多變量因素下的鍋爐低壓省煤器節能效果測試與分析

王學棟，仲昭偉，董洋，朱同兵

（1．華電電力科學研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030；2．華電龍口發電股份有限公司，山東省 龍口市 265700）

0 引言

國內燃煤鍋爐普遍存在排煙溫度偏高的問題，排煙溫度嚴重超溫不僅影響機組的經濟性，而且還影響空氣預熱器運行的安全性，因此，降低排煙溫度對于節能降耗、提高鍋爐的安全可靠性具有重要的實際意義。目前鍋爐煙氣余熱回收方案主要有加熱凝結水方案、加熱空氣預熱器入口冷空氣方案、加熱空氣預熱器入口冷空氣與加熱凝結水逐級利用聯合方案。對于鍋爐排煙溫度嚴重高于設計值問題，在鍋爐尾部煙道加裝低壓省煤器能夠有效利用鍋爐排煙余熱，具有良好的節能效果[1-2]。

西安交通大學的林萬超利用等效焓降理論對低壓省煤器系統的熱經濟性進行了深入的分析；東北電力大學的周振起等利用等效焓降原理對燃煤機組增裝低壓省煤器的熱經濟性進行分析，計算出其節能效果；山東大學黃新元等對電站系統低壓省煤器優化設計及優化運行進行了深入的研究，提出了電站系統低壓省煤器優化設計的通用數學模型。以上學者偏重于低壓省煤器節能效果的理論分析，而許多文章中所廣泛報道的低壓省煤器節能效果都是利用等效焓降法或熱力性能試驗法對機組投、停低壓省煤器的幾個運行工況進行試驗和計算[3-8]，還沒有文章和專著對各種工況下低壓省煤器的節能效果進行分析和論述。本文對低壓省煤器運行工況和節能效果進行多變量的性能測試，并用等效焓降法計算了典型工況下的節能效果，對試驗結果進行分析，對低壓省煤器的運行方式和運行參數進行優化，以得到最佳的運行方式和運行參數。

圖1 低壓省煤器熱力系統示意圖Fig. 1 Schematic diagram of thermal system of theLP economizer

1 低壓省煤器的節能原理

1.1 低壓省煤器的連接方式

低壓省煤器裝在鍋爐尾部煙道，結構與一般省煤器相仿，典型的低壓省煤器熱力系統如圖 1所示。低壓省煤器與主凝結水系統成并聯布置，其進口水取自汽輪機的低壓回熱系統，低壓省煤器的進水量、進水溫度均可在運行中調節，進入低壓省煤器的凝結水吸收鍋爐排煙熱量后，回到凝結水系統與主凝結水匯合。這種連接方式，進入低壓省煤器的凝結水跨過若干級加熱器，利用級間壓降克服低壓省煤器本體及連接管路的流阻，不必增設水泵，提高了運行可靠性，同時有效實現了排煙余熱的梯級利用[9-11]。

1.2 低壓省煤器節能效果分析方法

低壓省煤器把煙氣余熱輸入凝結水回熱系統中會減少部分低加抽汽，增加了汽輪機的冷源損失，導致熱力循環效率降低，并且減少的部分抽汽量會增加凝汽器的排汽使汽輪機真空有所降低。但增設低壓省煤器后，大量煙氣余熱進入機組回熱系統，汽輪機組從外部獲取了這部分熱量，減少的抽汽在汽輪機低壓缸中繼續做功，新增了一定的做功能力，這個新增的額外熱功遠大于因減少抽汽和汽輪機真空微降所引起的熱功損失，所以在一定程度上提高了機組的經濟性。目前分析低壓省煤器熱經濟性的兩種主流方法是：等效焓降法和汽輪機熱力性能試驗法。

1）等效焓降法。等效焓降法是將低壓省煤器回收的排煙余熱作為純熱量輸入系統，而鍋爐產生1 kg新汽的能耗不變，熱系統所有排擠抽汽所增發的功率，都使汽輪機組的熱效率增加。所謂等效焓降法，是根據已選定的蒸汽初、終參數和回熱參數，并以機組的新蒸汽流量和燃料供熱量均系定值為前提，在這樣的條件下，熱力系統任何影響熱經濟性的微小變化，只與機組的功率變化有關，不會使各級抽汽流量全部發生變化，只對某幾級的抽汽流量和熱量進行定量計算，即可求得整個熱力系統變化的經濟效果。

2）汽輪機熱力性能試驗法。熱力性能試驗法是直接對機組投、停低壓省煤器的運行工況進行性能試驗，由得到的機組熱耗率的變化分析低壓省煤器的節能效果。低壓省煤器回收的排煙余熱作為純熱量輸入系統，而鍋爐產生1 kg新汽的能耗不變，熱系統所有排擠抽汽所增發的功率，都使汽輪機的效率增加、熱耗率降低，而降低的熱耗率即為投運低壓省煤器的節能效果。

2 多變量因素下的低壓省煤器節能效果測試

低壓省煤器節能效果測試在某220 MW機組上進行，通過測試低壓省煤器多個運行參數變化及相應工況下的節能效果，比較不同工況、不同低壓省煤器運行方式下的節能效果，以進一步確定低壓省煤器運行參數、運行方式對節能效果的影響。

2.1 低壓省煤器連接方式與性能參數

機組低壓省煤器連接方式屬于混合型的連接方式，從6號低加、7號低加、8號低加分別引出凝結水經混合后依次送往脫硫低壓省煤器和鍋爐低壓省煤器(以下統稱“低壓省煤器”)加熱，加熱后的凝水回到5號低加出口或6號低加出口，與主凝結水一起進入除氧器，具體系統示意圖見圖2。

圖2 低壓省煤器連接系統示意圖Fig. 2 Schematic diagram of LP economizer connection system

低壓省煤器設計參數如表1所示。

表1 低壓省煤器設計參數Tab. 1 Design parameters of LP economizer

2.2 低壓省煤器多變量因素下節能效果測試

針對以上低壓省煤器系統，通過變化低壓省煤器多個運行參數，進行不同目的試驗：低壓省煤器最佳分水流量試驗、低壓省煤器出口至主凝結水系統最佳回水位置試驗。根據試驗目的不同，設計了不同的試驗工況。

2.2.1 低壓省煤器最佳分水流量試驗

進入低壓省煤器的凝水來自于7號低加或6號低加出口，經低壓省煤器加熱后引至5號低加出口，為比較7號低加出口與6號低加出口凝水量對低壓省煤器節能效果的影響，進行如下工況的試驗：1）180 MW工況下，6號低加出水進低壓省煤器流量100、150、200、270 t/h；7號低加出水進低壓省煤器流量100、150、200、270 t/h；2）220 MW工況下，6號低加出水進低壓省煤器流量150、190、240、300 t/h；7號低加出水進低壓省煤器流量150、190、240、300 t/h。

2.2.2 低壓省煤器出口最佳回水位置試驗

進入低壓省煤器的凝水來自于8號低加或7號低加出口，經低壓省煤器加熱后引至5號低加或6號低加出口，為分析比較凝水經低壓省煤器加熱后引至主凝水系統不同位置的節能效果，進行如下工況的試驗：1）220 MW工況下，低壓省煤器出口凝結水引至5號低加出口，低壓省煤器出口煙溫99 ℃；2）220 MW工況下，低壓省煤器出口凝結水引至6號低加出口，低壓省煤器出口煙溫96 ℃；3）110 MW工況下，低壓省煤器出口凝結水引至6號低加出口，低壓省煤器出口煙溫91 ℃。

3 低壓省煤器多變量因素變化下的節能效果

3.1 低壓省煤器最佳分水流量試驗結果

利用等效焓降法計算低壓省煤器最佳分水流量試驗結果，試驗數據與計算結果如表2—3所示。

由表2—3可以看出，在180 MW和220 MW工況下，當低壓省煤器進水流量較大時(200~270 t/h)，6號低加出水進低壓省煤器的節能效果比較好，分析原因是7號低加出水低壓省煤器雖然使6號低加抽汽量減少，但低壓省煤器出水溫度低于5號低加出水溫度，導致除氧器抽汽量增加，高品質的抽汽量增加，機組低壓缸做功量減少，經濟性降低，因此建議投用6號低加出水進低壓省煤器的運行方式。

由以上試驗結果做出220 MW工況下，6號低加出水進低壓省煤器流量對機組經濟指標影響的趨勢圖，以確定6號低加出口的最佳分水流量，如圖3所示。

表2 220 MW工況下6號、7號低加出水進低壓省煤器流量變化試驗結果Tab. 2 Test results of change condensate water flow into LP economizer from NO.6 or NO.7 LP heater outlet under the condition of 220 MW

表3 180 MW工況下6號、7號低加出水進低壓省煤器流量變化試驗結果Tab. 3 Test results of change condensate water flow into LP economizer from NO.6 or NO.7 LP heater outlet under the condition of 180 MW

由圖3所示，機組在220 MW工況下，6號低加出水進低壓省煤器最佳流量為250 t/h左右。從以上兩個工況的試驗結果來看，在高流量運行時，進入低壓省煤器的流量變化對機組經濟性影響變化量較小。以220 MW工況為例，進水流量分別為 240、270 t/h時，機組熱效率分別提高0.645 1%、0.635 5 %，差值為0.01%，按機組熱耗率8500 kJ/(kW·h)計算，影響熱耗率差值為0.85 kJ/(kW·h)，說明高流量之間的節能效果相差很小。

圖3 220 MW工況最佳分水流量趨勢圖Fig. 3 Trend chart of the optimal water flow rate under 220 MW condition

3.2 低壓省煤器出口最佳回水位置試驗結果

利用等效焓降法計算低壓省煤器出水至主凝結水系統最佳回水位置的試驗結果，試驗數據與計算結果如表4所示。

由表4中試驗結果可以看出，增加低壓省煤器進水流量可以降低排煙溫度，但同時低壓省煤器的出口水溫也隨著降低。由于該低壓省煤器設計出口是引至5號低加出口，當低壓省煤器出口水溫低于5號低加出口水溫時勢必增加四段抽汽量來彌補加熱不足。因此只有當低壓省煤器出口溫度略高于 5號低加出口水溫運行時才比較經濟，否則，增加低壓省煤器進水流量，節能效果相比最佳工況降低。在管道阻力滿足運行要求的前提下，如將低壓省煤器出水引至6號低加出口，如表中工況2所示，可以增加低壓省煤器的進水流量，降低低壓省煤器的出水溫度和排煙溫度，鍋爐排煙余熱能夠得進一步利用，機組熱效率提高更大。通過試驗及模擬計算結果證明低壓省煤器出口凝水引至6號低加出口比引至5號低加出口經濟性要好，上述工況2與工況1相比，機組熱效率提高的差值0.701%，熱耗率差59.6 kJ/(kW·h)。

4 低壓省煤器節能效果分析與運行優化

以上試驗結果分析了某220 MW機組低壓省煤器不同系統運行方式、不同多變量因素變化下的節能效果。由分析結果可以看出，低壓省煤器進水流量、進水溫度、出水溫度對節能效果影響最大，低壓省煤器運行工況的調整直接影響其節能效果。即使同一個系統的不同次試驗，進入低壓省煤器的凝結水流量和溫度發生變化，造成低壓省煤器的出口水溫不同，低壓省煤器的節能效果也不同。

根據等效焓降法計算低壓省煤器性能試驗結果，結果顯示在低壓省煤器進口水溫一定的條件下，調節低壓省煤器入口凝水流量降低省煤器出口煙溫的同時，還要保證低壓省煤器出口水溫高于回到主凝水系統匯合點前的低加出口水溫，這時低壓省煤器的運行才會比較經濟，否則，增加低壓省煤器進水流量，節能效果相比最佳工況降低。

在機組日常運行投用低壓省煤器時，根據機組負荷變化及燃燒的煤種，控制低壓省煤器出口煙溫不低于低壓省煤器出口的設計溫度，從而確定低壓省煤器的進水流量和進水溫度，確定低加出口進低壓省煤器的分水流量。對于上文中的220 MW機組低壓省煤器系統，低壓省煤器出水回到主凝水系統中的5號低加出口時，則優先利用6號低加出口的凝結水，在180~220 MW工況下，低壓省煤器的進水流量在200~270 t/h之間，只要保證低壓省煤器的出水溫度不低于5號低加出水溫度，低壓省煤器的節能效果變化不大，在此工況下，可以不需頻繁地調節低壓省煤器的進水流量，降低了運行調整的工作量。

表4 低壓省煤器出口至凝水管道最佳回水位置試驗結果表Tab. 4 Test results of optimal water returning location from LP economizer outlet to main condensate system

如鍋爐排煙溫度較高時，為進一步降低排煙溫度，可以分流7號、8號低加出水進低壓省煤器，在此工況下，應使低壓省煤器出水引至6號低加出口，并使低壓省煤器出水溫度高于6號低加出水溫度，此時低壓省煤器的節能效果最佳，在220 MW試驗工況下，從8號低加和7號低加出口抽取凝結水370 t/h，經低壓省煤器加熱后回水至6號低加出口，排煙溫度降至96℃時，機組熱效率提高 2.003 %，如機組熱耗率取 8500 kJ/(kW·h)，可以使機組運行熱耗率降低 170.3 kJ/(kW·h)，同時試驗結果表明，低壓省煤器采用這種運行方式，節能效果更佳，值得在類似的技改項目中借鑒。

5 結論

1）多變量條件下的低壓省煤器試驗結果表明，在低壓省煤器進口水溫一定的條件下，調節低壓省煤器入口凝水流量降低鍋爐排煙溫度的同時，還要保證低壓省煤器出口水溫高于回到凝水系統匯合點前的低加出口水溫，這時低壓省煤器的運行才會比較經濟，否則，增加低壓省煤器進水流量，節能效果相比最佳工況降低，對不同的低壓省煤器運行方式，都存在一個最佳回水位置和最佳進水流量。

2）試驗結果表明，來自于7號、8號低加出水進入低壓省煤器，經加熱后引至6號低加出口，并使低壓省煤器出水溫度高于6號低加出水溫度時，低壓省煤器的節能效果最佳。在220 MW試驗工況下，從8號低加和7號低加出口抽取凝結水370 t/h，經低壓省煤器加熱后回水至6號低加出口，排煙溫度降至 96 ℃時，機組熱效率提高2.003%。

[1] 黃新元，孫奉仲，史月濤．低壓省煤器系統節能理論及其在火電廠的應用[J]．山東電力技術，2008，160(2)：3-6．

[2] 溫山，閆維平，常建剛，等．雙級低壓省煤器技術及其經濟性分析[J]．熱力發電，2013，42(2)：7-11．

[3] 張紅方，王勇，田松峰，等．基于等效焓降法的低壓省煤器系統經濟性分析[J]．節能技術，2011，29(5)：457-461．

[4] 韓爽，王偉鋒，張朋飛，等．加裝低壓省煤器機組節能效果分析[J]．熱力發電，2015，44(12)：133-135．

[5] 周新軍，房林鐵，張紅方，等．330 MW機組增裝低壓省煤器及經濟性分析[J]．節能，2011，347(6)：16-20．

[6] 黃新元，孫奉仲，史月濤．火電廠熱系統增設低壓省煤器的節能效果[J]．熱力發電，2008，37(3)：56-58．

[7] 俞啟云，劉志敏，李剛．超臨界 600 MW 機組低壓省煤器改造熱經濟性分析[J]．發電與空調，2016，37(2)：33-35．

[8] 康曉妮，馬文舉，馬濤，等．320 MW機組加裝低溫省煤器的經濟性研究[J]．熱力發電．2012，41(5)，8-11．

[9] 黃嘉駟，李楊．低壓省煤器水側系統連接方案優化分析[J]．熱力發電，2011，40(3)：62-64．

[10] 馬奎祥，陳軍．低溫省煤器在火力發電廠的優化設計[J]．華電技術，2016，38(7)：15-19．呂太，張子建，張素娟．600 MW鍋爐低壓省煤器水側連接優化選擇[J]．熱能動力工程，2013，28(4)：368-371．

[11] 呂太，張子建，張素娟．600 MW鍋爐低壓省煤器水側連接優化選擇[J]．熱能動力工程，2013，28(4)：368-371．