火電廠余熱利用系統相變換熱節能改造的探討

蔣志慶，高玉新，金 豐，高繼錄，張家維

(1.中電投東北電力有限公司，遼寧 沈陽 110181;2.遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

目前，隨著國家節能減排工作的推進，許多電廠在電除塵器出口的水平煙道上安裝余熱利用系統，以吸收煙氣余熱并進行綜合利用，提高鍋爐熱效率，降低發電煤耗。常規的余熱回收器與普通省煤器結構相同，由于運行中容易出現腐蝕問題，設計時要控制壁溫，不應過低，滿足腐蝕條件，低壓省煤器出口煙溫應較高，一般高于酸露點10～15 ℃［1－4］。

為了使余熱利用處于最佳狀態，相變余熱回收系統應運而生。它由相變換熱器、相變換熱汽包、連接管道、溫度控制系統等組成。相變換熱器布置在鍋爐空預器與除塵器之間的煙道上，其作用是回收煙氣中的熱量，降低排煙溫度。相變換熱汽包也是一種相變換熱器，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。連接管道主要用于給水回熱系統、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相變換熱器壁面溫度大于燃煤酸露點溫度，且可控可調，從而保證相變換熱器不結露、不積灰、不腐蝕［5－8］。

1 熱力系統及布置

以大連泰山熱電有限公司改造實例進行介紹。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，溫度為82.9℃，流量為260.4 t/h，凝結水被加熱到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，溫度為75℃，流量為230.5 t/h，凝結水被加熱到100℃，接入至JD.3低壓加熱器入口凝結水管道。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 (采暖系統回水)換熱。相變換熱器入口水溫設計為高于煙氣酸露點溫度8℃。對入口水溫進行溫度監測，由溫度來控制凝結水 (采暖系統回水)管路上電動調節閥門，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代替低壓加熱器的作用，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的情況下，這部分排擠抽汽將從抽汽口返回汽輪機繼續做功。由此，在鍋爐燃料消耗量不變的情況下，可以多獲得電功，從而提高了機組的經濟性。

2 相關計算

2.1 酸露點溫度計算

煙氣酸露點溫度的計算值為102℃，只要保證低溫受熱面金屬壁溫高于煙氣酸露點溫度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于煙氣酸露點溫度，從而保證換熱器不會受到腐蝕。在工況變化的情況下，通過溫度監控和流量控制調節，使相變換熱器壁面溫度始終不低于110℃。

2.2 煙氣阻力計算

額定負荷下相變換熱器阻力計算結果如表1所示，相變換熱器引起煙氣側阻力增加值為235 Pa。

在加裝相變換熱器后，引風機入口溫度由原來的155℃降至127℃，由計算知，溫度降低引起引風機體積流量下降了41 000 Nm3/h、電動機功率減小了89 kW、煙氣阻力增加了235 Pa、能耗增加了45.3 kW，因此加裝相變換熱器可使煙氣溫度降低、密度增大、體積流量減小。通過計算，由溫度降低引起的引風機電動機功率減小量大于由煙氣阻力增大引起的引風機電動機功率增大量，電動機能耗降低了43.7 kWh，進一步提高了引風機的安全性和經濟性。

表1 額定負荷下相變換熱器阻力計算結果

2.3 熱力計算

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，節省的抽汽將返回汽輪機做功，從而提高了機組的經濟性。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外部純熱量輸入系統，而鍋爐的有效熱量不變。

相變換熱汽包中的凝結水由2號低壓加熱器出口引出，3號低壓加熱器進口引回，煙氣余熱回收的熱量將排擠3號低壓加熱器的抽汽，節省的這部分抽氣返回汽輪機做功，從而使機組的發電功率增大，熱耗降低。根據等效焓降法對余熱回收裝置進行定量分析，熱力計算結果如表2所示。

2.4 經濟效益計算

熱力系統經濟效益計算結果如表3所示。

夏季工況:凝汽器真空升高0.028 kPa，煤耗增加0.084 g/kWh。由于凝汽器內的飽和溫度決定了汽輪機排汽壓力的大小和凝汽器的真空度，所以通過增大機組循環水量，使凝汽器的飽和溫度不變，凝汽器內的真空度以及汽輪機排汽壓力將保持額定值，汽輪機功率將不發生變化，但循環水量的增大導致循環水泵能耗增大，使電耗上升。通過比較，循環水泵能耗增大比汽輪機功率減小要經濟一些，因此實際煤耗增加量要小于0.084 g/kWh。冬季工況:凝汽器真空升高0.02 kPa，煤耗增加0.06 g/kWh。實際煤耗增加量要小于0.06 g/kWh。

表2 熱力計算結果

表3 經濟效益計算結果

機組年利用小時數為6 500 h，其中夏季按3 000 h計算、冬季按3 500 h計算，機組負荷率為73.4%，標煤單價按650元/t計算，夏季工況收益為619 450元，冬季工況收益為622 186元，總效益為1 241 636元。由于使用煙氣余熱回收裝置，改善了鍋爐運行工況，從根本上避免了尾部受熱面出現結露，以及結露引起的腐蝕、堵灰、受熱面穿孔等低溫腐蝕現象，使鍋爐能夠長周期安全、穩定運行，給用戶帶來的間接效益也不可忽視。同時，可減少SO2和CO2的排放量，帶來良好的社會效益。

3 推廣意義

我國工業鍋爐平均運行效率比國際先進水平低10%～15%，燃煤鍋爐改造被列為“十大重點節能工程”之一。鍋爐效率低的主要原因之一是熱能轉換裝置工藝技術落后，其排煙溫度高、熱能損耗大。我國現有50多萬臺工業鍋爐，即使只有1萬臺較大噸位鍋爐采用復合相變換熱器，按照排煙溫度平均降低30～40℃測算，每年可節約2 000萬t標準煤，價值上百億元，并可相應減少SO2排放量160萬t、CO2排放量1 600萬t?？梢姡摦a品的推廣應用，對落實節能減排的基本國策具有重要意義。

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