淺談1240MW機組電廠煙氣余熱再利用

曾銀佳

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

1 工程大氣污染物排放執行標準

按照國家標準《火電廠大氣污染物排放標準》規定，工程屬于非重點地區，標準煙塵允許排放濃度為30mg/Nm3（干基）。但為了響應國家《大氣污染防治行動計劃》文件對企業污染治理要確保達標排放，甚至達到近零排放的要求，擴建工程的煙塵排放濃度指標具有前瞻性，煙塵排放濃度執行燃機標準，即電廠煙囪出口的煙塵排放濃度不超過10mg/Nm3。

2 工程除塵方案

為了滿足煙囪出口煙塵排放濃度不超過10mg/Nm3的標準，工程推薦采用干式除塵器的除塵方案。工程干式除塵器推薦選用三室五電場靜電除塵器，靜電除塵器采用低低溫電除塵器+高頻電源的強化除塵措施。

低低溫靜電除塵器設計的要點是入口煙溫應選擇恰當，煙氣溫度高于露點溫度太多，粉塵微孔內吸附的SO3不能凝結成電解質，除塵效果會大打折扣；煙氣溫度低于露點溫度太多，除塵內一些存在漏風的局部低溫區域會結露，會引起設備腐蝕或者電氣短路的問題。按照國外長期運行經驗，煙氣溫度控制在酸露點左右運行效果最好[2]。

3 輸入資料

3.1 煤質資料

設計煤種屬于中高揮發分、中等灰分、中等水分、中等熱值的煙煤，煤質資料見表1。

表1 煤質資料

3.2 主機規范

鍋爐爐型：鍋爐為高效超超臨界參數變壓運行直流爐、一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構塔式布置。鍋爐最大連續蒸發量3700t/h，出口蒸汽參數為29.4MPa（a）/605/623℃。

汽輪機形式：一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機，額定功率1240MW，主蒸汽流量3700t/h，入口參數為28MPa（a）/600/620℃。

3.3 低溫省煤器進行經濟性計算的其他邊界條件

低溫省煤器進行經濟性計算的其他邊界條件包括鍋爐設計排煙溫度為121℃、主要燃用設計煤種以及機組年運行小時數為7500h。

4 低溫省煤器方案的技術分析

4.1 低溫省煤器方案設想

4.1.1 低溫省煤器金屬安全壁溫

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。根據受熱面低溫腐蝕隨金屬壁溫的變化規律（如圖1所示），當受熱面壁溫接近酸露點（E點）時，腐蝕速度隨壁溫的降低而增加，在露點溫度下20℃～45℃（D點）出現最大露點腐蝕速度；壁溫繼續降低時，腐蝕速度也下降，在水露點與酸露點之間某個值（B點）達到最低；壁溫如果再降低，特別是低于水露點（A點）時，腐蝕速度急劇增加。

低溫省煤器壁溫一般不會低于水露點，即不選在圖1中的A～C區域，而選在酸露點E點附近，因此煙氣酸露點是判斷換熱器是否發生低溫腐蝕的重要依據。

圖1 低溫腐蝕速度隨壁溫變化示意圖

對煙氣露點的計算，前人總結了很多方法，該文采用規程DL/T5240—2010的公式，如公式（1）～公式（3）所示。

需要簡化計算時Ks可以取0.9，也可以按DL/T5240—2010推薦的公式（4）、公式（5）計算。

η為除塵器除塵效率，進行除塵器前的煙氣酸露點計算時，η=0；進行除塵器后的煙氣酸露點計算時，η=除塵器設計效率。

結合設計煤種及規程DL/T5240—2010的公式，由表2得出煙氣酸露點數值（見表2），可以看出設計煤種的酸露點相對校核煤種稍高，因此該文接下來的分析將結合設計煤種進行[1]。

表2 煤質煙氣酸露點計算表（BMCR工況）

4.1.2 煙氣系統設計

低溫省煤器的設置方案一般有兩種。

方案一：單級低溫省煤器，布置于除塵器入口，如圖2所示。

圖2 單級低溫省煤器設置方案一

低溫省煤器設置在除塵器入口，煙氣含塵濃度高，總吸附表面積很大。根據酸露點計算值及國外以往工程長期運行經驗，換熱器出口煙氣溫度控制在酸露點左右，推薦取值在90℃至95℃，可有效防止換熱元件低溫腐蝕。

優點為可減少煙氣比電阻，提高除塵器效率，電除塵器的電耗有所降低。缺點是飛灰濃度高容易對低溫省煤器的換熱元件造成磨損、腐蝕等問題。

方案二：單級低溫省煤器，布置于引風機出口，如圖3所示。

圖3 單級低溫省煤器設置方案二

低溫省煤器方案設置在引風機出口，由于煙氣含塵量下降，因此該處的酸露點溫度升高。為充分利用煙氣余熱、提高經濟性，一般推薦省煤器出口煙氣溫度取值100℃左右。

優點為引風機出口煙道中心較低，可以充分利用引風機對煙氣的壓縮溫升。缺點是不利于引風機穩定運行，容易造成振動，引風機克服換熱器阻力增加的電功率會增加，除塵器電耗并未減少。

綜上所述，余熱再利用可適當提高除塵器效率，降低電耗，減少廠用地，因此推薦在除塵器入口設置低溫省煤器（每臺機組共6個）方案。

4.1.3 水側凝結水系統設計

低溫省煤器水側凝結水系統的設計直接影響它的運行可靠性和經濟性。國內外相關研究表明，低溫腐蝕的最大速率并不是恰好在酸露點溫度值，而是發生在煙氣酸露點溫度下10℃～30℃范圍內以及水露點溫度以下，因此將換熱器的壁溫Tb與計算酸露點TDP2的差距控制在10℃以內。為了防止換熱元件低溫腐蝕，低溫省煤器水側進口的凝結水水溫控制在80～85℃是比較合適的，該文推薦將以下計算值暫定為80℃。根據熱平衡圖，低加出口水溫詳見表3。

表3 各低加出口水溫

從表3可看出，各低加水溫都不滿足低溫省煤器水側進口的凝結水水溫的要求。9號低加出口水溫在THA工況時較為接近89.9℃的凝結水溫要求，但機組負荷降低后9號低加出口水溫又遠遠達不到要求了。因此，推薦低溫省煤器水側入口接入點選取9號低加進口及出口的混溫凝結水，原9號低加至10號低加的主路閥門全關進行設計。凝結水取自9號低加進口及出口，一部分凝結水經過低溫省煤器加熱后與其余不經過低溫省煤器加熱的凝結水混合后回到8號低加入口。

低溫省煤器在熱力系統中的連接方式直接影響它的經濟性和運行的安全可靠性。低溫省煤器聯入熱力系統的方案很多，就其本質而言，主要有兩種連接系統，一是并聯系統，二是串聯系統。

并聯系統：即將部分凝結水從某級低加前接出至低溫省煤器，經過低溫省煤器，與煙氣換熱后，再回到該級低加出口或下一級低加出口。并聯系統的優點是可以不增加凝結水泵揚程。缺點是低溫省煤器的傳熱溫差比串聯系統低，分流量小，需要增加換熱面積。同時并聯系統的系統運行調節較為復雜。

巴里坤膨潤土礦與某些膨潤土礦床的對比(表4)可以看出，巴里坤膨潤土礦的膠質價、膨脹容、比表面積性能比較好，離子交換量較高，說明巴里坤膨潤土的品位較高，其利用價值也比較高。礦石的主要可交換陽離子為Ca2+、Na+、K+、Mg2+，Na+交換容量為95mmol/100g，Ca2+交換容量為13.3mmol/100g，ENa2+/CEC為83.5%，參照前蘇聯的劃分標準[14]，可知巴里坤膨潤土為鈉基膨潤土。

串聯系統：即將全部凝結水從某級低加后接出至低溫省煤器，經過低溫省煤器，與煙氣換熱后，再回到下一級低加前。串聯系統的優點是流經低溫省煤器的水量最大，在低溫省煤器的受熱面一定時，鍋爐排煙的冷卻程度和低溫省煤器的熱負荷較大，排煙余熱利用的程度較高，經濟效果較好。其缺點是凝結水流的阻力增加，所需凝結水泵的壓頭增加。

因此，暫取低溫省煤器換熱效率為96%，進而增加汽輪機組的出力，推薦的并聯系統如圖4所示。

圖4 并聯系統示意圖

4.2 低溫省煤器選型結果

結合前述，該文推薦并聯方案，低溫省煤器選型計算結果見表4。

表4 低溫省煤器選型計算結果

5 采用低溫省煤器的經濟性分析

為了滿足近零排放的要求，靜電除塵器需要采用低低溫電除塵器+高頻電源的綜合強化除塵措施，通過降低煙氣溫度提高靜電除塵器的除塵效率。在除塵器入口設置低溫省煤器（每臺機組共6個），并根據汽輪機熱平衡圖中各級低加凝結水溫度，推薦凝結水取自9號低加進口和出口混合水，對該低溫省煤器設置方案進行技術經濟分析如下。

5.1 經濟性比較方法

在總調度電量一定的情況下，通過計算兩種方案因上網電量不同所產生的差額收入，以計及資金時間價值的動態理論計算投資差額回收年限n，如公式（6）所示[2-3]。

式中：ΔZ為方案投資差額；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。

5.2 經濟性計算

按工程實際情況確定經濟比較的邊界條件：標煤價格為1000元/t（稅前），電廠基準收益率為8%，機組年運行小時數7500h[1]。

5.2.2 初投資（ΔZ）

關于低溫省煤器所增加的靜態投資費用，經詢價設備材料等的費用詳見表5。

表5 低溫省煤器所增加的靜態投資費用，經詢價設備材料等的費用

5.2.3 年運行小時數

對火力發電廠而言，機組的年運行小時數模式見表6。

表6 機組的年運行小時數

5.2.4 年利潤差額（ΔC）

增設低溫省煤器的正面運行效益[2-3]：1）提高了凝結水溫，節約了抽汽量，進而提高了汽輪發電機組出力。2）降低脫硫系統入口煙溫，進而節約水量，并節約脫硫系統工藝水泵運行軸功率。

增設低溫省煤器的負面運行效益[2-3]：1）增加了煙氣側阻力，進而增加了引風機運行功耗。2）增加了水側阻力，從而凝結水泵運行功耗率。3）低溫省煤器系統相對復雜，每年運行維護費用會有所增加，暫按照10萬元/年估計。

由于機組不可能全年都只在THA工況下運行，有一定時間是處于低負荷工況下的，此時煙氣溫度較低，因此可以利用的熱量較少，甚至可能會出現負面運行效益大于正面運行效益的情況。將增設低溫省煤器后的運行效益進行綜合計算，見表7和表8。30%THA工況低溫省煤器煙氣入口溫度為90℃，煙氣放熱量為0，已滿足低低溫靜電除塵器運行要求，因此低溫省煤器停運不進行綜合計算。

表7 增設低溫省煤器后的輔機運行功率核算

表8 增設低溫省煤器后的年運行收益核算

從以上計算來看，設置低溫省煤器后年運行收益較好，動態回收年限較短，具有一定的經濟效益。

6 結論

根據以往國內外工程經驗，低溫省煤器可以設置在除塵器入口或引風機出口，前者耐低溫腐蝕效果較好，后者防磨損效果更好。由于引風機出口含塵量降低，酸露點溫度升高，其腐蝕問題也較難得到解決。因此從技術上來說，優先推薦在除塵器入口設置低溫省煤器的方案。

污染物排放需要執行《火電廠大氣污染物排放標準》，為了達到此排放標準，需要采用低低溫靜電除塵器。通過在除塵器入口設置低溫省煤器，可以降低除塵器入口煙溫、煙氣流量及煙氣比電阻，進而提高除塵器的除塵效率，保證將除塵器出口煙塵排放濃度控制在≤20mg/Nm3。

該文推薦將低溫省煤器凝結水側接入點設置在9號低加進口及出口，一部分凝結水經過低溫省煤器加熱后與其余不經過低溫省煤器加熱的凝結水混合后回到9號低加出口。由于利用了部分煙氣熱量，因此可以節約部分抽汽量，進而增加汽輪機組的出力。設置低溫省煤器后，供電標煤耗有所降低。經濟性較好，動態回收年限約為5.95年。

綜上所述，得出的經濟性計算結果基本上可以反映實際情況。由此推薦在除塵器入口增設低溫省煤器，一方面回收部分煙氣熱量，另一方面也可以進一步降低煙塵排放濃度，以更好地滿足嚴格的環保排放標準。