某燃煤機組水媒式煙氣循環加熱系統能耗評價與煙氣余熱利用分析

史鵬飛，張志強

（國家能源集團科學技術研究院有限公司，江蘇 南京 210023）

0 引言

燃煤火電機組普遍采用濕法脫硫裝置，凈煙氣溫度達50～60 ℃，飽和濕煙氣與環境中溫度較低的空氣接觸而凝結，冷凝的小液滴經過光線的折射和反射后，煙囪出口的煙羽一般呈現白色，形成視覺污染[1]。濕煙羽治理工程一般有2個工藝段，即煙氣冷凝和煙氣再熱。煙氣冷凝對濕煙氣進行降溫，析出大量水分，降低絕對含濕量；煙氣再熱是將凈煙氣加熱至不飽和狀態，從而消除濕煙羽現象，同時實現節水、節能減排等目的[2]。煙氣冷凝和煙氣再熱涉及煙氣中熱量的轉移和利用，同時涉及煙氣中水分的收集，這也是煙氣余熱利用技術的核心。煙氣再熱根據熱源形式的不同主要有2種：一是利用汽輪機輔汽對煙氣進行再熱；二是水媒式煙氣循環加熱系統MGGH（media gas-gas heater），利用鍋爐尾部煙氣余熱與循環水換熱后，高溫的循環水對煙氣進行再熱。根據實際情況，煙氣余熱利用系統形式有所不同[3-5]。

某330 MW燃煤機組濕煙羽工程采用漿液冷卻+MGGH方案，結合了煙氣余熱利用方案，本文通過現場測試數據，結合理論計算，對其能耗增加部分和節能部分進行耦合，同時還與其他工藝的經濟性進行對比，綜合評估濕煙羽工程的能耗，并為煙氣余熱利用提出新的思路。

1 工程概況

該機組濕煙羽治理工程主要有MGGH（包括煙道冷卻器、煙氣再熱器、暖風器、凝結水加熱系統）系統和漿液冷卻系統。煙氣冷凝采用漿液冷卻方式，利用冷卻塔的循環水作為冷源冷卻脫硫塔內部的漿液，冷卻后的漿液再對煙氣進行冷凝除濕，煙氣再熱采用MGGH方案，引出部分凝結水通過煙道冷卻器升溫后，對煙氣進行再熱，然后凝結水作為暖風器的熱源，加熱進入空預器的空氣，此后凝結水返回到加熱器入口，完成一個熱力循環。

2 能耗測試與分析

在鍋爐蒸發量為1 000 t/h時進行冬季現場測試，結合理論推理，分析冬季工況和夏季工況的能耗影響。以汽輪機的變工況和背壓特性研究為基礎，結合凝汽器、濕式冷卻塔的耦合變工況對機組背壓的影響以及機組輔機耗電率的變化，對工程進行能耗分析[6]。

2.1 冬季供暖期能耗測試分析

2.1.1 耗能部分

冬季采暖期間，耗能因素有冷卻水循環泵增加的電耗、MGGH循環水泵電耗，MGGH系統煙道冷卻器阻力增加的風機電耗。供暖期機組耗能增加測試分析結果如表1所示。

表1 供暖期機組耗能增加測試分析

引風機入口煙溫由135 ℃降低至95 ℃，煙氣體積流量降低了約10 ，MGGH系統增加阻力約500 Pa，假設其他阻力未發生變化，則引風機電耗將由2000 kW增加至2 070 kW。改造前后送風機電耗無明顯變化，一次風增加暖風器阻力接近550 Pa，導致單臺風機電耗增加約60 kW。

煙氣冷凝將濕煙氣溫度由46 ℃冷卻至43 ℃。MGGH循環泵增加電耗160 kW，漿液冷卻系統冷卻水循環泵增加電耗110 kW。

煙氣再熱器將煙氣溫度由42.5 ℃加熱到58.5 ℃，凝結水釋放熱量21.54 GJ/h加熱煙氣，煙氣再熱器吸收凝結水釋放的這部分熱量，使得回到熱力系統熱量減少，煙氣再熱器增加供電煤耗0.73 g/（kW·h）。

漿液冷卻器冷源取自機組循環水，冬季循環冷卻水溫度低、機組供熱抽汽使低壓缸排汽流量減少，凝汽器和機組背壓基本未受新加裝設備的影響。

綜上，輔機電耗增加530 kW，綜合廠用電增高0.161 ，增加供電煤耗0.56 g/（kW·h）；煙氣再熱器增加供電煤耗0.73 g/（kW·h）。合計增加供電煤耗1.29 g/（kW·h）。

2.1.2 節能部分

由于增加了MGGH煙冷器，煙氣熱量由凝結水吸收，加熱煙氣后，其余熱量回到熱力系統，一是回到汽機抽汽系統，提升了汽機做功能力；二是取代了原暖風器使用的輔汽熱量，減少了汽機熱耗；三是加熱了空預器熱風，提高了鍋爐效率。供暖期機組節能分析數據如表2所示。

表2 供暖期機組節能部分節能測試分析單位：g/（kW·h）

MGGH煙氣冷卻器對汽機系統能耗影響分析。MGGH漿液冷凝循環水流量約536 t/h，8號低壓加熱器進口向MGGH及暖風器系統補水45 t/h，7號低壓加熱器出口向MGGH及暖風器系統補充水300 t/h。MGGH及暖風器回水進入6號低壓加熱器入口（回水溫度76.6 ℃）。工質吸收熱量后回到汽機系統排擠了低壓抽汽，使得機組經濟性提高。當投入再熱器時，供電煤耗降低約0.94 g/（kW·h）。不投入再熱器時，供電煤耗降低約1.68 g/（kW·h）。

暖風器節能。用被煙氣余熱加熱的凝結水替代高壓輔汽，循環水量為536 t/h，加熱暖風器循環水從92.5 ℃降低到76.6 ℃，代替抽汽熱量35.68 GJ/h。其中暖風器溫度從3 ℃升到38 ℃，按暖風器基準風溫25 ℃考慮，暖風器從3 ℃升到25 ℃這部分折合熱量約22.43 GJ/h，供電煤耗降低約1.72 g/（kW·h）。暖風器風溫從25 ℃升到38 ℃，此部分溫升主要為提升空預器綜合冷段運行溫度，以提高機組運行安全性，并不能明顯影響機組能耗，僅使得空預器出口熱風溫度升高1 ℃左右，鍋爐效率相對提高，供電煤耗降低約0.11 g/（kW·h）。當環境溫度為10 ℃左右時，按照暖風器設計原則與目前的實際換熱量計算，暖風器出口溫度約為42 ℃，暖風器風溫從10 ℃升到25 ℃，供電煤耗降低約1.29 g/（kW·h）；暖風器風溫從25 ℃升到42 ℃，供電煤耗降低約0.16 g/（kW·h）。

綜上，冬季工況MGGH煙冷器及暖風器的應用使得機組供電煤耗降低3.12～3.51 g/（kW·h），結合夏季工況增加的供電煤耗1.29 g/（kW·h），冬季工況濕煙羽工程的使用使機組供電煤耗減少約1.83～2.22 g/（kW·h），通過MGGH的合理設計，實現濕煙羽工程轉變為節能項目。

2.2 夏季工況能耗預測分析

夏季影響機組能耗的因素有冷卻水循環泵增加的電耗，MGGH循環水泵電耗，MGGH系統煙道冷卻器增加風機電耗，煙冷器熱量回系統減少的煤耗，漿液冷卻循環水溫度升高增加的煤耗。夏季工況機組能耗測試分析結果如表3所示。

表3 夏季機組耗能部分能耗分析

2.2.1 能耗增加部分

夏季需增加1臺漿液冷卻系統冷卻水循環泵，功率110 kW，其他輔機電耗暫參考冬季。累計增加供電煤耗約0.75 g/（kW·h）。

部分循環水用于煙氣冷凝后，將使循環水溫升高，同時，進凝汽器循環水量減少，預計使機組背壓升高約0.30 kPa，增加供電煤耗約0.77 g/（kW·h）。

按照煙氣量1 400 t/h，煙氣再熱器提升煙氣溫度13 ℃計算，MGGH再熱器吸收凝結水釋放熱量20.93 GJ/h，增加供電煤耗約0.42 g/（kW·h）。

2.2.2 能耗節約部分

夏季工況，鍋爐煙氣量1 400 t/h，按照煙氣溫降45 ℃計算，系統循環水量為576.8 t/h，循環水在煙冷器吸收熱量后溫度從泵入口溫度70 ℃升高至100 ℃。假若煙道冷卻器煙氣釋放熱量全部回到系統，供電煤耗降低約 0.94 g/（kW·h）。

綜上，夏季工況MGGH煙道冷卻器及暖風器的應用使得節約供電煤耗0.94 g/（kW·h），結合夏季工況增加的供電煤耗1.94 g/（kW·h），夏季工況供電煤耗總計增加約1.00 g/（kW·h）。

3 未進行煙氣余熱利用設計的濕煙羽治理工程能耗分析

某600 MW空冷機組濕煙羽治理工程采用漿液冷卻+蒸汽煙氣再熱技術路線，未進行煙氣余熱利用的設計。通過現場測試，對濕煙羽治理工程進行經濟性分析。冬季供暖期機組能耗變化測試結果如表4所示，夏季機組能耗變化預測結果如表5所示。

表4 冬季供暖期機組能耗測試分析

表5 夏季機組能耗分析

濕煙羽治理工程實施后，冬季工況增加供電煤耗約2.98 g/（kW·h），夏季工況增加供電煤耗約1.51 g/（kW·h）。

4 對比分析

從能耗的對比分析來看，漿液冷卻+MGGH煙氣再熱技術路線冬季節能（1.83～2.22）g/（kW·h），夏季能耗增加1.00 g/（kW·h）；漿液冷卻+蒸汽煙氣再熱技術路線冬季能耗增加2.98 g/（kW·h），夏季能耗增加1.51 g/（kW·h）。由此可以看出，MGGH技術路線利用鍋爐尾部煙氣余熱，可以減少蒸汽用量，能大幅降低濕煙羽治理工程對機組能耗的影響。冬季的節能量要遠高于夏季，冬季機組一方面由于供熱抽汽，低壓加熱器抽汽壓力較低，凝結水溫度較低，可以有效利用回水熱量。另一方面，MGGH技術路線多余煙氣熱量，冬季加熱鍋爐暖風器后，再回到低壓凝結水系統加熱凝結水，替代了加熱暖風器的高壓蒸汽，冬季節能量較大，經濟效益明顯。從兩種技術路線能耗增加的部分對比來看，輔機耗電能耗增量夏季要高于冬季，煙氣再熱器能耗增量冬季要高于夏季。其中，直接利用蒸汽加熱煙氣，煙氣再熱器冬季和夏季供電煤耗增量分別為2.71 g/（kW·h）和0.67 g/（kW·h），冬季能耗增加幅度較大。MGGH系統利用低品質的煙氣余熱加熱煙氣，煙氣再熱器冬季和夏季能耗增量為0.73 g/（kW·h）和0.42 g/（kW·h），冬夏季能耗變化較小。

從再熱增加耗能來看，MGGH煙氣再熱技術冬季工況耗能部分能耗增加1.29 g/（kW·h），夏季能耗增加1.94 g/（kW·h）。蒸汽煙氣再熱技術夏季工況耗能部分能耗增加2.98 g/（kW·h），夏季能耗增加1.51 g/（kW·h）。若煙氣余熱不回收到熱力系統時，機組能耗增量在1～3 g/（kW·h）。

5 結論

通過對某330 MW濕冷機組濕煙羽治理工程的能耗進行全面分析，并和其他機組進行對比，可以得出以下結論。

a）與直接利用蒸汽加熱再熱煙氣相比，MGGH技術路線利用鍋爐尾部煙氣余熱，可以減少蒸汽用量，能大幅降低濕煙羽治理工程對機組能耗的影響。

b）從2種技術路線能耗增加的部分對比來看，機組輔機耗電能耗增量夏季要高于冬季，煙氣再熱器能耗增量冬季要高于夏季。其中，直接利用蒸汽加熱煙氣，冬夏季能耗增加幅度較大。MGGH系統利用低品質的煙氣余熱加熱煙氣，冬夏季能耗變化較小。

c）從2種技術路線耗能增加的部分來看，濕煙羽治理工程若煙氣余熱不回收到熱力系統時，機組能耗增量在1～3 g/（kW·h）。

d）與國內其他鍋爐尾部煙氣余熱利用系統相比，本工程MGGH系統利用多余煙氣熱量，在冬季加熱鍋爐暖風器后，再回到低壓凝結水系統加熱凝結水，替代了加熱暖風器的高壓蒸汽，冬季節能量較大，經濟效益明顯，可作為鍋爐尾部煙氣余熱利用的一種典型案例，具有較高的參考價值。