1 000 MW超超臨界機組煙氣余熱集成利用技術研究

羅 寧，何 青

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

1 000 MW超超臨界機組煙氣余熱集成利用技術研究

羅 寧，何 青

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

為了充分利用電廠煙氣余熱，針對1 000 MW超超臨界機組，設計了一個由3組省煤器和2組空氣預熱器組成的煙氣余熱集成利用系統。其中一組省煤器用于保持鍋爐進口溫度不變，以減少鍋爐的改造量；前置式空氣預熱器在確保進入脫硫系統的煙氣溫度滿足要求時，還可以部分利用煙氣余熱。通過迭代法確定3個省煤器的最佳進出口溫度，假設系統給煤量保持不變計算出發電功率為1 014.13 MW，即在額定工況下系統節煤量達到最大值為3.699 g/(kW·h)，機組年節約標煤2.09萬t。

超超臨界機組；煙氣余熱利用；多級省煤器；前置式空氣預熱器；余熱梯級利用

0 引言

2016年，國家發改委公布的《“十三五”規劃前期研究重大課題目錄》[1]中，有3個課題都是與環境保護、污染治理相關的。這就說明，十三五規劃的環保問題將是一大重要的看點。燃煤電廠鍋爐煙氣余熱利用研究及其設備的優化作為火電廠主要的節能減排手段，也已經成為“十三五”規劃中的重中之中。我國目前已經部分實現由傳統的燃煤電廠鍋爐煙氣余熱利用轉為新型余熱利用優化系統、脫硫、基于能量梯級利用對傳統余熱利用系統的優化等。煤炭是我國的主要能源，燃煤電廠鍋爐作為我國的第一大耗能設備,其年耗煤量約占全國煤炭總消費量的61%。研究發現，在我國燃煤電廠中，鍋爐熱損失的70%～80%為排煙熱損失。排煙溫度平均每升高10～15 ℃，鍋爐的熱效率將下降1%，年平均標煤消耗量隨之升高3～4 g/(kW·h)[2,3]。

在燃煤電廠中增設低溫省煤器是降低排煙溫度的有效措施之一。利用鍋爐尾部煙氣余熱加熱回熱系統中的凝結水，可排擠部分抽汽返回汽輪機內繼續膨脹做功。因此，煙氣余熱回收利用在某種程度上提高了機組的經濟性[4]。該技術在國內外較早就得到了應用，德國從20世紀末開始提出并實施的火電優化設計計劃，要求全部新建機組必須集成鍋爐尾部煙氣余熱回收技術。國內上海外高橋三期工程通過在脫硫塔前加裝煙氣冷卻器回收尾部煙氣余熱，使機組供電煤耗下降2.71 g/(kW·h)[5]。文獻[6,7]考慮煙氣溫度的限制和實際換熱效率，綜合換熱面投資等經濟成本來評估改造后電站機組增加的經濟效益。

大型的火力發電機組通常利用提高汽水參數的方法來提高機組的效率，比如發展超臨界機組、超超臨界機組。但是提高汽水參數的方法同時也受到材料方面的制約。在能源日趨短缺的今天，如何利用排煙余熱，提高發電效率，降低煤耗率是未來燃煤電廠發展的重中之重。美國對于高密度水產養殖技術的利用和開發程度較高，由于燃煤電廠余熱溫度與鯰魚和羅非魚的最佳生長溫度范圍重合度比較高，所以目前對于這方面的利用效果比較好[8-10]。

現在國內外的許多燃煤電廠，都開展了節能減排的改造。大型燃煤電廠的鍋爐余熱利用更是改造的主要方向之一[11-14]。雖然余熱回收的利用作為一種具有良好的效益的技術經濟手段之一得到了大范圍的推廣，但是在實際進行項目的節能評價時卻往往會產生一些比較大的爭議。

本文將會從燃煤電廠鍋爐的煙氣余熱利用系統的選擇、系統的優化、系統的評價這3個方面著手，探究電廠煙氣余熱利用系統的真實的有效性和實用性。本文主要通過對1 000 MW超超臨界機組煙氣余熱利用研究，利用排煙余熱來加熱給水和空氣，排擠加熱器的抽汽，增加蒸汽在汽輪機中做功，提高發電功率，降低排煙熱損失。在滿足可行性和安全性的情況下，提出集成多級省煤器、前置式空氣預熱器的煙氣余熱利用系統。

1 煙氣余熱集成利用方法

1.1 系統介紹

集成利用方法的選取同時考慮了可行性、安全性，結合現有的余熱利用系統。提出了集成多級省煤器、前置式空氣預熱器的煙氣余熱利用系統。系統設置了3組省煤器、1組前置式空氣預熱器、1組主空氣預熱器，詳細結構如圖1所示。

1.鍋爐；2.前置式空氣預熱器；3.3號省煤器；4.2號省煤器；5.1號省煤器；6.主空氣預熱器；7.過熱器；8.再熱器；9.汽輪機高壓缸；10.汽輪機中壓缸；11.汽輪機低壓缸；12.1號高壓加熱器；13.2號高壓加熱器；14.3號高壓加熱器；15.除氧器；16.5號低壓加熱器；17.6號低壓加熱器；18.7號低壓加熱器；19.8號低壓加熱器；20.凝汽器圖1 集成煙水換熱器、前置式空氣預熱器的煙氣余熱利用系統

(1)從煙氣側來看，3組省煤器串聯布置；省煤器與主空氣預熱器采取并聯布置；省煤器、主空氣預熱器和前置式空氣預熱器串聯布置，通過設置前置式空氣預熱器，在確保進入脫硫系統的煙氣溫度滿足要求時，還可以部分利用煙氣余熱。

(2)從水側來看，2號省煤器與1、2、3號高壓加熱器并聯布置，分流一部分高溫蒸汽，增加高壓做功的蒸汽；3號省煤器與5、6號低壓加熱器并聯布置，分流一部分低溫蒸汽，加熱一部分低溫給水。同時增加了一個1號省煤器，其目的是為了保證鍋爐進口溫度保持不變，減少鍋爐的改造量。

(3)從空氣側來看，低溫空氣先進入前置式空氣預熱器，然后進入主空氣預熱器加熱。這樣保證了系統的合理布置，而且可以使得效率比較高。

1.2 系統特點

通過設置1號省煤器，可以保證鍋爐進口溫度保持不變，減少鍋爐的改造量，而且保證了系統的合理布置。通過設置前置式空氣預熱器，在確保進入脫硫系統的煙氣溫度滿足要求時，還可以部分利用煙氣余熱。采用假設迭代法確定3個省煤器的進出口溫度，可以最終選取最合適的進出口溫度。利用能量守恒和質量守恒關系計算空氣預熱器和省煤器進出口煙溫、介質溫度。

2號省煤器與1、2、3號高壓加熱器并聯布置，分流一部分高溫蒸汽，增加高壓做功的蒸汽；3號省煤器與5、6號低壓加熱器并聯布置，分流一部分低溫蒸汽，加熱一部分低溫給水。從空氣側來看，低溫空氣先進入前置式空氣預熱器，然后進入主空氣預熱器加熱。這樣保證了系統的合理布置，而且可以使得效率比較高。

對于節煤量的計算，常見的計算方法是假設鍋爐效率、汽輪機效率、管道效率、機械效率保持不變，原則上可以大概計算出余熱利用系統的實際耗煤量，但誤差較大。本系統假設給煤量保持不變計算出新的發電功率，減少了因為系統各個部分效率變化而造成的影響，從而得出新系統的耗煤量。可以使得計算結果相對而言更加準確，而且計算誤差小。

2 集成系統熱計算

2.1 省煤器和空氣預熱器計算

對于系統來說

Qy=Qy1+Qy2+Qy3+Qa1+Qa2

(1)

式中：Qy為煙氣側總放熱量，kJ/s；Qy1為1號省煤器吸熱量，kJ/s；Qy2為2號省煤器吸熱量，kJ/s；Qy3為3號省煤器吸熱量，kJ/s；Qa1為主空氣預熱器吸熱量，kJ/s；Qa2為前置式空氣預熱器吸熱量，kJ/s。

Qa1+Qa2=η·Qa

(2)

式中：Qa為空氣預熱器總吸熱量，kJ/s；η為空氣預熱器效率。

省煤器側和空氣預熱器側分別占有的煙氣量為：

Qy2+Qy3=Cpy(Ty1-Ty2)Da

(3)

式中：Cpy為煙氣定壓比容，kJ/(m3·K)；煙氣溫度從Ty1增長到Ty2；Da為煙氣質量流量，kg/s。

Qa=Cpa(Ta1-Ta2)Dy

(4)

式中：Cpa為空氣定壓比容，kJ/(m3·K)；空氣溫度從Ta1增長到Ta2；Dy為空氣質量流量，kg/s。

由式(4)可以得出煙氣分流比為

(5)

前置式空氣預熱器吸熱量

Qa2=ηyCpy(T3-T1,in)Dy

(6)

式中：ηy為風煙換熱器效率；T1,in為前空氣預熱器入口煙溫，℃。

空氣預熱器總吸熱量

Qa=Cpa(Ta1-Ta2)Dy

(7)

主空氣預熱器吸熱量

Qa1=Qa-Qa2

(8)

煙氣側總放熱量

Qy=Cpy(Ty,out-T1,in)Dy-ΔQrh

(9)

式中：Ty,out為省煤器出口煙溫，℃；ΔQrh為再熱蒸汽增加的吸熱量，kJ/s。

水側總吸熱量

(10)

式中：Qw為水側總吸熱量，kJ/s；ηa為煙水換熱器效率。

水側煙氣流量

(11)

式中：Dyw為水側煙氣流量，kg/s。

2號省煤器吸熱量

Qy2=Dyw(T1-T2)

(12)

2號省煤器分流量

(13)

3號省煤器吸熱量

Qy3=Dyw(T2-T3)

(14)

3號省煤器分流量

(15)

2.2 加熱器排擠抽汽計算

流經1號高加的流量

Dfw1=Dfw-Df1

(16)

流經2號高加的流量

Dfw2=Dfw-Df1

(17)

流經3號高加的流量

Dfw3=Dfw-Df1

(18)

1號高壓加熱器的進汽量

(19)

式中：Dfw1為流經1號高加的流量，kg/s；ηH1為1號高加熱效率；hw1加熱器出口水焓值，kJ/kg。

2號高壓加熱器的進汽量

(20)

再熱蒸汽增加的流量

(21)

再熱蒸汽增加的吸熱量

ΔQrh=qrhΔDrh=Qy0

(22)

流經5號低加的流量

Dfw5=Dfc-Df2

(23)

流經6號低加的流量

Dfw6=Dfc-Df2

(24)

其中，1、2、3號高加的熱量為QH，5、6號低加的熱量記為QL，則有

QH=Cpwa(T1-T3)m123

(25)

QL=Cpwa(T5-T6)m56

(26)

再熱器的吸熱量由于排擠抽汽而發生了變化，因此為了保證全廠的效率和余熱利用，可以適當提高再熱器的進汽溫度，從而使得在給煤量和原系統相等時，再熱器的吸熱量不變，保證一定的熱量利用[8-12]。

設提高后的進汽溫度為Tin，排擠抽汽為

ΔQyH=CP(T0-Tin)m

(27)

(28)

2.3 機組熱經濟指標

發電廠的廠用電率是指單位時間內廠用變耗電量與發電量的百分比，即

(29)

式中：ξap為機組廠用電率；Pg為機組發電機有功輸出，kW·h；Pg為機組上網電量，kW·h。

根據機組的特點和實際經驗確定廠用電率ξap，由此可計算機組供電熱效率為

ηcpn=ηcp(1-ξap)

(30)

以及供電標準煤耗率為

(31)

3 集成系統熱計算流程

系統設置了一組前置式空氣預熱器，一組主空氣預熱器，以及1、2、3號總共3組省煤器。采取假設迭代法和交叉迭代法確定3個省煤器的進出口溫度， 采取假設系統的給煤量與原系統保持相同，然后計算新系統的耗煤量的方法。余熱利用系統的計算流程圖如圖2所示。

圖2 集成利用方法計算流程圖

設T1為1號省煤器出口煙溫；T2為2號省煤器出口煙溫；T3為3號省煤器出口煙溫，首先假設T2溫度為某一數值，然后再假設T1溫度對于省煤器入口溫度，通過逆向計算法求出新的T1溫度，與假設的T1溫度進行對比，經過多次迭代，求出最佳溫度。在確定了1號省煤器入口溫度T1之后，對于2、3號省煤器的入口溫度T2、T3采用交叉迭代法求解。

4 實例計算與分析

4.1 機組參數

現有1 000 MW 機組鍋爐采用超超臨界參數變壓直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風、前后墻對沖燃燒、緊身封閉布置、固體排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π 型鍋爐。采用等離子點火節油技術。在鍋爐BMCR工況下，過熱蒸汽量、壓力及溫度分別為2 492 t/h、26.3 MPa 和605 ℃。

機組詳細熱力參數如表1所示。將表1所示的機組具體的熱力參數代入煙氣余熱集成利用系統計算流程。

表1 1 000 MW機組詳細參數

4.2 計算結果

本系統假設給煤量保持不變，從而減少了因為系統各個部分效率變化而造成的影響，從而得出新系統的耗煤量。可以使得計算結果相對而言更加準確，而且計算誤差小。表2為1 000 MW機組余熱利用模型的熱力計算結果。

表2 1 000 MW機組熱力計算結果

圖3 節煤量Δb與T2關系圖

圖3為節煤量Δb與T2關系圖，通過假設不同的T2溫度，可以得出與之相對應的節煤量Δb之間的關系，最后求出最大節煤量所對應的2號省煤器的入口溫度T2。

由圖3可得：

1號省煤器出口煙溫T1=322.04℃；

2號省煤器出口煙溫T2=214.10℃；

3號省煤器出口煙溫T3=105.08℃。

從而得出供電節煤量

Δb=bscp-bscp2=3.699 g/(kW·h)

計算表明，本工程應用該系統后，可降低機組供電標準煤耗3.699g/(kW·h)，年節約標準煤2.09 萬t。

4.3 結果分析

鍋爐排煙余熱同時加熱給水和空氣，大幅度提高了余熱利用效率。從上述經濟性核算可以看出，將鍋爐尾部高溫煙氣分出一部分來通過高溫煙氣省煤器和低溫煙氣省煤器依次加熱汽輪機部分給水和凝結水，能夠降低汽輪機的熱耗和煤耗，同時降低了排煙溫度，具有一定的經濟效益。需要注意的是，空氣預熱器出口和煙氣冷卻器出口的煙溫比較低，有可能低于煙氣露點溫度，在煙氣中硫成分比較高的時候就容易形成低溫腐蝕，需要采用有效措施以避免。

在考慮引風機的功耗增加，即在考慮廠用電的時候，節煤量可以達到3.699 g/(kW·h)。而且此系統只考慮了鍋爐側，說明此系統的節煤空間也是很大的。

5 結論

(1)該系統設置了一組前置式空氣預熱器、一組主空氣預熱器、一組高溫省煤器、一組低溫省煤器、一組1號省煤器。其中1號省煤器用于保持了鍋爐進口溫度保持不變，以減少鍋爐的改造量；前置式空氣預熱器在確保進入脫硫系統的煙氣溫度滿足要求時，還可以部分利用煙氣余熱。

(2)集成多級省煤器、前置式空氣預熱器的煙氣余熱利用系統中，采取假設迭代法和交叉迭代法確定3個省煤器的進出口溫度，以選取最合適的進出口溫度。利用能量平衡和質量守恒關系計算空氣預熱器和省煤器進出口煙溫、介質溫度。

(3)當并聯系統分流比例大體為0.15，即2號省煤器出口煙溫T2=214.10 ℃時，系統的節煤量最大，大約節煤3.699 g/(kW·h)，年節約標準煤2.09 萬t 。此時，1號省煤器出口煙溫T1=322.04 ℃，3號省煤器出口煙溫T3=105.08 ℃。

[1] 中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要(摘錄)[J].建筑節能, 2016，44(4):1.

[2] 李慧君, 王妍飛, 常澍平,等.330 MW機組雙級低溫省煤器系統熱經濟性分析[J].電力科學與工程, 2015，31(6):63-67.

[3] BOWMAN C F.Electric power plant waste heat utilization[C]// ASME 2012 Heat Transfer Summer Conference Collocated with the ASME 2012 Fluids Engineering Division Summer Meeting and the ASME 2012, International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels.2012:111-120.

[4] 王繼選, 劉小貞, 白亞開,等.電站鍋爐余熱裝置優化及熱力系統性能分析[J].華北電力大學學報(自然科學版), 2014, 41(5):16-21.

[5] 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, 41(1):78-83.

[6] ESPATOLERO S, CORTES C, ROMEO L M.Optimization of boiler cold-end and integration with the steam cycle in supercritical units[J].Applied Energy, 2010, 87(5):1651-1660.

[7] WANG C, HE B, SUN S, et al.Application of a low pressure economizer for waste heat recovery from the exhaust flue gas in a 600MW power plant[J].Energy, 2012, 48(1):196-202.

[8] 徐鋼, 許誠, 楊勇平, 等.電站鍋爐余熱深度利用及尾部受熱面綜合優化[J].中國電機工程學報, 2013, 33(14): 1-8.

[9] 呂劍, 韓宇, 徐鋼.電站鍋爐新型旁路煙道型余熱利用系統性能分析[J].電力科學與工程, 2014, 30(10):58-62.

[10] 張潤盤, 董麗娟, 辛建華, 等.鍋爐煙氣余熱利用方案研究[J].熱力發電, 2013, 42(11): 107-109.

[11] 黃圣偉.大型燃煤電站鍋爐煙氣余熱利用系統節能分析與優化研究[D].北京: 華北電力大學, 2013.

[12] 楊世銘, 陶文銓.傳熱學(第四版)[M].北京: 高等教育出版社, 2006: 560-563.

[13] 程永新.600 MW燃煤電廠超低排放技改方案及應用[J].電力科學與工程, 2016, 32(7):73-78.

[14] 樊泉桂.鍋爐原理[M].北京: 中國電力出版社, 2012: 52-53.

Research on Integrated Utilization Technology of Flue Gas Waste Heat for 1 000 MW Ultra-supercritical Unit

LUO Ning, HE Qing

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China )

In order to make full use of the flue gas waste heat in power plant, taking a 1 000 MW ultra-supercritical unit as the object of study an integrated system composing of three economizers and two air pre-heaters of flue gas waste heat is designed.No.1 economizer is set to ensure the boiler import temperature unchanged so as to reduce the transforming workload of boiler; the front-loading air pre-heater are set to ensure that flue gas temperature entering the desulfurization system to meet the requirements, and part of the flue gas waste heat can be made full use of.The optimal temperatures of three import and export of economizers are taken by adopting iterative methods, and the new generation power is calculated as 1 014.13 MW by assuming that coal supply of new system remains the same with the original system; in other words, the largest section of coal is 3.699 g/(kW·h) under the rated conditions, which saves 20.9 thousand tons of standard coal every year.

ultra-supercritical power unit; utilization of flue gas waste heat; multi-stage economizer; front-loading air pre-heater; classification utilization of waste heat

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.06.007

2017-03-11。

國家自然科學基金(51276059)。

TK115

A

1672-0792(2017)06-0042-06

羅寧 (1994-)，男，碩士研究生，研究方向為汽輪機故障診斷、壓縮空氣儲能。