350MW機(jī)組低溫省煤器系統(tǒng)節(jié)能減排效益分析

李飛

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司大唐（北京）能源管理有限公司北京100097）

350MW機(jī)組低溫省煤器系統(tǒng)節(jié)能減排效益分析

李飛

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司大唐（北京）能源管理有限公司北京100097）

降低煤耗和碳排放是中國煤電行業(yè)在“十三五”期間面臨的重大挑戰(zhàn)。本研究以某350MW典型亞臨界機(jī)組為研究對(duì)象，在空預(yù)器和電除塵器之間的煙道設(shè)計(jì)加裝低溫省煤器，用等效熱降法計(jì)算了系統(tǒng)在THA工況下的節(jié)能減排收益。結(jié)果表明：機(jī)組發(fā)電標(biāo)煤耗和供電煤耗分別降低了2.8g/kW·h和2.5g/kW·h，當(dāng)年等效運(yùn)行小時(shí)數(shù)為4500時(shí)，每年可降低標(biāo)煤耗3997.7t，節(jié)約燃料成本319.8萬元，有著顯著的節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)收益；機(jī)組每年排碳量可減少3167.0t，大約相當(dāng)于78.2ha中國森林的平均碳俘獲量，在國內(nèi)外碳排放交易市場(chǎng)正在建立與完善的背景下，系統(tǒng)逐年的減排量有著巨大的潛在收益。

低溫省煤器；煤耗；等效熱降法；節(jié)能減排；亞臨界機(jī)組

1 引言

2014年，三部委聯(lián)合發(fā)布了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃》，要求到2020年中國現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組平均煤耗降至310g/kW·h；同年，發(fā)改委在《國家應(yīng)對(duì)氣候變化規(guī)劃》中提出“2020年單位GDP碳排放水平比2005年降低40%-45%”。盡管煤電行業(yè)的節(jié)能改造工程已取得了一定成效，但“十三五”期間，其節(jié)能減排任務(wù)依舊艱巨，進(jìn)一步降低發(fā)電煤耗勢(shì)在必行。

鍋爐是燃煤電廠三大主機(jī)之一，其排煙熱損失約占鍋爐熱損失總量的70%~85%[1]。研究表明，煙溫每提升10℃，鍋爐熱損失就會(huì)提高0.6%~1.0%[2,3]。目前中國火電機(jī)組排煙溫度普遍比設(shè)計(jì)值高20℃左右[4]，有著很大的節(jié)能減排潛力。在鍋爐尾部煙道加裝低溫省煤器可有效回收其排煙余熱，是提高機(jī)組能效的有力途徑[5]。對(duì)于煤耗較高的亞臨界機(jī)組，熱效率的提高往往能獲得更大的節(jié)能減排收益。

本文以國內(nèi)某亞臨界機(jī)組為研究對(duì)象，在其鍋爐尾部煙道設(shè)計(jì)加裝低溫省煤器，回收其排煙余熱加熱凝結(jié)水。基于等效熱降法計(jì)算和分析其節(jié)能減排收益，為同類機(jī)組提供參考。

2 熱力系統(tǒng)改造

2.1 系統(tǒng)概況

某350MW燃煤濕冷機(jī)組，鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、雙拱形單爐膛、自然循環(huán)汽包型。汽輪機(jī)為單軸雙缸、雙排氣凝汽式汽輪機(jī)，設(shè)有4臺(tái)低壓加熱器、3臺(tái)高壓加熱器與1臺(tái)除氧器。由于設(shè)備老化以及燃用煤種變化等原因，鍋爐空氣預(yù)熱器出口煙溫高達(dá)132℃，影響了電除塵系統(tǒng)工作效率；煙氣攜帶的大量余熱不僅直接造成了能源浪費(fèi)，而且增加了引風(fēng)機(jī)電耗和脫硫系統(tǒng)水耗，顯著降低了電廠的熱經(jīng)濟(jì)性。合理回收利用鍋爐排煙余熱對(duì)機(jī)組的節(jié)能減排有著重大意義。

2.2 改造方案

本方案設(shè)計(jì)在空預(yù)器出口至電除塵器入口的4個(gè)水平煙道加裝低溫省煤器（每個(gè)煙道設(shè)置1臺(tái)），回收利用排煙余熱加熱系統(tǒng)凝結(jié)水。換熱器由多個(gè)獨(dú)立模塊組成，采用雙H型翅片管，材料為耐磨、耐腐蝕的ND鋼與20G（低溫段采用ND鋼），規(guī)格為Φ38×5，H型翅片厚度為2mm。由于電除塵器前煙塵含量較高，因此在每個(gè)模塊印封面安裝2排防磨假管。單臺(tái)低溫省煤器的參數(shù)見表1。

表1 單臺(tái)低溫省煤器參數(shù)

低溫省煤器水側(cè)通過增壓泵與凝結(jié)水系統(tǒng)相連，采用與3號(hào)低壓加熱器并聯(lián)的方式布置，其工藝流程如圖1所示（由熱平衡圖簡(jiǎn)化）。由凝汽器而來的凝結(jié)水依次通過1～4號(hào)低壓加熱器，其中1、3號(hào)為匯集式加熱器，2、4號(hào)為疏水放流式。低溫省煤器煙氣側(cè)采用順列管排逆流方式布置，控制換熱段煙氣壓降不高于380Pa。

圖1 低溫省煤器流程簡(jiǎn)圖

3 節(jié)能減排效益

3.1 等效熱降與抽汽效率的計(jì)算

等效熱降法由前蘇聯(lián)學(xué)者庫茲涅佐夫提出，后經(jīng)西安交通大學(xué)林萬超教授等人拓展形成了完整的理論體系[6]。該方法屬于能量轉(zhuǎn)化中的熱平衡法，采用相對(duì)簡(jiǎn)便的局部運(yùn)算代替整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜計(jì)算，被廣泛應(yīng)用于診斷或預(yù)測(cè)熱力系統(tǒng)局部變化的經(jīng)濟(jì)性[7,8]。本研究采用等效熱降法對(duì)機(jī)組汽輪機(jī)各級(jí)抽汽的等效熱降（Hj）和抽汽效率（ηj）進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算公式下：

式中，hj——加熱器j的抽汽焓（k J/kg）

hn——汽輪機(jī)排汽焓（kJ/kg）

Hr——r級(jí)抽汽的等效熱降（kJ/kg）

qr,qj——加熱器r、j中1kg抽汽的放熱量（k J/kg）

Ar——視加熱器類型選擇疏水放熱量或凝結(jié)水的焓升（kJ/kg）[6]

計(jì)算結(jié)果如表2所示，前6級(jí)抽汽等效熱降與抽汽效率隨級(jí)數(shù)增大而增大，7-8級(jí)加熱器由于抽汽焓值較低，所以H與η有所降低。

表2 汽輪機(jī)各級(jí)抽汽等效熱降與抽汽效率

3.2 節(jié)能減排效益計(jì)算

低溫省煤器與3號(hào)低壓加熱器并聯(lián)布置，流經(jīng)換熱器的凝結(jié)水量相對(duì)于1kg新蒸氣的份額α為：

式中，Dd——流經(jīng)換熱器的凝結(jié)水流量（t/h）

D——新蒸氣流量（t/h）

根據(jù)等效熱降法，加裝低溫省煤器后，系統(tǒng)獲得的實(shí)際做功收益△H為[6]：

式中，td——低溫省煤器出口水焓（kJ/kg）

t3——3號(hào)低壓加熱器出口水焓（kJ/kg）

η4——4號(hào)低壓加熱器抽汽效率

η3——3號(hào)低壓加熱器抽汽效率

τ3——3號(hào)低壓加熱器前后的焓升（kJ/kg）

低溫省煤器使系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性相對(duì)提高量△η為：

式中，H——新蒸氣等效焓降（kJ/kg）

發(fā)電節(jié)約標(biāo)煤量△b為：

式中，b——機(jī)組原發(fā)電標(biāo)煤耗（g/kW·h）

由于加裝低溫省煤器增大了系統(tǒng)水側(cè)和煙氣側(cè)的阻力，增壓水泵和引風(fēng)機(jī)的電耗會(huì)增大。在計(jì)算供電煤耗的時(shí)候，需從發(fā)電煤耗降低值中扣除這些部分。該部分煤耗由設(shè)備增加的電耗（功率）計(jì)算[9]。

3.3 節(jié)能減排效益分析

本方案的節(jié)能減排效益如表3所示。在THA工況下，加裝低溫省煤器使系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性相對(duì)提高了0.876%，機(jī)組發(fā)電標(biāo)煤耗降低了2.8g/kW·h，供電標(biāo)煤耗降低了2.5g/kW·h。以800元/t的標(biāo)煤價(jià)計(jì)算，在年等效運(yùn)行小時(shí)數(shù)為4500h的情況下，機(jī)組每年可分別節(jié)約標(biāo)煤和設(shè)計(jì)煤約3997.7t和4581.9t，減少319.8萬元的煤耗成本，節(jié)能效益顯著。

表3 加裝低溫省煤器節(jié)能減排效益

加裝低溫省煤器可使機(jī)組每年排碳量減少約3167.0t（年等效運(yùn)行4500h）。隨著全球變暖問題的加劇，地球的碳收支動(dòng)態(tài)早已成為了世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)，在陸地各類型植被中，森林是大氣二氧化碳最重要的匯。據(jù)最近第八次全國森林資源清查報(bào)告，中國森林資源的平均碳存儲(chǔ)密度約為40.514t/ha[10]。以此推算，系統(tǒng)每年的碳減排量相當(dāng)于78.2ha森林的碳俘獲量，減排效益顯著。此外，在國內(nèi)外碳排放權(quán)交易市場(chǎng)正在建立與完善的背景下，系統(tǒng)逐年積累的碳減排量可顯著降低電廠運(yùn)營成本，有著巨大的潛在收益。由于煤耗的降低，鍋爐煙道出口硫排放量每年可減少15.6t，這在一定程度上降低了煙道后部脫硫設(shè)備的負(fù)擔(dān)；此外，排煙溫度的下降也可以使脫硫設(shè)備的水耗大幅降低，在節(jié)約資源的同時(shí)降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本。

4 結(jié)語

本研究以350MW典型亞臨界燃煤機(jī)組為研究對(duì)象，在空預(yù)器和電除塵器之間的煙道加裝低溫省煤器，用等效熱降法計(jì)算了系統(tǒng)節(jié)能減排的收益，結(jié)果表明：在THA工況下，機(jī)組發(fā)電標(biāo)煤耗和供電煤耗分別降低了2.8g/kW·h和2.5g/kW·h；當(dāng)年等效運(yùn)行小時(shí)數(shù)為4500h時(shí)，系統(tǒng)每年可節(jié)約標(biāo)煤3997.7t，減少319.8萬元的煤耗成本，機(jī)組每年排碳量可減少3167.0t，鍋爐煙道出口硫排放量可減少15.6t。

降低煤耗和碳排放是中國“十三五”期間的重大戰(zhàn)略規(guī)劃，也是電力行業(yè)向高度節(jié)約模式轉(zhuǎn)型的必由之路。對(duì)排煙溫度過高的燃煤機(jī)組加裝低溫省煤器可實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的深度利用，在節(jié)約煤炭和水資源的同時(shí)，可減少二氧化碳和其它大氣污染物的排放，具有顯著的節(jié)能減排效益。

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李飛（1984—），男，工程師，從事火電節(jié)能技術(shù)研發(fā)工作。