電站鍋爐余熱利用系統(tǒng)取水問題的研究與應(yīng)用

張燕

(成信綠集成股份有限公司，福建 廈門 361009)

0 引言

近年來，我國空氣質(zhì)量問題日益嚴(yán)重，國家出臺了一系列調(diào)控政策，力圖改善空氣問題，這些嚴(yán)格的政策影響著火電廠的生死存亡。火電廠作為能源消耗大戶及環(huán)境污染的重要源頭，面臨節(jié)能和環(huán)保的雙重壓力。

2016年11月國家發(fā)改委、國家能源局正式發(fā)布的《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中已明確要求：新建燃煤發(fā)電機(jī)組平均供電煤耗低于300 g/(kW·h)，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組經(jīng)改造后平均供電煤耗低于310 g/(kW·h)。火電機(jī)組SO2和NOx排放總量均力爭下降50%以上，300 MW級以上具備條件的燃煤機(jī)組全部實(shí)現(xiàn)超低排放。

對絕大多數(shù)火電企業(yè)來說，鍋爐實(shí)際排煙溫度為110～160 ℃[1]，偏離設(shè)計(jì)工況，排煙溫度的高低直接影響排煙熱損失，而在煤燃燒的各項(xiàng)損失中排煙熱損失所占比例最大，為5%～12%[2]，因此，減少排煙熱損失是降低供電煤耗的有效突破口。同時(shí)，降低排煙溫度可有效提高煙氣中的飛灰去除率[3]和SO3去除率[4-5]，除塵器的除塵效率隨著排煙溫度的降低而升高，一方面減少了空氣中顆粒物的含量，另一方面降低了脫硫塔后煙道及煙囪受SO3影響的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。因此，回收排煙余熱已受到火電企業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。

1 余熱回收現(xiàn)狀

目前，火電廠煙氣余熱利用的方向包括預(yù)熱助燃空氣、預(yù)熱并干燥燃料、加熱凝結(jié)水、加熱熱網(wǎng)水及采暖制冷等[6]。鍋爐煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)因節(jié)能減排效果顯著，受到國內(nèi)外的高度重視。國內(nèi)外許多現(xiàn)役火電機(jī)組均已進(jìn)行鍋爐煙氣余熱深度利用改造，新建項(xiàng)目也將鍋爐煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)或其部分系統(tǒng)列入機(jī)組設(shè)計(jì)范圍。煙氣余熱深度回收技術(shù)也已被列入國家發(fā)改委發(fā)布的《國家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》中。

煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)是火電廠煙氣余熱回收的優(yōu)化技術(shù)(如圖1所示)，該系統(tǒng)在鍋爐尾部煙道空氣預(yù)熱器(以下簡稱空預(yù)器)和靜電除塵器之間煙道布置換熱器，在送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)道布置換熱器，送風(fēng)機(jī)出口的換熱器將空氣溫度提升，繼而提高空預(yù)器出口的煙氣溫度，而靜電除塵器前的換熱器將煙氣溫度降至90 ℃左右(煙氣酸露點(diǎn)以下)。回收的煙氣余熱一部分進(jìn)入汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，將凝結(jié)水的溫度由70 ℃提升至110 ℃左右，進(jìn)入低壓加熱器(以下簡稱低加)系統(tǒng)，促使原低加入口水溫上升，排擠汽輪機(jī)抽汽，增加汽輪機(jī)做功，提高機(jī)組效率，降低供電煤耗[7]；另一部分用于送風(fēng)機(jī)側(cè)空氣的溫升。采用該技術(shù)后，機(jī)組供電煤耗可降低2～3 g/(kW·h)[8]。

圖1 余熱深度利用及減排系統(tǒng)示意

電除塵入口煙氣溫度降低后，一方面，飛灰比電阻進(jìn)入最適合電除塵工作的范圍，大大提高了電除塵器的除塵效率和SO3去除率；另一方面，煙氣溫度的降低使得煙氣流速降低，既延長了煙氣在電除塵內(nèi)的停留時(shí)間，有利于電除塵對煙氣的捕捉，提高了除塵效率，又降低了引風(fēng)機(jī)電耗。脫硫塔入口煙溫降低后，大大減少了脫硫塔的冷卻水耗量[9-11]。送風(fēng)機(jī)出口空氣溫度提升后，進(jìn)入爐膛的空氣溫度升高，可有效提升鍋爐效率，同時(shí)改變了空預(yù)器的換熱情況，有效減緩了空預(yù)器低溫段的腐蝕與堵塞問題。

2 取水平衡問題

鍋爐煙氣余熱深度利用系統(tǒng)可在機(jī)組全負(fù)荷段安全、穩(wěn)定運(yùn)行，但在系統(tǒng)改造過程中易出現(xiàn)取水平衡問題。所謂取水，即設(shè)計(jì)工況下，從低級低加和上一級低加各引出一路水，將其混合后引入增壓泵進(jìn)入煙氣余熱利用系統(tǒng)中的換熱器，即完成取水。由于取水管路在電廠原凝結(jié)水管道上開孔，受原凝結(jié)水管道壓力、流量的影響，易出現(xiàn)取水倒流問題，無法從管路中取水，反而使低級低加取水管中的低溫水進(jìn)入上一級低加，即取水不平衡。

3 案例分析

3.1 項(xiàng)目概況

某大型火電廠600 MW機(jī)組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司制造的超超臨界參數(shù)變壓直流爐，該廠于2016年10月完成煙氣余熱深度利用改造，改造中通過提升冷二次風(fēng)溫，滿負(fù)荷工況下將空預(yù)器出口煙氣溫度由129.0 ℃提升至150.3 ℃，靜電除塵器入口尾部煙道上的換熱器將煙氣溫度降至90.0 ℃左右，所吸收的煙氣熱量中一部分通過水媒介加熱冷二次風(fēng)，另一部分將#7低加進(jìn)口和出口摻混后的75.0 ℃凝結(jié)水加熱至110.0 ℃左右，加熱后的高溫凝結(jié)水返回至#6低加出口。

原設(shè)計(jì)工況下，#7低加進(jìn)口取水管路上設(shè)置電動閘閥和手動閘閥，#7低加出口取水管上設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥組作為調(diào)溫管路。兩路水混合后溫度達(dá)到75 ℃進(jìn)入凝結(jié)水增壓泵。此時(shí)#7低加進(jìn)口取水管路取水流量為365 t/h，出口取水管路流量為125 t/h，如圖2所示。

圖2 原設(shè)計(jì)滿負(fù)荷工況下取水示意

3.2 問題分析

原設(shè)計(jì)取水管路未考慮取水平衡問題，僅根據(jù)流量選擇管徑，實(shí)際改造后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)#7低加進(jìn)口取水管上電動閘閥、手動閘閥全開后，#7低加出口取水管無法取水，#7低加進(jìn)口取水管路內(nèi)的水直接返回至#7低加出口，進(jìn)入電廠主凝結(jié)水系統(tǒng)，導(dǎo)致電除塵入口煙道上換熱器入口水溫?zé)o法控制。從原設(shè)計(jì)工況下現(xiàn)場分散控制系統(tǒng)(DCS)可以看出，已存在取水倒流問題。

3.3 理論計(jì)算

由于取水管路在電廠原凝結(jié)水管道上開孔，受原凝結(jié)水管道壓力、流量的影響，易出現(xiàn)取水倒流問題，該項(xiàng)目#7低加自身阻力較大，致使圖2中混水點(diǎn)C處的壓力高于取水點(diǎn)B處的壓力，無法從#7低加出口管路中取水。

為使該項(xiàng)目各負(fù)荷工況下混水點(diǎn)C處溫度可調(diào)節(jié)，需進(jìn)行整改。核算各設(shè)計(jì)工況下取水點(diǎn)A，B，C處壓力，取水點(diǎn)A至混水點(diǎn)C之間為約45 m長的DN 300 mm管道，取水點(diǎn)B至混水點(diǎn)C之間約為15 m長的DN 200 mm管道，管路上異徑管阻力較小，可忽略不計(jì)，理論計(jì)算如下。

沿程阻力計(jì)算公式

局部阻力計(jì)算公式

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；L為管道長度，m；d為管徑，m；ρ為流體密度，kg/m3；υ為管路斷面平均流速，m/s；ξ為局部阻力系數(shù)。

管路原設(shè)計(jì)工況下水平衡計(jì)算結(jié)果見表1(表中THA工況為熱耗驗(yàn)收工況)，由表1可知，取水點(diǎn)A處的水經(jīng)#7低加后的壓降大于經(jīng)DN 300 mm管路后的壓降，即取水點(diǎn)C處壓力大于取水點(diǎn)B處壓力，出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。

為解決取水平衡問題，同時(shí)盡可能選用系統(tǒng)原有閥門，使改造費(fèi)用最低，將原DN 200 mm的電動調(diào)節(jié)閥組移至取水點(diǎn)A與混水點(diǎn)C之間管道，將原DN 300 mm的電動閥門移至取水點(diǎn)B與混水點(diǎn)C之間管道，并在電動閥門前安裝閘閥，起到關(guān)斷門作用，改造后滿負(fù)荷工況下取水示意圖如圖3所示。根據(jù)管路情況，計(jì)算按此布置后取水是否平衡。

改造后取水平衡計(jì)算數(shù)據(jù)見表2。通常情況下，電動調(diào)節(jié)閥在開度20%～80%范圍內(nèi)可以起到調(diào)節(jié)流量的作用，因此在電動調(diào)節(jié)閥的開度范圍內(nèi)，若各負(fù)荷工況下調(diào)節(jié)流量時(shí)取水點(diǎn)A至混水點(diǎn)C之間DN 200 mm電動調(diào)節(jié)閥阻力滿足表2要求，即可實(shí)現(xiàn)取水平衡。DN 200 mm電動調(diào)節(jié)閥在不同工況下的調(diào)節(jié)參數(shù)見表3，不同負(fù)荷下，根據(jù)電動調(diào)節(jié)閥的流量特性，在不同的入口水量、水溫、閥前壓力、閥后壓力下，電動調(diào)節(jié)閥開度為40%～85%，因此，采用此改造方案使煙氣余熱深度利用系統(tǒng)凝結(jié)水增壓泵入口水溫可調(diào)是可行的。

表1 原設(shè)計(jì)工況下水平衡計(jì)算結(jié)果

圖3 改造后滿負(fù)荷工況下取水示意

表3 DN 200 mm電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)參數(shù)校核

3.4 實(shí)際驗(yàn)證

從改造后的現(xiàn)場DCS可以看出，#7低加出口電動閘閥全開，控制#7低加進(jìn)口電動調(diào)節(jié)閥開度可實(shí)現(xiàn)水溫調(diào)節(jié)。 600 MW負(fù)荷工況下，#7低加進(jìn)口取水溫度為64.5 ℃，#7低加出口取水溫度為96.0 ℃，電動調(diào)節(jié)閥開度在50%時(shí)，可實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水增壓泵入口水溫為75.0 ℃，實(shí)現(xiàn)了水溫調(diào)節(jié)，取水平衡問題得到解決。

表2 改造后水平衡計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)煙氣余熱深度利用及減排系統(tǒng)改造過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注取水平衡問題，保證取水溫度可以有效調(diào)節(jié)。

(2)對于包含電動調(diào)節(jié)閥的管路，計(jì)算水平衡時(shí)，可計(jì)算出電動調(diào)節(jié)閥的進(jìn)出口壓力、進(jìn)口流量、溫度，根據(jù)流量特性，合理選擇電動調(diào)節(jié)閥，以保證系統(tǒng)水平衡。

(3)對于同類型的改造項(xiàng)目，可采用相同的方法，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)合理設(shè)置管路，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，避免二次改造。

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