燃煤電廠煙氣余熱二次回收節能效果研究

金 軍，關 鍵，林志明，徐 偉，沈忠明，傅國濤，陳金鴻，吳學成

(1. 浙江浙能嘉華發電有限公司， 浙江嘉興 314201；2. 浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室， 杭州 310027)

節能減排一直以來都是燃煤電廠運行優化及調控運行中一個十分重要的議題。煙氣余熱回收是一種非常直接、有效的提高電廠燃煤利用率的方法。針對我國的化石能源利用方式和能源消耗量，采用高效的煙氣余熱回收技術對我國燃煤電廠的節能減排具有非凡的意義[1-6]。對于電站鍋爐，其排煙損失是最主要的熱損失，鍋爐的設計排煙溫度為120～140 ℃[7]。從熱量品位來看，這部分熱量屬于低溫余熱資源，能量品味較低，但是鍋爐排煙量龐大，其余熱總量非常豐富。若將該部分熱量進行回收利用，能夠使鍋爐效率提高3%以上，同時使機組的供電煤耗率下降1～3 g/(kW·h)。目前，國內電廠的機組大多布置了煙氣余熱回收設備。在實際運行過程中，受限于低溫腐蝕等問題，經過煙氣余熱回收后的排煙溫度為100 ℃左右，而該部分煙氣仍然含有大部分熱量。

機組用水量是與煙氣余熱回收緊密相關的一個參數[3,8]。隨著我國燃煤電廠大力開展二氧化硫、氮氧化物和細顆粒物等煙氣污染物的超低排放改造，絕大多數電廠布置了脫硫設備，其中有85%以上采用濕法脫硫技術，而該過程將消耗大量的水資源。脫硫工藝水將隨著煙氣排入大氣，煙氣溫度越高，煙氣含濕量越高，系統耗水量也越高[9-10]。煙氣含濕量過高將給下游的煙道設備帶來嚴重的腐蝕和結垢問題，煙氣排入大氣后將引發石膏雨、白煙煙羽等嚴峻的環境污染和視覺污染，這是大多數電廠所面臨的問題。煙氣余熱回收利用能夠降低煙氣溫度，同時降低其含濕量，進而在很大程度上降低脫硫系統的用水量。

總體而言，深度的煙氣余熱回收具有節能，甚至減少有害氣體排放等綜合作用，具有實際的經濟效益、環保效益和社會效益。煙氣余熱回收系統主要有一級煙氣余熱回收系統、多級煙氣余熱回收系統，以實現煙氣的一次、多次回收?？紤]到設備成本和系統復雜度等問題，大多數燃煤電廠機組僅布置了一級煙氣余熱回收設備對煙氣余熱進行一次回收。所回收的煙氣余熱主要用于加熱主凝結水、空氣預熱器進口冷風、熱網水和吸收塔后的凈煙氣。對于一級煙氣余熱回收系統而言，由于受到低溫腐蝕、換熱器性能、能量品位等實際因素的限制，往往無法在一個位置對煙氣熱量進行充分的回收利用。因此，經過一級煙氣余熱回收系統后的煙氣仍然含有一定的低溫余熱。

筆者針對某電廠實際運行的燃煤機組，在原有的一級煙氣余熱回收系統的基礎上增加了二級煙氣余熱回收設備，就煙氣余熱二次回收的可行性、節能效果、經濟性、收益性和脫硫塔節水量等方面進行了討論分析。

1 系統設計

1.1 換熱器設計計算

換熱器的設計計算流程見圖1。首先，根據已知的流體參數，由熱平衡公式確定傳熱量和冷熱媒介的溫度。對換熱器進行選型，確定換熱器的結構參數及管排數，初步確定傳熱系數，并且以此計算出對流傳熱量。其次，當迭代計算總傳熱系數直至相對誤差小于2%時，則視為符合要求，進一步進行阻力計算；反之，則進一步進行迭代計算。同時，根據系統的要求，評估換熱器阻力是否達標，如果阻力過大則需要對換熱器重新進行選型。最后，得出符合換熱器要求的結構參數、傳熱系數、傳熱量、阻力等。

圖1 換熱器設計計算流程

1.2 經濟性評估計算

在經濟性評估計算中，以等效焓降法[11-15]為基礎，綜合考慮系統的能量回收和新增輔機能耗情況，對機組的發電功率增加量、發電煤耗率降低量、供電煤耗率降低量進行計算。圖2為經濟性評估計算流程。

圖2 經濟性評估計算流程

等效焓降法是一種實用的汽輪機組能損分析方法，其分析過程簡潔，結果準確。在等效焓降法中，選定蒸汽初、終參數和回熱抽汽參數只與機組的功率變化有關，并且將機組的新蒸汽流量和燃料供熱量視為定值，在這樣的條件下，熱力系統任何影響熱經濟性的微小變化不會使各級抽汽流量全部發生變化。因此，在評估經濟性時，只需要對某幾級的抽汽流量和熱量進行定量計算，即可求得整個熱力系統變化時的經濟性，大大簡化了計算過程。同時，結合熱平衡法[13]對煙氣余熱回收熱量進行計算，并且對引入二級煙氣余熱回收系統后的輔機能耗增加量進行計算。

2 機組概況

以該電廠660 MW機組為例，機組配置SG -2136.5/17.55-M型亞臨界中間一次再熱控制循環汽包鍋爐。設計煤種的元素分析見表1。在機組熱耗保證(THA)工況下，鍋爐主要設計參數見表2。

表1 設計煤種的元素分析

表2 THA工況下鍋爐主要設計參數

該機組配置N660-16.7/538/538型亞臨界中間再熱凝汽式汽輪機。在THA工況下，機組的熱耗率為7 808.4 kJ/(kW·h)，發電功率為660 MW，排汽比焓為2 338.1 kJ/kg。機組各級回熱抽汽熱力參數見表3，其中：1～3級抽汽供給高壓加熱器，4級抽汽供給除氧器，5～8級抽汽供給低壓加熱器。

表3 THA工況下各級回熱抽汽熱力參數

3 方案設計

機組原有的一級煙氣余熱回收系統布置于空氣預熱器和電除塵器之間，系統將回收的煙氣余熱傳遞給凝結水。參考目前主流的煙氣余熱回收設備布置方式，將二級煙氣余熱回收設備布置于脫硫塔進口處，可以將脫硫塔進口煙氣溫度從原先的90 ℃降低至70 ℃。脫硫塔進口煙氣溫度比脫硫塔出口高，余熱回收潛力大；而對于脫硫系統，脫硫塔進口煙氣溫度下降后，脫硫系統水耗量降低，能夠起到節水效果。

在實際操作中，需要根據系統狀況、回收目的等因素來選擇吸熱對象。二級煙氣余熱回收設備將熱量傳遞給空氣預熱器進口冷風，即二次風。一般而言，凝結水比空氣更易吸收熱量，因此將凝結水作為吸熱對象，熱量回收效率高，所需傳熱面積少，投資少。但是，空氣的溫度低，傳熱溫差大，相比于熱媒水，將空氣作為吸熱對象的傳熱效果更加明顯。

圖3為二級煙氣余熱回收改造示意圖。

圖3 二級煙氣余熱回收改造示意圖

二級煙氣余熱回收改造需要增設一個煙水換熱器、一個氣水換熱器，用于回收吸收塔進口煙道的煙氣熱量以預熱空氣預熱器進風。利用水媒介加熱空氣預熱器進風，在空氣預熱器傳熱面積一定時，使排煙溫度升高。當前機組脫硫塔進口煙氣溫度仍然保持在80～90 ℃，具有較高的熱量品質，利用該部分熱量來加熱空氣預熱器進>風，傳熱效果較好，可以明顯提高排煙溫度。

在這樣的情況下，一級煙氣余熱回收設備處的熱量品質將顯著提高，可以用來加熱更高品質抽汽的凝結水，節約品質更高的抽汽。該部分煙氣溫度的提高也能夠緩解電除塵器的防腐壓力。采用這種方法加熱二次風，對煙氣熱量品質的提升、空氣預熱器的運行都有較好的效果。

空氣預熱器進口風溫度上升后，排煙溫度明顯上升，煙氣熱量增加，換熱器吸熱量也將發生變化。因此，對于現目前已在服役的一級煙氣余熱回收設備來說，可能需要對其進行一定程度的擴容改造，來匹配增加的熱量。改造需要額外的設備成本投入，并且設備擴容改造后的運行能耗也將有所增加。

總體而言，采用兩個煙水換熱器，一個加熱鍋爐進風，另一個則加熱更高品質抽汽的凝結水，余熱得到分級利用，利用效率高，所吸收的余熱品質更好，余熱回收效果較好。

4 換熱器參數計算

4.1 二級煙水換熱器參數

二級煙水換熱器擬采用氟塑料管來解決低溫腐蝕問題，換熱管采用6 mm小管徑光管結構，因此換熱器管排數較多，換熱器管內熱媒水與管外煙氣呈局部交叉流、整體逆流布置。二級煙水換熱器尺寸(長×寬×高)為11.0 m×0.7 m×4.3 m。根據電廠機組的煙氣流量和煙道參數等計算得出，煙氣最高流速為11.8 m/s，平均流速為10.4 m/s?；跈C組系統的煙氣參數，在確定煙氣溫降后，計算得到二級煙水換熱器熱力參數(見表4)。

表4 二級煙水換熱器熱力參數

4.2 二級氣水換熱器參數

二級氣水換熱器擬采用碳鋼高頻焊環形翅片管，換熱管呈正三角形布置，換熱器管內熱媒水與管外空氣呈局部交叉流、整體逆流布置。二級氣水換熱器尺寸(長×寬×高)為13.0 m×3.3 m×5.7 m?？諝鈧茸罡吡魉贋?.3 m/s，平均流速為5.4 m/s；翅片管基管的外徑為18 mm、翅高為12 mm、翅厚為1 mm、節距為5 mm。二級氣水換熱器熱力參數見表5。

表5 二級氣水換熱器熱力參數

5 結果與分析

5.1 一級煙氣余熱回收設備參數變化

由于二級煙氣余熱回收設備的加入，二次風溫度升高，排煙溫度升高，需要對原有的一級余熱回收設備進行相應的擴容改造。理想情況下，即熱量完全得到回收利用時，改造前后的一級煙水換熱器、一級水水換熱器參數的變化見表6。

表6 一級余熱回收設備參數的變化

5.2 節能效果

二級煙氣余熱回收改造所回收的熱量可以減少機組7號和8號低壓加熱器的回熱抽汽，進而排擠部分回熱抽汽返回汽輪機繼續膨脹做功，結合等效焓降法的相關公式，可以計算出機組的發電煤耗率降低量。改造后的節能效果見表7。

表7 改造后的節能效果

在不考慮增加的系統能耗的理想情況下，采用二級煙氣余熱回收系統回收的熱量可使1 kg蒸汽做功增加2.2 kJ，機組發電功率增加1 192 kW，機組發電煤耗率降低0.514 g/(kW·h)?？紤]機組增設二級煙水換熱器和二級氣水換熱器，以及對原有的一級煙水換熱器和一級水水換熱器進行擴容改造所引起的煙氣阻力和熱媒水阻力的增加，機組供電煤耗率降低0.206 g/(kW·h)。

5.3 節水效果

煙氣的含濕量與溫度密切相關，隨著煙氣溫度的升高，其含濕量將明顯提高。因此，對脫硫塔部分的煙氣進行降溫，能夠在很大程度上降低煙氣的含濕量，進而起到顯著的節水效果。采用二級煙氣余熱回收系統后，脫硫塔部分煙氣溫度的變化由所回收的余熱熱量決定。表8為改造后的節水效果。

表8 改造后的節水效果

5.4 經濟性評估

二級煙氣余熱回收改造產生的經濟效益主要來自機組的節約煤量和脫硫塔的節約水量。以機組實際年利用時間為4 200 h計算，參考目前動力煤價格為560元/t，將其換算成標準煤價格為710元/t，電廠用水價格為3.45元/t，若不考慮投資回收期內初投資的增值或貶值，二級煙氣余熱回收改造的經濟性評估見表9。

表9 二級煙氣余熱回收改造的經濟性評估

6 結語

以某電廠660 MW機組為研究對象，在其已有的一級煙氣余熱回收系統基礎上，探究了增設二級煙氣余熱回收設備的節能效果和經濟性。得到的主要結論為：

(1) 將二級煙氣余熱回收設備布置于脫硫塔進口處，可將脫硫塔進口煙氣溫度從原有的90 ℃降低至70 ℃，并且將回收的煙氣余熱傳遞給空氣預熱器進口冷風。

(2) 在原系統中增加了一個煙氣換熱器和一個氣水換熱器。從系統改造來看，增加二級煙氣余熱回收設備后，一級煙水換熱器進出口煙氣溫度均升高，需要對原有的一級煙氣余熱回收設備進行一定程度的擴容改造。從節能效果來看，理想情況下，二級煙氣余熱回收改造能夠使機組的發電煤耗率降低0.514 g/(kW·h)；考慮增加的系統能耗后，供電煤耗率降低0.206 g/(kW·h)。同時，脫硫塔出口煙氣攜帶的飽和蒸汽質量流量降低33.81 t/h。從經濟效益來看，二級煙氣余熱回改造具有良好的可實施性，但其設備總投資較高，經濟效益不高，投資回收期約為9 a。