1 000 MW燃煤機組鍋爐排煙節能技術的應用

王利敏， 趙賢立， 李延偉

(1. 國家電投集團河南電力有限公司沁陽發電分公司, 河南焦作 454150;2. 上海羲藍節能環保科技有限責任公司, 上海 201100)

國內某新建的大型1 000 MW機組設計要求必須具有高效寬負荷的先進性能，尤其對鍋爐煙氣余熱的深度利用提出了很高要求,即原則上鍋爐排煙的余熱要充分利用，并且將煙氣溫度降低到75 ℃。從理論上分析這些要求很難用簡單方法實現，因為煙氣溫度降低到75 ℃時的熱能品位很低、節能效果差、經濟性低，同時還會因為煙氣溫度過低引發煙氣低溫腐蝕。針對鍋爐排煙余熱的熱能品位較低這一客觀因素，筆者提出了借用暖風器系統，綜合利用汽輪機低壓凝結水的低溫熱源和鍋爐排煙的低溫熱源來提高鍋爐排煙的熱能品位，從而提高煙氣余熱回收利用的價值，達到有效降低機組供電煤耗的目的。

1 鍋爐煙氣余熱回收技術現狀

燃煤電站鍋爐的排煙溫度一般在120～140 ℃,自2009年4月上海外高橋第三發電廠1 000 MW機組將鍋爐排煙溫度通過煙氣余熱回收再降低到90 ℃左右進入脫硫塔的技術改造獲得成功后，在最近10年的時間里，鍋爐煙氣余熱回收、降低機組供電煤耗的節能技術實踐層出不窮，節能效果也各有不同[1-2]，簡單來說主要有一級低溫省煤器系統和兩級串聯低溫省煤器系統。

1.1 一級簡單系統

一級低溫省煤器煙氣余熱回收節能減排系統是一種最簡單的應用比較廣的系統，即在電除塵器煙氣進口的4個水平煙道上安裝了4臺低溫省煤器，低溫省煤器水側引入汽輪機第二級低壓加熱器(簡稱低加)出口的凝結水，加熱后返回第三級低加進口。上海某電廠300 MW機組采用該系統的實際運行數據見表1。

表1 300 MW機組低溫省煤器運行數據

從表1可見：低溫省煤器系統由4臺并聯設置的煙氣余熱回收低溫省煤器組成，煙氣溫度由進口的140 ℃降低到出口的94.4 ℃，低溫省煤器管側流動的水來自汽輪機第二級低加出口的凝結水，通過換熱將凝結水由進口的79 ℃加熱到出口的109 ℃，加熱后的凝結水返回到第三級低加入口再匯入汽輪機熱力系統。

1.2 兩級串聯系統

兩級串聯低溫省煤器煙氣余熱回收節能減排系統是一種比較復雜而應用也較少的一種系統，即由4臺并聯設置的煙氣余熱回收低溫省煤器形成第一級低溫省煤器，布置在電氣除塵器煙氣進口；由2臺并聯布置的低溫省煤器形成第二級低溫省煤器，布置在脫硫塔煙氣進口。這兩級低溫省煤器再串聯運行組成一個完整的煙氣余熱回收利用系統。某電廠1 000 MW機組采用這一系統的實際運行數據見表2。

表2 1 000 MW機組低溫省煤器運行數據 ℃

從表2可見：煙氣溫度由第一級進口的120 ℃左右降低到出口的106 ℃左右，再由第二級低溫省煤器降低到出口100 ℃，低溫省煤器管側流動的水來自汽輪機第7級低加出口的凝結水，通過換熱將凝結水由第二級低溫省煤器進口的84 ℃加熱到出口的88 ℃，再由第一級低溫省煤器加熱到95 ℃，加熱后的凝結水返回到第6級低加入口再匯入汽輪機熱力系統。

這兩種系統都是通過煙氣余熱回收減少汽輪機低加抽汽量來實現降低機組供電煤耗的目的。經性能考核試驗證明，這種煙氣余熱回收利用方法的節煤效果基本上可以降低機組供電煤耗1～2 g/(kW·h)，滿足不了1 000 MW機組高效寬負荷的設計需要。

2 鍋爐煙氣余熱回收新技術

2.1 鍋爐運行概況

該1 000 MW燃煤火電機組的鍋爐各工況下的排煙溫度設計值見表3。從表3可見：鍋爐排煙溫度比較低，尤其在低負荷運行工況，如40%THA工況，鍋爐排煙溫度只有101.9 ℃。

表3 排煙溫度設計值 ℃

當機組在冬季運行時,如果環境溫度在-5 ℃、機組負荷為40%THA時，鍋爐排煙溫度再降低到80 ℃，所回收的煙氣余熱也不足以將鍋爐一次風和二次風加熱到鍋爐設計要求的進風溫度，所以要綜合考慮利用汽輪機低溫熱源和鍋爐排煙余熱回收的低溫熱源[1-3]。

結合鍋爐排煙溫度比較低和我國北方冬季比較寒冷的氣候特點，筆者提出了鍋爐排煙節能新技術[4-5]：利用部分汽輪機低壓凝結水作為鍋爐暖風器熱源，與低溫省煤器配合共同提高鍋爐排煙的熱能品位，既有利于提高煙氣余熱回收的節煤效益，又有利于防止煙氣低溫腐蝕，從而提高空氣預熱器的運行安全性。

2.2 新技術的熱力系統

鍋爐排煙節能減排新技術熱力系統見圖1。

圖1 新技術的熱力系統圖和設計參數

從圖1可見：鍋爐排煙節能新技術由兩級低溫省煤器系統組成。第一級低溫省煤器系統由前段和后段串聯組成,分別布置于引風機的進口和出口煙道里;在第一級低溫省煤器中，煙氣溫度由140 ℃降低到95 ℃,凝結水由70 ℃提高到120 ℃返回6號低加進口。第二級低溫省煤器系統由二級低溫省煤器和二次風暖風器組成，二級低溫省煤器布置于脫硫塔進口的水平煙道里，二次風暖風器布置于送風機出口至鍋爐空氣預熱器二次風進口之間的風道里；在第二級低溫省煤器系統中,煙氣溫度由95 ℃降低到75 ℃進入脫硫塔,凝結水由65 ℃提高到80 ℃進入二次風暖風器，在二次風暖風器里，凝結水溫度由80 ℃降低到53 ℃返回9號低加進口，二次風由25 ℃提高到70 ℃進入空氣預熱器。

2.3 新系統設計思路的特點

(1) 將鍋爐排煙溫度由118 ℃提高到140 ℃，提高了煙氣余熱的熱能品位，從而有效提高煙氣余熱回收利用的節煤效果，據汽輪機廠家計算，可以降低機組供電煤耗3 g/(kW·h)以上。 熱能品位的變化數據見表4。

表4 熱能品位變化數據表

另外進入第二級低溫省煤器的來自9號低加出口的凝結水溫度為65 ℃，從暖風器出口的凝結水溫度為53 ℃，返回9號低加進口，這樣增加了9號低加的加熱抽汽流量；這部分凝結水將9號低加抽汽的低溫熱量用于提高第一級低溫省煤器回收的煙氣余熱的品位和量值。

由于暖風器的作用使得第一級低溫省煤器進口煙氣溫度升高，出口水溫相應提高，加熱后的凝結水進入6號低加，減少了6號低加的抽汽流量。

(2)第二級低溫省煤器系統內的二次風暖風器將二次風溫度由25 ℃提高到70 ℃進入鍋爐空氣預熱器，使得鍋爐空氣預熱器的冷端運行金屬壁溫高于100 ℃[6-7]，完全避免了空氣預熱器的冷端低溫腐蝕，提高了鍋爐運行的安全性。

(3)第二級低溫省煤器出口煙氣溫度低于80 ℃進入脫硫塔,能有效減少脫硫塔水耗量,有效降低脫硫塔內煙氣脫硫的飽和工作溫度,從而有效減少脫硫后的煙氣水蒸氣含量,減輕了煙囪煙氣冒白煙現象。

2.4 新系統設計思路的正確性

鍋爐效率的計算有正平衡法和反平衡法兩種方法。

正平衡法就是計算鍋爐有效吸熱量和輸入熱量的比值。鍋爐有效吸熱量是指鍋爐進水加熱、汽化、過熱、再熱的所有吸熱量,輸入熱量是指煤種發熱量和空氣帶進的熱量之和。鍋爐排煙余熱回收不影響鍋爐的有效吸熱量和煤種的發熱量，但由于加熱進爐二次風影響空氣帶進爐膛的熱量，由于燃煤量難以計量，所以一般不用正平衡法計算鍋爐效率。

反平衡法的計算公式為：

η反=100-q2-q3-q4-q5-q6

(1)

q2=(Ipy-αI0k)(100-q4)/Qr

(2)

式中：η反為反平衡法計算的鍋爐效率；q2為鍋爐排煙熱損失；q3為化學不完全燃燒熱損失；q4為機械不完全燃燒熱損失；q5為爐墻散熱熱損失；q6為其他熱損失；Ipy為排煙焓；α為過量空氣系數；I0k為進爐空氣焓；Qr為鍋爐輸入熱量。

公式(1)中，等式右邊只有鍋爐排煙熱損失q2一項有所變化，q2的變化從公式(2)可見，主要是排煙焓Ipy和進爐空氣焓I0k的變化，從表1和圖1所列數據可見，鍋爐排煙溫度由118 ℃提高到140 ℃，提高了22 K，二次風進風溫度由25 ℃提高到70 ℃，提高了45 K，如果進行完整的熱力計算，就會發現這兩個數據都變大了，但(Ipy-αI0k)項變化不大，略有減小，再考慮Qr略有變大，所以q2鍋爐排煙熱損失的變化不大，略有減小。

由于加裝了暖風器系統從而提高了鍋爐排煙的熱能品位,盡管鍋爐進風溫度和排煙溫度均有所提高,但鍋爐效率基本不變。

3 運行實踐

新技術的熱力系統應用于該1 000 MW機組，于2018年底投運，系統負荷為50%THA時的運行參數見表5。

表5 新技術的運行參數 ℃

從表5可見：二次風暖風器進風溫度為9 ℃左右，基本屬于冬季工況，二次風暖風器出風溫度為63 ℃左右，暖風器溫升54 K左右；第一級低溫省煤器煙氣進、出口溫度分別為120 ℃、85 ℃，凝結水進、出口溫度分別為76 ℃、112.3 ℃；第二級低溫省煤器煙氣進、出口溫度分別為85 ℃、77 ℃，凝結水進、出口溫度分別為68. ℃、81 ℃；第二級低溫省煤器系統凝結水進口溫度為66 ℃左右，26 ℃左右返回汽輪機低壓凝結水系統。

表5所列運行數據基本達到了系統設計之初確定的設計要求。由于機組運行負荷較低，環境溫度也較低，所以從汽輪機低壓凝結水系統輸出到鍋爐進風的低溫熱量比設計數值大了很多，由于這部分熱量來自汽輪機第九級低加，相對熱能品位很低，通過暖風器將熱量轉移給鍋爐進風使得鍋爐排煙溫度升高，第一級低溫省煤器回收的煙氣余熱減少了汽輪機第六級低加的蒸汽消耗量，所以節能效果得到了有效提高。

4 結語

(1) 筆者提出的鍋爐排煙節能新技術有效提高了鍋爐排煙的熱能品位，從而也達到了鍋爐煙氣余熱回收的節能效果，將煙氣余熱回收降低機組供電煤耗的效果由1～2 g/(kW·h)提高到了3 g/(kW·h)以上。

(2) 由于空氣預熱器的進口風溫和出口煙氣溫度同時提高，從而將鍋爐空氣預熱器的冷端金屬壁溫由70 ℃左右提高到了100 ℃左右，有效避免了煙氣低溫腐蝕，提高了鍋爐運行的安全性。

(3) 第二級低溫省煤器出口煙氣溫度77 ℃進入脫硫塔,減少了脫硫塔水耗量,降低了脫硫塔內煙氣脫硫的飽和工作溫度,從而有效減少了脫硫后的煙氣水蒸氣含量,減輕了煙囪煙氣冒白煙現象。