電站鍋爐低溫省煤器的方案設想及必要性研究*

宋偉峰，余建軍

（1.中山粵海能源有限公司，廣東中山 528429；2.華南理工大學工商管理學院，廣州 510640）

0 引言

國內(nèi)對于低溫省煤器的研究，有的從最佳設計數(shù)學模型、機組經(jīng)濟性變化和最佳焓升分配3個方面進行了研究，提出了多流量低溫省煤器，建立了基于回熱加熱器變工況的機組經(jīng)濟性計算數(shù)學模型以及基于低溫省煤器回熱系統(tǒng)的最佳焓升分配數(shù)學模型[1]。比較發(fā)現(xiàn)低溫省煤器在清除潮濕積灰及經(jīng)濟性，在理論上都是可行的[2]，計算表明制造新型低溫省煤器并且應用于電站鍋爐，在經(jīng)濟上是合算的[3]，尤其在1 000 MW機組低溫省煤器的效益非常巨大[4]。例如，某320 MW機組鍋爐加裝低溫省煤器后汽輪機熱耗率下降40.3 kJ/(kW·h)，機組供電煤耗降低1.425 g/(kW·h)[5]；某660 MW超超臨界機組用等效焓降法對低溫省煤器的節(jié)能效果進行計算分析表明，發(fā)電煤耗降低2.33 g/(kW·h)；與國內(nèi)同類型采用回轉再生式原煙氣/凈煙氣換熱器的機組相比，引風機比壓能下降約1 000 Nm/kg[6]。另外，研究中也發(fā)現(xiàn)當?shù)蛪菏∶浩鞯乃髁孔兓瘯r，存在一個使得經(jīng)濟性達到最大值的一個最優(yōu)的低壓省煤器的水流量[7]。

增設低溫省煤器實現(xiàn)了排煙余熱的梯級利用，節(jié)能效果顯著，已被國內(nèi)外許多電廠所證明，但是，某公司投產(chǎn)5年后低溫省煤器一直處于停用狀態(tài)，為驗證鍋爐采用低溫省煤器的必要性，以及以后對提高機組熱效率和降低煤耗的影響，本文重新對該公司電站鍋爐低溫省煤器進行了方案設想及必要性探討。

1 低溫省煤器方案

某公司2臺300 MW機組，鍋爐設計煤種為煙煤。亞臨界參數(shù)自然循環(huán)汽包爐。采用單爐膛，π型露天島式布置，四角切圓燃燒，一次中間再熱，平衡通風，固態(tài)排渣，全鋼架，全懸吊結構，同步裝設SCR煙氣脫硝裝置。過熱蒸汽為額定蒸發(fā)量1 105 t/h，出口蒸汽壓力17.44 MPa.g，出口蒸汽溫度542℃；再熱蒸汽為蒸汽流量884.4 t/h，進/出口蒸汽壓力3.82/3.63 MPa.g，進/出口蒸汽溫度328/542℃，給水溫度282℃。

1.1 煙氣側系統(tǒng)設計

煙氣側系統(tǒng)設計如下。

（1）方案1：低溫省煤器布置于空預器與除塵器之間。

優(yōu)點是降低煙氣溫度后，煙氣流量相應減少，可以適當減少煙氣比電阻，提高除塵器效率；電除塵器的電耗有所降低；引風機的運行功耗變化不大。

缺點是煙氣流速高，加上飛灰濃度高，容易對低溫省煤器的換熱元件造成磨損，影響機組安全運行；換熱器積灰嚴重；若換熱器管排設置不合理，缺乏運行經(jīng)驗時，易造成換熱器堵灰，使煙氣系統(tǒng)的阻力增加、換熱器換熱效率降低、積灰處腐蝕等。

（2）方案2：低溫省煤器布置于引風機與脫硫系統(tǒng)之間。

優(yōu)點是引風機出口煙道中心較低，換熱器可以布置在地面，便于運行維護；可以充分利用引風機對煙氣的壓縮溫升。

缺點是換熱器及其前后異型件的阻力較大，布置在引風機出口，不利于引風機穩(wěn)定運行，容易造成振動；根據(jù)目前全廠方案布置，引風機出口無法布置換熱器。引風機入口的煙氣溫度和流量并無降低，引風機克服換熱器阻力增加的電功率會增加；進入除塵器的煙氣溫度并未降低，除塵器電耗并未減少。

綜上所述，方案1可以適當提高除塵器效率，降低電耗，但換熱器本身容易磨損、積灰和堵灰，對運行控制要求較高；方案2即低溫省煤器布置在引風機與脫硫系統(tǒng)之間，盡管可以部分利用引風機的壓縮溫升，但就本工程而言，結合運行維護及布置方案，必需擴大廠用地，故不考慮。故從技術角度采用方案1，并據(jù)此進行詳細分析。此時低溫省煤器的入口煙氣參數(shù)如表1所示。

表1 低溫省煤器入口煙氣參數(shù)

1.2 煙氣酸露點

在低溫省煤器的實際應用中，排煙溫度過低會使換熱器的低溫受熱面壁溫低于酸露點，引起受熱面金屬的嚴重腐蝕，危及鍋爐運行安全。

將本工程設計煤質(zhì)的數(shù)據(jù)代入以上公式中，得出煙氣酸露點數(shù)值。事實上，煙氣露點溫度是由煙氣中H2O和SO3的含量決定的，但影響SO3生成的因素有很多，一般皆由試驗取得或通過實驗加上理論推導等方法確定。目前本文依據(jù)公式推導出的煙氣酸露點會較實際數(shù)值偏高。本工程設計煤質(zhì)煙氣酸露點計算如表2所示。由表可以看出，酸露點溫度比較低，若長期燃用，則不宜設計低溫省煤器。

表2 工程設計煤質(zhì)煙氣酸露點計算

1.3 水側凝結水系統(tǒng)設計

低溫省煤器水側凝結水系統(tǒng)的設計直接影響到其運行的可靠性和經(jīng)濟性。水側進水溫度不宜太低或太高。根據(jù)東鍋提供的熱平衡圖，低溫省煤器水側入口接入點宜選取7號低加出口。凝結水經(jīng)低溫省煤器加熱后再接至6號低加入口。由于利用了部分煙氣熱量，故可以節(jié)約部分6抽汽量，從而增加汽輪機組的出力。

2 低溫省煤器選型結果

結合表1～2及熱平衡圖，當機組運行在額定供熱工況負荷左右時，煙氣溫度為123℃，進口凝結水溫為69.2℃，基本可以保證低溫省煤器絕大部分受熱面工作在酸露點溫度（95.31℃）以上，可以滿足設備安全運行需求。當機組運行在75%THA負荷左右時，煙氣溫度與凝結水溫度均下降，此時低溫省煤器有較多部分的受熱面會出現(xiàn)結露現(xiàn)象，此工況若長期運行，對于設備耐酸性能要求較高，若選用一般管材，則會降低設備壽命，而若采用耐酸管材，則設備初投資增加較多。當機組運行在50%THA負荷及以下時，低溫省煤器結露和腐蝕情況會更嚴重。暫取低溫省煤器換熱效率為96%，初步計算數(shù)據(jù)如表3所示。

3 采用低溫省煤器的經(jīng)濟性分析

3.1 經(jīng)濟性比較方法

在總調(diào)度電量一定的情況下，通過計算2種方案因上網(wǎng)電量不同所產(chǎn)生的差額收入，以計及資金時間價值的動態(tài)理論，計算投資差額回收年限n，采用公式：

式中：ΔZ為投資額；ΔC為年差額收益；i為基準收益率；n為差額回收年限；(A/P，i，n)為等額分付資金回收系數(shù)。

表3 低溫省煤器選型結果（單臺機組）

3.2 經(jīng)濟性比較輸入數(shù)據(jù)

3.2.1 經(jīng)濟性比較邊界條件標煤價格為950元/t；電廠基準收益率為8%；機組年利用小時數(shù)5 000 h。

3.2.2 初投資（ΔZ）

每臺機組低溫省煤器本體造價約為500萬元（含吹灰裝置）；（2）低溫省煤器的土建費用（含安裝）約為100萬元；（3）需增加水側的凝結水管道、調(diào)節(jié)閥及其他閥門、管道支吊架材料的費用初步估計為60萬元。

故采用低溫省煤器后的ΔZ=660萬元。

3.2.3 年利潤差額（ΔC）

（1）增設低溫省煤器的正面運行效益：提高了凝結水溫，節(jié)約了7段抽汽量，從而提高汽輪發(fā)電機組出力；降低脫硫系統(tǒng)入口煙溫，從而節(jié)約水量，節(jié)約脫硫系統(tǒng)工藝水泵運行軸功率。

（2）增設低溫省煤器的負面運行效益：增加了煙氣側阻力，從而提高引風機運行功耗，增加了水側阻力，從而凝結水泵運行功耗率；低溫省煤器約每10年需要更換冷段受熱面，加上每年安裝運行維護費用，折合至每年分別約需50萬元運行維護費用。

增設低溫省煤器后的年運行收益核算（單臺機組）如表4所示。由表可以看出，設置低溫省煤器后，煙氣側需增加風機的總電功率約98.8 kW，水側需增加凝結水電功率約85.2 kW。供電標煤耗為272.17 g/(kW·h)，降低了1.01 g/(kW·h)。綜合考慮，增設低溫省煤器后，會增加約90.7萬元的年運行收益，即ΔC=90.7。

表4 增設低溫省煤器后的年運行收益核算（單臺機組）

3.3 經(jīng)濟性計算結果

將計算結果代入公式ΔC=ΔZ(A/P，i，n)，得出投資差額回收年限n=11.3年，時間較長。而且，上述計算是基于THA運行工況進行的，若考慮不同負荷的運行工況，回收年限會進一步加長，因此本工程設置低溫省煤器并無明顯的經(jīng)濟效益。

4 結果分析與討論

結果分析與討論如下。

（1）本工程設置低溫省煤器后，供電標煤耗有所降低，但通過經(jīng)濟性計算得出，設置低溫省煤器后的動態(tài)反而增加年投資成本。

（2）以上對經(jīng)濟性計算基于額定供熱工況。若考慮不同負荷的運行工況，增設低溫省煤器后的年度投資會進一步增加，因此不宜采用低溫省煤器。

（3）在75%負荷及以下，低溫省煤器結露現(xiàn)象相對嚴重，換熱效率也會下降。

（4）以上對低溫省煤器經(jīng)濟性核算均按照脫硫系統(tǒng)不設置GGH進行，若脫硫系統(tǒng)需要設置GGH，則設置低溫省煤器幾乎無運行效益，不宜設置。

（5）本工程設計煤種含硫率較高，致使煙氣酸露點較高，不宜采用低溫省煤器。

（6）該計算基于鍋爐廠提供的排煙溫度進行的，電廠后期若出現(xiàn)排煙溫度增加很多，則設置低溫省煤器有優(yōu)勢。

5 投產(chǎn)運行情況

出于其他方面的原因，某公司最后還是采用了低溫省煤器，布置采用方案1。在機組運行3年后，排煙溫度一直偏低，空預器出口側出現(xiàn)不同程度的腐蝕，運行中低溫省煤器直接切除了水側凝結水系統(tǒng)，只是作為一個煙氣通道。此時低溫省煤器已經(jīng)完全失去作用。

6 結束語

本文的研究結果表明，對于是否采用被賦予具有節(jié)能創(chuàng)新的低溫省煤器要持謹慎的態(tài)度，特別是新建項目，對于設置低溫省煤器更要結合實際進行深入論證。設置低溫省煤器意味著設計、采購、施工全過程的投資增加，且又增大了運行中的系統(tǒng)阻力，而在當今鍋爐設計逐漸成熟的環(huán)境下，排煙溫度設計都不太高，隨著電廠運行日趨自動化，后期運行中，在受熱面不出現(xiàn)大面積結渣的情況下，排煙溫度不會升高太多。而且，低溫省煤器在煙風環(huán)境中長期運行，不可避免被磨穿造成泄漏，從而增加運行風險及維護成本。