某600 MW機組煙氣余熱利用經濟性分析

張 卿

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東電力試驗研究院，合肥 230011)

當前火力發電廠鍋爐的各種熱損失中，鍋爐排煙熱損失占比達到一半或以上，燃煤機組空預器出口排煙溫度在130 ℃左右，有些電廠甚至達到160 ℃，排煙熱損失較大。為了減少排煙熱損失，合理利用煙氣余熱，火電行業對煙氣余熱利用開展了廣泛研究[1-4]。

考慮煙氣余熱利用系統的初期投資和正常運行時的機組經濟效益，目前余熱利用主要有以下幾種方式：

1)低溫省煤器系統。此類煙氣余熱利用系統為目前采用最多的系統，此類系統多采用1級或2級受熱面，受熱面安裝在電除塵器入口、脫硫吸收塔入口等位置。回收的熱量用于加熱低壓凝結水。

2)低溫省煤器加暖風器系統。此類低溫省煤器系統煙氣換熱器布置在電除塵器入口，暖風器布置在脫硫吸收塔入口。低溫省煤器主要用來加熱低壓凝結水，暖風器主要采用閉式循環水作為換熱介質來加熱空氣預熱器進口一次風、二次風，該方案在國內也有不少應用。現在還有一些機組采用低參數抽汽來加熱空氣預熱器進風。

3)帶空氣預熱器旁路的余熱多能級利用系統[5-6]。該系統在空氣預熱器旁路中串聯布置加熱高壓給水的高溫省煤器(I級)系統和加熱低壓凝結水的低溫省煤器(Ⅱ級)系統；在空氣預熱器出口煙道設置暖風器系統或低溫省煤器系統，這樣可以實現煙氣熱量的梯級利用。

另外，還有出于環保考慮而要求脫除白色煙羽，因而投用的低低溫煙氣處理系統(Mitsubishi recirculated nonleak type Gas-Gas Heater, MGGH)與低溫省煤器相結合的煙氣余熱利用系統等方案，此處不作贅述。

上述各種系統在新建項目中均有應用，但對于現役機組改造，由于空間等條件限制，應用相對較多的是低溫省煤器方案。

目前針對低溫省煤器的研究，主要集中在提出不同結構的煙氣余熱利用系統方面。本文主要采用等效熱降理論建立計算模型，對煙氣余熱利用系統的熱經濟性進行研究。結合煙氣余熱系統的經濟性計算以及能量梯級利用的思想，本文介紹了一種新的煙氣余熱利用系統，能夠更高效地利用煙氣余熱，實現節能減排的目標。

1 某600 MW機組余熱利用系統介紹

某超臨界600 MW機組鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠采用引進技術生產的HG-1900/25.4-YM4型、一次再熱、π型、變壓運行直流鍋爐。汽輪機采用哈爾濱汽輪機廠制造的CLN600-24.2/566/566型凝汽式汽輪機。

煙氣余熱利用系統見圖1，采用傳統的低溫省煤器系統。低溫省煤器布置在空氣預熱器后、電除塵器前的水平煙道上。1臺爐布置4臺煙氣冷卻器，額定工況下將煙氣溫度由133.3 ℃降至95 ℃。

注：HTR為高壓加熱器

圖1 低溫省煤器汽機側布置圖

煙氣冷卻器工質取自7號低壓加熱器出口，性能保證工況(THA工況)下取水溫度為75 ℃，水回流至6號低壓加熱器入口，回水溫度為101 ℃。為防止直接進入煙氣冷卻器的凝結水水溫偏低，致使管束壁溫過低，產生低溫結露現象，本裝置需在凝結水進出口管路間設置熱水的再循環系統，以保證煙氣冷卻器的進口溫度能達到或超過設計溫度，保證設備安全運行。另外，在機組部分負荷工況運行時，將部分煙氣冷卻器出口的凝結水與入口處較低溫度的凝結水按照一定比例混合，以達到提高煙氣冷卻器入口水溫的目的，這樣可以避免入口水溫較低而引起的機組安全性問題。

2 熱力計算模型

火力發電廠煙氣余熱利用的運行經濟性分析方法，主要為適合于局部經濟性診斷的等效熱降法[7]。等效熱降法是基于熱力學中的熱量轉變為做功量的基本原理，研究熱力系統經濟性的一種方法。

等效熱降法分析的前提條件是已知機組的主蒸汽流量、供鍋爐燃燒的燃料量、熱力循環系統的起始和最終熱力參數，以及回熱系統的參數。當熱力系統中出現任何關乎熱力經濟性的變動時，機組出力和回熱系統中的抽汽份額均會隨之產生變動。根據以上理論分析，可進行局部系統的經濟性診斷分析，得到回熱系統各級的等效熱降和抽汽效率。

等效熱降Hj是單位質量流量抽汽從j號加熱器抽汽口處返回汽輪機的真實做功能力，標志著汽輪機各級抽汽口的蒸汽能級的高低。等效熱降表達式[7]為：

(1)

式中：hj為第j號加熱器抽汽焓，kJ/kg；hn為排汽焓，kJ/kg；r為第j號加熱器后更低壓力抽汽口腳碼；Ar根據加熱器類型，取γr或者τr，如果第j號加熱器為匯集式加熱器，則用τr代替Ar,如果第j號加熱器為疏水自流式加熱器，則對于從第j號加熱器以下直到(包括)匯集式加熱器的部分，用γr代替Ar，γr為疏水在第r號加熱器中放熱量，kJ/kg；τr為凝結水或給水在第r號加熱器中的焓升，kJ/kg；Hr為第r級抽汽的等效焓降，kJ/kg；qr為抽汽在第r號加熱器中的放熱量，kJ/kg。

鍋爐煙氣通過煙氣深度冷卻系統(及低溫省煤器裝置)將余熱熱量輸入到汽輪機的回熱系統加熱器(如j號加熱器)。針對該情況，引入抽汽效率ηj的概念，其表達式為ηj=Hj/qj，物理意義為獲得的功與加入的熱量之比。

在如圖1所示的系統中，分析余熱利用經濟性時，將來自爐側熱量作為純熱量進行處理[8]。假設有熱量Qd通過低溫省煤器進入回熱系統，相對1 kg新蒸汽來說，回熱系統獲得的熱量為：

(2)

式中：D為新蒸汽量，kg/s；DH為凝結水經過低溫省煤器的流量，kg/s；αH為凝結水經過低溫省煤器的流量占新蒸汽量的比例；td1、td2為工質進、出低溫省煤器的焓值，kJ/kg。

按照等效熱降的基本法則，純熱量qd進入回熱系統時，新蒸汽的等效熱降增加量計算式如下：

ΔH=qd×ηj

(3)

投入低溫省煤器后裝置效率的提高值計算式如下：

(4)

式中：δηi為裝置效率。

熱耗率降低量計算式如下：

Δq=qδηi

(5)

式中：q為汽輪機熱耗率，kJ/(kW·h)。

標準煤耗降低量計算式如下：

Δb=bbδηi

(6)

式中：bb為機組標準煤耗率，g/(kW·h)。

3 計算結果分析

采用性能測試數據，對某600 MW機組在出力600 MW、450 MW以及300 MW工況下余熱利用實際運行效果進行計算，計算結果見表1。

表1 熱經濟性計算主要結果

機組在機組功率分別為600 MW、450 MW以及300 MW三種典型工況下熱耗降低值和節煤量計算結果見圖2。

圖2 余熱利用節能效益表

4 煙氣余熱梯級利用方案

上述低溫省煤器系統技術比較成熟，投產后運行穩定，但在煤種不斷變化的條件下，節能效果還有提高的空間。為此，改造時可采用相對復雜、節能量較大的方案，即梯級利用方案，見圖3。此方案采用2級低溫省煤器與暖風器串聯布置的方式。

低溫省煤器布置在空氣預熱器出口與除塵器入口之間的水平煙道處，分2級布置，將5號低加入口設置為回水點。熱媒水在Ⅱ級低溫省煤器處吸熱后，將進入空氣預熱器前的冷二次風加熱到55 ℃左右。這樣可以提高空氣預熱器的冷端溫度，有效緩解空氣預熱器的堵塞。隨后，熱媒水返回I級低溫省煤器，吸熱后回到5號低加入口。低溫省煤器使煙溫降低至95 ℃后，使其進入電除塵器。通過煙氣余熱梯級利用，有效提高了余熱利用效率，增加了節能量。

注：低省為低溫省煤器

圖3 煙氣余熱梯級利用方案

5 結 論

本文通過等效熱降方法，計算了煙氣余熱利用系統熱經濟性，分析了三個典型工況下機組投用低溫省煤器系統時的節能量。通過分析可知，煙氣余熱利用系統在節約能源方面是很有意義的。今后的研究可以朝能量梯級利用方向繼續開展。