大型火力發(fā)電機(jī)組鍋爐尾部加裝煙氣換熱器探討

李長鎖

(山東大唐東營發(fā)電廠籌建處，山東東營257091)

0 引言

我國目前電站鍋爐的排煙溫度一般在120℃左右，大量的熱能隨煙氣排向大氣，造成了較大的能量損失。降低鍋爐排煙溫度是提高鍋爐效率的最優(yōu)選擇，符合國家節(jié)能減排政策，是發(fā)電廠，特別是大型發(fā)電廠鍋爐節(jié)能減排研究的主要課題。

長期以來制約排煙溫度進(jìn)一步降低的因素較多:一是加大尾部受熱面的投資與獲得的經(jīng)濟(jì)效益的比較，因煙氣與交換熱能媒質(zhì)溫差小、煙氣側(cè)換熱系數(shù)低的客觀原因，需加大換熱面面積以獲得煙氣熱能量傳輸，加大換熱面需要增加工程投資，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)、效益和環(huán)保的對比，一般選擇排煙溫度為120℃。二是考慮尾部受熱面的低溫腐蝕，煙氣溫度低于二氧化硫的露點(diǎn)溫度，會使二氧化硫結(jié)露，形成硫酸液體凝結(jié)在金屬受熱面表面，造成嚴(yán)重的金屬腐蝕。低溫受熱面受腐蝕材料的研發(fā)制約了進(jìn)一步降低排煙溫度。

進(jìn)一步降低排煙溫度不僅是提高鍋爐效率的總體要求，還關(guān)系到目前國家對火電廠強(qiáng)制執(zhí)行的脫硫工藝的要求。目前，濕法碳酸鈣吸收二氧化硫工藝中，脫硫島內(nèi)碳酸鈣吸收煙氣中二氧化硫的最佳溫度是60℃，為保證脫硫效率，需降低脫硫島煙氣溫度。目前降低煙氣溫度的方法是噴水降溫，需要消耗大量水資源，這為加裝鍋爐尾部受熱面，進(jìn)一步降低排煙溫度，減少水資源消耗提出了要求。

本方案依據(jù)某百萬千瓦級電廠主要參數(shù)和熱平衡圖，對尾部加裝煙氣受熱面技術(shù)方案論證和經(jīng)濟(jì)性分析。

1 技術(shù)研究

1.1 技術(shù)簡介

在常規(guī)燃煤鍋爐煙氣濕法脫硫系統(tǒng)中，能量損失較大［1］。煙氣要經(jīng)噴淋、脫硫等工藝從入口的125℃左右最終降低到50℃左右從脫硫系統(tǒng)排出，這一工藝?yán)速M(fèi)水和能源。其中煙氣從125℃降低到80℃左右的噴水量62t/h，引起煙氣量增加3%左右。采用煙氣換熱器系統(tǒng)，冷卻水采用汽機(jī)凝結(jié)水，有效回收了部分鍋爐排煙熱量，在相同發(fā)電量下可降低機(jī)組熱耗，節(jié)省燃煤耗量;同時由于脫硫吸收塔的進(jìn)煙氣溫度降低，可減少其噴水量，減少機(jī)組耗水量。

煙氣換熱器設(shè)置在除塵器和引風(fēng)機(jī)后、脫硫系統(tǒng)前;換熱器冷卻水取自汽機(jī)凝結(jié)水，凝結(jié)水的抽出點(diǎn)一般設(shè)置在7號低加前，凝結(jié)水輸回點(diǎn)設(shè)置在7號低加后6號低加前，與7號低加的凝結(jié)水流程為并列形式，系統(tǒng)簡圖如圖1所示(圖中數(shù)據(jù)為參考工程的數(shù)據(jù))。

圖1 系統(tǒng)簡圖

1.2 技術(shù)方案

1.2.1 系統(tǒng)參數(shù)

其主要系統(tǒng)流程如圖1所示。按鍋爐BMCR工況(對應(yīng)汽機(jī)VWO)、BRL工況、THA工況三個主要工況考慮，煙氣換熱器系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)如表1所示。本方案主要通過減少第6級低壓加熱器和第7級低壓加熱器的抽汽流量，增加發(fā)電量及降低機(jī)組熱耗，達(dá)到節(jié)能目的。

表1 煙氣換熱器技術(shù)數(shù)據(jù)

換熱器煙道截面要求160～180m2，沿?zé)煔饬飨蚝穸燃s3m。

煙氣換熱器的功能是將鍋爐的排煙溫度降低38℃，回收煙氣熱量最大熱功率43000kW。

1.2.2 運(yùn)行可靠性

換熱器運(yùn)行的可靠性主要考慮煙氣低溫腐蝕。下面做一簡要分析。

1)煙氣熱量回收裝置運(yùn)行安全性類比分析。

大型電站鍋爐的低溫腐蝕主要指空氣預(yù)熱器冷端金屬元件的酸腐蝕，主要與煙氣成分、金屬壁溫、金屬材料等因素有關(guān)，控制空氣預(yù)熱器低溫腐蝕的措施主要也是控制空氣預(yù)熱器的冷端金屬壁溫。

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的冷端金屬壁溫計算公式如下:

式中，Tb為回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的冷端金屬壁溫;Tk為預(yù)熱器入口空氣溫度(℃);Ty為預(yù)熱器出口煙氣溫度(℃);αy為煙氣側(cè)放熱系數(shù)(w/m2·℃);αk為空氣側(cè)放熱系數(shù)(w/m2·℃);Hy為煙氣側(cè)換熱面積(m2);Hk為空氣側(cè)換熱面積(m2)。

由于回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)的特殊性，一般αy和αk相等，Hy和Hk相等，所以，上式簡化為:

對于鍋爐回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器冷端來講，Tk就是進(jìn)風(fēng)溫度，Ty就是鍋爐排煙溫度。某項目鍋爐排煙溫度123℃，鍋爐空氣預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)溫度20℃，計算得到鍋爐空氣預(yù)熱器的冷端金屬壁溫設(shè)計值71.5℃。

如果鍋爐空氣預(yù)熱器在上述設(shè)計預(yù)期和實(shí)際運(yùn)行中的冷端低溫腐蝕程度可以接受的話，本項目中的煙氣換熱器在材料優(yōu)于或者等于鍋爐空氣預(yù)熱器、壁溫高于或者等于71.5℃的條件下，煙氣換熱器運(yùn)行中可有效控制低溫腐蝕。

低溫?zé)煔鈸Q熱器與目前普遍采用的回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器相比，首先工作環(huán)境相同，均處于鍋爐尾部煙氣溫度較低部位，控制目標(biāo)是煙氣溫度，主要措施是防止傳熱低溫側(cè)過度吸熱致使高溫側(cè)煙氣溫度降低，煙氣中的SO2、SO3分壓氣體低于其露點(diǎn)溫度而在金屬表面結(jié)露，與煙氣中的水分子結(jié)合形成H2SO3和H2SO4液體造成金屬低溫酸腐蝕。其次傳熱介質(zhì)相似，高溫側(cè)是相同的煙氣，低溫側(cè)預(yù)熱器是空氣，換熱器是凝結(jié)水，低溫側(cè)對金屬損害可忽略，防范重點(diǎn)是在傳熱高溫側(cè)。

2)金屬壁溫的運(yùn)行控制方式。

煙氣換熱器傳熱管的實(shí)際運(yùn)行金屬壁溫取決于煙氣溫度、冷凝水溫度、煙氣側(cè)傳熱系數(shù)、水側(cè)傳熱系數(shù)、傳熱管型式等因素［2］。控制思路是:在機(jī)組滿負(fù)荷工況，傳熱管金屬管壁溫度設(shè)計取值為71℃;在機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行工況，采用煙氣熱量回收裝置傳熱管壁溫自動控制系統(tǒng)，保證運(yùn)行中傳熱管金屬管壁溫度不低于71℃。

實(shí)現(xiàn)煙氣換熱器傳熱管金屬壁溫運(yùn)行控制的原則性熱力系統(tǒng)圖，如圖2所示。

圖2 金屬壁溫?zé)崃ο到y(tǒng)圖

在系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)煙氣換熱器出水溫度低于第7級低加(圖2中為第二級低加)出水溫度時，開大調(diào)節(jié)閥開度，增加第7級低加進(jìn)水流量，減少煙氣換熱器進(jìn)水流量，直至熱量回收裝置出水溫度和第7級低加出水溫度相等;當(dāng)煙氣換熱器出水溫度高于第7級低加出水溫度時，減小調(diào)節(jié)閥開度，減少第7級低加進(jìn)水流量，增加煙氣換熱器進(jìn)水流量，直至煙氣換熱器出水溫度和第7級低加出水溫度相等。

實(shí)際運(yùn)行中的第7級低加冷凝水出水溫度高于表1所列相應(yīng)工況時的數(shù)據(jù)，由于汽輪機(jī)各級抽汽回?zé)嶙詣悠胶猓?dāng)?shù)?級低加冷凝水出水溫度高于汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)時，不僅第7級低加的蒸汽消耗量將減少，第6級低加、第5級低加的蒸汽消耗量都將相應(yīng)減少，由于各級抽汽的蒸汽能量品位不同，所以減少相應(yīng)高參數(shù)抽汽口的抽汽量有利于提高系統(tǒng)循環(huán)熱效率。

第二，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低時，第7級低加冷凝水進(jìn)口溫度相應(yīng)降低，由于控制低溫腐蝕的要求，煙氣換熱器的傳熱管金屬壁溫不允許降低，所以要考慮熱水再循環(huán)方式，在機(jī)組負(fù)荷較低時提高煙氣換熱器的進(jìn)水溫度，保證安全可靠運(yùn)行。

再循環(huán)回路的控制原理:當(dāng)煙氣換熱器的進(jìn)水溫度低于65℃時，開啟再循環(huán)泵，調(diào)節(jié)熱量回收裝置的進(jìn)水流量使其進(jìn)水溫度等于65℃，從而保證機(jī)組各種負(fù)荷工況下，煙氣換熱器傳熱管的最低金屬壁溫都能高于71℃，確保安全可靠運(yùn)行。

3)煙氣熱量回收裝置傳熱管堵灰情況分析及解決辦法。

鍋爐煙氣中的灰不僅會污染傳熱管表面［3］，影響傳熱效率，嚴(yán)重時還會堵塞煙氣流動通道，增大煙氣流動阻力，甚至影響安全運(yùn)行，不得不停機(jī)清灰。

根據(jù)上節(jié)分析，熱量回收裝置運(yùn)行中，保證傳熱管金屬溫度高于煙氣中水蒸汽露點(diǎn)溫度，因此傳熱管上不會造成水結(jié)露，所以傳熱管上的積灰為干灰。對于系統(tǒng)設(shè)計而言，也必須在運(yùn)行中保證傳熱管上的積灰為干灰。

對于干灰的清理，主要考慮三個措施［3］:

第一，煙道內(nèi)煙氣流動通暢，結(jié)構(gòu)設(shè)計上不出現(xiàn)大量積灰源，同時保證吹灰器能吹到所有的管束，不留吹灰死角。

第二，煙氣流動速度均勻，設(shè)計煙氣流速高于10m/s，使得煙氣在流動中具有一定的自清灰功能。

第三，采用蒸汽吹灰器或者壓縮空氣吹灰器定時吹灰，保證傳熱管積灰程度在可以允許的范圍內(nèi)、使煙氣流動阻力的增大幅度和傳熱能力的降低幅度都在允許范圍內(nèi)。

1.2.3 換熱系統(tǒng)主要設(shè)備及參數(shù)

1)煙氣換熱器:煙氣換熱器傳熱管設(shè)計考慮采用高頻焊翅片管，采用高頻焊翅片管不僅可以強(qiáng)化傳熱，而且能減輕低溫腐蝕;傳熱管管材從冷端依次選擇316L、ND鋼、考頓鋼，根據(jù)設(shè)備壽命設(shè)計要求和工程投資額度情況具體確定設(shè)計壓力為1.5MPa，設(shè)計溫度為150℃，煙氣流量為3227902Nm3/h，煙氣進(jìn)出口溫度為123/85℃，煙氣流動阻力損失為1200Pa，冷凝水流量為1166t/h，冷凝水進(jìn)出口溫度為63/75℃，冷凝水流動阻力損失為～0.3MPa，傳熱功率為43000kW。

2)再循環(huán)泵:再循環(huán)泵流量為60kg/s(216t/h)，再循環(huán)泵揚(yáng)程為50m，再循環(huán)泵效率為75%，再循環(huán)泵功率為45kW。

3)冷凝水升壓泵流量為1290t/h，冷凝水升壓泵揚(yáng)程為75m，冷凝升壓泵效率為80%，冷凝升壓泵功率為410kW。

4)第7級低加進(jìn)水流量調(diào)節(jié)閥:設(shè)計壓力為4.0MPa，設(shè)計溫度為100℃，閥門壓差為0.5MPa，閥門流量為900t/h，口徑為DN400。

5)再循環(huán)流量調(diào)節(jié)閥:設(shè)計壓力為4.0MPa，設(shè)計溫度為100℃，閥門壓差為0.5MPa，閥門流量為60kg/s(216t/h)，口徑為 DN100。

2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 采用煙氣換熱器系統(tǒng)后相關(guān)汽輪機(jī)節(jié)能數(shù)據(jù)

經(jīng)與汽輪機(jī)主機(jī)廠溝通，得到百萬千瓦級汽輪機(jī)主要工況相關(guān)數(shù)據(jù)，見表2。

表2 汽輪機(jī)節(jié)能數(shù)據(jù)

2.2 采用煙氣換熱系統(tǒng)投資分析

此方案的初步投資分析暫按汽機(jī)TRL工況，年發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)按5500小時計算。根據(jù)《電力工程經(jīng)濟(jì)分析暫行條例》的規(guī)定，技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較方法采用“年費(fèi)用最小法”。其中，投資回收率r按國家計委發(fā)布的《建設(shè)項目經(jīng)濟(jì)評價方法與參數(shù)》的規(guī)定取0.10，回收年限為n，年固定費(fèi)用率為r(1+r)n/［(1+r)n-1］，則年費(fèi)用 NF=1.05x 總投資Z0x年固定費(fèi)用率+年運(yùn)行費(fèi)用。

一臺機(jī)組煙氣換熱系統(tǒng)所需投資資金如表3所示。

表3 煙氣換熱系統(tǒng)投資

以上分析主要從節(jié)能考慮，在增設(shè)煙氣換熱器降低煙氣溫度的同時，還可減少脫硫系統(tǒng)脫硫塔的耗水量。

3 結(jié)論

通過上述論證分析可以看出，在引風(fēng)機(jī)出口煙氣脫硫系統(tǒng)之前加裝煙氣換熱器系統(tǒng)，可部分回收鍋爐排煙損失，降低機(jī)組煤耗，提高發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)性。此方法在技術(shù)經(jīng)濟(jì)性上是合理的。但應(yīng)充分考慮煙氣換熱系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，關(guān)注國內(nèi)采用近似系統(tǒng)的電廠的實(shí)際運(yùn)行情況，對其實(shí)際運(yùn)行可靠率及經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能作進(jìn)一步分析論證。

［1］霍麗梅，于鳳新，譚紅軍.煙氣余熱回收系統(tǒng)研究［J］.中國城市經(jīng)濟(jì)，2011，(1).

［2］畢雪峰，葉菲，田義東.300MW級褐煤機(jī)組煙氣余熱回收裝置研究［J］.吉林電力，2010，(5).

［3］趙之軍，馮偉忠，張玲，等.電站鍋爐排煙余熱回收的理論分析與工程實(shí)踐［J］.動力工程，2009，(11).