電廠鍋爐煙氣余熱應用系統的熱力學研究及優化方案

徐大朋安徽池州九華發電公司發電部，安徽池州 247103

電廠鍋爐煙氣余熱應用系統的熱力學研究及優化方案

徐大朋
安徽池州九華發電公司發電部，安徽池州 247103

通過對煙氣余熱應用系統的熱力學研究發現，對鍋爐煙氣余熱進行利用改造，不僅能提高電廠的熱經濟，還能減少動力燃料的浪費，同時還能減輕對環境污染的程度。本文通過對電廠鍋爐煙氣余熱應用系統和熱力學的分析，進一步提出了具體的優化方案，不僅提高了電廠的經濟效益，還能為其他高耗能產業的發展借鑒電廠余熱利用方式。

電廠鍋爐；煙氣余熱；熱力學；優化方案

隨著經濟的加速發展，能源需求急劇增加，能源匱乏問題越來越突出，進而激發了能源供需之間的矛盾。面對能源緊缺的現狀，我們一邊要提高能源利用率，另一邊要不斷進行新能源的開發和利用，才能逐步緩解能源供需矛盾。電廠鍋爐會產生各種熱損失，而排煙帶走的熱損失占的比例最多，由于能源緊張，能源價格不斷上升，對煙氣余熱利用的研究受到了廣泛關注。

1 電廠鍋爐煙氣余熱利用原則與應用系統

1.1 盡量減少熱損失

電廠鍋爐的熱損失是因為熱量不可逆造成的，煙氣余熱的有效利用就是減少不可逆帶來的損失。要根據實際需求保質保量地供能，一方面盡量減少傳熱中因溫差、避免節流和摩擦帶來的不可逆損失，另外，還要在數量上滿足需求，并且質量更要符合要求。

1.2 應用總能系統

總能系統由煙氣余熱能量的高低決定，然后進行能力、量匹配和利用，把動能、熱能以及勢能等能量之間進行配合和轉換利用。要對熱力、經濟以及環保等因素進行綜合考慮，同時要全面提高設備的能源利用率，使能源利用達到最優值。

煙氣余熱利用，是為了提高能源利用率，降低能源浪費，不能為了回收而進行回收，設計余熱利用方案要保證余熱回收后，系統還能正常進行，且煙氣余熱利用設備是否能降低污染程度。

2 煙氣余熱應用系統的熱力學研究

2.1 煙氣余熱應用熱力學分析方法

根據能量守恒定律，總結出熱力系統常用的煙氣余熱應用方法有：熱平衡法、等效焓降法、矩陣法等。

2.1.1 熱平衡法

熱平衡法是熱力系統最基本的分析方法，需要分別寫出熱力系統中各個子系統的能量平衡式，再成立方程求解，這是串聯算法。熱平衡法是在原來的汽水系統的基礎上，通過把原有汽水引入系統熱平衡中，進而改變熱平衡結構，然后再重新計算整個汽水系統的熱平衡，最后得出煙氣余熱利用系統的結果，并且這個方法適用范圍非常廣。在進行手工計算時，要對每個方程式進行計算，就是為了保證每個計算方程式中只能有一個未知數，計算要按照次序由高到低。

熱平衡法的計算方式是應用了熱力學的第一定律，其原理簡單明了，計算結果也比較可靠，但是計算過程比較繁瑣，工作量大且復雜。

2.1.2 等效焓降法

等效焓降法是根據熱力學中的熱能轉換原理，基于設備、熱力結構和參數等特點，來研究熱能轉換的效率和熱量利用率。它是根據已經確定的蒸汽參數和回熱參數，把燃料的燃燒量和機組蒸汽的流動量都作為固定值，并且熱力系統的微小改變對各級抽汽產生影響，利用簡單的局部運算來代替整個系統的計算。

鍋爐煙氣變換熱量的前后焓值的變化量就時鍋爐余熱利用的熱量，通過鍋爐燃料數據，再結合熱力學的知識，就能計算出煙氣的組成部分和煙氣的排放的數值，從而再根據煙氣釋放熱量得到加熱過后凝結水的熱量。

2.2 尾部煙道側煙余熱回收子系統

為了減少空氣在鍋爐爐腔內吸熱，在尾部煙道安置一個空氣余熱器，進入鍋爐的空氣經過余熱對煙氣釋放熱量Qk，為了能有效降低排煙的溫度，應在預熱器出口處安裝一個低溫省煤器，可以回收更多的熱量。由于降低后的排煙溫度還會受到熱量轉換器材料低溫腐蝕性的局限，決定了煙氣余熱回收子系統能回收到的熱量Qd有最大值Qmax，由下面的計算公式計算可得：

（Qtot為排煙溫度降低到控制范圍內的尾部煙氣的總熱量）

2.3 回熱系統側排擠抽汽做功子系統

在電廠系統中，需要從汽機中抽取蒸汽來加熱凝結成水，所要抽取的蒸汽可以用于提高凝結水的溫度，相對應的也可以節省抽蒸汽返回汽輪繼續做功。因此，是在消耗燃料量不改變的前提下，增加機組的總出功，進一步提高了回熱系統的經濟性。

熱功轉換也可以用等效焓降法來進行分析。回熱系統側排擠抽汽做功子系統回收到的熱量，其值可以根據下面這個公式計算：

（Do表示為機組的蒸汽流量，npj為低壓省煤器熱量的平均抽汽率）

3 基于能量梯級利用的系統優化

3.1 常規余熱利用系統節能效果有限的原因

百萬千瓦的電廠機組鍋爐的排煙溫度一般都是在130℃左右，與汽機側回熱系統中加熱器人口處的凝結水的溫度相比，我們可以發現，常規低溫省煤器回收的余熱熱量只能排擠出低壓加熱器部分的回熱。如果再對相關工程的約束進一步考慮，余熱利用排擠抽汽的平均最高能達到第七級。

因此，高能級排汽對高品位、高質量熱量的需求，與尾部煙氣回收的余熱質量品味之間的能級品味差的矛盾，就是常規余熱利用系統節能效果有限的主要原因。因此，如何通過優化余熱回收系統和排擠做功的能量匹配，以此來提高熱量做功的轉換效率，以便能利用可以回收的尾部煙氣的有限熱量來獲得更多的熱量，是提高煙氣余熱利用的重要問題。

3.2 能量梯級利用在余熱利用系統優化中的應用

在熱能的利用過程中，既要保證數量滿足用戶的需求，還要能報證熱能的品味問題。高溫度高壓下的熱量比低溫度低壓下的熱能品味要高，因此，從能量轉換守恒的基本定律出發，采用能量梯級方法對能源結構進行分析，不斷優化能量利用方式，能大大減少能量品味的消耗，從而達到節能減排、提高能源利用率的效果。

主要根據溫度對口、能級匹配的原則，對鍋爐煙氣余熱回收子系統進行優化設計。現在仍然使用原有空氣余熱加熱器，將鍋爐煙氣余熱回收子系統與空氣余熱加熱器串聯，從省煤器出口排出的高溫煙氣部分進入到了旁邊的煙道中，進行余熱回收，所回收到的煙氣余熱溫度將會得到很大的提高，進一步提高了凝結水側的抽出點溫度，排擠抽氣的熱功也將得到很明顯的提升。但是由于能進入到空氣余熱加熱器的煙氣熱量不斷減少，進入到鍋爐中的空氣溫度降低后就會在鍋爐內吸收大量的熱量。因此，必須在空氣余熱加熱器的出口添置一個冷空氣余熱加熱器，用較低品味的余熱對冷空氣進行余熱后再送到空氣預熱器中。

4 結論

本文通過對鍋爐煙氣余熱利用系統的熱力學系統進行分析，從中可以發現，煙氣余熱利用率提高與煙氣在回收過程中的能量匹配有著密不可分的關系。基于能量梯級設計的優化方案，符合溫度對口，梯級利用的能源使用原則，從而大幅度提高了余熱回收的熱力特性。

根據對電廠鍋爐煙氣余熱應用系統的熱力學研究，我們提出了優化系統的方案，不僅能提高電廠鍋爐煙氣余熱回收率，最大限度減少了煙氣余熱帶走的熱量，減少動力燃料的浪費，從而促進了電廠的經濟效益，同時還能減輕對環境污染的程度。電廠的鍋爐煙氣余熱應用系統的熱力學研究的方案不斷進行優化，比其他行業領先很多，總結了豐富的經驗，同時對其他高耗能、能源需求大的行業提供了借鑒意見和方案。

［1］張鑫.鍋爐煙氣余熱利用系統分析與優化研究［D］.北京：華北電力大學，2015.

［2］楊勇平，黃圣偉，徐鋼，等.電站鍋爐煙氣余熱利用系統的熱力學分析和優化［J］.華北電力大學學報：自然科學版，2014（1）：78-83.

［3］黃圣偉，徐鋼，楊勇平，等.電站鍋爐煙氣余熱利用的熱力學分析與優化設計原則［J］.現代電力，2013（1）：75-80.

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1674-6708（2016）168-0192-02

徐大朋，安徽池州九華發電公司發電部。