兩級雙循環煙氣余熱利用系統應用研究

王 林，牛 坤，高景輝，張亞夫，王紅雨，孟穎琪

兩級雙循環煙氣余熱利用系統應用研究

王 林，牛 坤，高景輝，張亞夫，王紅雨，孟穎琪

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

為實現超超臨界機組在寬負荷范圍內依然保持較高效率的目標，提出一種低溫省煤器聯合暖風器形式的組合式煙氣余熱高效利用系統。該系統由多個分級分段布置的水-煙氣換熱器組成，水側采用獨立雙循環加熱技術，實現了鍋爐排煙的深度冷卻和低能級余熱的高能級利用。經實際測算，煙氣余熱利用系統可降低機組平均煤耗2.72 g/(kW·h)，顯著提高了中低負荷下超超臨界機組的效率，提升了電廠的經濟性。

燃煤機組；寬負荷；低溫省煤器；暖風器；余熱利用；煤耗；經濟性

超超臨界機組具有高參數、大容量、高效率等優點，目前已經成為我國火電機組的主力軍[1-2]。隨著全社會用電負荷增速放緩，新能源消納量又日趨增加，按照帶基本負荷設計的超超臨界1 000 MW機組常處于中低負荷下，且不得不參與深度調峰[3]。超超臨界機組在低負荷段效率降低，經濟性優勢難以發揮，造成較大性能浪費[4-5]。解決超超臨界機組在寬負荷范圍內效率下降的問題，對于促進節能減排，構建低碳社會具有重要意義[6-7]。電站鍋爐排煙損失約占鍋爐各項熱損失的60%～70%，是鍋爐運行中最重要的一項熱損失[8-9]。利用高效煙氣余熱利用系統，降低排煙溫度，減少排煙損失，是增強機組調峰能力，保障機組寬負荷下具有高效率的有效措施[10-11]。

1 機組概況

某電廠2×1 000 MW機組工程建設有2臺超超臨界燃煤機組，工程設計并應用了高效率的煙氣余熱回收利用系統，該系統采用分級分段設計、低溫省煤器聯合暖風器的形式，具有獨立雙循環加熱特點，實現了煙氣余熱能量的梯度利用，顯著降低機組煤耗，提高了機組在中低負荷下的經濟性。

本工程鍋爐采用單爐膛、平衡通風設計，為露天島式布置的Π型鍋爐。每臺爐裝有2臺三分倉容克式空氣預熱器（空預器）。

鍋爐煙風系統主要設計參數見表1。

本工程汽輪機選用某型1 000 MW級超超臨界凝汽式汽輪機，設計有九級回熱抽汽。系統設置 1臺全容量的汽封冷卻器、5臺表面式低壓加熱器（低加）和1臺內置式除氧器。5、6、7號低加為臥式、雙流程型式，采用電動隔離閥的小旁路系統。8、9號低加分別置于凝汽器喉部與凝汽器中，采用電動閥大旁路系統。

表1 煙風系統主要設計參數

Tab.1 Main design parameters of the flue gas system

2 煙氣余熱高效利用系統

為增強本工程機組調峰能力，提高低負荷下機組效率，設計并應用了2級低溫省煤器聯合暖風器形式的煙氣余熱高效利用系統，節能效果顯著。

2.1 系統組成

本系統包括一級低溫省煤器（前、后段）、二級低溫省煤器、二次風暖風器。各個氣-水換熱器的水側進出口與汽輪機凝結水系統相接。具體連接方式如圖1所示。

圖1 系統組成

第一級低溫省煤器從8號低加進口取水，混合至不低于70 ℃進入換熱器。在第一級低溫省煤器前段水側設置旁路，用于控制換熱器出口煙溫；后段設置再循環系統，用于低負荷下提高入口水溫。

第二級低溫省煤器從8號低加進口取水，凝結水經過第二級低溫省煤器→增壓泵→二次風暖風器后，返回9號低加進口。

第一級低溫省煤器前、后段凝結水側聯通，其后段與第二級低溫省煤器受熱面共同布置，但凝結水側互相獨立，借助各自的增壓泵，可實現雙循環加熱。兩級低溫省煤器各自獨立循環，聯合二次風暖風器[12-13]，實現了煙氣余熱的梯級利用，提高了入爐風溫，大大增加了設備的可用率。

2.2 設備布置

低溫省煤器采用2級布置：第一級分前段和后段，前段水平布置在電袋復合除塵器出口的水平煙道處，后段水平布置在引風機之后、脫硫吸收塔之前的水平煙道內；第二級低溫省煤器布置在第一級（后段）的后面。具體安裝位置如圖2所示。

煙氣主要流程為：爐膛→尾部煙道→脫硝→空預器→電袋復合除塵器→一級低溫省煤器前段→引風機→一級低溫省煤器后段→二級低溫省煤器→脫硫塔→煙囪。

圖2 低溫省煤器安裝位置

2.3 設計參數

主凝結水通過第一級低溫省煤器吸收從除塵器出來的高品質煙氣熱量，提升主凝結水溫度，并回到汽輪機回熱系統中。經過第一級低溫省煤器前段的煙氣溫度從140 ℃降至106 ℃，再經過后段的煙氣溫度從114 ℃（引風機溫升8 ℃）降至95 ℃，將凝結水從70 ℃加熱到120 ℃，水流量 1 095 t/h（設計煤種BMCR工況）。

經過第一級低溫省煤器降溫的煙氣，又經過第二級低溫省煤器繼續放熱，被凝結水吸熱降溫，被煙氣加熱的凝結水在暖風器處對冷二次風進行加熱。經過第二級低溫省煤器的煙氣溫度從95 ℃降至75 ℃，凝結水從65 ℃加熱到85 ℃，凝結水流量1 015 t/h（設計煤種BMCR工況）。

低溫省煤器均采用順列布置，其設計參數 見表2。

表2 低溫省煤器設計參數

Tab.2 Basic parameters of the low temperature economizer

通過空預器前冷二次風設置的暖風器將冷空氣加熱到70 ℃后進入空預器，最終送入爐膛暖風器，暖風器垂直布置在空預器二次風入口處。二次風暖風器換熱元件采用雙零鋁翅片，主要設計參數見表3。

表3 二次風暖風器基本參數

Tab.3 Basic parameters of the secondary air heater

2.4 控制方法

1）在50%THA以上負荷，第一級低溫省煤器進水溫度由8號低加進口調節閥開度調節；在50%THA及以下負荷時，8號低加出口溫度低于70 ℃，此時其低加進口調節閥全關，通過調節熱水再循環量來控制第一級低溫省煤器進水溫度不低于70 ℃。

2）各種負荷下，第二級低溫省煤器進水溫度均由8號低加進口調節閥開度調節。

3）第一級低溫省煤器（前段）出口煙溫通過控制進入前段的凝結水流量（即旁路調節閥開度）控制；煙溫高于設定值時關小旁路調節閥，煙溫低于設定值時開大旁路調節閥。

4）暖風器出口風溫通過控制進入暖風器的凝結水流量（即旁路調節閥開度）控制；風溫高于設定值時關小旁路調節閥，風溫低于設定值時開大旁路調節閥。

5）煙氣冷卻器水側和煙氣側進、出口均設有溫度測點，以檢測煙氣冷卻器進口水溫和出口煙溫，一旦出現水溫或煙溫過低時，啟動調節方案并報警提示。

6）兩級換熱器為煙氣-水換熱器，傳熱管金屬壁溫略高于管內水的溫度，只要控制換熱器進水溫度高于設定值（第一級低溫省煤器為70 ℃，第二級低溫省煤器為65 ℃），即可防止煙氣結露，避免低溫腐蝕。

3 經濟效益

本工程在除塵器與引風機之間布置第一級低溫省煤器前段，在引風機之后布置第一級低溫省煤器后段和第二級低溫省煤器，在送風機與空預器之間布置二次風暖風器。在此基礎上實施機爐冷端協同優化，利用水側雙循環加熱技術，將煙溫降至75 ℃，實現了鍋爐排煙的深度冷卻和低能級余熱的高能級利用，提高了機組效率。

通過暖風器加熱鍋爐進爐風的水引自汽輪機凝結水系統，將鍋爐低溫熱源和汽輪機低溫熱源有機聯合在一起，可以保證機組在冬季–10 ℃環境溫度、機組50%負荷等工況下，寬負荷實現煙氣溫度恒定和節煤效益恒定[14]。

以冬季–10 ℃環境溫度工況為例，加熱冷空氣到設計值26 ℃，需要大量的熱量，采用本系統將汽輪機低溫熱源用來補充加熱空氣所需熱量，可以使機組煤耗有效穩定在設計數值[15]。入爐風對機組煤耗影響見表4。

表4 不同風溫節煤效果

Tab.4 The coal saving effects for different wind temperatures

經測算，煙氣余熱高效利用系統可顯著降低機組煤耗，在THA工況降低標煤2.44 g/(kW·h)，75%THA工況降低標煤2.79 g/(kW·h)，50%THA工況降低標煤2.80 g/(kW·h)，平均標煤降低2.72 g/(kW·h)。

4 結 論

1）本文提出的煙氣余熱綜合利用系統通過分級分段設計，實現煙氣余熱梯度利用，可顯著降低機組煤耗，提高機組運行的經濟性。

2）按照平均標煤降低2.72 g/(kW·h)計算，若 2臺機組年累計發電量為95億kW·h，則減少標煤消耗約2.584萬t。按標煤單價500元/t計算，年減少成本約 1 292萬元，經濟效益較高。

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Application of two-stage double-cycle flue gas waste heat utilization system

WANG Lin, NIU Kun, GAO Jinghui, ZHANG Yafu, WANG Hongyu, MENG Yingqi

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

In order to ensure high efficiency of ultra-supercritical units in a wide load range, a combined flue gas waste heat utilization system with low temperature economizer and heater is proposed. This system consists of a number of water-flue gas heat exchangers arranged in stages and sections, and adopts independent double-cycle heating technology to realize deep cooling of boiler flue gas and high-energy utilization of low-level waste heat. The practical calculation shows that this waste heat utilization system of flue gas can reduce the average coal consumption of the unit by 2.72 g/(kW·h), and remarkably improve the efficiency of the unit and the economy of the power plant at low loads.

coal-fired unit, wide regulation load, low temperature economizer, air heater, waste heat utilization, coal consumption, economy

TK11+5

B

10.19666/j.rlfd.201809186

王林, 牛坤, 高景輝, 等. 兩級雙循環煙氣余熱利用系統應用研究[J]. 熱力發電, 2019, 48(5): 14-17. WANG Lin, NIU Kun, GAO Jinghui, et al. Application of two-stage double-cycle flue gas waste heat utilization system[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 14-17.

2018-09-12

王林(1989—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為大型火電機組啟動調試技術，wanglina@tpri.com.cn。

（責任編輯 馬昕紅）