燃煤機組煙氣余熱及水協同回收系統結構參數優化研究

張鈞泰，張國柱，楊凱旋，劉 明

(1.大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097;2.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，西安 陜西 710049)

燃煤發電仍是我國電力生產的主要形式，提高燃煤電站效率及運行靈活性，減少污染物排放以及資源消耗是燃煤電站長期關注的問題，對燃煤電站煙氣進行余熱及水回收具有重要意義[1]。煙氣余熱及水回收是通過冷卻鍋爐排煙回收煙氣中的余熱和水分的技術，是提高燃煤發電運行效率、降低燃煤電站水耗的有效手段。

電站鍋爐在空預器之后增加煙氣換熱器是回收低溫煙氣余熱的普遍措施，包括低溫省煤器[2-9]、水媒式煙氣加熱器系統(MGGH系統)[10-13]等。低溫省煤器技術是由西安交通大學20世紀80年代林萬超教授提出低溫省煤器技術，并利用等效熱降理論對低溫省煤器系統的熱經濟性進行了深入的分析計算[14-15]。后續有許多學者針對低溫省煤器開展研究，包括設備的設計參數優化[16]、鰭片尺寸優化[17]、變工況運行[18]等，在我國火電廠已有大量運用，除此之外，也有學者對新的煙氣余熱回收形式開展研究[19]；MGGH技術由日本興起，在我國許多電站也有應用[20-21]，目前煙氣余熱利用形成相對完整的理論體系，對降低機組煤耗具有很大的價值。

燃煤電站的煙氣水回收多開展脫硫系統運行的改進[22]或者采用煙氣換熱器冷凝、吸收[23-25]，不僅可以回收煙氣中水分，也可以減少電站的“白煙”現象[26]。降低煙氣溫度可以有效進行煙氣水回收，當脫硫塔出口煙氣溫度降低5 ℃時，回收水81.4 t/h，可節約脫硫塔用水量44.8%[27]。也有學者對煙氣冷凝器的換熱性能及經濟性進行分析[22,24]，Wang等[28]對一種旋轉式蓄熱煙氣冷凝器進行研究，發現該種換熱器結構相比于需要冷卻塔的氟塑料換熱器經濟性更好，同時分析了多種材質的換熱器，發現碳化硅陶瓷材質的換熱效率較高。

目前，燃煤電站煙氣余熱與水回收多為獨立的研究，缺少對燃煤機組煙氣余熱與水回收的統籌考慮，同時，由于環境溫度的變化及機組負荷變化，進入電除塵器的煙氣溫度可能會過低，換熱器及電除塵器可能發生低溫腐蝕，影響系統的安全運行。本文基于某330 MW燃煤電站提出一種煙氣余熱及水回收系統，并對系統的結構參數進行分析，分析換熱器面積及冷凝水質量流量對系統運行的影響，為系統的變工況運行調控提供指導。

1 煙氣余熱及水回收系統

1.1 案例機組參數匯總

案例機組為某330 MW一次再熱空冷燃煤機組。新蒸汽溫度、質量流量和壓力分別為538 ℃、286.4 kg/s和16.67 MPa。鍋爐配備2臺雙室4電場電除塵器，采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統。發電機效率和機械效率均為99%。其他參數見表1。在案例機組中，電除塵器入口的煙氣溫度為150 ℃。燃煤組分和熱值見表2。

表1 案例機組部分參數

表2 燃煤組分及熱值

1.2 系統構型

煙氣水回收與余熱利用系統(以下簡稱：系統)在電除塵器和空預器之間布置低溫省煤器和煙氣冷卻器，在脫硫塔之后布置煙氣冷凝器和煙氣再熱器。煙氣冷卻器熱負荷與煙氣再熱器構成煙氣再熱系統，利用煙氣再熱系統低煙氣補熱，滿足電站煙氣排放標準，在滿足煙氣冷卻器熱負荷的同時，低溫省煤器將熱量回收利用至汽輪機回熱系統，煙氣通過煙氣冷凝器降低煙氣溫度進而降低水蒸氣含量，然后通過煙氣加熱器再熱煙氣，達到排放溫度、減少對煙囪的腐蝕及濕煙羽的視覺污染。

系統圖如圖1所示。以該330 MW機組的余熱回收系統為研究對象，依托該機組的參數建立相應的理論分析模型進行系統的結構參數分析研究。

圖1 煙氣余熱及水回收系統

1.3 系統計算模型

對于低溫省煤器、煙氣冷卻器、煙氣再熱器和暖風器，換熱器系統中的工質均為煙氣、空氣或水，且工質均無相變，各換熱器熱負荷Qi為

Qi=mi·(hi,h-hi,l)

式中hi,h——第i個換熱器高溫側進口工質比焓/kJ·kg-1；

hi,l——i個換熱器高溫側出口工質比焓/kJ·kg-1；

mi——第i個換熱器進出口質量流量/kg·s-1。

對于煙氣冷凝器，煙氣進行相變換熱，且由于煙氣冷凝出口煙氣質量減少，其換熱器熱負荷Qf為

Qf=mf,in·hf,in-mf,out·hf,out-mcond·hcond

式中hf,in——換熱器高溫側進口煙氣比焓/kJ·kg-1；

hf,out——換熱器高溫側出口煙氣比焓/kJ·kg-1；

hcond——回收冷凝水比焓/kJ·kg-1；

mf,in——換熱器進口煙氣質量流量/kg·s-1；

mf,out——換熱器出口煙氣質量流量/kg·s-1；

mcond——回收冷凝水質量流量/kg·s-1。

為提高換熱效果均采用逆流布置，則其對數平均傳熱溫差Δti,m為

上述公式中Δti,in及Δti,out分別為換熱器的進、出口處兩股換熱工質的溫差。

凝結水回收質量流量mcond為

mcond=rH2O,in·mf,in-rH2O,out·mf,out

式中rH2O,in——煙氣冷凝器入口H2O質量分數;

mf,in——煙氣冷凝器入口煙氣質量流量/kg·s-1;

rH2O,out——煙氣冷凝器出口H2O質量分數;

mf,out——煙氣冷凝器出口煙氣質量流量/kg·s-1。

換熱器面積為Ai為

式中Ki——第i級換熱器換熱系數/W·m-2·K-1。

換熱器投資支出主要受換熱面積的影響，換熱面積越大，投資也越大。第i級換熱器的成本Si為

Si=ai·Ai

式中ai——第i級換熱器單位面積成本/元·m-2。

循環水泵耗功N計算如下

N=(mf,p·ΔP/ρ)/η

式中mf,p——循環水質量流量/kg·s-1；

ΔP——水泵進出口循環水壓力差/Pa；

ρ——循環水密度/kg·m-3；

η——循環水泵效率/%。

系統靜態回收年限SRP計算如下

式中 Δb——系統節煤率/g·(kWh)-1，根據等效熱降法[15]計算，其主要跟回收余熱負荷及品味有關，同時也放映了系統的性能；

Fc——標煤價格/元·t-1；

Ne——機組輸出功率/MW；

msave——系統節水質量流量/kg·s-1，與mcond計算相似；

Fw——工業用水價格/元·kg-1；

Tu——機組年運行小時/h·年-1。

2 系統運行特性分析

進入除塵器的煙氣溫度由150 ℃降低至95 ℃，脫硫塔出口煙氣溫度由52.1 ℃降低至48.7 ℃，脫硫塔出口煙氣含水量由13.52%降低至11.43%，當脫硫塔之后的煙氣進一步被冷卻，煙氣含水量降低至8.5%。低溫省煤器利用17.64 MW熱量至汽輪機回熱系統，煙氣冷卻器利用6.96 MW熱量至煙氣再熱器，將煙氣冷凝器之后的煙氣升溫15 ℃，降低對煙囪的低溫腐蝕。低溫省煤器投資586萬元，煙氣冷卻器投資206萬元，煙氣冷凝器投資1 766萬元，煙氣再熱器投資303萬元，循環水泵投資30萬元，其中煙氣冷凝器投資占總投資約60%，系統的性能如表3所示。

表3 系統性能參數

環境溫度或機組負荷降低會降低系統性能，并降低進入電除塵器煙氣排煙溫度，可能會引起低溫腐蝕，影響系統的安全運行。本節主要分析低溫省煤器、煙氣冷卻器及煙氣再熱器等設備部分結構參數及運行參數對系統的影響。

2.1 煙氣冷卻器面積的影響

煙氣冷卻器面積100%為設計工況，如圖2所示，隨著煙氣冷卻器面積的減小，進入電除塵器煙氣溫度有所增加，但是煙氣再熱系統循環水溫度和煙氣再熱器出口排煙溫度有所降低。煙氣冷卻器面積降低至50%，進入電除塵器煙氣溫度提升約3 ℃，煙氣再熱系統循環水溫度降低約7 ℃。低溫省煤器出口凝結水溫度不隨煙氣冷卻器面積變化而變化，回收余熱負荷及品味保持不變，系統節煤率也不變化，如圖3所示。

圖2 系統部分狀態點溫度隨煙氣冷卻器面積變化

圖3 節煤率隨煙氣冷卻器面積變化

2.2 煙氣再熱器面積的影響

煙氣再熱器面積為100%為設計工況，如圖4所示，降低煙氣再熱器面積會降低煙氣再熱器出口排煙溫度，煙氣再熱系統循環水溫度和進入電除塵器煙氣溫度會隨之升高，而低溫省煤器出口凝結水溫度不受影響，回收余熱負荷及品味不變，所以節煤率保持不變，如圖5所示。

圖4 系統部分狀態點溫度隨煙氣再熱器面積變化

圖5 節煤率隨煙氣再熱器面積變化

2.3 低溫省煤器面積的影響

低溫省煤器面積為100%為設計工況，如圖6所示，降低低溫省煤器面積會提升煙氣再熱器出口排煙溫度，煙氣再熱系統循環水溫度和進入電除塵器煙氣溫度以及低溫省煤器出口凝結水溫度也有所增加，低溫省煤器出口凝結水溫度增加，回收余熱品味提高，但是由于低溫省煤器面積的降低，回收余熱負荷隨之大幅降低，所以系統節煤率隨著低溫省煤器面積降低而降低，如圖7所示。

圖6 系統部分狀態點溫度隨低溫省煤器面積變化

圖7 節煤率隨低溫省煤器面積變化

2.4 低溫省煤器凝結水質量流量的影響

低溫省煤器凝結水質量流量100%為設計工況，如圖8所示，隨著凝結水質量流量的降低，低溫省煤器出口凝結水溫度、進入電除塵器煙氣溫度、煙氣再熱系統循環水溫度以及煙氣再熱器出口排煙溫度均會增加，且質量流量降低越多，各狀態點溫度提升越快，所以降低低溫省煤器凝結水質量流量是提高進入電除塵器煙氣溫度的一種辦法。

圖8 系統部分狀態點溫度隨低溫省煤器凝結水質量流量變化

如圖9所示，隨著低溫省煤器凝結水質量流量降低，雖然低溫省煤器出口凝結水溫度有所提高，但是回收余熱熱負荷降低，所以系統節煤率略有降低，隨著低溫省煤器凝結水質量流量減少，節煤率減少的越來越快，當質量流量降低至50%時，系統節煤率下降約20%。所以降低低溫省煤器凝結水質量流量提升進入電除塵器煙氣溫度的同時，會降低系統的性能。

圖9 節煤率隨低溫省煤器凝結水質量流量變化

2.5 煙氣再熱系統循環水質量流量的影響

煙氣再熱系統循環水質量流量100%為設計工況，如圖10所示，隨著循環水質量流量的增加，進入電除塵器煙氣溫度和節煤率不變，但是煙氣再熱系統循環水溫度隨著質量流量增加有所增加，循環水質量流量增加至300%，可提高溫度約4 ℃。如果考慮循環水泵的成本，增加循環水質量流量需要使用變速泵或者雙泵，使系統的投資增加。

圖10 系統部分狀態點溫度及性能隨低煙氣再熱系統循環水質量流量變化

3 結論

本文提出了一種煙氣余熱及水回收系統，建立了系統的計算模型，并分析了系統運行性能，同時分析系統運行參數及結構參數對系統的影響，得出如下結論：

(1)進入除塵器的煙氣溫度由150 ℃降低至95 ℃，脫硫塔出口煙氣溫度由52.1 ℃降低至48.7 ℃，脫硫塔出口煙氣含水量由13.52%降低至11.43%，此時可以節約脫硫塔耗水6.66 kg/s。當脫硫塔之后的煙氣進一步被冷卻至43 ℃，系統可以回收水8.68 kg/s。系統利用17.64 MW熱量至汽輪機回熱系統，降低機組煤耗率2.75 g/kWh。利用6.96 MW熱量將煙氣冷凝器之后的煙氣升溫15 ℃，降低對煙囪的低溫腐蝕。系統總投資2 892萬元，其中煙氣冷凝器投資超過60%，靜態回收年限為8.33年。

(2)降低煙氣冷卻器、煙氣再熱器或低溫省煤器面積均可以提高進入電除塵器煙氣溫度；煙氣冷卻器和煙氣再熱器面積的降低對系統性能沒有影響，但是低溫省煤器面積的降低，會導致系統性能的降低，設計時可考慮減少煙氣冷卻器和煙氣再熱器面積，提高系統變工況運行的安全性。

(3)降低低溫省煤器冷凝水質量流量可以提高電除塵器煙氣溫度；隨著低溫省煤器冷凝水質量流量降低，系統性能也會降低；煙氣再熱系統循環水質量流量對系統性能沒有影響，但是增加循環水質量流量需要使用變速泵或者雙泵，會增加系統的投資。