1000MW機(jī)組鍋爐煙氣余熱回收裝置應(yīng)用探討

趙予生

(華潤電力(海豐)有限公司,廣東汕尾 516600)

1000MW機(jī)組鍋爐煙氣余熱回收裝置應(yīng)用探討

趙予生

(華潤電力(海豐)有限公司,廣東汕尾 516600)

煙氣余熱回收裝置可以提高機(jī)組熱效率,節(jié)能、節(jié)水、降低鍋爐煙塵排放,符合國家“節(jié)能減排”政策,是火力發(fā)電機(jī)組完成節(jié)能指標(biāo)、降低運(yùn)營費(fèi)用的重要手段之一。本文將針對1000MW機(jī)組安裝煙氣余熱回收裝置的系統(tǒng)構(gòu)成、可靠性分析以及經(jīng)濟(jì)分析進(jìn)行論述。

煙氣余熱回收裝置 系統(tǒng) 可靠性分析 節(jié)能分析

1 引言

鍋爐運(yùn)行中最大一項(xiàng)熱損失是排煙熱損失,排煙損失約占送入鍋爐熱量的6%左右,排煙溫度每增加12～15度,排煙熱損失約增加0.5%。國內(nèi)相當(dāng)多電廠運(yùn)行中存在排煙溫度偏高現(xiàn)象,由于煤炭價(jià)格原因,電廠鍋爐普遍存在褐煤摻燒情況,更導(dǎo)致排煙溫度明顯偏高。進(jìn)行鍋爐煙氣余熱回收,對降低排煙溫度,減少排煙損失,節(jié)約能源,提高電廠的經(jīng)濟(jì)性,具有重要意義。

國外煙氣余熱回收裝置較早就得到了應(yīng)用,對于近期發(fā)展起來的超超臨界發(fā)電機(jī)組,煙氣余熱回收裝置同樣應(yīng)用較廣,德國黑泵電廠2*800MW發(fā)電機(jī)組在靜電除塵器和煙氣脫硫塔之間加裝了余熱回收裝置,利用煙氣加熱鍋爐凝結(jié)水,同時(shí)降低了脫硫水耗。日本苓北#2機(jī)、常陸那柯#1機(jī)等在電除塵前設(shè)置了煙氣余熱回收裝置,煙氣冷卻后進(jìn)入電除塵,在提高鍋爐效率、降低發(fā)電能耗的同時(shí),增加了電除塵的除塵效率。國內(nèi)外高橋電廠三期2*1000MW機(jī)組在引風(fēng)機(jī)和脫硫裝置間設(shè)置了煙氣余熱回收裝置,節(jié)能效果明顯。

2 煙氣余熱回收裝置布置方式及特點(diǎn)

2.1 方式一：布置在空預(yù)器后、電除塵前

由于煙氣余熱回收裝置設(shè)置在電除塵前,煙氣溫度降低使飛灰比電阻降低,電除塵效率提高,且除塵器下游的煙氣體積流量也隨溫度降低而減少,要達(dá)到同樣的除塵效率,除塵器所需容量減小較多。同時(shí)煙氣體積的減少使引風(fēng)機(jī)容量相應(yīng)減小,降低廠用電。但煙氣余熱回收裝置出口煙氣溫度較低,應(yīng)采取避免電除塵、引風(fēng)機(jī)及其煙道低溫腐蝕的措施。同時(shí)由于布置在電除塵前,回收裝置內(nèi)部換熱管道容易積灰,影響換熱效果,同時(shí)磨損較大,運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖1 各種材料年腐蝕速率

2.2 方式二：布置在引風(fēng)機(jī)后、脫硫塔前

由于布置在電除塵后,所以電除塵不需要進(jìn)行特殊的防腐處理,同時(shí)煙氣出口溫度相對布置在電除塵前降低較大,換熱效果明顯。煙氣通過引風(fēng)機(jī)后一般有七、八度的溫升,布置在引風(fēng)機(jī)后此溫升可以被利用,收益較好。電除塵后灰量很少,因此換熱管束磨損小,積灰少,運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大大降低。但布置在電除塵后的方式無法實(shí)現(xiàn)利用煙氣溫度降低帶來的電除塵效率提高、減少引風(fēng)機(jī)功耗的好處。

2.3 方式三：串聯(lián)兩級布置

將煙氣余熱回收裝置分為串聯(lián)的兩級,第一級布置在除塵器進(jìn)口入,第二級布置在吸收塔入口。這種布置方式通過合理調(diào)整兩級凝結(jié)水溫度與流量,可以兼顧回收裝置出口煙溫降低帶來下游設(shè)備腐蝕和回收裝置整體效率的問題,但這種布置方式造成設(shè)備投資較大、系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備安裝、運(yùn)行相對復(fù)雜。

3 煙氣余熱回收裝置材料選擇及可靠性分析

煙氣余熱回收裝置是將鍋爐的排煙溫度由120℃～160℃左右降低到85℃～110℃左右,而一般電廠煙氣的酸露點(diǎn)為90℃～110℃,因此,煙氣余熱回收裝置運(yùn)行期間容易出現(xiàn)煙氣結(jié)露,發(fā)生低溫腐蝕。為了保證煙氣余熱回收裝置可靠、穩(wěn)定運(yùn)行,低溫腐蝕問題是其設(shè)計(jì)、制造必須面對的一個(gè)重要問題。

3.1 低溫腐蝕機(jī)理

燃料中的硫燃燒生成二氧化硫(S+O2=SO2),二氧化硫在催化劑的作用下進(jìn)一步氧化生成三氧化硫(2SO2+O2=2SO3),當(dāng)煙氣溫度降低到400℃以下時(shí),SO3與煙氣中的水蒸汽化合生成硫酸蒸汽(SO3+H2O=H2SO4)。硫酸蒸汽的存在使煙氣的露點(diǎn)顯著升高。由于煙氣余熱換熱器的給水的溫度較低,而此換熱區(qū)段的煙氣溫度不高,壁溫常低于煙氣露點(diǎn),這樣硫酸蒸汽就會(huì)凝結(jié)在煙氣余熱換熱器受熱面上,造成硫酸腐蝕。

3.2 低溫腐蝕與積灰相互作用

當(dāng)硫酸蒸汽在換熱器受熱面上凝結(jié)后,則會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象,隨著腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展,它與受熱面上的積灰形成了酸性粘結(jié)灰,由于其具有較強(qiáng)的粘結(jié)性,一旦形成,難以通過吹灰吹掉。在換熱器的腐蝕過程中,低溫段覆蓋了粘結(jié)灰的受熱面變得粗糙,更有利于硫酸的凝結(jié)和腐蝕,隨著腐蝕的加劇,將進(jìn)一步向中溫段蔓延,最終造成換熱器堵灰腐蝕,而且大幅度降低其傳熱能力。

3.3 酸露點(diǎn)的計(jì)算

為了避免低溫腐蝕的發(fā)生,金屬壁溫需控制在煙氣的露點(diǎn)溫度以上,對于鍋爐的煙氣露點(diǎn)溫度,國內(nèi)外有大量的研究結(jié)果。由于鍋爐的煙氣結(jié)露問題復(fù)雜、研究價(jià)值大,所以有很多人從不同的側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行了研究,研究結(jié)論差別很大。對于同一種煙氣成分,應(yīng)用不同的研究結(jié)論進(jìn)行計(jì)算所得到的煙氣露點(diǎn)溫度差別很大。一般來講,煙氣露點(diǎn)溫度和燃煤成分中的水分含量、硫含量、氫含量、灰分含量、發(fā)熱量、爐膛燃燒溫度、過量空氣系數(shù)等因素有關(guān),但這些因素的影響幅度不同,所以有的計(jì)算中會(huì)忽略有些因素的影響。

在眾多酸露點(diǎn)計(jì)算公式中,蘇聯(lián)1973年鍋爐熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法中推薦的公式應(yīng)用最廣泛,也比較接近實(shí)際。煙氣露點(diǎn)溫度計(jì)算公式為：

其中：tld為酸露點(diǎn)溫度; 0

tld 為水露點(diǎn)溫度;當(dāng)爐膛出口過量空氣系數(shù)在1.2～1.25之間時(shí),β取121,爐膛出口過量空氣系數(shù)在1.4～1.5之間時(shí),β取129;Szs為收到基折算硫分;Azs為收到基折算灰分;αfh為飛灰含量,取0.95。

3.4 材料選擇

由于余熱回收裝置的傳熱溫差小,為使受熱面結(jié)構(gòu)緊湊以減小體積,并減少材料耗量,傳熱管必須采用擴(kuò)展受熱面強(qiáng)化傳熱。H型翅片管作為換熱元件,由于其制造工藝簡單,能增大管外換熱面積,強(qiáng)化傳熱,因而在常規(guī)鍋爐設(shè)計(jì)與改造、利用中低溫余熱的余熱鍋爐以及其它燃?xì)忮仩t換熱設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。H型翅片管是在光管上把一對對翅片用自動(dòng)焊的方式焊接成型,它的傳熱面積是同樣管徑長度的光管換熱器的6～9倍,H型翅片和H型腔均能增強(qiáng)流體的湍動(dòng)程度,加強(qiáng)了換熱,提高了傳熱系數(shù),布置上可更加緊湊,其所占空間是錯(cuò)列光管換熱器的50～60%。順利布置的H型翅片換熱元件,翅片自然形成通道,使得換熱器不易積灰和沾污,煙氣阻力大大降低。H型翅片把空間分成若干小的區(qū)域,對氣流有均流作用,與錯(cuò)列布置的光管換熱器、螺旋翅片、縱向鰭片換熱器相比防磨性能優(yōu)異,運(yùn)行可靠性大大提高。因此,煙氣余熱回收裝置采用順列布置的H型翅片管。

ND鋼(09CrCuSb)是目前國內(nèi)外最理想的“耐硫酸低溫露點(diǎn)腐蝕”用鋼材,廣泛用于制造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)器等裝置設(shè)備,用于抵御含硫煙氣結(jié)露點(diǎn)腐蝕,它還具有耐氯離子腐蝕的能力。ND鋼主要的參考指標(biāo)與碳鋼、日本進(jìn)口同類鋼、不銹鋼耐腐蝕性能相比,要高于這些鋼種。產(chǎn)品經(jīng)國內(nèi)各大煉油廠和制造單

位使用后受到廣泛好評,并獲得良好的使用效果。ND鋼與其他鋼材的對比情況見圖1。

從圖1中,我們可以知道,實(shí)驗(yàn)中的三種鋼材在不同溫度中的腐蝕趨向是大致相同的。而在同一溫度下,ND鋼的金屬腐蝕速率最低,20g鋼最高。在120℃時(shí)會(huì)達(dá)到第一個(gè)腐蝕高峰,此時(shí),ND鋼得腐蝕速率遠(yuǎn)低于另外的兩種鋼材。從100℃到160℃之間為煙氣余熱換熱設(shè)備運(yùn)行的

溫度區(qū)間,而在此區(qū)間內(nèi),ND鋼抵御低溫腐蝕性能明顯皆優(yōu)于其他鋼材。

3.5 防止低溫腐蝕的其它措施

3.5.1 適當(dāng)提高煙氣余熱換熱器換熱面的壁溫

在煙氣余熱換熱器的設(shè)計(jì)選型上,對于腐蝕最嚴(yán)重的冷端,適當(dāng)提高出口煙氣溫度對于防止腐蝕和堵灰具有很好的效果。當(dāng)然,提高出口煙氣溫度將會(huì)降低余熱回收的效率,故其幅度不能太大。另一種典型的方法是提高煙氣余熱換熱器入口水的溫度,這樣就可以提高換熱器冷端換熱面的壁溫,防止結(jié)露腐蝕,達(dá)到保護(hù)換熱設(shè)備的效果。

若將尾部換熱面的壁溫控制在比露點(diǎn)溫度高5℃～10℃,完全可以避免低溫腐蝕。當(dāng)然,對于一些入口煙溫低,酸露點(diǎn)溫度又比較高的情況,為了有效地回收余熱,金屬表面溫度是可以運(yùn)行在酸露點(diǎn)溫度之下的,此時(shí)煙氣換熱器必須選用優(yōu)質(zhì)的耐酸鋼。在任何情況下,金屬表面的溫度至少要大于水露點(diǎn)溫度20℃左右,以避免煙氣中大量的水蒸汽結(jié)露析出,水本身是一種溶劑,大量水析出后,會(huì)溶解其它酸性物質(zhì),使腐蝕變得復(fù)雜且難以控制。在通常情況下, 煙氣的水露點(diǎn)溫度在45℃左右, 因此最低的金屬表面溫度應(yīng)大于等于65℃。

需要指出的是,提高金屬壁面溫度雖然能降低腐蝕,但也較低了傳熱溫差,使得金屬耗量增加,增大了制造成本,需要綜合考慮其和金屬腐蝕的消耗成本來進(jìn)行設(shè)計(jì),一般以允許換熱管束發(fā)生有限腐蝕為設(shè)計(jì)原則,年腐蝕速率不大于0.2mm。

3.5.2 運(yùn)行控制措施

低氧燃燒：煙氣中的SO3主要來自于燃燒過程,低氧燃燒能大大地降低SO3的轉(zhuǎn)化率,降低煙氣中SO3的濃度,有效地防止低溫腐蝕。

控制爐溫水平：通過控制爐內(nèi)火焰溫度也能有效降低燃燒過程中SO3轉(zhuǎn)化率,運(yùn)行中經(jīng)常采用分級配風(fēng)的燃燒方式來降低燃燒溫度。

圖2 煙氣余熱回收系統(tǒng)圖

加強(qiáng)吹灰：由于低溫腐蝕往往和積灰相互作用,因此加強(qiáng)吹灰,保持受熱面的清潔,對于防止低溫腐蝕也相當(dāng)重要。蒸汽吹灰過程中,一定要確保疏水系統(tǒng)正常,并保證吹灰蒸汽的熱力參數(shù),避免吹灰蒸汽在受熱面的凝結(jié)導(dǎo)致腐蝕加劇。另外,吹灰一般選擇在鍋爐的高負(fù)荷工況下進(jìn)行。

4 煙氣余熱回收裝置設(shè)計(jì)與節(jié)能分析

4.1 基本概況

以廣東某一新建1000MW燃煤發(fā)電機(jī)組為例,對煙氣余熱回收裝置的系統(tǒng)布置方式和節(jié)能情況進(jìn)行分析比較。鍋爐煙氣余熱回收裝置的換熱型式為煙氣-水換熱器,換熱器安裝在除塵器入口煙道支管上;煙氣回收的熱量,加熱從大機(jī)軸封加熱器出口的凝結(jié)水(BMCR工況：凝結(jié)水最大流量為2044t/h,溫度為44.3℃;入口煙氣溫度145℃,煙氣量199.49kg/s )。煙氣余熱回收系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)在機(jī)組滿負(fù)荷和最低穩(wěn)燃負(fù)荷之間運(yùn)行時(shí),鍋爐煙氣余熱回收裝置能滿足煙氣的溫降要求。

4.2 設(shè)計(jì)原則

(1)余熱回收裝置布置于電除塵前的煙道內(nèi),每臺機(jī)組布置6臺余熱回收裝置。

(2)BMCR工況將煙溫由145℃降至95℃。

(3)防止傳熱管腐蝕、積灰、磨損并充分考慮煙氣阻力增加等問題。

(4)機(jī)組在各種負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí),應(yīng)能通過調(diào)節(jié)鍋爐煙氣余熱回收裝置通過的凝結(jié)水量或再循環(huán)水量控制其入口水溫不低于75℃,且系統(tǒng)應(yīng)調(diào)節(jié)可靠、靈活。

4.3 換熱器設(shè)計(jì)方案

(1)1臺爐布置6臺余熱回收裝置,冷卻器管束采用逆流順列布置H型翅片管,材質(zhì)為ND鋼。

(2)余熱回收裝置取水方案：分別從#7低加出口和#8低加入口兩路取全部凝結(jié)水量,兩路凝結(jié)水混合后控制在75℃以上,經(jīng)余熱回收裝置加熱后回到#6低加入口。為防止低負(fù)荷工況混水溫度過低產(chǎn)生嚴(yán)重的管壁結(jié)露,系統(tǒng)設(shè)置有熱水再循環(huán)水泵,低負(fù)荷時(shí)取余熱回收裝置出口部分熱水與進(jìn)口冷水混合,以便低負(fù)荷時(shí)能夠維持余熱回收裝置入口水溫在75℃以上;余熱回收裝置水側(cè)與#7、8低加并聯(lián)的同時(shí)又串聯(lián)在#6、7低加之間(見圖2煙氣余熱回收系統(tǒng)圖)。

(3)余熱回收裝置布置設(shè)計(jì)：煙氣余熱回收裝置采用模塊集裝設(shè)計(jì),每只煙道單獨(dú)的換熱器由9個(gè)模塊構(gòu)成,分3層3列布置。每個(gè)模塊單獨(dú)設(shè)置出入口集箱,兩個(gè)模塊的入口集箱、出口集箱設(shè)置隔離閥。當(dāng)一個(gè)模塊的管束發(fā)生泄漏,可以單獨(dú)進(jìn)行隔離,方便檢修處理。

4.4 煙氣余熱回收裝置的節(jié)能計(jì)算

BMCR工況,從8號低加入口取水530.61t/h,溫度46.3℃;從7號低加出口取水1533.88t/h,溫度84.9℃,總凝結(jié)水流量2064.49t/h,然后經(jīng)余熱回收裝置加熱到101.7℃后匯入6號低加入口。水側(cè)設(shè)計(jì)壓力5.0MPa。

根據(jù)方案可知,從8號低加入口取出的凝結(jié)水會(huì)排擠8號低加、7號低加抽汽,由于余熱回收裝置出口水溫高于6號低加入口水溫會(huì)排擠6號低加抽汽。因此,此低溫省煤器的節(jié)能量計(jì)算如下：

(1)6號低加排擠抽汽量Gp6：

式中：2064490kg/h—BMCR工況總凝結(jié)水量

427.69kj/kg—余熱回收裝置出口水焓

356.5kj/kg—6號低加入口凝結(jié)水焓

530.7 kj/kg—6號低加疏水焓

2829.3 kj/kg—6號低加抽汽焓

(2)7號低加排擠抽汽量Gp7：

式中：530610kg/h—BMCR工況從8號低加入口取的凝結(jié)水量

265.1kj/kg—7號低加入口凝結(jié)水焓

367.2kj/kg—7號低加疏水焓

2611.5kj/kg—7號低加抽汽焓

(3)8號低加排擠抽汽量Gp8：

式中：195.2 kj/h—8號低加入口凝結(jié)水焓

195.2 kj/kg—8號低加疏水焓

2484.1 kj/kg—8號低加抽汽焓

(4)節(jié)約蒸汽做功能力Wc：

式中：2314.8 kj/kg—BMCR工況乏汽焓

(5)BMCR工況發(fā)電節(jié)煤量Wj：

式中： 1084599 kW—BMCR工況發(fā)電功率。

7284 kj/(kW.h) —BMCR工況汽機(jī)熱耗

29270 kJ/kg—標(biāo)煤發(fā)熱值。

5 結(jié)語

本文通過對1000MW機(jī)組鍋爐采用煙氣余熱回收裝置的布置方式、材料選取、可靠性分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和節(jié)能情況的分析,可以得出以下結(jié)論：

(1)采用煙氣余熱回收裝置在BMCR工況下可節(jié)約2.69g/kWh標(biāo)煤;

(2)H型翅片管束應(yīng)用于換熱器設(shè)計(jì),可以大大增加換熱面積、有效降低管束的磨損、積灰,提高設(shè)備可靠性;采用ND鋼材質(zhì)可以有效控制腐蝕速率,保證設(shè)備使用壽命;

(3)采用再循環(huán)水泵的設(shè)計(jì),可以滿足系統(tǒng)各種負(fù)荷時(shí)對換熱器金屬壁溫的控制要求。

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Flue gas waste heat recovery device can improve the thermal efficiency of the unit, energy saving, water saving, reducing boiler flue emission,in line with national " energy-saving emission reduction " policy, thermal power unit to complete energy-saving targets, reduce operating costs is one of the important means. This article will focus on the 1000MW installation of flue gas waste heat recovery unit system, reliability analysis and economic analysis are discussed.

Flue gas waste heat recovery device System Reliability analysis Analysis of energy saving

趙予生,1975年出生,現(xiàn)工作于華潤電力(海豐)有限公司。