鍋爐排渣物理顯熱回收對火電廠熱經濟性影響研究

徐世明，梅樂生，魏利邦，馬連東，韓月輝

(1.華能營口熱電有限責任公司，遼寧　營口　115003； 2.中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西　南昌　330096；3.營口市信用中心，遼寧　營口　115003)

在燃煤電廠中，余熱充分利用是國家“十三五”節能減排工作中的重要方面。沸騰鍋爐或CFB(循環流化床)鍋爐，鍋爐燃燒后的爐渣含有大量物理熱能，溫度一般在800～950 ℃，其物理顯熱損失直接關系到全廠熱經濟性。鍋爐排渣物理顯熱回收利用對火電廠運行經濟性影響的機理尚有不同觀點。鍋爐排渣物理顯熱回收利用降低了排渣溫度，減小了鍋爐排渣物理顯熱損失，提高了鍋爐效率[1-3]；但由排渣損失公式可知，灰渣物理顯熱損失屬于鍋爐的一項損失，在爐渣離開爐膛時此項損失就已是定值，其顯熱回收將不影響此項損失，進而不影響鍋爐效率。文獻[4]直接將鍋爐排渣物理顯熱回收的熱量折算成標準煤量，將“低品位”的余熱等同于煤燃燒釋放的“高品位”熱能，間接將鍋爐排渣物理顯熱回收折算成提高鍋爐效率，顯然也不合理。文獻[5]通過等效熱降法分析鍋爐排渣物理顯熱回收對全廠熱經濟性的影響，將排渣余熱作為外部純熱量加入系統，該熱量做功就是新蒸汽等效熱降的變化，即汽輪機實際循環熱效率提高，從而使全廠熱經濟性得到提高。實際上，由蒸汽動力循環原理可知，鍋爐排渣熱量進入汽輪機回熱系統，必然排擠汽輪機回熱抽汽，導致進入凝汽器的排汽量增加，進而導致冷源損失增大，汽輪機實際循環熱效率降低。

目前分析鍋爐排渣物理顯熱回收利用對提高火電廠熱經濟性影響機理主要有兩方面觀點：一是認為提高鍋爐效率；二是認為提高汽輪機實際循環熱效率。為此本文對鍋爐排渣物理顯熱的熱能屬性進行分析，以某鹽廠6 MW自備電廠為例，計算分析其回收這部分高溫爐渣物理顯熱對該電廠各個重要熱經濟性指標影響，進一步剖析鍋爐排渣物理顯熱回收利用對提高火電廠運行經濟性影響機理，所得結論可為技術人員開展節能工作提供依據。

1　鍋爐排渣物理顯熱熱能分析

鍋爐排渣物理顯熱是火電廠中的一種余熱，對于這樣的余熱，從鼓勵電廠節能的角度不將其視為發電廠熱耗量的一部分，應把這部分余熱作廢熱處理，即只計它做功，不記全廠循環熱量增加，以下計算也是以此為前提。灰渣物理熱損失是指鍋爐排出的爐渣、飛灰與沉降灰所攜帶的熱量未被利用而引起的熱損失，其計算公式為

(1)

由式(1)可知，灰渣物理熱損失中鍋爐排渣的物理顯熱損失大小主要決定于排渣量和排渣溫度，鍋爐排渣物理顯熱是鍋爐爐渣排出爐外時帶出的熱量，這部分熱量未被鍋爐所利用進而形成灰渣物理顯熱損失，在爐渣離開爐膛時溫度就已確定，其顯熱回收將不影響此項損失，進而不影響鍋爐效率，即電廠將鍋爐排渣物理顯熱回收利用基本上不會影響鍋爐效率[6]。

2　改造系統概況

某鹽廠6 MW自備電廠配循環流化床燃煤鍋爐蒸發量為50.8 t/h，機組型號為C6-3.43/0.589，額定工況下從汽輪機某級抽取蒸汽，改造前額定工況下熱力系統示意圖如圖1所示。汽輪機抽汽去工藝用汽后只用其熱量，工質以凝結水形式100%回收，額定工況下回水溫度為80 ℃，回水焓為335 kJ/kg，直接進入除氧器繼續循環利用。

該廠為回收鍋爐排渣物理顯熱，改造加裝了熱回收系統，如圖2所示。鍋爐排渣從進渣口進入，經過熱回收系統將其熱量傳出、溫度降低后從出渣口排出；工藝用汽的蒸汽放熱后進入除氧器前先經過熱回收系統，其吸熱溫度升高后再送入除氧器，熱回收系統水側設有旁路系統，可在系統故障時及時切至旁路運行，保證整個工藝用汽系統正常運行。

圖1 改造前額定工況下熱力系統示意圖

圖2　高溫爐渣物理熱能回收示意圖

3　鍋爐排渣物理顯熱回收前后機組熱經濟性指標

3.1　改造前指標

本文計算鍋爐熱負荷分配給發電和供熱時采取熱量分配法，即“好處歸電法”。額定工況下鍋爐效率為90%，機械效率為97.113%，發電機效率為95.114%，由系統熱平衡可計算額定工況下熱經濟性指標。

鍋爐總熱負荷為

Qb=Db(hb-hfw)+Db1(hb1-hfw)

(2)

汽輪機熱耗量為

(3)

汽輪機抽汽對工藝用戶供熱量為

Qh=Dhhh-Dhshhs

(4)

將式(2)—(4)進一步整理得式(5)—(7)：

Qb=D0h0-Dfwhfw

(5)

Q0=D0(h0-hfw)-Dh(hh-hhs)

(6)

Qh=Dh(hh-hhs)

(7)

全廠管道效率計算式如下：

(8)

將式(5)—(7)代入式(8)即可得出其值為100%，說明在忽略上文所述反平衡考慮的管道損失情況下全廠管道效率為100%。

鍋爐熱負荷分配給工藝用汽熱量為

Qbh=Dh(hh-hhs)/ηp=Dh(hh-hhs)

(9)

鍋爐熱負荷分配給汽輪機發電熱量為

Qbe=D0(h0-hfw)-Qh/ηp=D0(h0-hfw)-Dh(hh-hhs)

(10)

汽輪機內功率為

pi=D0h0-Dsgjhsgj-Dhhh-D1h1-D2h2-Dchc

(11)

式中：Dsgi為軸封漏汽量，kg/s；hsgj為軸封漏汽焓，kJ/kg；D1為低壓加熱器抽汽量，kg/s；D2為除氧器抽汽量，kg/s；Dc為汽輪機排汽量，kg/s。

發電部分管道效率為

(12)

汽輪機實際循環熱效率為

(13)

全廠發電熱效率為

ηcp=ηbηpeηieηmηg

(14)

發電煤耗率為

(15)

3.2　改造后指標

電廠經改造加裝熱回收系統后，回水溫度仍為80 ℃，在額定工況下，工藝用汽熱回收系統中的溫升在10 ℃左右，故取加熱后回水溫度為90 ℃，加熱后回水焓為377 kJ/kg。回水流過加熱系統無泄漏，回水率仍為100%。

3.2.1汽輪機內功率

工藝用汽回水經熱回收系統加熱獲得熱量，此部分熱量由回水工質帶回熱力系統，若用熱平衡法計算這部分熱量產生的汽輪機做功變化需要求解幾個熱、質平衡方程，比較麻煩，還易出錯。本文應用等效熱降法，具有計算簡單、準確特點。由于比較基準是改造前工況，所以只計算回水工質多帶來的熱量所引起的汽輪機功率變化。

進入熱力系統的熱量為

(16)

汽輪機內功率增加量為

Δpi=Δqη2

(17)

式中：η2為2號加熱器抽汽效率，由額定工況計算為20.81%。

汽輪機內功率為

(18)

3.2.2管道效率和實際循環熱效率

改造后汽輪機熱耗量為

(19)

改造后用于發電的鍋爐熱負荷為

(20)

改造后發電管道效率為

(21)

改造后汽輪機實際循環熱效率為

(22)

4　改造前后機組熱經濟性比較分析

鍋爐排渣物理顯熱回收利用對全廠的熱經濟性影響最終體現在機組發電標準煤耗率上。發電煤耗率降低值為

(23)

為了直觀比較改造前后機組各項熱經濟指標變化情況，結合式(2)—(23)，將計算結果列于表1。

表1　改造前后各項熱經濟指標對比

由表1可以看出，鍋爐排渣物理顯熱回收后，鍋爐效率不變，汽輪機實際循環熱效率有所下降，管道效率上升，且比汽輪機實際循環熱效率變化的幅度大，在忽略機械效率、發電機效率變化情況下，全廠熱效率上升，發電標準煤耗率下降6.198 g/kWh。

鍋爐排渣物理顯熱回收利用于熱力系統后，汽輪機內功率增加，汽輪機熱耗量也將上升且增大幅度比前者大，由式(22)可知汽輪機實際循環熱效率下降。同時，鍋爐排渣物理顯熱回收的熱量屬于“低品質”熱量，其做功效率為2號加熱器抽汽效率，取20.81%，但根據熱平衡原理將其作為汽輪機熱耗量的一部分處理，勢必導致汽輪機實際循環熱效率下降。

在忽略蒸汽管道散熱損失、主給水管道散熱損失、廠用輔助系統熱損失、帶熱量工質泄漏損失、鍋爐無排污損失的前提下，管道效率為100%。當回收鍋爐排渣物理顯熱，即有外來熱量進入熱力系統時，管道效率由100%升至102.796%，這與管道效率應小于等于100%相違背。分析其原因，鍋爐排渣物理顯熱回收時，用于發電的鍋爐熱負荷不變，但汽輪機熱耗量將增大，由式(21)正平衡計算管道效率便可得上述結果。

鍋爐排渣物理顯熱回收時，若機組負荷率為100%，不計運行檢修維護及其它損耗，只從熱經濟性角度考慮，每年按365天、標煤單價按1 000元/t計算，標煤發熱量為29 270 kJ/kg，鍋爐排渣物理顯熱回收后每年可節省標煤325.8 t，每年為企業節約燃煤成本32.58萬元。

5　結論

a. 鍋爐排渣物理顯熱回收熱量應按余熱廢熱處理，不能算在全廠熱耗量和鍋爐熱負荷上，這部分熱量主要引起汽輪機熱耗量和內功率變化。

b. 鍋爐排渣物理顯熱回收應用熱平衡方法計算可得：鍋爐效率不變，實際循環熱效率下降，管道效率上升且上升幅度大于實際循環熱效率下降幅度，故全廠熱效率增大，發電煤耗率下降。

c. 當忽略主蒸汽管道散熱損失、給水管道散熱損失、帶熱量工質泄漏損失、鍋爐排污損失、廠用輔助系統損失，鍋爐排渣物理顯熱回收外來余熱時，用于發電的鍋爐熱負荷不變，但汽輪機熱耗量將增大，管道效率大于100%。

d. 通過計算可知，鍋爐排渣物理顯熱回收對

企業經濟效益影響很可觀，今后應加大對火電廠余熱利用的關注。