彭永強(qiáng),李亞軍
(大唐湖南先一能源管理有限公司,湖南 長(zhǎng)沙410007)
受煙氣酸露點(diǎn)及煙囪擴(kuò)散最低溫度限制,火電廠燃煤鍋爐設(shè)計(jì)排煙溫度一般在130 ℃以上,由此帶來(lái)的排煙熱損失超過(guò)5%,加上受熱面積灰、結(jié)焦、結(jié)垢導(dǎo)致?lián)Q熱性能劣化、燃燒器配風(fēng)不良、入爐燃料偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)、夏季環(huán)境高溫等問(wèn)題。使實(shí)際排煙溫度更高,排煙熱損失甚至達(dá)到8% ~10%,嚴(yán)重降低了鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
同時(shí),高溫的煙氣對(duì)布袋除塵器造成很大安全威脅,運(yùn)行中布袋損壞會(huì)造成除塵效果變差,煙塵排放增加;對(duì)采用電除塵器的電廠,在180 ℃以下,隨著排煙溫度升高,粉塵比電阻上升,也會(huì)降低除塵效率。據(jù)了解,南方某電廠因排煙溫度偏高,因高溫脆化損壞、噴水減溫不當(dāng)布袋損壞更換布袋成本超過(guò)100 萬(wàn)元/年。
此外,當(dāng)前電廠普遍采用濕法脫硫系統(tǒng),由于最佳反應(yīng)溫度僅為60 ℃左右,過(guò)高的排煙溫度需要噴入大量的冷卻水,造成水資源浪費(fèi)及相應(yīng)泵水電耗。因此,降低火電廠鍋爐排煙溫度、回收煙氣余熱無(wú)論對(duì)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、還是環(huán)保等各個(gè)方面都有著積極影響。
2012 年,采用改進(jìn)型低壓省煤器應(yīng)用復(fù)合相變技術(shù)、在某600 MW 燃煤機(jī)組進(jìn)行節(jié)能改造,在保證受熱面安全的基礎(chǔ)上,將排煙溫度成功從130℃降低至105 ℃左右,取得了良好的節(jié)能效果。
2 ×600 MW 亞臨界#1 機(jī)組在2006 年4 月投產(chǎn)發(fā)電,鍋爐為DG2030/17.6 -Ⅱ3 型鍋爐,亞臨界壓力、中間一次再熱、自然循環(huán),雙拱單爐膛W型火焰鍋爐。鍋爐設(shè)置2 臺(tái)豪頓華“32 VN (T)1600 型”三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)再生式空氣預(yù)熱器,實(shí)際年均排煙溫度約為140.7 ℃。
2012 年9 月,在#1 機(jī)組脫硝項(xiàng)目中對(duì)空預(yù)器進(jìn)行增容改造,預(yù)計(jì)排煙溫度為130 ℃,仍然存在節(jié)能空間。
此次改造采用并聯(lián)布置方式,低壓省煤器從#6低加進(jìn)口取水,設(shè)計(jì)工況下(機(jī)組600 MW 負(fù)荷),來(lái)自#6 低加進(jìn)口853 t/h 的凝結(jié)水在低壓省煤器中被加熱至105 ℃左右,與#6 低加出水匯合進(jìn)入下一級(jí)加熱器,在汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)連接示意圖如圖1。

受機(jī)組負(fù)荷影響,凝結(jié)水溫度會(huì)相應(yīng)變化,根據(jù)汽輪機(jī)熱平衡圖及實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),60%ECR 工況時(shí),#6 低加進(jìn)口水溫僅70 ℃左右,比實(shí)際煤種對(duì)應(yīng)的煙氣酸露點(diǎn)溫度(89 ℃)低很多,如果采用傳統(tǒng)的翅片管屏低壓省煤器,進(jìn)水段管屏?xí)霈F(xiàn)較嚴(yán)重的酸腐蝕。而考慮煙溫匹配情況,換熱器無(wú)法做到與#5 低加并聯(lián)以獲取更高的進(jìn)水溫度。
為解決這一難題,采用如圖2 所示的改進(jìn)型低壓省煤器系統(tǒng)。
受改造空間限制,該系統(tǒng)的換熱器安裝于引風(fēng)機(jī)出口煙道上,相對(duì)煙氣流呈整體逆流布置,分低溫段和高溫段;煙氣依次流經(jīng)此放出熱量,凝結(jié)水則依次流經(jīng)此加熱到需求溫度。
高溫段為外螺旋翅片強(qiáng)化換熱蛇形管屏,與傳統(tǒng)低壓省煤器系統(tǒng)中換熱器型式相同。

低溫段換熱器采用復(fù)合相變換熱器(以下簡(jiǎn)寫(xiě)成FXH),也是解決此次節(jié)能改造難題的核心部件。FXH 是基于熱管原理的一種換熱器,分為相變上段和相變下段,相變下段采用外螺旋翅片強(qiáng)化換熱、多管并行、豎置直管束、聯(lián)箱組合,安裝在煙道內(nèi);相變上段為U 型管殼式換熱器,安裝在煙道上方。相變上段的殼程與下段之間通過(guò)下降管和上升管聯(lián)系在一起,成為一個(gè)密閉空間,內(nèi)部充有一定量的潔凈水作為工作介質(zhì)。工作時(shí),水在相變下段中被加熱成飽和狀態(tài),蒸汽通過(guò)上升管從頂部進(jìn)入相變上段的殼程,與管程中走的凝結(jié)水進(jìn)行表面式換熱,釋放出汽化潛熱,從汽相變成液相,冷凝水在重力作用下向下流動(dòng),經(jīng)安裝在相變上段殼程底部的下降管回流至相變下段,形成“蒸發(fā)—冷凝”的密閉循環(huán)。由于循環(huán)介質(zhì)始終處于汽液共存的飽和狀態(tài),處于煙道內(nèi)部的相變下段管壁溫度與汽水飽和溫度一致,均勻穩(wěn)定,通過(guò)改變流經(jīng)上段的凝結(jié)水流量,可以改變FXH 內(nèi)密閉循環(huán)的飽和壓力和飽和溫度。
由此可見(jiàn),作為低壓省煤器低溫段的FXH 將凝結(jié)水與煙氣的換熱隔離開(kāi),煙道內(nèi)的受熱面溫度均勻穩(wěn)定在酸露點(diǎn)之上,經(jīng)FXH 初步加熱的凝結(jié)水溫度達(dá)90 ℃,保證了在煙道內(nèi)的低壓省煤器高溫段受熱面壁溫也高于煙氣酸露點(diǎn),設(shè)備可以長(zhǎng)周期安全運(yùn)行不發(fā)生低溫腐蝕。
因單臺(tái)低加壓差偏小,為保證流量足夠,在進(jìn)水管道上設(shè)置有一運(yùn)一備2 臺(tái)升壓泵。
從表1 數(shù)據(jù)可知:冬季工況下、機(jī)組600 MW負(fù)荷時(shí),換熱器煙氣壓差約為0.5 kPa,煙溫降低22.53 ℃。在其他季節(jié),隨著環(huán)境溫度、排煙溫度及換熱溫差升高,換熱效果會(huì)更好。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表
理論上說(shuō),現(xiàn)場(chǎng)熱耗對(duì)比試驗(yàn)是檢驗(yàn)改造效果的最佳方法,但實(shí)際上,因受限于現(xiàn)場(chǎng)表計(jì)精確度、機(jī)組運(yùn)行中各種擾動(dòng)等影響,即使采用精度最高的ASME PTC6 全面熱力試驗(yàn),不確定度仍然高達(dá)0.25%,按機(jī)組實(shí)際熱耗率8 000 kJ/kWh 計(jì)算,將存在20 kJ/kWh 絕對(duì)值偏差,如此大的偏差,對(duì)于機(jī)組整體熱耗評(píng)價(jià)的影響可以忽略,對(duì)于大規(guī)模的綜合改造、升級(jí)、提效效果評(píng)價(jià)也影響不大,但是對(duì)部分小節(jié)能量的節(jié)能改造,適用性和準(zhǔn)確性欠佳。
利用等效熱降理論評(píng)價(jià)火電機(jī)組熱力系統(tǒng)小改造、參數(shù)小變化帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)性影響已經(jīng)比較成熟,并且分析時(shí)可以排除機(jī)組擾動(dòng)等復(fù)雜因素影響,采用差值對(duì)比法分析改造前后變化時(shí),對(duì)測(cè)點(diǎn)精確度也不是太敏感,相比于現(xiàn)場(chǎng)熱效率試驗(yàn)方法更具優(yōu)越性〔1〕。
2.2.1 抽汽做功量計(jì)算
#1 機(jī)組#5,#6 段抽汽做功效率分別為23.3%和17.0%,因此有:

由于試驗(yàn)時(shí)實(shí)際回水溫度105.2 ℃,與#6 低加出口103.2 ℃的凝結(jié)水混合后,混合后溫度為104.4 ℃,#5 低加吸熱量因此有所減少,按照與#6段抽汽同樣的方法,可以得出節(jié)省#5 段抽汽增加發(fā)電功率為464.7 kW。
因此,低省系統(tǒng)投運(yùn)后節(jié)省抽汽增加發(fā)電出力為:

2.2.2 引風(fēng)機(jī)耗電增量計(jì)算
引風(fēng)機(jī)電耗受爐膛負(fù)壓控制值、機(jī)組負(fù)荷、過(guò)量空氣系數(shù)、煙道及空預(yù)器漏風(fēng)量、風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方式、電流表計(jì)分辨率、工況擾動(dòng)等影響,在小節(jié)能改造項(xiàng)目中,通過(guò)改造前后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)對(duì)比實(shí)際效果不太明顯或準(zhǔn)確性差,而通過(guò)正確的理論計(jì)算則可以更準(zhǔn)確的反應(yīng)改造效果。
1)因?yàn)槌隹跓煹乐性黾硬考a(chǎn)生的附加阻力損失,采用引風(fēng)機(jī)功率計(jì)算公式:

2)系統(tǒng)投入運(yùn)行后,因?yàn)闇囟冉档停瑩Q熱器出口至脫硫塔之間煙道中的煙氣體積流量減小、流速降低、阻力損失減小,從而使引風(fēng)機(jī)電耗降低,此部分損失正比于流速平方。
該部分煙氣不流經(jīng)引風(fēng)機(jī)及前面的煙道,對(duì)換熱器前煙道阻力無(wú)影響;脫硫塔及其出口煙道、煙囪中煙氣溫度取決于脫硫最佳反應(yīng)溫度控制,即該段煙道中煙氣體積流量、流速與低省系統(tǒng)換熱器是否投運(yùn)無(wú)關(guān)。
根據(jù)風(fēng)煙道阻力基本計(jì)算公式:

其中阻力系數(shù)ε 只與煙道結(jié)構(gòu)、擋板開(kāi)度有關(guān),與低省系統(tǒng)投運(yùn)前后煙氣參數(shù)變化無(wú)關(guān),所以系統(tǒng)投運(yùn)、煙氣溫度從T1降低至T2后,換熱器出口至脫硫塔之間的煙道阻力計(jì)算公式為:

經(jīng)計(jì)算,改造中換熱器結(jié)構(gòu)阻力造成引風(fēng)機(jī)電耗增加522.87 kW。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),因煙氣溫度降低、體積流量減小使換熱器出口至脫硫塔之間的煙道阻力損失有所減小,綜合后引風(fēng)機(jī)電耗增加496.29 kW。
需要說(shuō)明的是,如果低壓省煤器系統(tǒng)的換熱器安裝在引風(fēng)機(jī)進(jìn)口,煙溫降低、體積流量減小對(duì)風(fēng)機(jī)功率影響將更大,也即引風(fēng)機(jī)功率增加值會(huì)減小。
2.2.3 凝結(jié)水系統(tǒng)水泵耗電計(jì)算
與引風(fēng)機(jī)電耗分析相同的原因,正確的理論計(jì)算更能準(zhǔn)確分析水泵電耗變化量。系統(tǒng)投運(yùn)對(duì)凝結(jié)水側(cè)有如下影響。
1)汽輪機(jī)凝結(jié)水主流程中,#6 低加過(guò)水量減少、阻力損失減小、凝結(jié)水泵功耗降低,可根據(jù)紊流阻力平方區(qū)的水系統(tǒng)阻力公式進(jìn)行計(jì)算:

當(dāng)系統(tǒng)投運(yùn)、#6 低加水流量減少后,因過(guò)程中壓力、溫度變化不大,對(duì)于水,密度可視作無(wú)變化,則有:

即:流動(dòng)壓損正比于流速、體積流量或質(zhì)量流量的平方。
根據(jù)阻力變化量計(jì)算水泵功耗變化量與引風(fēng)機(jī)相同,不贅述。
2)升壓泵運(yùn)行電耗,通過(guò)運(yùn)行電流按照三相電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算出。
經(jīng)計(jì)算,系統(tǒng)投運(yùn)后,凝泵功耗降低41.69 kW,升壓泵運(yùn)行功率為21.26 kW,凝結(jié)水側(cè)水泵合計(jì)耗電減少20.43 kW。
經(jīng)過(guò)上述節(jié)省抽汽增發(fā)電、引風(fēng)機(jī)耗電、水泵耗電增量計(jì)算,可以得出對(duì)機(jī)組綜合影響,計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 節(jié)能收益計(jì)算匯總表
由表2 數(shù)據(jù)表明,通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施后各方面指標(biāo)有明顯改善。
作為凝結(jié)水系統(tǒng)對(duì)安全穩(wěn)定性要求很高。改造項(xiàng)目雖然是并聯(lián)系統(tǒng),但是因?yàn)樯龎罕脝?dòng)后分流比例很大,升壓泵跳閘后備用泵不聯(lián)啟、進(jìn)出口閥門(mén)誤關(guān)等可能的現(xiàn)象都是相關(guān)專(zhuān)業(yè)工作者擔(dān)心的問(wèn)題,下面針對(duì)這一點(diǎn)展開(kāi)分析。
600 MW 額定工況下,凝結(jié)水泵出口母管壓力為2.25 MPa、除氧器壓力0.75 MPa、測(cè)點(diǎn)位置高度差約為35 m,即凝結(jié)水母管至除氧器之間的各加熱器、閥門(mén)、管道的總阻力損失約為1.15 MPa。經(jīng)核算,凝結(jié)水全流程上均處于紊流阻力平方區(qū),根據(jù)阻力計(jì)算公式:及流量計(jì)算公式:


可得出計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 系統(tǒng)階躍擾動(dòng)對(duì)凝結(jié)水流量影響計(jì)算表
從表3 可以看出,系統(tǒng)是否投運(yùn)對(duì)#6 低加壓損影響很大,但是對(duì)于整個(gè)凝結(jié)水系統(tǒng)來(lái)說(shuō),影響很小,如果凝泵變頻維持手動(dòng)狀態(tài)不參與自動(dòng)調(diào)節(jié),當(dāng)升壓泵跳閘備用泵不自啟動(dòng)時(shí),凝結(jié)水流量增加1.79%,即使是最極端情況,系統(tǒng)運(yùn)行中進(jìn)出水電動(dòng)門(mén)誤關(guān),凝結(jié)水流量也只增加3.84%,對(duì)機(jī)組凝結(jié)水流量的影響可以忽略。
為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果,系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn),低省250 t/h 工況下直接關(guān)閉了系統(tǒng)回水電動(dòng)總門(mén),凝結(jié)水流量無(wú)明顯變化,因?yàn)殡姀S擔(dān)心安全問(wèn)題,未進(jìn)行更大幅度的擾動(dòng)試驗(yàn)。
需要說(shuō)明的是,雖然低壓省煤器系統(tǒng)的階躍變化對(duì)主機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)流量影響很小,但是對(duì)#6 低加水位影響不能忽略。系統(tǒng)水流量快速、大幅度減少時(shí),流經(jīng)#6 低加的凝結(jié)水流量相應(yīng)等額增加,抽汽冷凝水量增加,低加水位快速上漲,如果#6低加水位自動(dòng)失靈,容易造成低加解列事件,給運(yùn)行調(diào)整造成被動(dòng)。極端情況下,如果因低壓省煤器系統(tǒng)進(jìn)、回水電動(dòng)門(mén)誤關(guān)、#6 低加因水位高解列,低加旁路電動(dòng)門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中卡澀在小開(kāi)度,將會(huì)造成凝結(jié)水?dāng)嗔鞯膼毫邮录R虼穗姀S應(yīng)注意確保#6低加水位調(diào)節(jié)門(mén)保持自動(dòng)、事故放水門(mén)動(dòng)作可靠,低壓省煤器系統(tǒng)進(jìn)、回水電動(dòng)總門(mén)也盡量不設(shè)置自動(dòng)關(guān)閉邏輯,減少誤關(guān)幾率。
在脫硝改造工期內(nèi)進(jìn)行了空預(yù)器擴(kuò)容工作,通過(guò)對(duì)不同時(shí)間600 MW 負(fù)荷下多組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),空預(yù)器出口至引風(fēng)機(jī)出口煙氣存在14.5 ℃左右的溫升,特對(duì)此溫升情況進(jìn)行分析說(shuō)明。
空預(yù)器出口到引風(fēng)機(jī)出口煙氣流場(chǎng)中,受到以下幾個(gè)熱作用:a. 流動(dòng)損失轉(zhuǎn)化成熱量攜帶入煙氣;b. 煙氣受引風(fēng)機(jī)壓縮產(chǎn)生能量變化;c. 電除塵電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化成熱量;對(duì)環(huán)境散熱。因此需按幾個(gè)方面進(jìn)行分析。
2.4.1 煙氣溫升ΔT1x
流動(dòng)損失轉(zhuǎn)化成熱量對(duì)煙溫影響量ΔT1又分為2 部分,一部分是空預(yù)器出口到引風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙道之間流動(dòng)損失Δp 引起的煙氣溫升ΔT1y,另一部分是風(fēng)機(jī)自身效率η 低造成的損失引起的煙氣溫升ΔT1x,分別按下列公式計(jì)算:

2.4.2 引風(fēng)機(jī)壓縮溫升ΔT2
氣體在風(fēng)機(jī)中從入口壓力Pin升壓至Pout后,溫度將有所升高,因?yàn)闊煔饬魉倏欤钟懈粢艉捅夭牧希砂唇^熱過(guò)程計(jì)算,計(jì)算公式:

2.4.3 電除塵電場(chǎng)功率溫升ΔT3
電除塵器運(yùn)行中,電暈功率最終以火花和鐵損等形式耗散在煙氣中,使煙氣溫度升高;灰斗電加熱運(yùn)行以控制灰斗外壁溫度90 ℃為原則,因灰斗中灰的流動(dòng)速度取決于排灰周期,速度較慢,散熱影響相對(duì)較大,電加熱耗電正好維持灰斗散熱平衡,對(duì)煙溫?zé)o影響。
電場(chǎng)功率損耗引起的溫升計(jì)算:

2.4.4 煙道散熱引起煙溫降低ΔT4
由于金屬外護(hù)的厚度薄、導(dǎo)熱性好、很難做到絕對(duì)嚴(yán)密,因此忽略金屬外護(hù)和空氣夾層,只考慮煙道(或者除塵器本體)金屬壁以及巖棉氈保溫層,可按多層平板穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱簡(jiǎn)化計(jì)算:

2.4.5 煙溫升計(jì)算結(jié)果匯總
從表4 知,綜合各種影響因素后,空預(yù)器出口至引風(fēng)機(jī)出口的排煙溫度增量為10.32 ℃左右,而實(shí)際運(yùn)行中,對(duì)表盤(pán)數(shù)據(jù)顯示溫升達(dá)到14.5 ℃,存在4 ℃左右的差值。因低省系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)為新安裝、并經(jīng)校驗(yàn)合格,在低壓省煤器系統(tǒng)投運(yùn)過(guò)程中,小流量工況下回水溫度與引風(fēng)機(jī)出口煙溫匹配度也好,引風(fēng)機(jī)出口溫度準(zhǔn)確度較高。因此電廠應(yīng)檢查空預(yù)器出口排煙溫度測(cè)點(diǎn)安裝位置是否合理、保溫是否良好,必要時(shí)進(jìn)行校核,或在有條件進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)時(shí)用網(wǎng)格法對(duì)空預(yù)器出口大截面煙道進(jìn)行測(cè)溫以校對(duì)該組測(cè)點(diǎn)。

表4 空預(yù)器出口至引風(fēng)機(jī)出口煙氣溫升 ℃
一般認(rèn)為,金屬的膨脹性比水體好,因此充滿水的密閉金屬容器和管道加熱也不會(huì)有問(wèn)題,最高壓力只能達(dá)到對(duì)應(yīng)溫度的飽和壓力。事實(shí)上,這存在很大的誤區(qū)。
以實(shí)例說(shuō)明:一根碳鋼鋼管長(zhǎng)20 m,內(nèi)徑Φ26 mm,充滿壓力為1.3 MPa、溫度為95 ℃的純水(充滿、無(wú)蒸汽和其他不凝結(jié)氣體),放置在烤爐內(nèi)加熱至125 ℃,計(jì)算受熱膨脹后管子內(nèi)腔容積變化量和水體體積變化量(假設(shè)水體膨脹不受限制,定壓膨脹),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 管子內(nèi)容積和水體積變化表* mm3
從表5 可以看出,相同初始容積和溫升、自由膨脹情況下,加熱后的水體積>加熱后的管子容積,即水體的膨脹性比金屬管的體積膨脹性更好。據(jù)初步計(jì)算,水體密閉加熱,溫度從95 ℃上升到100 ℃時(shí)壓力即可達(dá)到6.5 MPa,上升到125 ℃時(shí)壓力將達(dá)到45 MPa 以上,無(wú)疑會(huì)造成金屬管材破壞。當(dāng)然,如果系統(tǒng)存在內(nèi)漏,則不會(huì)出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題。
改進(jìn)型復(fù)合相變換熱器系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)得以驗(yàn)證,在做流量階躍擾動(dòng)試驗(yàn)時(shí),在200 t/h 以上流量時(shí)(升壓泵停運(yùn)、出口門(mén)開(kāi)啟狀態(tài))直接關(guān)閉了系統(tǒng)回水電動(dòng)總門(mén),閥門(mén)關(guān)閉到位后10 s 左右,系統(tǒng)壓力從1.1 MPa 迅速上升至1.85 MPa,因上漲速度過(guò)快且無(wú)趨穩(wěn)現(xiàn)象,立即手動(dòng)開(kāi)啟了回水電動(dòng)總門(mén),壓力回落至1.1 MPa,后來(lái)啟動(dòng)升壓泵試運(yùn)行,壓力上漲至1.41 MPa。
分析可知,電廠600 MW 機(jī)組在采用改進(jìn)型低壓省煤器進(jìn)行改造后,每年可以增加上網(wǎng)電量1 651萬(wàn)kWh,折合人民幣收益約825 萬(wàn)元/a,對(duì)機(jī)組供電標(biāo)煤耗帶來(lái)約1.86 g/kWh 的整體降低,指標(biāo)改善明顯,對(duì)機(jī)組安全性也無(wú)不良影響,成效顯著。
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