200 MW燃煤機(jī)組鍋爐低溫省煤器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

胡松如，吳斌，王建強(qiáng)，胡彥霞，王友才，任毅

（1.浙江省能源集團(tuán)有限公司，杭州310012；2.浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江鎮(zhèn)海315208；3.清華大學(xué)熱能工程系，北京100084）

200 MW燃煤機(jī)組鍋爐低溫省煤器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

胡松如1，吳斌2，王建強(qiáng)2，胡彥霞3，王友才3，任毅3

（1.浙江省能源集團(tuán)有限公司，杭州310012；2.浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江鎮(zhèn)海315208；3.清華大學(xué)熱能工程系，北京100084）

針對(duì)200 MW燃煤機(jī)組鍋爐低溫排煙的改造項(xiàng)目，總結(jié)了低溫省煤器改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、安裝事項(xiàng)，并根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)與實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證低溫排煙余熱能量梯級(jí)利用的合理性，為低溫省煤器的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)提出低溫省煤器的進(jìn)一步研究方向。

低溫省煤器；整體螺旋翅片管；余熱利用；模塊；梯級(jí)利用

0 引言

為了減輕鍋爐低溫腐蝕，保證其連續(xù)安全運(yùn)行，并且考慮低負(fù)荷運(yùn)行需要等，我國(guó)大、中型鍋爐設(shè)計(jì)排煙溫度一般在130～150℃[1]，因此有約8%～12%的鍋爐熱量被帶走，占鍋爐總熱損失的80%甚至更高。另外，由于尾部受熱面積灰、漏風(fēng)以及燃燒工況的影響，鍋爐實(shí)際運(yùn)行排煙溫度可能高于設(shè)計(jì)值20℃以上。因此，針對(duì)我國(guó)目前運(yùn)行的燃煤鍋爐排煙溫度偏高的問(wèn)題，鍋爐的余熱利用具有重要的實(shí)際意義。

目前，在國(guó)內(nèi)外已有不少電廠進(jìn)行了相關(guān)余熱回收裝置的安裝和改造工作。例如，長(zhǎng)春第二熱電廠[2]在尾部煙道加裝分離型熱管式低壓省煤器，龍口電廠1號(hào)爐[3]采用鰭片管低壓省煤器；德國(guó)Schwarze Pumpe電廠[4]800 MW褐煤發(fā)電機(jī)組在靜電除塵器和煙氣脫硫塔之間加裝煙氣冷卻器，日本常陸那珂電廠[5]采用水媒方式的管式煙氣換熱器。

在國(guó)外，低溫省煤器余熱回收利用技術(shù)較早就得到了應(yīng)用，也在大機(jī)組的運(yùn)行上取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但在國(guó)內(nèi)的運(yùn)行還屬于起步階段。本文針對(duì)鎮(zhèn)海發(fā)電廠200 MW燃煤機(jī)組鍋爐低溫省煤器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行進(jìn)行了分析，為國(guó)內(nèi)工程的應(yīng)用和推廣積累經(jīng)驗(yàn)。

鎮(zhèn)海發(fā)電廠3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)4臺(tái)200 MW發(fā)電機(jī)組為同型燃煤機(jī)組，鍋爐型號(hào)為DG670/140-8，燃燒方式為四角切圓煤粉燃燒，鍋爐為一次中間再熱，給水溫度240℃，汽輪機(jī)型號(hào)為N200-12.83/535/535，三缸三排汽。

1 低溫省煤器方案設(shè)計(jì)

1.1 低溫省煤器煙氣側(cè)設(shè)置位置

煙氣側(cè)安裝如圖1所示。為保證低溫省煤器故障停運(yùn)不影響電廠正常生產(chǎn)，改造方案擬在鍋爐尾部排煙系統(tǒng)電除塵器之后、脫硫吸收塔增壓風(fēng)機(jī)之前的主煙道上方設(shè)置旁路煙道，并把低溫省煤器高溫段（簡(jiǎn)稱(chēng)低溫省煤器Ⅰ段）放置于主煙道內(nèi)。低溫省煤器作用是回收煙氣余熱，加熱冷凝水，使煙氣溫度從140℃降到110℃。設(shè)置低溫省煤器后不需要更換尾部風(fēng)機(jī)，不用增設(shè)風(fēng)機(jī)，不需煙道防腐，并且不影響脫硫系統(tǒng)。設(shè)置低溫省煤器低溫段（簡(jiǎn)稱(chēng)低溫省煤器Ⅱ段），使部分煙溫進(jìn)一步降低到80℃左右，用以把鍋爐排煙溫度降低到濕法脫硫所需溫度，以減少脫硫系統(tǒng)用水量，回收部分煙氣余熱。低溫省煤器Ⅱ段出口80℃煙氣與Ⅰ段出口110℃煙氣混合，混合后煙氣溫度在108℃左右，進(jìn)入增壓風(fēng)機(jī)。

低溫省煤器布置在電除塵器后，實(shí)現(xiàn)了積灰工況與煙氣結(jié)露工況的有效分離。煙氣中灰塵濃度較低，僅為0.11～0.16 g/Nm3，使得低溫省煤器工作可靠性大大提高。

通過(guò)在煙氣進(jìn)出口設(shè)置煙道閥門(mén)及擋板，低溫省煤器可隨時(shí)切出系統(tǒng)，不影響電廠正常生產(chǎn)，確保系統(tǒng)安全。

1.2 低溫省煤器工質(zhì)側(cè)設(shè)置位置

工質(zhì)側(cè)安裝如圖2所示。低溫省煤器Ⅰ段（高溫段）布置在1號(hào)軸封加熱器與2號(hào)低壓加熱器之間，其入口水流由部分1號(hào)軸封加熱器出口凝結(jié)水（流量163.38 t/h，溫度71.51℃）和部分2號(hào)軸封加熱器出口凝結(jié)水（流量36.62 t/h，溫度35.96℃）混合而成，設(shè)計(jì)工況下流量為200 t/h，溫度為65℃。1號(hào)軸封加熱器出口設(shè)置1臺(tái)加壓泵，用以平衡管道壓力，保證低溫省煤器的供水。

圖1 低溫省煤器煙氣側(cè)安裝

圖2 低溫省煤器工質(zhì)側(cè)安裝

低溫省煤器低溫段（Ⅱ段）入口水流取自2號(hào)軸封加熱器入口凝結(jié)水，溫度為34.29℃，設(shè)計(jì)流量為20 t/h，經(jīng)低溫段加熱后回到2號(hào)軸封加熱器入口，在2號(hào)軸封加熱器出口視情況設(shè)置1臺(tái)加壓泵。

1.3 低溫腐蝕問(wèn)題的處理

主要從材質(zhì)方面來(lái)解決低溫腐蝕問(wèn)題。選用ND鋼作為換熱管材料[6-7]，同時(shí)為了在酸濃度更高或者溫度更低區(qū)域（如100℃以下的煙氣溫度區(qū)域）使用，還可以對(duì)管道進(jìn)行搪瓷、噴涂等處理。目前ND鋼已廣泛用于在高含硫煙氣中服役的省煤器、空氣預(yù)熱器、熱交換器和蒸發(fā)器等設(shè)備，用于抵御含硫煙氣結(jié)露點(diǎn)腐蝕。

1.4 積灰問(wèn)題的處理

通過(guò)采用特殊結(jié)構(gòu)的換熱管和設(shè)置吹灰裝置，以及采用合理的煙氣流速，解決換熱管壁面積灰問(wèn)題。

1.4.1 采用整體螺旋翅片管[8-9]

整體型翅片管翅片（如圖3所示）根部與母管之間為小R圓滑過(guò)渡，表面光滑，消除了焊接式翅片管因翅片根部折疊和凸凹不平而引起的易積灰、結(jié)渣、堵塞問(wèn)題。即便有少量的積灰也容易被吹掉，保證有效的傳熱，提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。另一方面，整體型螺旋翅片管換熱系數(shù)是光管的6～7倍，努謝爾數(shù)Nu是光管的4倍左右，換熱系數(shù)大大強(qiáng)于光管的換熱系數(shù)，也明顯優(yōu)于高頻電阻焊、釬焊螺旋翅片管的傳熱效果。設(shè)備體積小，更適用于場(chǎng)地有限的發(fā)電廠改造項(xiàng)目。

圖3 整體螺旋翅片管示意

1.4.2 設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)

對(duì)換熱管間距、排列方式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，配合適當(dāng)?shù)臒煔饬魉伲瑴p少煙塵在換熱管壁面沉積的可能性。

1.4.3 設(shè)置高效智能燃?xì)饷}沖吹灰器

燃?xì)饷}沖吹灰系統(tǒng)綜合應(yīng)用氣體的動(dòng)能、聲能和熱能進(jìn)行吹灰，對(duì)各種松散灰、灰垢、粘稠灰的吹灰效果顯著。此外，系統(tǒng)安全可靠、維護(hù)量小，且自動(dòng)化程度高。

1.5 換熱面積的合理設(shè)計(jì)

換熱面積的設(shè)計(jì)主要根據(jù)1973年版《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算—標(biāo)準(zhǔn)方法》（簡(jiǎn)稱(chēng)《標(biāo)準(zhǔn)方法》）進(jìn)行，并針對(duì)設(shè)計(jì)煤種和校核煤種分別進(jìn)行100%，75%，60%工況計(jì)算。為了驗(yàn)證新材料換熱面積的合理性，最后根據(jù)已運(yùn)行的整體螺旋翅片管經(jīng)驗(yàn)，核算傳熱系數(shù)并最終確定所需要的換熱面積。

在計(jì)算過(guò)程中依照《標(biāo)準(zhǔn)方法》中的公式計(jì)算整體螺旋翅片管束換熱系數(shù)的同時(shí)，參考了上海理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、華東電力設(shè)計(jì)院、上海鍋爐廠的研究成果進(jìn)行了修正[10]。項(xiàng)目采用整體螺旋翅片管，材質(zhì)為ND鋼，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。低溫省煤器Ⅰ段采用錯(cuò)列布置，橫向42排，節(jié)距140 mm，縱向24排，節(jié)距90 mm，受煙氣橫向沖刷面積3 520 m2；低溫省煤器Ⅱ段采用錯(cuò)列布置，橫向12排，節(jié)距120 mm，縱向16排，節(jié)距60，受煙氣橫向沖刷面積210 mm2。

2 低溫省煤器的應(yīng)用分析

2.1 低溫省煤器的安裝

考慮到方便現(xiàn)場(chǎng)施工及縮短改造期間的機(jī)組停運(yùn)周期，整個(gè)低溫省煤器計(jì)劃由6個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊內(nèi)的受熱面為1個(gè)整體回路，并單獨(dú)設(shè)置上、下冷卻水聯(lián)箱。安裝工作安排在發(fā)電廠小修期間進(jìn)行，擬先在原煙道上設(shè)置旁路煙道，旁路煙道上設(shè)置煙道擋板，原主煙道上設(shè)置煙道擋板并加裝工藝盲板，不影響機(jī)組小修結(jié)束后的正常生產(chǎn)。低溫省煤器的安裝工作安排在發(fā)電廠正常生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行。

在小修期間進(jìn)行旁路煙道及主煙道擋板安裝工作的同時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，在主冷凝水管道上開(kāi)設(shè)低溫省煤器取水接口。接口開(kāi)設(shè)后，焊接連接法蘭并加裝閥門(mén)，其余連接管道架設(shè)工作可以在發(fā)電廠正常生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行。待低溫省煤器安裝完畢、管道連接完成、水壓試驗(yàn)合格后，再拆除煙道盲板，連接煙道。

由于是改造項(xiàng)目，鍋爐增加新的受熱面后還需要擴(kuò)展煙道截面，因此，在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)需特別注意煙氣的導(dǎo)流設(shè)置。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果分析

表1 整體螺旋翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)

該鍋爐低溫省煤器改造后于2013年6月開(kāi)始運(yùn)行，改造后的部分平均運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 低溫省煤器部分平均運(yùn)行數(shù)據(jù)

從大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析可知，低溫省煤器的改造基本能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但也略有偏差。造成偏差的原因可能是以下幾個(gè)方面。

2.2.1 煙氣量偏差

實(shí)際運(yùn)行中，平均空氣量約為621 450 m3/h，實(shí)際煙氣量約為779 500 m3/h，按布置受熱面的流通面積得到流速僅為6.5 m/s。而設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，根據(jù)提供的資料，煙氣量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為770 000 Nm3/h，實(shí)際煙氣量為112 2500 m3/h，流速為9.4 m/s，由此引起換熱系數(shù)誤差。在同等換熱面積的條件下，由于煙氣量偏少，導(dǎo)致煙氣流速偏低，進(jìn)而換熱系數(shù)也偏低，使工質(zhì)不能有效吸收煙氣余熱，造成煙氣出口溫度偏高或者工質(zhì)出口溫度偏低。因此建議在今后的運(yùn)行中增加煙氣量以提高流速。

2.2.2 燃料熱值偏差

根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，水的實(shí)際平均吸熱量與設(shè)計(jì)的煙氣發(fā)熱量相差很大，去除保溫、漏風(fēng)等因素仍不能達(dá)到平衡，因此可知運(yùn)行中燃料的煙氣熱值和設(shè)計(jì)熱值存在較大偏差。此偏差可能是由于運(yùn)行煤種和設(shè)計(jì)煤種的偏差造成的。

2.2.3 污染系數(shù)影響

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，引用了前人的研究成果，但由于材質(zhì)、布置方式以及管束結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異，可能造成運(yùn)行偏差。在實(shí)際運(yùn)行中污染系數(shù)可能偏大，引起傳熱系數(shù)比設(shè)計(jì)值偏小，同樣造成煙氣出口溫度偏高或者工質(zhì)出口溫度偏低。

2.3 應(yīng)用總結(jié)

通過(guò)低溫省煤器高溫段和低溫段的梯級(jí)利用，基本能將鍋爐尾部煙氣溫度降低到108℃左右，提高了煙氣的熱量利用率，降低了排煙溫度，節(jié)約燃料，減少污染排放。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，低溫省煤器投運(yùn)后，降低發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗1.5～2.1 g/kWh，年可節(jié)約標(biāo)煤1 773.75 t（以降低煤耗1.5 g/kWh、年利用5 500 h計(jì)）。同時(shí)年減排CO2量約為3 627 t，節(jié)水量約為115 000 t。

3 結(jié)論

本項(xiàng)目的成功運(yùn)行不僅為電廠節(jié)約了能源、減輕了污染，也進(jìn)一步證明了低溫省煤器是現(xiàn)階段改變鍋爐排煙溫度過(guò)高的一種可行的、經(jīng)濟(jì)的、合理的方法。

項(xiàng)目采用“集成創(chuàng)新”的技術(shù)路線，開(kāi)發(fā)分段布置的低溫省煤器模塊，用以回收低溫排煙余熱，減少排煙損失，不僅實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，而且使鍋爐得以在改造工程中正常運(yùn)行，縮短改造周期，為其他的電廠改造項(xiàng)目提供了參考。

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（本文編輯：徐晗）

Design and Application of Low Temperature Economizer of 200 MW Coal-fired Boiler

HU Songru1，WU Bin2，WANG Jianqiang2，HU Yanxia3，WANG Youcai3，REN Yi3
（1.Zhejiang Provincial Energy Group Company Ltd.，Hangzhou 310012，China；2.Zhejiang Zhenhai Power Generation Company Ltd.，Zhenhai Zhejiang 315208，China；3.Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；）

Aiming at the reconstruction project of exiting flue gas at low temperature of 200 MW coal-fired boiler,the paper summarizes key points in design and installation of the low temperature economizer reconstruction project.In addition,the paper conducts a comparative analysis in accordance with operation data and practical design to verify the reasonableness of cascade use of waste heat of low-temperature exiting flue gas, providing experience for the application of low-temperature economizer；also，it proposes the orientation for the further development of low-temperature economizer.

low-temperature economizer；integral spiral fin pipe；waste heat utilization；module；cascade use

TK223.3

：B

：1007-1881（2014）04-0038-04

2013-12-17

胡松如（1957-），男，浙江慈溪人，高級(jí)工程師，從事電力生產(chǎn)管理和研究工作。