220MW機組增設(shè)低壓省煤器的經(jīng)濟性分析

杜艷玲，李 斌，李 露，黨自力，尹水娥

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

排煙溫度升高是鍋爐運行中的常見問題，嚴重影響鍋爐效率，以及煙道尾部的脫硫、除塵等設(shè)備安全運行。增設(shè)低壓省煤器是實現(xiàn)火電廠節(jié)能減排、降低排煙溫度的重要措施之一[1]。低壓省煤器利用鍋爐余熱，對于提高機組的經(jīng)濟性是顯而易見的。關(guān)于電站系統(tǒng)增設(shè)低壓省煤器，有不少學(xué)者對其經(jīng)濟性[1]、優(yōu)化設(shè)計[2～3]以及對汽輪機相對內(nèi)效率的影響[4]進行了較為深入的研究。目前，多個電廠已成功應(yīng)用低壓省煤器實現(xiàn)機組的節(jié)能技術(shù)改造[5～8]。

現(xiàn)有某電廠200 MW循環(huán)流化床機組，鍋爐排煙溫度設(shè)計為142℃，實際運行中由于入爐煤偏離設(shè)計煤種較大，導(dǎo)致鍋爐排煙溫度偏高，年平均達到160℃，嚴重影響機組經(jīng)濟性;同時，排煙溫度過高影響了布袋除塵器運行安全性、除塵效率。綜合比較各種改造方案，采取在鍋爐尾部增設(shè)低溫省煤器用于降低煙溫，以達到回收鍋爐排煙余熱，提高機組經(jīng)濟性的目的。

1 增加低壓省煤器后的節(jié)能過程

1.1 低壓省煤器節(jié)能原理

低壓省煤器，在鍋爐側(cè)是受熱面，與尾部煙氣進行熱交換;在汽輪機側(cè)是一個加熱器，其通流介質(zhì)為回?zé)嵯到y(tǒng)的部分或全部的低壓凝結(jié)水。凝結(jié)水通常從某級低壓加熱器處引出，在低壓省煤器內(nèi)吸收排煙余熱后返回?zé)崃ο到y(tǒng)。排煙余熱的利用，將排擠汽輪機抽汽，在相同的主蒸汽流量下，汽輪機做功量增加。同時，凝汽流增加，凝汽器冷源損失增大，但由汽機做功量的增加值遠大于因凝汽量增加造成的熱損失，實際上增設(shè)低壓省煤器無一例外都可以提高機組的經(jīng)濟性[7]。

1.2 低壓省煤器的布置

低壓省煤器在汽機回?zé)嵯到y(tǒng)中的布置方式通常有兩種:串聯(lián)式和并聯(lián)式。串聯(lián)式中，低壓省煤器通過全部的凝結(jié)水流量，排煙余熱利用程度高，但凝結(jié)水阻力大，對凝結(jié)水泵的壓頭有要求。并聯(lián)式中，只引入部分凝結(jié)水在低壓省煤器中加熱，凝結(jié)水阻力小，鍋爐余熱利用的程度也相對低些。其中并聯(lián)方式中，為避免低壓省煤器入口凝結(jié)水溫度較低，可引入兩股不同位置凝結(jié)水混合后再進入低壓省煤器，提高進口水溫，保障機組運行的安全性。

2 系統(tǒng)改造方案

對于該機組，其回?zé)嵯到y(tǒng)為“兩高、四低、一除氧”，且疏水方式也不同于一般機組，具體如圖1所示。為降低鍋爐排煙溫度，現(xiàn)在該機組在空氣預(yù)熱器出口至原電除塵煙氣入口的煙道范圍內(nèi)增設(shè)了低壓省煤器，與低加回?zé)嵯到y(tǒng)并聯(lián)。為避免低壓省煤器進口水溫過低，在2號低加前后各引出一路凝結(jié)水混合作為進水，回水口設(shè)置在3號低加后。低壓省煤器采用H型鰭片管順列管排逆流布置，改造后的回?zé)嵯到y(tǒng)如圖1所示。

圖1 增設(shè)低壓省煤器后機組的熱力系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram with the installation of low pressure economizer

3 計算及結(jié)果分析

增設(shè)低壓省煤器對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響，因排煙溫度降低程度和回?zé)嵯到y(tǒng)的布置不同而不同。機組低負荷運行時，各低加的出口水溫、焓值均降低，但是通過低壓省煤器的出口水溫度變化不大，可以排擠更多的抽汽回到汽輪機繼續(xù)做功。因此，在相同的供水量下，機組低負荷運行時增設(shè)低壓省煤器帶來的節(jié)能量要高于額定負荷[6]，因此現(xiàn)只需對額定負荷下的經(jīng)濟性進行分析。

令煙溫分別降低20℃，25℃，30℃時，為滿足低壓省煤器在鍋爐尾部煙道的布置能夠滿足預(yù)留空間、煙氣阻力、凝結(jié)水阻力以及換熱要求，分別給出了低壓省煤器不同流量、溫升下的5種工況，具體見表1。

表1 5種不同的設(shè)計計算工況Tab.1 Five different design and calculation conditions

由于系統(tǒng)增設(shè)了低壓省煤器吸收鍋爐余熱，將直接排擠5號低加的抽汽α5。6號低加的抽汽因其凝結(jié)水引入一部分至低壓省煤器而減少，汽輪機凝汽流增加，7號低加的凝結(jié)水流量增加，因此α7也隨之增加。由于該系統(tǒng)各股抽汽相互影響相互關(guān)聯(lián)，回?zé)嵯到y(tǒng)的熱力計算相對復(fù)雜。關(guān)于低壓省煤器經(jīng)濟性的計算，本文采用常規(guī)方法的并聯(lián)解法，將回?zé)嵯到y(tǒng)中受低壓省煤器影響的幾個加熱器 (包含相關(guān)的抽汽和疏水)分別取為不同的幾個子系統(tǒng)，如圖1虛線框所示，列能量平衡方程，解方程組可得各抽汽份額，進而計算各經(jīng)濟性指標。其中，4號低加進口水溫不變 (焓值保持改造前的hw5)，兩個高加和除氧器的進出口水溫 (即hw1～hw4)均保持改造前參數(shù)不變，故增設(shè)低壓省煤器對僅回?zé)嵯到y(tǒng)α5～α7三股抽汽及凝汽αc產(chǎn)生影響。不同工況下回?zé)嵯到y(tǒng)各抽汽系數(shù)見表2。

表2 不同工況下熱力系統(tǒng)各抽汽系數(shù)Tab.2 Steam extraction coefficient of thermal system on different conditions

采用定功率計算，令機組在前述的不同工況下均發(fā)額定功率，機組的熱經(jīng)濟性指標的對比見表3。這里應(yīng)指出，低壓省煤器雖然降低了鍋爐排煙溫度，但是并改變鍋爐效率，即鍋爐的排煙熱損失始終以空氣預(yù)熱器出口為準[1]。這里排煙熱量是作為廢熱、余熱予以利用，效益體現(xiàn)在回?zé)嵯到y(tǒng)中，不能重復(fù)計算。

結(jié)合表2和表3，容易看出，低壓省煤器的增設(shè)，只影響末幾級的抽汽情況，對前四級沒有影響。低壓省煤器利用了鍋爐余熱，排擠了低壓抽汽，因此，改造后機組的內(nèi)功率wi增加，熱耗q和汽耗d均降低。機組的絕對內(nèi)效率有了明顯的增高，其相對內(nèi)效率基本不變和循環(huán)熱效率也明顯增加[4]。增設(shè)低壓省煤器最直接的效益表現(xiàn)在煤耗方面，在這5種工況下，每生產(chǎn)1 kW·h，當(dāng)通過低壓省煤器的煙溫降低20℃時，降低標煤耗約1.86 g;煙溫降低25℃時降低標煤耗約2.4 g;降低30℃時，降低標煤耗約2.85 g，經(jīng)濟效益顯著。

對比II和III，IV和V這兩對工況，可以發(fā)現(xiàn)，煙溫降低相同幅度，低壓省煤器中凝結(jié)水相對高溫升、小流量的工況可以獲得更好的效益。這體現(xiàn)了能級利用的優(yōu)越，也反映有些問題僅用熱力學(xué)第一定律解釋是不夠的，結(jié)合熱力學(xué)第二定律才能更好的說明問題。所以在實際運行中，不應(yīng)過分追求低壓省煤器中通流凝結(jié)水量大。

表3 增設(shè)低壓省煤器前后機組的熱經(jīng)濟性指標Tab.3 Thermal efficiency indices of the unit before and after the transformation

4 結(jié)論

本文應(yīng)用常規(guī)方法解方程組，將回?zé)嵯到y(tǒng)中受低壓省煤器影響的幾個加熱器分別取為不同的幾個子系統(tǒng)，列能量平衡方程組，計算出各抽汽份額，并比較了增設(shè)低壓省煤器前后不同工況下機組的熱經(jīng)濟性指標。結(jié)果表明:

(1)增設(shè)低壓省煤器后，機組熱耗q和汽耗d均降低，比內(nèi)功率wi、絕對內(nèi)效率ηi增加。

(2)當(dāng)通過低壓省煤器的煙溫降低20℃，25℃，30℃時，機組的標煤耗可以降低標煤耗1.86 g，2.4 g，2.85 g，節(jié)煤效益顯著。

(3)在煙溫降低相同幅度時，低壓省煤器中凝結(jié)水相對高溫升、小流量的工況可以獲得更好的效益。

相關(guān)的計算方法以及低壓省煤器的布置可對其他類似機組的改造計算提供參考。