燃煤鍋爐煙氣余熱回收與節能分析

劉婷婷

(晉能控股煤業集團云崗礦水暖隊，山西 大同 037017)

引 言

山西大同某發電站位于山西省大同市云岡區塔山工業園區，成立于2015年8月4日，占地190 770 m2。針對該公司一臺660 MW超臨界電站鍋爐的特點為其設計低溫省煤器，實現余熱回收與節能的目的。該電站鍋爐的熱效率比較高，都在90%以上，鍋爐尾部排煙溫度比較低，都在150 ℃左右。

1 技術要求和技術規范

該工程鍋爐是1臺660 MW超臨界燃煤發電機組的鍋爐設備，尾部煙氣的流程為：爐膛出口的尾部煙氣-脫硝SCR反應器-空氣預熱器-除塵器-引風機-脫硫吸收塔-煙囪。

低溫余熱回收省煤器將安裝在空氣預熱器和電除塵器之間的煙道上，共有4個并列煙道，煙道的截面尺寸為4 800 mm×4 200 mm，可利用的煙道長度約為10 m。煙道接近地面，呈水平放置。

鍋爐容量和主要參數為：主蒸汽溫度為571 ℃，最大連續蒸發量(BMCR)為2 070 t/h，最終與汽輪機的VWO工況相匹配。在不同的發電負荷下排煙溫度的變化見表1所示。

表1 不同發電負荷下的排煙溫度

省煤器的給水引自凝結水系統，屬于煙氣加熱給水的低溫省煤器。為了防止露點腐蝕，換熱設備的低溫段采用ND鋼(09 CrCuSb)，ND鋼使用量不低于換熱面總質量的50%。

每套煙氣余熱回收裝置必須配置有效的檢漏措施；換熱器需要進行分組設計和制造，當其中一組出現泄漏需要維修時，能退出余熱回收裝置，不影響其他分區的正常運行[1-3]。

在每個煙氣的入口和出口處應合理布置適當數量的煙氣溫度測點、管道泄漏在線監測裝置。水側應合理設計，以滿足傳熱和阻力的要求。應考慮設置增壓泵并使用變頻調節來控制總流量。

2 技術數據

在鍋爐的煙氣總流量中，有并列4個進入除塵器的排出煙道，在每個煙道上安裝一臺低溫省煤器，每臺省煤器的設計條件和結構完全相同[4]。熱平衡計算的參數見第175頁表2所示。

表2 熱平衡計算參數表

3 環形翅片管省煤器設計方案

該方案特點：煙氣在水平煙道內流動，無須改變煙道方向。因環形翅片管排列緊密，換熱系數高，可使結構緊湊，總質量減少，成本較低。程序計算結果如下：

3.1 設計參數/單臺

煙氣流量：785 340 kg/h；煙氣入口溫度：140 ℃；煙氣出口溫度：95 ℃；水流量：308 526.4 kg/h；水入口溫度：70 ℃；水出口溫度：100 ℃；換熱量：10 798.4 kW。

3.2 翅片管規格

整體軋制環形翅片管，碳鋼/ND鋼。光管外徑：42 mm；光管內徑：32 mm翅片厚度：1.2 mm；翅片節距：8 mm翅片高度：15 mm；翅化比：6.2。

3.3 傳熱計算結果

迎風面質量流速：4.81 kg/m2·s；最窄面質量流速：10.0 kg/m2·s；翅片效率：0.73；翅片管外換熱系數：91.7 W/m2·℃；基管外換熱系數：435.8 W/m2·℃；單管程管子數：114支；管內換熱系數：6 127.5 W/m2·℃；傳熱系數：310.8 W/m2·℃；傳熱溫差：28.7 ℃；計算傳熱面積：1 210.6 m2。

3.4 換熱器結構

迎風面積：45.325 m2；翅片管長度：8.75 m，迎風面寬度：5.18 m；翅片管橫向管間距：0.09 m；翅片管橫向管排數：57排；翅片管縱向管排數：20排；翅片管總數：1 140支；實取傳熱面積：1 331.7 m2；煙氣流動阻力：884.5 Pa；單排翅片管流動阻力：44.2 Pa。

3.5 質量和造價

單支翅片管質量：73.298 kg/支；單臺翅片管總質量：83 559.72 kg；單臺設備總質量(約)：133 695 kg/臺4臺設備總質量：534.8 t。

4 經濟性分析

4.1 工程投資

換熱器造價2.0萬元/t；4臺省煤器總質量534.8 t；4臺省煤器造價1 069.6萬元；4臺設備售價1 400萬元；現場改造費用約100萬元；不可預見費用100萬元；總投資1 600萬元。

4.2 投資效果

總回收熱量Q=43 192 kW；煤的低熱值Qdw=13 840 kJ/kg；鍋爐總熱效率m=0.9 251；每秒節煤量43 192 kg，每小時節煤量12 132 kg；每小時滿負荷發電量66 000 kW·h；1 h內，每度電節煤量18.4 g煤炭。因為燃燒的是褐煤，熱值很低，所以節煤量較大。

4.3 投資回收期

每天節煤量291.168 t；設每噸煤價為200元，每天收益為58 233.6元。設每天運行成本為3 000元，每天凈收益為5.52萬元。

投資回收期=總投資/每天凈收益=1 600萬/5.53萬/d=289 d說明工程總投資不到1年即可回收。

5 省煤器結構簡圖

省煤器結構如圖1所示，縱向5組管屏，每管屏由2個管程，4排管組成，每管屏的翅片管總數為4×57支。

圖1 省煤器的組合結構示意圖

圖中的尺寸大約為：A=0.6 m，B=5.8 m，C=9.2 m。各管屏的翅片管材質：從煙氣人口：1、2、3管屏為20 g碳鋼，45管屏為ND鋼。

結構設計的特殊要求：因為采用了分體式結構，省煤器由幾個獨立的管屏組成，但在運行時各管屏必須精密地結合在一起，因而在設計和安裝時要給予特殊的考量：1) 安裝時，各管屏之間要用易拆卸結構加以固定，管屏之間的安裝間隙要填入耐熱巖棉或其他柔軟的耐熱材料；2) 管屏之間的進出水管安排在管箱上部，兩管屏之間的連接水管要采用易拆卸可伸縮結構；3) 在管屏之間可以安裝測溫器或吹灰器；4) 每個管屏上方應設有吊裝掛鉤，以方便安裝和維修[5-6]。

6 結論

上述設計參數是在用戶的招標文件中提出的，設計發現，低溫省煤器的傳熱面積過大，縱向管排數過多，共20排，需要5組管屏，制造成本較高。經過協商，決定修改設計參數：將原來的煙氣進出口溫度：140 ℃～95 ℃修改為140 ℃～105 ℃，水的入口、出口溫度和其他參數不變。

綜上所述，對低溫排煙的余熱回收，不宜追求過高的余熱回收量和過高的余熱回收效率，否則將使工程的經濟性大幅下降，不利于余熱回收項目的實行和推廣。