某生物質鍋爐換熱器經濟性評價

趙忠霞 張曉楠

（1.蘭州石化職業技術大學機械工程學院，甘肅 蘭州 730000；2.哈爾濱電氣國際工程有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

浙江某電廠為響應國家節能減排號召，在原有燃煤鍋爐的基礎上改燒生物質，但是運行一段時間后，發現改造后的鍋爐排煙溫度比較高。

針對該鍋爐提出了4種改造方案：

方案1，移除下級空氣預熱器，換熱器受熱管束采用錯列布置方式。

方案2，移除上級空氣預熱器，換熱器受熱管束采用錯列布置方式。

方案3，移除下級空氣預熱器，換熱器受熱管束采用順列布置方式。

方案4，移除上級空氣預熱器，換熱器受熱管束采用順列布置方式。

對這4種方案分別進行熱力計算，發現方案2的排煙溫度高達186.5℃，高于設計溫度170℃，浪費較大，排煙溫度過高勢必會降低鍋爐熱效率，不符合設計要求；而方案4通過熱力計算得到的煙氣溫度為90℃，低于100℃，容易造成鍋爐尾部受熱面的低溫腐蝕問題，也不符合要求，因此放棄方案2與方案4。

為了提高系統的熱效率以及降低燃料消耗量，對該鍋爐進行技術改造，通過在原有的鍋爐系統中拆除空預器換裝成換熱器從而達到降低鍋爐排煙溫度的目的，既能節省燃料開支，又能為電廠帶來新的經濟效益。

本文將從經濟利益的角度去評判到底是順列布置換熱器還是錯列布置換熱器更經濟，合理分析哪種方案更優。如果要詳細且準確地分析工程技術方案，需要考慮眾多因素，但本文只對換熱器改造方案進行初步評價，因此，需從固定投資、運營成本及獲得效益等方面進行較簡單的估算。

1 固定投資計算

1.1 換熱器主體投資

在本方案中，無論是錯列換熱器還是順列換熱器管束均采用雙排蛇形管布置方式。其中，錯列或者順列換熱器橫向（與煙氣流動方向相垂直的方向）分別布置18排、24排，縱向（與煙氣流動方向相平行的方向）均布置26排，將換熱器底部的兩排管子作為鍋爐給水入口，而頂部的兩排管子作為鍋爐給水出口端。受熱管束均采用外徑d=0.033 m、厚度s=0.002 9 m的鋼管，彎管處采用直徑相同的半圓形管道，直管段長度為4.674 5 m。為了計算便利，將受熱面管束分成直管段部分與彎管段部分分別計算，由式（1）、式（2）[1-2]粗略估計換熱器使用鋼的體積。

其中：

錯列換熱器：

順列換熱器：

式中：Vc、Vs分別為錯列、順列換熱器所需鋼的體積（m3）；Zlc、Zls分別為錯列、順列管束的橫向節距距離（m）；Z2c、Z2s分別為錯列、順列管束的縱向節距距離（m）；d為鋼管外徑（m）；l1c、l1s分別為錯列、順列鋼管直管段的長度（m）；l2c為錯列換熱器中鋼管彎管段的長度（m）；l2sd和l2sx分別為順列換熱器中鋼管大、小彎管段的長度（m）；l3c和l3s分別為錯列、順列換熱器中鋼管進出水段的長度（m）；s為鋼管厚度（m）。

根據工程實際需求，更換換熱器時材料耗費需根據式（3）[3]進行計算：

式中：C為更換的整體換熱器造價（元）；V為制作換熱器所消耗鋼材的體積（m3）；ρ為鋼材的平均密度（t/m3）；Cf為鋼的單價（元/t），鋼按照市場價格，取9 000元/t。

按照公式（3）計算得到錯列換熱器材料造價為4.72萬元，而順列換熱器材料造價高達6.62萬元。

1.2 其他投資

其他投資部分主要包含對原材料進行加工所需的費用以及將其做好后安裝在鍋爐尾部煙道上的安裝費用等。借鑒其他工程方案的經驗：加工費用需按材料總投資的1/3進行取值，安裝費用則需按材料總投資的1/2取值。

2 運營成本

根據方案1、3可知，如果將一級空氣預熱器移除后改加裝煙氣換熱器，勢必會造成煙風系統中的阻力增加。原先的燃煤鍋爐系統配備有用于排煙的引風機，增大的阻力必然會導致引風機電功率增大，從而提高鍋爐系統的運營成本。

因此，若要考慮運營成本的問題，首先就要計算出改造之前的空氣預熱器處的阻力大小，然后再計算改造以后（也就是安裝新的煙氣換熱器處）的阻力，兩者之間的差值就是阻力的增加量。現需要比對方案1與方案3的阻力部分，由結構改造可知，兩個方案均是移除下級空氣預熱器，因此只需要計算下級空氣預熱器處的阻力即可。

煙氣是實際流體，在其流經空預器的過程中，必須考慮由于自身黏性存在所涉及的阻力，包括沿程摩擦阻力、入口局部阻力以及出口局部阻力，由式（4）[4]計算得到：

式中：Δhc為總阻力（Pa）；K為考慮積灰時的修正系數；Δhyc為沿程摩擦阻力（Pa）；ξrk為入口阻力系數；ξck為出口阻力系數；（ω2/2）ρ為動壓頭，其中ω為煙速（m/s），根據進出口煙氣平均溫度計算，ρ為氣體的平均密度（kg/m3），可根據進出口煙氣平均溫度計算獲得。

其中，沿程摩擦阻力可按式（5）[5]計算得到：

式中：λ為沿程阻力系數；l為受熱管束長度（m）；dn為當量直徑（m）；Tb為受熱面管壁的平均絕對溫度（K）；T為氣流的平均絕對溫度（K）。

ξrk與ξck是因為煙氣流經截面不斷改變過流斷面而引起的，其數值可由小截面與大截面的面積比值經查表獲得。

對空氣預熱器來說，大截面面積為空氣預熱器煙道有效截面面積，小截面面積為空氣預熱器管束的總截面面積，分別可由公式（6）[6]獲得：

式中：Fd為大截面面積（m2）；Fx為小截面面積（m2）；S1為管間橫向節距（m）；S2為管間縱向節距（m）。

社會工作者沒有意識到參與社區志愿服務聯動的重要性。所以在服務的時候，會產生社會工作者與志愿者服務對象和服務內容重合的問題，導致資源分配和利用不合理，社會工作需要志愿者的配合，而志愿者又去尋找志愿服務的組織，兩者并沒有合作聯動的意識，導致了服務對象所需過剩的問題，產生了社會工作和志愿服務的兩者分裂。

根據熱力計算可獲得：下級空氣預熱器處的平均煙溫是221.23℃，即494.38 K；管壁的平均絕對溫度為431.80 K；測得平均煙氣流速為21.06 m/s，查表可得到動壓頭為286.48 Pa；查表可獲得沿程摩擦阻力系數是0.03；空氣預熱器管束長度是1.70 m；管束當量直徑dn=0.047 mm；由此可得到沿程摩擦阻力為186.45 Pa。

根據空氣預熱器的結構，可知S1=0.088 m，S2=0.063 m；由于小截面面積及大截面面積比值是0.311，因此通過查表可得ξrk與ξck分別是0.349、0.545；K經查表后取值為1.1，計算得到空氣預熱器總阻力為321.68 Pa。

煙氣流經煙氣換熱器的阻力主要來自于煙氣橫向沖刷受熱面管束的阻力。其中，錯列布置的換熱器的阻力計算公式如式（7）[7]所示：

式中：Δhh為煙氣流經煙氣換熱器的阻力（Pa）；K為考慮積灰時的修正系數；Cs、Cd為阻力系數，其與管束的空間布置相關；Δho為煙氣沖刷單排管束的阻力；Z2為沿氣流方向的管排數。

根據煙速7.90 m/s及煙氣的平均溫度194.43℃，查表可得Δho=7 Pa；根據錯列管束結構布置，可得Cs、Cd分別為1.22、1；K查表取值是1.2；Z2=26。

根據式（7）計算得到的錯列換熱器的煙氣阻力為276.7 Pa。

順列換熱器的煙氣阻力計算公式如式（8）[8]所示：

式中：d為管束外徑；Re為無量綱量——雷諾數。

根據順列換熱器的結構布置形式，測得橫向節距S1為0.06 m，管束外徑d為0.032 m，Z2為26；由熱力計算可得，煙速ω為9.73 m/s，平均煙溫為187.42℃，由此可得動壓頭（ω2/2）ρ為36.29 Pa；雷諾數Re根據平均煙溫及管束外徑經查表可獲取，雷諾數Re=9 243.5。

綜上所述，可通過計算得到順列換熱器的煙氣阻力為324.8 Pa。

通過上述計算可以發現，加裝了煙氣換熱器后，煙風系統的阻力不但沒有增加，反而降低了。因此，不用考慮這部分的成本，反而可以將此部分作為收益。

引風機的功率可按照公式（9）計算獲得：

式中：N為電動機的功率（kW）；β3為電動機功率的安全系數；Q為引風機容量（m3/s）；ΔH為引風機動壓頭（Pa）；η為引風機效率（%）[9]。

引風機動壓頭可按照式（10）計算獲得：

式中：β1為風機壓頭儲備系數；Δh為煙氣側壓降，即煙氣阻力（Pa）。

風機的流量按照式（11）計算獲得：

式中：β2為風機容量儲備系數；Bj為燃料耗量（kg/s）；Vpy為煙氣比體積（m3/kg）；?為風機入口處煙溫（℃或K）[10]。

β1取值為1.2，錯列布置的換熱器減少的引風機動壓頭Δh=167.23 Pa，由此計算可得ΔH=200.68 Pa。由順列換熱器減少的引風機動壓頭Δh=197.31 Pa，計算得到ΔH=236.77 Pa。

當換熱器布置方式為錯列布置時，β2取值為1.1，計算燃料耗量Bj=3.29 kg/s，?=194.42℃，Vpy=5.92 m3/kg，由此可計算得Q=36.68 m3/s；對于順列換熱器，β2取值為1.1，計算燃料耗量Bj=4.29 kg/s，?=187.42℃，Vpy=5.91m3/kg，由此可計算得到Q=47.03 m3/s。β3選取1.05，η取90%，由此可計算得出，對于錯列換熱器，N=8.59 kW；而對于順列換熱器，N=12.99 kW。

3 投資回收期計算

投資回收期定義：利用項目所獲得的凈收益去補償初始投入成本所需的時間，也就是利用投資方案獲取的經濟利潤收回初始投入成本的年限，分為靜態、動態兩種。

靜態投資回收期則不需要考慮時間對資金的影響因素，動態投資回收期則必須考慮時間對資金的影響，通常用折現率來表示，計算最常用的方法為凈現值法。

凈現值定義：每年從方案中獲取的收益、建設以及用來維持方案所需投資的差值，也就是每年凈剩現金流量。通過凈現值可以判斷方案是否可行，當凈現值大于0時即可認為此方案可以實施。凈現值越大，表明方案越好，從方案中得到的經濟效益也就越多。若計算動態投資回收期，則需要考慮折現率，公式如式（12）所示：

式中：NPV為凈現值；IC為現金流入量；（IC-CO）t為第t年的現金流量；ic為折現率；n為計算凈現值的年份。

而本文要計算改造方案的靜態投資回收期，不需要考慮時間對資金的影響，因此可將式（12）簡化為式（13）：

再根據電廠實際運行情況進行分析，可以認為每年的收益基本都是相等的，因此投資回收期可以按照式（14）進行計算：

式中：P為投資回收期（h）；S為初始投入成本（元）；ANCF為單位時間凈現值流量（元/h）。

ANCF可按式（15）進行計算：

式中：RFC為回收煙氣熱量換算后的效益值（元/h）；PC為運營費用（元/h）。

錯列、順列換熱器減少的引風機運營費用分別是7元/h、8.14元/h。

從換熱器處回收得到的煙氣熱量主要用于加熱位于除氧器前的鍋爐給水，也就是說這部分熱量實際是用于鍋爐系統之外的，所以排煙溫度的降低無法體現到鍋爐效率上面來。

因此，為了計算的便利，將這部分已經回收的煙氣熱量折算成為鍋爐熱效率的提高。通過計算可以得出，如果換熱器采用錯列布置方式，鍋爐熱效率會提高2.49%左右，相比改造以前，單位小時內可節省燃料379.84 kg，若按照燃料價格為800元/t來計算，則回收熱量值RFC=303.87元/h，小時凈現值ANCF=310.87元/h。由公式（14）則可計算出回收期P=277 h；但是對于順列布置的換熱器，鍋爐效率提高得更多，達到3.62%以上，也就是相比改造以前，每單位小時內可節省燃料542.69 kg，回收熱量值RFC=434.15元/h，小時凈現值ANCF=442.29元/h，回收期P=274 h。

通過上述計算結果可知，從經濟效益的角度分析：方案3優于方案1。

4 結語

本文采用經濟學計算方法，對改造后的方案1和方案3進行經濟分析，分別計算錯列、順列兩種型式換熱器的改造投資，并對比原有的空氣預熱器煙阻以及錯列、順列換熱器引入系統的新煙阻，得出兩種改造方案均可以減少運營成本。

再根據節省的燃料開支，進一步計算得出錯列、順列換熱器的投資回收期分別為277 h、274 h。基于此，從經濟效益角度分析，認為順列換熱器的經濟性優于錯列換熱器。