電站鍋爐排煙余熱回收的應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

王森 王桂林周義剛 甘智勇 邊疆 孫國通

（1國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院 天津 3003842 天津市電力科技發(fā)展公司 天津 300384）

隨著企業(yè)間競爭的加劇和日趨嚴(yán)格的節(jié)能減排及環(huán)保要求，進(jìn)一步節(jié)省燃料消耗已經(jīng)成為企業(yè)未來發(fā)展的首要任務(wù)之一，這就使得如何充分利用煤炭燃燒產(chǎn)生的熱能，提高熱能的利用效率顯得十分重要[1]。

在火力發(fā)電廠中，鍋爐的余熱利用有很多種方式[2-5]，本文著重針對某330MW亞臨界參數(shù)鍋爐加裝復(fù)合式相變換熱器后的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了試驗(yàn)總結(jié)和技術(shù)性探討。

1 復(fù)合式相變換熱器的工作原理

1.1 復(fù)合式相變換熱器的技術(shù)簡介

“復(fù)合式相變換熱器技術(shù)”來源于上海交通大學(xué)楊本洛教授的原創(chuàng)性設(shè)計(jì)理念[6]。該技術(shù)的核心在于“復(fù)合”和“相變”，即通過“相變換熱器”的設(shè)置，并利用不同“強(qiáng)化傳熱技術(shù)”與不同“控制技術(shù)”的合理配置，在始終保證金屬壁面溫度處于酸露點(diǎn)以上的同時(shí)，為大幅度回收煙氣低溫余熱提供了可能[7]。

1.2 復(fù)合式相變換熱器的工作原理

在不同的應(yīng)用背景下，復(fù)合式相變換熱器可以設(shè)計(jì)和組合出許多變化形式，但其基本工作原理不變。其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，復(fù)合式相變換熱器結(jié)構(gòu)主要分為蒸發(fā)段和冷凝段兩部分，復(fù)合式相變換熱器上、下?lián)Q熱器通過汽水分離裝置聯(lián)通，飽和蒸汽和飽和水在密閉系統(tǒng)內(nèi)自然循環(huán)[8]。當(dāng)相變換熱器應(yīng)用于鍋爐尾部煙道時(shí)，相變換熱器蒸發(fā)段吸收鍋爐尾部煙氣熱量，換熱器內(nèi)部介質(zhì)處于相變狀態(tài)，并沿上升管進(jìn)入汽包進(jìn)行汽水分離，隨后蒸汽進(jìn)入相變換熱器冷凝段，在冷凝段中，相變換熱器內(nèi)部蒸汽對外部介質(zhì)(空氣或凝結(jié)水等）放熱，蒸汽被凝結(jié)成液體，并沿回路循環(huán)至蒸發(fā)段完成一個(gè)循環(huán)。在這個(gè)循環(huán)過程中，通過對換熱介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了壁面溫度的可調(diào)可控。

2 復(fù)合式相變換熱器在電站鍋爐上的應(yīng)用

圖1 復(fù)合式相變換熱器原理圖

2.1 鍋爐運(yùn)行狀況

天津地區(qū)某機(jī)組為HG1102/17.5-YM33型煤粉鍋爐，鍋爐為330MW亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、單軸兩缸雙排汽采暖抽汽燃煤機(jī)組，同步安裝脫硫脫硝裝置，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，半露天布置，全鋼構(gòu)架的汽包爐。

鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該機(jī)組在夏季正常運(yùn)行狀況下，排煙溫度高達(dá)155℃左右，電廠運(yùn)行人員通過改變?nèi)紵嘿|(zhì)、定期吹灰等傳統(tǒng)降低排煙溫度方式均無法達(dá)到預(yù)期效果。過高的排煙溫度導(dǎo)致了機(jī)組布袋使用壽命急劇減少。在某年該機(jī)組小修中，發(fā)現(xiàn)除塵器的布袋已經(jīng)大面積破損，經(jīng)鑒定已經(jīng)無法再繼續(xù)使用，進(jìn)行了全部更換。經(jīng)過廣泛的分析調(diào)查，結(jié)論是排煙溫度過高所致。從投入運(yùn)行到重新更換，布袋的使用壽命僅僅維持了2～3年。降低排煙溫度，勢必能夠提高布袋的使用壽命，降低維護(hù)運(yùn)行成本。

2.2 改造方案

最終改造方案確定為：將復(fù)合相變換熱器吸熱段置于空預(yù)器之后的煙道中，回收尾部煙道煙氣余熱，降低排煙溫度，利用水介質(zhì)相變將回收熱量傳遞至放熱段。夏季用于加熱從#8低加進(jìn)口引出的凝結(jié)水至#7低加出口，從而減少汽輪機(jī)的回?zé)岢槠黾影l(fā)電量，降低供電煤耗；冬季用于加熱供暖回水，節(jié)能降耗。該裝置靈活配置換熱器的吸熱段和放熱段幾何尺寸，一方面滿足最低壁溫高于煙氣酸露點(diǎn)的要求；另一方面充分發(fā)揮相變傳熱的高效性，使壁溫與排煙溫度維持較小的溫差。在保證受熱面不結(jié)露的前提下降低排煙溫度，“最大幅度”有效地進(jìn)行降溫節(jié)能、提高鍋爐熱效率和防腐能力。復(fù)合式相變換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)如表2。

表2 復(fù)合式相變換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

改造示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 煙道增加相變換熱器的夏季改造示意圖

圖3 煙道增加相變換熱器的冬季改造示意圖

2.3 改造效果

改造后，分別選取夏季和冬季對復(fù)合式相變換熱器入口和出口的排煙溫度采用網(wǎng)格法進(jìn)行了測試，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?、表4。

表3 改造后復(fù)合式相變換熱器入口和出口排煙溫度測試匯總（夏季8月測試）

表4 改造后復(fù)合式相變換熱器入口和出口排煙溫度測試匯總（冬季12月測試）

從表3、表4的改造后測試數(shù)據(jù)可以看出，夏季相變換熱器的出口溫度較入口溫度低25.0℃，冬季相變換熱器的出口溫度較入口溫度低24.1℃，成功將排煙溫度控制在設(shè)計(jì)值130℃范圍內(nèi)，改造后降溫效果顯著。

3 相變換熱器效益計(jì)算與經(jīng)濟(jì)性分析

計(jì)算中所用到的煤質(zhì)數(shù)據(jù)、年平均負(fù)荷、年運(yùn)行時(shí)間、排煙溫度均根據(jù)該電廠改造前運(yùn)行記錄統(tǒng)計(jì)得出；各低加抽汽焓值、疏水焓值和汽輪機(jī)排汽焓值參照THA工況下的汽輪機(jī)汽水平衡圖；煙氣流量使用實(shí)測值；按照發(fā)電煤耗為350g/(kW·h）,標(biāo)煤價(jià)格為700元/噸計(jì)算，年運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)得出為7013h（冬季供暖時(shí)間四個(gè)半月即3240h夏季3773h）。

3.1 夏季加熱凝結(jié)水節(jié)能量預(yù)算

3.1.1 相變換熱器回收熱量

式中：Vg——實(shí)測煙氣流量，取1006870Nm3/h；

ρg——煙氣密度，取0.931kg/Nm3；

Cpg——煙氣比熱，取1.09kJ/(kg.℃）；

ΔT——復(fù)合式相變換熱器前、后排煙溫度溫差，單位：℃；

φ——設(shè)備保熱系數(shù)，取0.95；

Q——復(fù)合式相變換熱器回收熱量，單位：kW。

3.1.2 等效標(biāo)煤量

（1）6號(hào)低加增加抽汽流量

夏季回?zé)嵯到y(tǒng)增加管路如圖4所示：

圖4 夏季回?zé)嵯到y(tǒng)增加管路改造示意圖

由于復(fù)合式相變換熱器出口水溫100℃低于機(jī)組7號(hào)低加設(shè)計(jì)出口水溫105.4℃，因此6號(hào)低加需要增加部分抽汽流量對該部分凝結(jié)水繼續(xù)加熱。6號(hào)低加需要增加抽汽熱量：

式中：Cp——凝結(jié)水比熱，取4.3kJ/kg；

Δt6——6號(hào)低加額外加熱流經(jīng)復(fù)合式相變換熱器凝結(jié)水溫升，單位：℃；

m——實(shí)測流經(jīng)相變換熱器加熱凝結(jié)水流量，85.3t/h；

Q6——6號(hào)低加需要增加抽汽熱量，單位：kW；

6號(hào)低加抽汽焓值h6=2893.7kJ/kg，疏水焓值為hs6=465.5kJ/kg，根據(jù)熱平衡計(jì)算6號(hào)低加需要增加抽汽流量G6為：

（2）7號(hào)低加減少抽汽流量

通過復(fù)合式相變換熱器加熱部分凝結(jié)水，可以減少7號(hào)低加和8號(hào)低加的抽汽流量。7號(hào)和8號(hào)低加設(shè)計(jì)進(jìn)口水溫分別為84.4℃、33.8℃，復(fù)合式相變換熱器出水（溫度為100℃）進(jìn)入6號(hào)低加，因此7號(hào)低加減少的抽汽熱量為：

式中：Δt7——7號(hào)低加減少加熱流經(jīng)復(fù)合式相變換熱器凝結(jié)水溫升，℃；

Q7——7號(hào)低加減少抽汽熱量，kW；

7號(hào)低加抽汽焓值h7=2767.2kJ/kg，疏水焓值hs7=377.2kJ/kg，6號(hào)低加由于增加抽汽流量0.227kg/s，同樣會(huì)增加疏水流量0.227kg/s用于加熱7號(hào)低加，6號(hào)低加疏水焓值hs6=465.5kJ/kg，根據(jù)熱平衡計(jì)算7號(hào)低加減少抽汽流量G7為：

（3）8號(hào)低加減少抽汽流量

8號(hào)低加減少的抽汽熱量為：

8號(hào)低加抽汽焓值h8=2639.6kJ/kg，疏水焓值hs8=168.0kJ/kg，7號(hào)低加減少疏水流量為(G7-G6）kg/s，7號(hào)低加疏水焓值hs7=377.2 kJ/kg，根據(jù)熱平衡計(jì)算8號(hào)低加減少抽汽流量G8為：

（4）增加發(fā)電量

將7、8號(hào)低加減少的抽汽流量用于發(fā)電，利用等效熱降，計(jì)算得到增加的發(fā)電量為：

式中：H6——6段抽汽等效熱降，取519.9kJ/kg；

H7——7段抽汽等效熱降，取408.4kJ/kg；

H8——8段抽汽等效熱降，取306.7kJ/kg；

ηe——機(jī)械效率，取99%；

η——發(fā)電機(jī)效率，取98.9%。

Ne——增加發(fā)電量，kW。

（5）節(jié)省的標(biāo)煤量

夏季運(yùn)行時(shí)間3773小時(shí)計(jì)算，增加的發(fā)電量為：

以發(fā)電煤耗350g/（kW·h）為計(jì)算，加熱凝結(jié)水節(jié)約標(biāo)煤量為：=2902041×350÷1000000=1015.7（t/a）。

3.2 冬季加熱采暖循環(huán)水節(jié)能量預(yù)算

3.2.1 相變換熱器回收熱量

3.2.2 等效標(biāo)煤量

式中：Q——復(fù)合相變換熱器回收熱量，單位：kW；

HR——設(shè)備冬季運(yùn)行小時(shí)數(shù)，3240h；

Qp——標(biāo)煤的發(fā)熱量，單位：kCal/kg；

ηk——鍋爐效率，取90%；

860 ——功熱當(dāng)量。

3.3 增設(shè)復(fù)合式相變換熱器后增加的能耗計(jì)算

3.3.1 煙氣阻力實(shí)測增加298.5Pa，引風(fēng)機(jī)增加的能耗為：

式中：Vg——實(shí)測煙氣流量，取1006870Nm3/h；

t——引風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙溫，取115℃；

ΔPy——為增設(shè)復(fù)合式相變換熱器后煙氣側(cè)增加阻力，單位：Pa。

ηy——引風(fēng)機(jī)效率，取75%

3.3.2 夏季增壓泵增加能耗

式中：Qv——夏季流經(jīng)相變換熱器水流量，取85.3kg/s；

H——水泵揚(yáng)程，單位：m；

ηb——水泵的效率，取75%。

3.3.3 冬季增壓泵增加能耗

式中：qv——冬季流經(jīng)相變換熱器水流量，取188.1kg/s；

H——水泵揚(yáng)程，單位：m；

ηb——水泵的效率，取75%。

3.3.4 增加的年總耗電量Em和多耗的標(biāo)煤為Gm：

3.4 節(jié)能量及經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

由此可計(jì)算得出，通過增設(shè)復(fù)合式相變換熱器，一年可節(jié)約標(biāo)煤量G為：

按照平均每噸標(biāo)煤700元計(jì)算，可得出每年節(jié)省資金243萬元。

4 結(jié)語

利用相變換熱器回收鍋爐排煙余熱，能大幅度降低煙氣的排放溫度，產(chǎn)生十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。在降低排放溫度的同時(shí)，通過靈活調(diào)整受熱面上的節(jié)流閥門，遠(yuǎn)離酸露點(diǎn)的腐蝕區(qū)域，從根本上避免了結(jié)露腐蝕和由此發(fā)生的堵灰，大幅度降低了設(shè)備的維護(hù)成本。因此相變換熱器可以被廣泛應(yīng)用到其他電廠中，發(fā)揮其回收中低溫余熱的優(yōu)良特性。

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