16－20.

［7］黃新元.火電廠低壓省煤器系統的最優水量分配［J］.水動力研究與進展，2003，(5).

［8］丁樂群，張鐳，于捷.火電廠加裝低壓省煤器經濟效益分析［J］.東北電力技術，2006(5):28－30.

［9］馮俊凱.鍋爐原理及計算［M］.北京:科學出版社，2003.

［10］張紅方，王勇，田松峰，等.基于等效焓降法的低壓省煤器系統經濟性分析［J］.節能技術，2011，29(5);457－461.