低溫省煤器聯合暖風器在630 MW超臨界機組鍋爐煙氣余熱利用系統中的應用

劉 崗, 黃玉妹, 沈洪洪, 任建興

(1.上海電力學院, 上海 200090; 2.國電銅陵發電有限公司, 安徽 銅陵 244153)

在世界范圍內,燃煤電廠仍然是發電的主力電廠[1]。燃煤鍋爐由于爐內結焦以及空氣預熱器積灰等原因,導致鍋爐受熱面傳熱性能降低,排煙溫度升高。在電站鍋爐的各種熱損失中,排煙損失占50%以上。影響排煙損失的主要因素是排煙溫度[2],排煙溫度每下降10 K,鍋爐熱效率可提高約1%[3]。燃用煙煤或無煙煤電廠空氣預熱器(以下簡稱“空預器”)出口排煙溫度為120～140 ℃,排煙損失較大[4-8],對機組的安全性及經濟性產生了較大的影響。因此,深度挖掘低溫省煤器節能潛力,提高鍋爐煙氣余熱利用率和節能收益,以徹底解決燃煤鍋爐排煙溫度過高、能耗過大的問題尤為重要[9]。另外,鍋爐煙氣余熱利用是火電機組節能降耗的有效手段,既是節能領域的研究重點[10],也符合國家節能政策[11]。

1 630 MW超臨界機組鍋爐簡況

本文以某630 MW超臨界機組為對象,開展鍋爐煙氣余熱利用的相關研究。鍋爐為東方鍋爐廠制造的DG1900/25.4-Ⅱ 1型超臨界、單爐膛、平衡通風、旋流燃燒器、一次中間再熱、變壓本生直流爐,主要設計參數見表1。

表1 鍋爐主要設計參數

鍋爐制粉系統采用中速磨冷一次風機正壓直吹式,配置6臺型號為HP1003的中速磨煤機。該機組汽輪機是上海汽輪機有限公司生產的一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式汽輪機,型號為 N600-24.2/566/566。設計銘牌出力(TRL)為 600.135 MW,設計閥全開工況(VWO)出力為 677.207 MW,設計熱耗率驗收(THA)工況熱耗率為 7 545 kJ/kWh。

目前該機組運行時間較長,經濟性指標不佳。鍋爐夏季實際排煙溫度可達146 ℃左右,冬季THA工況下排煙溫度為124 ℃左右。機組100%THA負荷工況熱耗率較設計值7 556 kJ/kWh偏高222.18 kJ/kWh;75%THA負荷工況熱耗率較滿負荷工況上升約150 kJ/kWh;50%THA負荷工況熱耗率較滿負荷工況上升約400 kJ/kWh。

2 鍋爐煙氣余熱利用系統

2.1 系統概述

630 MW超臨界機組鍋爐煙氣余熱利用系統采用一種低溫省煤器聯合暖風器的設計方案,具體如圖1所示。在鍋爐空預器出口與電除塵器入口煙道內設置低溫省煤器,空預器進口設置暖風器,低溫省煤器提取的余熱用于加熱凝結水及二次風。

低溫省煤器進口水源分為3個部分:8#低壓加熱器(以下簡稱“低加”)入口,7#低加出口,暖風器水側出口。

不同工況調節各部分抽取的凝結水量,混合后低溫省煤器入口水溫約為75 ℃,經過增壓泵增壓進入低溫省煤器加熱。循環水進入低溫省煤器吸熱后,一部分由6#低加出口引回回熱系統,一部分可進入暖風器加熱一、二次風。暖風器回路吸熱量通過調節其循環泵的轉速或管道閥門開度進行控制,并依靠調節流入的凝結水量來控制最終排煙溫度。低負荷下8#低加入口凝結水溫度較低,為了防止低溫腐蝕,通過提高7#低加出口水混合比例,提高低壓省煤器入口水溫,保證水溫不低于75 ℃。

低溫省煤器安裝于空預器與除塵器之間的4個水平煙道內,采用分組設計,低溫省煤器沿煙氣橫向分為4組,沿煙氣流向分為前后2組,各分組管圈可單獨切除,有利于設備檢修。沿著煙氣流向,低溫省煤器的總體布置采用順列管排逆流布置。煙氣依次沖刷水平布置的蛇形管束,煙氣放熱后進入除塵器。

圖1 低溫省煤器聯合暖風器煙氣余熱利用系統

低溫省煤器聯合暖風器投用模式系統凝結水流程如圖2所示。凝結水分成4路分別進入低溫省煤器,同時在低溫省煤器進出口端各設置1個閥門,以便出現故障時,分別進行檢修和維護。凝結水從低溫省煤器進口集箱進入,依次流經受熱面管束,從低溫省煤器出口集箱流出。由于實現了介質、煙氣的逆向流動,可大大提高傳熱系數。同時在進口端布置空氣吹灰器,保持受熱面的清潔高效,在低溫省煤器下部的煙道布置放灰蝶閥和清洗水閥門,以便及時排出積灰,并在停爐檢修時排出清洗污水。

圖2 低溫省煤器聯合暖風器投用模式系統凝結水流程

當投入暖風器時,低溫省煤器出口的凝結水引出一部分進入二次風暖風器,用于加熱二次風。從二次風暖風器出來的凝結水與8#低加入口和7#低加出口的水混合后,進入增壓水泵增壓后再次進入低壓省煤器加熱。

2.2 設計參數

凝結水的引出口和接入口的選擇,以不影響現有回熱加熱系統的正常運行為前提。根據實際運行狀態進行技術經濟比較和詳細的計算后,可確定凝結水的取水和回水的位置。

根據630 MW超臨界機組額定工況熱平衡分析計算相關熱力參數。經計算,凝結水經過凝結水泵后溫度為35.36 ℃,經過8#低加后溫度為51.09 ℃,經過7#低加后溫度為80.88 ℃,經過6#低加后溫度為100 ℃,經過5#低加后溫度為137.9 ℃,然后進入除氧器。

本系統從8#低加入口和7#低加出口的合適部位分別引出部分凝結水(設計工況需引水700 t/h),混合進入低溫省煤器,凝結水水溫升高至約120 ℃。加熱后的凝結水分成兩路,一路去暖風器加熱二次風,另一路返回到6#低加。進水溫度根據機組負荷及季節情況由調節閥進行調節。

采用燃用實際煤種,在設計工況下,總煙氣標準流量為1 954 143 m3/h,加裝二次風暖風器后,冷風二次溫度由21 ℃加熱至56 ℃。按低溫省煤器入口煙溫153 ℃,出口煙溫104 ℃(計算酸露點溫度為99 ℃)計算,低溫省煤器、暖風器的具體設計參數分別如表2和表3所示。

表2 低溫省煤器設計參數

表3 暖風器設計參數

3 低溫省煤器聯合暖風器系統實際余熱利用效果

對實際機組鍋爐煙氣進行余熱利用改造時,通常需要同時考慮方案的熱經濟和技術經濟指標[12-14],有時也需要判斷方案的污染治理效果,但對余熱利用系統的技術經濟性,最為普遍的計算分析方法是理論計算。在設計工況下,從3個方面測算低溫省煤器聯合暖風器系統投用后的實際余熱利用效果[15-17]。

3.1 二次風風溫升高對鍋爐效率的影響

安裝暖風器后,鍋爐熱二次風風溫升高4～5 K,相當于排煙溫度降低3～4 K。按照鍋爐熱平衡計算,鍋爐效率約提高0.2%,鍋爐效率提高煤耗變化量的計算公式如下

ΔB=Δηgl·B

(1)

式中:ΔB——鍋爐效率提高煤耗變化量,g/kWh;

Δηgl——鍋爐效率提高量;

B——機組發電煤耗,g/kWh。

由式(1)計算,機組發電煤耗為295 g/kWh,對應降低發電煤耗約0.6 g/ kWh。

3.2 低溫省煤器加熱對凝結水節能量的影響

采用本文的余熱利用方案后,可以排擠5#,6#,7#,8#低加回熱抽汽,增加蒸汽在汽輪機內的做功。由等效焓降法的計算方法可知[18-20],當回熱抽汽被排擠時,做功量和汽輪機熱效率的增加量計算公式如下

ΔHj=ΔDj·qj·ηj

(2)

(3)

式中:ΔHj——第j級回熱抽汽被排擠后增加的做功量,kW;

ΔDj——第j級回熱抽汽被排擠的蒸汽量,kg/s;

qj——第j級回熱抽汽在加熱器中的放熱量,kJ/kg;

ηj——第j級回熱抽汽效率;

Δηi——汽輪機熱效率的相對增加量;

η′i——有余熱利用時汽輪機熱效率;

ηi——無余熱利用時汽輪機熱效率;

H——1 kg新蒸汽實際焓降,kJ/kg。

在設計工況下,采用余熱利用后,由式(2)可得機組排擠低加增加的做功量。結果代入式(3)可得余熱回收后汽輪機的熱效率增加至47.71%,可降低發電煤耗1.93 g/kWh。等效焓降法冷凝水節能量計算數據如表4所示。

表4 等效焓降法冷凝水節能量計算數據

3.3 系統阻力對引風機和水泵電耗增加的影響

低溫省煤器投用后將增加煙氣側系統阻力,帶來引風機電耗的增加。投用暖風器后,同樣將增加送風機功耗,但煙氣流量因煙溫降低而略有減小。另外,增壓水泵的運行也會帶來部分電耗,風機軸功率P1和水泵功率P2的計算公式如下

(4)

(5)

式中:Q——風機或水泵流量,m3/h;

p——風機全壓,kg/m2;

g——重力加速度,m/s2;

ηr——風機或水泵傳動裝置效率;

ηb——風機或水泵效率;

H——水泵揚程,m。

根據式(4)和式(5),計算系統的電耗情況,結果如表5所示。

表5 系統電耗計算數據

采用低溫省煤器聯合暖風器煙氣余熱利用方案,用回收的排煙熱量加熱凝結水及二次風,能夠有效降低汽輪機熱耗,提高鍋爐效率,具有良好的經濟性。根據上述分析計算可知,系統投用后將降低發電煤耗約2.424 g/kWh。

4 結 語

燃煤鍋爐排煙溫度高,煙氣量大,對機組的安全性及經濟性都會產生很大的影響。為了降低鍋爐排煙溫度,提高能源利用率,深度回收鍋爐煙氣余熱是一種有效解決問題的方法。針對具有代表性的630 MW超臨界燃煤機組,計算結果證明,采用低溫省煤器聯合暖風器煙氣余熱利用系統的設計方案,能夠顯著降低鍋爐排煙溫度,增強機組運行安全經濟性,具有良好的節能降耗效果。