電站鍋爐新型旁路煙道型余熱利用系統性能分析

呂 劍，韓 宇，徐 鋼

(1．神華神東電力有限責任公司 新疆米東熱電廠，新疆 烏魯木齊830019;2．華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京102206)

0 引言

能源問題是制約我國經濟發展的一個非常重要的因素，解決能源問題如今已成為我國經濟建設的戰略重點之一［1］。電站是我國工業耗能的最大戶，因此電站節能在我國節能減排戰略中有著尤為重要的地位。

余熱利用是解決我國電站高能耗的重要手段，在鍋爐尾部煙道設置余熱利用系統不僅可以有效地回收尾部煙氣余熱，降低煤耗，帶來巨大的經濟效益［2］，同時也可以減少廢熱的排放，有著很好的環境效益［3］。基于低溫省煤器的傳統余熱利用技術已在我國電站得到了廣泛應用，傳統余熱利用系統雖然余熱利用率有限，不過其設備投資少，結構簡單。自1985 年開始，國內長春第二熱電廠、開封電廠、十里泉電廠、龍口發電廠、琿春發電廠、通遼發電總廠等相繼成功設計投運了低壓省煤器［4］，普遍降低排煙溫度25～30 ℃，靜態投資回收期一般2～4 年，有著良好的經濟效益［5］，與此同時，山東大學黃新元等學者針對低溫省煤器的節能理論進行了詳細分析［6，7］，華北電力大學黃圣偉、杜艷玲等學者分別針對集成方式以及經濟性進行了深入研究［8，9］，浙江省能源集團有限公司、商丘裕東發電有限責任公司等機構則針對工程設計進行了深入探討［10，11］。近年來，德國Nideraussem 電站首次提出旁路煙道技術，并應用于德國科隆Nideraussem 1 000 MW 級褐煤發電機組，該機組把部分煙氣引入旁通煙道內加熱凝結水，從而充分利用煙氣余熱、進一步降低排煙溫度［12］。整體來看，旁路煙道技術在余熱利用的效果上優于傳統的低溫省煤器技術，其回收的煙氣余熱品位有著一定程度的提高，可以排擠更高級別的汽輪機抽汽，達到更好的節能效果。

本文以德國科隆Nideraussem 1 000 MW 級褐煤發電機組的旁路煙道技術為基礎，提出了一種適用于我國電站的新型旁路煙道型余熱利用系統，并針對該系統進行了熱力分析。結果表明，該系統能夠有效降低鍋爐排煙溫度，提高機組熱效率，大幅降低電站煤耗，有著很好的節能效益與經濟效益。

1 新型旁路煙道型余熱利用系統的構造

新型旁路煙道型余熱利用系統是基于旁路煙道技術，適合于中國電廠的余熱利用系統，這種系統能夠更好地收集鍋爐尾部煙氣余熱，利用更高品位的煙氣廢熱，較大程度地提高機組熱效率。新型旁路煙道型余熱利用系統將鍋爐尾部煙道從省煤器出口之后分隔成兩部分——主煙道和旁路煙道。主煙道中布置空氣預熱器，加熱進入鍋爐前的冷空氣，旁路煙道中布置兩級低溫省煤器，即高溫煙水換熱器和低溫煙水換熱器。其中，遵循能量對口梯級利用的原則，并且結合中國電廠的實際情況，高溫煙水換熱器入口通入3 號或2號高壓加熱器入口給水，加熱后的給水打回至1號或2 號高壓加熱器出口;低溫煙水換熱器入口通入6 號低壓加熱器入口凝結水，加熱后的凝結水打回至5 號低壓加熱器或除氧器的出口。在主煙道和旁路煙道出口處兩股煙氣匯合流入匯合煙道，在匯合煙道中設置冷風預熱器來加熱冷空氣，彌補由于旁路煙道分流煙氣導致的空氣吸熱量不足。新型旁路煙道型余熱利用系統相對于傳統余熱利用系統有著較大的優勢，該系統利用了省煤器出口的高溫煙氣熱量，利用煙氣余熱的品位遠遠高于傳統余熱利用系統，因此該系統可以加熱較高溫度的鍋爐給水，排擠汽輪機較高品位抽汽。同時并聯系統設置冷風預熱器來彌補空氣在空氣預熱器中吸熱量的不足，保證了系統的穩定運行。圖1 為新型旁路煙道型余熱利用系統余熱利用系統的構造圖。

圖1 新型旁路煙道型余熱利用系統構造圖

2 新型旁路煙道型余熱利用系統的熱力學分析

2.1 案例機組概況

國內某600 MW 超臨界機組，鍋爐為600 MW超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，汽輪機為超臨界、一次中間再熱、單軸凝汽式汽輪機，回熱系統為三高四低一除氧形式，高壓加熱器與低壓加熱器疏水采用逐級自流方式，除氧器為匯集式加熱器，軸封加熱器疏水至凝汽器。表1 為案例機組THA 工況的主要參數。

表1 案例機組THA 工況主要熱力參數

2.2 系統集成原則

為了達到最好的節能效果，同時滿足工程實踐的要求，需要系統設計時滿足如下原則:

(1)基于防腐蝕材料的發展現狀，為了使系統的熱力性能達到較高水平，同時又盡量避免防低溫腐蝕材料成本過于昂貴，將最終排煙溫度(冷風預熱器出口煙溫)定為100 ℃。

(2)傳熱學上考慮，為使換熱器的面積不至于過大，并且符合工程傳熱條件，計算時滿足高、低溫煙水換熱器的最小換熱溫差不低于20 ℃。

(3)在保證空氣預熱器正常工作的前提下，盡可能提高空氣預熱器入口空氣溫度來獲取高品位余熱資源。

(4)為了更高效地利用旁路煙氣余熱，熱量盡可能多分配給高溫煙水換熱器。

(5)考慮能量對口梯級利用原則，基于案例機組的熱力參數，設計高溫煙水換熱器入口為從3 號高壓加熱器入口抽出的給水，加熱后的給水打回至1 號高壓加熱器出口;低溫煙水換熱器入口為從6 號低壓加熱器入口抽出的凝結水，加熱后的凝結水打回至除氧器出口。

2.3 冷風預熱器熱力學分析

結合3．2 節中討論的系統優化原則，根據熱平衡原理進行計算，將冷風預熱器的熱力學參數匯總于表2 中。

表2 冷風預熱器熱力參數

通過表中可以看出，冷風預熱器將空氣預熱器的入口空氣溫度由環境的23．7 ℃提升到58 ℃，排煙溫度由124 ℃降低至100 ℃，有效地回收了鍋爐排煙中的余熱，回收熱量高達17．4 MW，與此同時，冷風預熱器的對數溫差為71 ℃，傳熱溫差足夠大，滿足工程實踐的要求，傳熱面積可以設計在一個合理的范圍，有利于控制換熱器成本。

2.4 空氣預熱器熱力學分析

結合3．2 節中討論的系統優化原則，對空氣預熱器進行熱力計算，現將原始空氣預熱器以及優化后的新型旁路煙道型余熱利用系統中的空氣預熱器熱力參數對比于表3 中。

表3 空氣預熱器熱力參數

通過對比可以看出，改造后的空氣預熱器對數溫差比原空氣預熱器降低了12．3 ℃，換熱溫差的合理降低必然會使得空氣預熱器的換熱鈉損降低，熱力性能有所提高，同時，優化后的空氣預熱器依然能夠保持44．1 ℃的傳熱溫差，滿足工程上的傳熱需求，使換熱面積能夠保持在一個合理的范圍內。

2.5 煙水換熱器熱力學分析

結合3．2 節中討論的系統優化原則，同時依據熱平衡原理，進行熱力計算，將高、低溫煙水換熱器的熱力參數匯總于表4 中。

計算結果表明，高溫煙水換熱器可加熱的1，2，3 級鍋爐給水流量達到31．4 kg/s，回收高品位煙氣余熱13．3 MW，低溫煙水換熱器可加熱的4，5，6 級鍋爐凝結水流量為15．7 kg/s，回收煙氣余熱6．3 MW。

表4 煙水換熱器熱力參數

2.6 系統節能效果

鍋爐熱效率能夠反映鍋爐的熱力學完善程度，新型旁路煙道型余熱利用系統增設了兩級煙水換熱器和冷風預熱器，進一步降低了排煙溫度，使得鍋爐的排煙熱損失明顯減少，有效吸熱量上升，因此電站鍋爐的總熱效率有所上升，經計算，鍋爐排煙余熱共回收了17．4 MW，可使鍋爐效率由原來的93．13%提升至94．30%。

標準煤耗率表明一個電廠范圍內的能量轉換過程的技術完善程度，也反映其管理水平和運行水平。熱耗率、節約燃煤收益等熱經濟指標也能從其他方面反映系統的節能效果［13］。通過熱經濟性計算，新型旁路煙道型余熱利用系統的具體節能效益與經濟效益如表5 所示。

通過表5 可以看出，新型旁路煙道型余熱利用系統供電標煤耗降低3．72 g/kW·h，機組熱力性能有了大幅提高，年節約標煤超過1 萬t，節能效果顯著，年節約燃煤收益達到836．46 萬元，經濟效益十分可觀。

3 結論

在高度提倡節能減排的今天，燃煤電站的余熱利用技術發展十分迅速，本文提出了基于旁路煙道技術的適合中國電廠實際情況的新型旁路煙道型余熱利用系統，以國內某600 MW 超臨界機組為案例，對系統進行了熱力計算，得出了以下結論:

(1)在節能效果與經濟收益方面，新型旁路煙道型余熱利用系統在熱力學上增加發電功率7．89 MW，降低供電標準煤耗3．72 g/ kW·h，年節約標準煤11 553 t，年收益836．4 萬元，可以看出，新型旁路煙道型余熱利用系統的機組熱效率有大幅提高，節能效果十分顯著，能夠給電站帶來巨大的經濟效益。

(2)新型旁路煙道型余熱利用系統設置的冷風預熱器能夠將鍋爐排煙溫度由124 ℃降低至100 ℃，大幅回收原系統的排煙廢熱，回收用來預熱冷空氣的熱量高達17．4 MW。

(3)新型旁路煙道型余熱利用系統將空氣預熱器的換熱溫差降低了12．3 ℃，有效地提高了空氣預熱器的熱力學完善程度，降低換熱鈉損，同時將換熱溫差保持在44．1 ℃這個較為合理的溫差，保證了工程上的傳熱要求。

(4)新型旁路煙道型余熱利用系統設置了高、低溫煙水換熱器，考慮案例機組的實際情況，高溫煙水換熱器與1，2，3 號回熱加熱器并聯，低溫煙水換熱器與4，5，6 號回熱加熱器并聯，實現了能量的梯級利用，大幅回收高品位煙氣余熱。

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