燃煤電站鍋爐煙氣余熱回收利用

姚振剛，陳 曦，白 巖，沈繼榮，冷 杰

(1．中電投東北節能技術有限公司，遼寧 沈陽 110181;2．遼寧省送變電工程公司，遼寧 沈陽 110021;3．中電投東北新能源發展有限公司，遼寧 沈陽 110181;4．中國石油撫順石化公司熱電廠，遼寧 撫順 113004;5．遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

目前，大多火力發電廠的燃煤鍋爐排煙溫度高于設計值，特別是近年來隨著燃煤價格不斷上漲，火力發電廠為降低發電成本，對燃煤結構進行調整，使入爐煤煤質偏離設計煤種 (如摻燒或全燒褐煤)，導致鍋爐排煙溫度升高、熱效率降低及機組發電煤耗增加。變換熱技術是一項全新的換熱技術，采用了熱管原理，將原來傳統熱管換熱器中相互獨立的部分通過優化設計構成一個相互關聯的整體，以保證受熱面最低壁面溫度只有微小的梯度溫降，解決了低溫腐蝕問題。

1 機組概況

某電廠為2×135 MW超高壓雙抽供熱機組，鍋爐為超高壓參數、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、自然循環、固態排渣循環流化床鍋爐，由哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設計制造 (2臺440 t/h循環流化床鍋爐)。鍋爐原設計燃燒煙煤，現燃用煤質改為全燒褐煤，運行中存在排煙溫度較高的問題［1］。

為降低鍋爐的排煙損失，提高鍋爐效率，實現節能環保效益，擬采用相變換熱煙氣余熱回收技術，以回收該公司1號鍋爐煙氣余熱。改造后，夏季工況可降低供電煤耗3.206 g/kWh，冬季工況可降低供電煤耗2.76 g/kWh，具有較好的經濟效益。

表1列出了1號鍋爐近3年來的排煙溫度數據?？梢?，夏季排煙溫度為150～160℃，冬季排煙溫度為145～150℃，鍋爐排煙損失較大，熱效率降低，影響機組運行經濟性。由于鍋爐排煙溫度高，鍋爐熱效率約降低0.7%，機組煤耗約增加3 g/kWh。

表1 鍋爐近3年排煙溫度數據 ℃

2 相變余熱回收系統

圖1 相變余熱回收系統示意圖

傳統的余熱利用系統是利用鍋爐排煙余熱加熱給水加熱系統的低壓給水 (主凝結水)，其結構與一般省煤器相似。低壓省煤器水側連接于汽輪機回熱系統中的低壓部分，由于內部流過的介質是凝結水泵供出的低壓主凝結水，其水側壓力較低，故稱為低壓省煤器。

根據該公司1號機組鍋爐運行現狀及煙氣余熱回收相關技術要求，結合給水回熱系統，設計方案為相變余熱回收系統，如圖1所示。

相變余熱回收系統由相變換熱器、相變換熱汽包、連接管道、溫度控制系統等組成。相變換熱器是在原鍋爐煙氣系統尾部，空預器之后、除塵器之前的煙道部分加裝一套換熱器裝置，其作用為回收煙氣中的熱量，降低排煙溫度。相變換熱汽包與主凝結水系統并聯，主要作用是用相變換熱器介質的熱源來加熱抽出的部分凝結水，從而將鍋爐尾部煙氣余熱回收利用 (加熱凝結水)。連接管道主要是給水回熱系統、凝結水系統接入和接出系統管道及供暖水管道。溫度控制系統主要是保證煙氣余熱回收裝置的相變換熱器壁面溫度大于煙氣酸露點溫度，并可控可調，從而保證相變換熱器不結露、不積灰、不腐蝕。與傳統的低壓省煤器余熱回收系統相比，相變余熱回收系統具有顯著的優越性，主要技術特點如下。

a． 相變余熱回收系統的余熱回收利用適用性更強。相變換熱器將高于煙氣酸露點的換熱器最低壁面溫度作為“第一”設計參數，保證換熱面不結露、不腐蝕。相變換熱汽包解決了凝結水溫度對換熱器影響的問題，允許溫度較低的凝結水進入相變換熱器，無需考慮換熱器的酸腐蝕問題。

b． 相變余熱回收系統從低壓給水加熱器引出部分或全部凝結水進入相變換熱汽包，而布置在鍋爐尾部的相變換熱器只有少量換熱介質水，解決了傳統的低壓省煤器管道腐蝕引起凝結水泄漏導致機組無法安全運行問題。

c． 相變余熱回收系統通過控制換熱器表面溫度，解決了換熱器腐蝕和積灰問題，系統運行更加安全、可靠。

d． 相變余熱回收系統采用換熱介質在換熱器中相變的技術，使換熱效率和強度相對于對流換熱得到了顯著提高。同時，相變換熱可以控制換熱器最低壁面溫度“整體均勻”，適應機組、煤質及傳熱負荷的變化，使排煙溫度和壁面溫度保持相對穩定。

3 改造方案

相變余熱回收系統方案設計需對鍋爐排煙熱損失和汽輪機回熱系統影響進行整體熱力計算和經濟性分析，需解決所增設的設備積灰、堵灰、磨損、泄漏、低溫腐蝕等問題，同時還需考慮在引風機、電除塵、純凝及供熱工況下，對汽輪機安全運行的影響。

3.1 換熱器方案的選擇

目前，在尾部受熱面應用較普遍的是螺旋翅片管換熱器。螺旋翅片管換熱器多應用于管內為液體或氣液兩相工質而管外為氣體工質的場合，可強化管外氣流擾動，擴大換熱面積，從而增強傳熱，節約能源。同時由于其結構緊湊，使金屬耗量減少，在電廠鍋爐中采用螺旋管束翅片管省煤器可大大節省運行費用，在國內外得到迅速推廣應用。針對該公司1號鍋爐煙氣余熱回收的技術參數，綜合考慮換熱器傳熱、阻力、造價等因素，同時根據已有工程經驗，擬定本方案中換熱器采用螺旋翅片管換熱器［2－3］，如圖 2 所示。

圖2 螺旋翅片管換熱器

3.2 總體布置方案

相變余熱回收系統的布置位置對整個鍋爐排煙余熱回收利用系統的經濟性、安全性產生較大影響。對于該公司1號鍋爐，鍋爐尾部煙道空間有限，將相變換熱器布置在空預器和除塵器之間，具體在空預器出口、灰斗的上方位置。相變換熱汽包布置在風機房的上方。相變換熱器和相變換熱汽包的布置方式充分利用了鍋爐尾部已有鋼架和混凝土支撐架［4－6］。

3.3 熱力系統

相變換熱器設計阻力為250 Pa，在相變余熱回收系統中，夏季工況時，從JD.2低壓加熱器出口引出凝結水，凝結水溫度為82.9℃，流量為260.4 t/h，被加熱到105℃，接入至JD.3低壓加熱器入口凝結水管道;冬季工況時，從JD.2低壓加熱器出口引出凝結水，凝結水溫度為75℃，流量為230.5 t/h，被加熱到100℃，接入至JD.3低壓加熱器入口凝結水管道。在鍋爐尾部的空預器之后、除塵器之前布置相變換熱器，夏季工況煙氣溫度由155℃降至127℃，冬季工況煙氣溫度由150℃降至122℃。相變換熱器內流動的換熱介質為水，水在低壓換熱器中吸收煙氣的余熱被加熱，通過自然對流到相變換熱器中，再與凝結水換熱［7－9］。

相變換熱器進口水溫設計為高于煙氣酸露點溫度8℃，由溫度控制凝結水管路上的電動調節閥門對入口水溫進行監測，從而實現換熱器入口水溫的自動調節。相變余熱回收系統中，水在相變換熱器中吸收鍋爐排煙余熱，降低排煙溫度，通過自然對流在相變換熱汽包中加熱凝結水。凝結水間接被鍋爐排煙余熱加熱，溫度升高后再返回低壓加熱器系統。煙氣的余熱回收加熱凝結水可起到低壓加熱器的作用，成為汽輪機熱力系統的一個組成部分。余熱回收系統將排擠部分汽輪機的回熱抽汽，在汽輪機進汽量不變時，這部分排擠抽汽將從抽汽口返回汽輪機繼續做功。因此，在鍋爐燃料消耗量不變時，可多獲得電功，提高了機組的經濟性。

3.4 吹灰系統

根據吹灰器形式的不同分為蒸汽式機械吹灰器、聲波吹灰器和激波吹灰器。在效果上以蒸汽式機械吹灰器為最佳，在經濟性上以激波吹灰器和聲波吹灰器為最佳，在安全性上以聲波吹灰器為最佳，從吸熱段換熱表面保護及換熱器表面積灰為干灰綜合考慮，本項目采用聲波吹灰器。

3.5 防腐措施

根據低溫腐蝕機理，只要保證低溫受熱面金屬壁面溫度高出煙氣酸露點溫度8℃左右，就可以避免產生低溫腐蝕。因此，吸熱段換熱器進口介質溫度應始終大于110℃，使相變換熱器壁面溫度高出煙氣酸露點溫度，從而保證換熱器不會受到腐蝕。在工況變化情況下，通過溫度監控和流量控制調節，保證相變換熱器壁面溫度不低于110℃。

3.6 對引風機性能影響分析

根據實際情況，在空預器后、除塵器前布置相變換熱器，要考慮換熱器產生的煙氣阻力對引風機影響。設計相變換熱器引起煙氣側阻力增大值在250 Pa以下。同時，由于相變換熱器后煙氣溫度降至125℃，使煙氣密度增大，體積流量減小，提高了引風機的安全性和經濟性。

4 經濟效益分析

由于加裝了余熱回收裝置，原來由低壓加熱器抽汽加熱的部分凝結水，現通過余熱回收裝置被鍋爐排煙余熱加熱，節省了低壓加熱器系統的抽汽量，這部分抽汽將返回汽輪機做功，從而提高機組經濟性。同時這部分熱量屬于排煙余熱，如果不被利用，則隨煙氣的排放而損失掉，利用余熱回收裝置回收的這部分熱量對于回熱系統屬于外部輸入熱量。

采用等效熱降法進行熱經濟性分析，將余熱回收裝置回收的排煙余熱作為純熱量輸入系統，而鍋爐的有效熱量不變，即鍋爐產生1 kg新汽的能耗不變，在此前提下，熱系統所有排擠抽汽所增大的功率，都將使汽輪機的效率提高。 相應1 kg汽輪機新汽，其全部做功量稱為新汽等效焓降，所有排擠抽汽所增大的功量稱為等效焓降增量，計算結果如表2所示。

表2 節煤量計算結果

機組年利用小時數為6 500 h，其中夏季按3 000 h計算，機組負荷率為72.4%，冬季按3 500 h計算，機組負荷率為74.7%，標煤單價為650元/t，夏季工況收益為621 225元，冬季工況收益為646 945元，一年總效益為1 268 280元。

［1］ 杜國良，史明武，冷 杰．440 t/h循環流化床鍋爐磨損原因分析及措施［J］．東北電力技術，2007，28(3):30－31，34．

［2］ 林 巖，丁 煒，田懷真．電站鍋爐排煙余熱回收系統在通遼發電總廠的應用［J］．東北電力技術，2004，25(7):4－6．

［3］ 孫海鵬．淺談熱管技術在工業鍋爐余熱回收上的應用 ［J］．鍋爐制造，2011，33(5):38－40．

［4］ 辛曲珍，康 達，姜 森．鍋爐排煙余熱回收熱力系統關鍵技術分析［J］．電站系統工程，2011，27(3):58．

［5］ 武 勇，康 達，李永星．某電廠鍋爐排煙余熱利用系統改造 ［J］．鍋爐制造，2009，31(3):4－6．

［6］ 楊菊青．鍋爐余熱回收技術的應用 ［J］．節能科技，2012，21(4):42－43．

［7］ GB 151—1999，管殼式換熱器 ［S］．

［8］ GB 150—1998，鋼制壓力容器 ［S］．

［9］ DL/T 5054—1996，火力發電廠汽水管道設計技術規定［S］．