林俊光，羅鐘高，崔云素，張衛(wèi)靈，程 慧

（浙江省電力設(shè)計院，杭州 310012）

國內(nèi)某電廠4臺200 MW機組的鍋爐為東方鍋爐廠DG670/140-8型超高壓、中間再熱、自然循環(huán)煤粉爐，單爐體、π型布置。目前存在的主要問題是鍋爐排煙溫度較高，高負荷時排煙溫度在140℃左右，此部分熱量并沒有得到有效利用。

原設(shè)計為每兩臺機組配有一套煙氣脫硫系統(tǒng)，為兩爐一塔，配有一臺增壓風(fēng)機，煙氣脫硫后直接排入煙囪，脫硫系統(tǒng)不設(shè)置氣氣換熱器（GGH），為了避免高溫?zé)煔鈱γ摿蛩斑M口煙道內(nèi)防腐材料的破壞，采用對高溫?zé)煔鈬娝姆椒ń档蜔煔鉁囟?。如能采取有效措施，在利用煙氣余熱的同時又能將排煙溫度降低20～30℃，則既可以降低機組熱耗，又能節(jié)約大量淡水資源。本文提出通過增設(shè)低溫省煤器并對其進行設(shè)計優(yōu)化，回收利用煙氣余熱，降低機組的煤耗，同時減少脫硫用水，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

1 設(shè)計方案

低溫省煤器安裝在鍋爐尾部煙道，其水側(cè)連接于汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)的低溫給水。低溫給水在低溫省煤器中吸收排煙熱量，降低了排煙溫度，而水溫升高后則可減少加熱給水的抽汽量。

1.1 系統(tǒng)聯(lián)結(jié)方式的選擇

低溫省煤器主要有兩種聯(lián)結(jié)方式，分別是串聯(lián)聯(lián)結(jié)和并聯(lián)聯(lián)結(jié)，如圖l、圖2所示。串聯(lián)聯(lián)結(jié)方式的優(yōu)點是流經(jīng)低溫省煤器的水量大，排煙余熱利用的程度較高，經(jīng)濟效果較好。但凝結(jié)水的阻力增加，所需凝結(jié)水泵壓頭增加，電廠改造時需要更換凝結(jié)水泵。并聯(lián)聯(lián)結(jié)低溫省煤器的傳熱效果低于串聯(lián)聯(lián)結(jié)，但不必更換凝結(jié)水泵。另外，并聯(lián)低溫省煤器系統(tǒng)是獨立的旁路，便于停用和維修。

圖1 串聯(lián)聯(lián)結(jié)方式示意圖

圖2 并聯(lián)聯(lián)結(jié)方式示意圖

基于以上分析，根據(jù)機組各低壓加熱器進出口溫度，考慮到低負荷工況時低溫省煤器入口水溫過低將導(dǎo)致受熱面低溫腐蝕，在并聯(lián)聯(lián)結(jié)方式的基礎(chǔ)上提出一種新型的聯(lián)接方式，如圖3所示，即分別從1號低壓加熱器入口引出一路較低溫度的凝結(jié)水，2號低壓加熱器入口引出一路較高溫度的凝結(jié)水，經(jīng)混合后進入低溫省煤器，與煙氣進行熱交換后進入3號低壓加熱器入口。本系統(tǒng)設(shè)一臺加壓泵，以克服整個水系統(tǒng)帶來的阻力。兩路出水管路上各設(shè)置一只調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)兩路混合水溫度至設(shè)定值。該聯(lián)結(jié)方式的優(yōu)點是可以調(diào)節(jié)低溫省煤器入口水溫，獲得更好的傳熱效果，從而節(jié)省受熱面布置。

1.2 煙氣系統(tǒng)布置方式的選擇

低溫省煤器的布置方式主要有3種：布置在空氣預(yù)熱器出口、除塵器進口，布置在脫硫吸收塔進口、增壓風(fēng)機出口，以及分段布置。

圖3 改進型并聯(lián)聯(lián)結(jié)方式示意圖

如在空氣預(yù)熱器出口、除塵器進口布置低溫省煤器，煙氣在空氣預(yù)熱器出口之后就被減溫至90～100℃，煙氣的體積流量也相應(yīng)減少約10%，因而可以減少除塵器的除塵面積以及除塵器的占地面積和用材，同時可降低引風(fēng)機流量。據(jù)相關(guān)研究[1]，飛灰的比電阻隨溫度的降低而降低，電除塵器的除塵效率隨之增高。但是煙氣溫度的降低增加了舊電廠已有的電除塵器防腐蝕的難度，同時增加了除塵器內(nèi)堵灰的可能性?？紤]到國內(nèi)電除塵器的低溫防腐技術(shù)尚未成熟，目前還沒有低溫電除塵器投運的實例，一旦除塵器因堵灰或腐蝕嚴重需要檢修，就可能影響整個機組的運行。因此，對于舊電廠改造，一般不推薦此方案。

如在脫硫吸收塔進口、增壓風(fēng)機出口布置低溫省煤器，此時煙氣中的絕大部分飛灰已被除塵器除去，基本不存在換熱器磨損和堵灰的問題，因此換熱器可以使用翅片管式或板式結(jié)構(gòu)以提高傳熱系數(shù)，而且可以免去蒸汽吹掃裝置。若置于引風(fēng)機之后，則可避免換熱器一旦腐蝕泄漏，凝結(jié)水漏入引風(fēng)機的問題，引風(fēng)機葉片也不需要考慮低溫防腐。此布置方案的運行可靠性和維護成本都優(yōu)于第一種方案，設(shè)備占用的空間也較小。但由于增壓風(fēng)機后的煙道長度有限，無法布置兩臺爐的低溫省煤器，同時新增低溫省煤器后荷載增加，原煙道支架改造非常困難，因此該方案也不能在本工程中采用。

分段布置方式是考慮到單獨的某一區(qū)段容納不下整個低溫省煤器裝置，因此將它分成幾個相對獨立的管箱布置，適合于舊電廠改造。由于增壓風(fēng)機后煙道長度有限，初步考慮在增壓風(fēng)機前后各布置一段。通過計算發(fā)現(xiàn)：兩臺爐的部分低溫省煤器管箱布置在增壓風(fēng)機后、脫硫塔前彎管過渡段時，煙氣阻力將增加約2000 Pa，現(xiàn)有的增壓風(fēng)機將不能克服此阻力；同時新增低溫省煤器荷載約600 t，原煙道支架將無法承受。若新增煙道支架，現(xiàn)場也無法布置；即使不考慮阻力和土建因素，僅從經(jīng)濟性分析，此方案的投資回收年限約為19.4年，對舊電廠改造顯然是不合適的。綜合以上考慮，認為在增壓風(fēng)機后不適合布置低溫省煤器。所以，本工程低溫省煤器只能布置在引風(fēng)機后、增壓風(fēng)機前的水平煙道上。

1.3 低溫省煤器設(shè)計參數(shù)的確定

為了保證增設(shè)低溫省煤器后能達到預(yù)期效果，減少改造對設(shè)備帶來的危險，必須先進行引風(fēng)機和增壓風(fēng)機風(fēng)量、壓頭的校核計算及低溫省煤器熱力計算，通過技術(shù)經(jīng)濟性比較，確定低溫省煤器的設(shè)計參數(shù)。低溫省煤器的傳熱元件采用ND鋼、H型鰭片管，抗腐蝕，耐磨損，防積灰。表1是該電廠加裝低溫省煤器在機組熱耗保證工況（THA工況）的設(shè)計和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 低溫省煤器設(shè)計和結(jié)構(gòu)參數(shù)（THA工況）

2 增設(shè)低溫省煤器需要考慮的問題

2.1 受熱面積灰

鍋爐煙氣中的灰分不僅會污染傳熱管表面，影響傳熱效率，嚴重時還會堵塞煙氣流動通道，增加煙氣流動阻力甚至影響鍋爐安全運行，導(dǎo)致停爐清灰。干灰清理主要考慮3項措施：

（1）保證吹灰器的布置能吹到所有的管束，不留吹灰死角。

（2）設(shè)計煙氣流速高于10 m/s且速度相對均勻，使煙氣在流動中具有一定的自清灰能力。

（3）利用低溫省煤器煙氣入口擋板的定時啟閉，減小煙氣流通總面積，增加吹灰時段的煙氣流速，達到清除積灰的目的。

2.2 受熱面腐蝕

研究表明[2]，將低溫省煤器置于壁溫小于105℃、但比煙氣中水蒸汽飽和溫度高25℃的區(qū)間時，金屬壁溫的腐蝕速度≤0.2 mm/a，這是可以接受的腐蝕速度。工作在這個金屬壁溫區(qū)的低溫省煤器進水溫度較低（一般在60～70℃），因此本文對該工程低溫省煤器入口水溫按65℃考慮。

由于低溫省煤器在酸腐蝕的工況下運行，所以選用合適且性價比高的耐腐蝕材料非常重要。根據(jù)目前國內(nèi)外的設(shè)計經(jīng)驗，可以考慮采用的材料主要有：不銹鋼、耐腐蝕的低合金碳鋼，復(fù)合鋼管及表面搪瓷處理的碳鋼等。不銹鋼材料雖然抗腐蝕性能好，但由于材料價格較高，換熱系數(shù)低，因此本文對該工程低溫省煤器按耐腐蝕的低合金碳鋼考慮。

3 經(jīng)濟性分析

采用等效焓降法進行熱經(jīng)濟性分析[3]。增設(shè)低溫省煤器前后，低壓缸各級抽汽除了流量變化外，溫度和壓強均無變化，凝結(jié)水流經(jīng)各級加熱器的進出口溫度也沒有變化。確定抽汽流量要先根據(jù)低溫省煤器煙氣側(cè)的放熱量計算出換熱器的水側(cè)流量，然后再根據(jù)熱量平衡計算相關(guān)低壓加熱器抽汽流量。具體計算如表2所示。

裝設(shè)低溫省煤器后，煙氣阻力約增加330 Pa，根據(jù)測試報告，增壓風(fēng)機和引風(fēng)機均有一定的富裕量，可以克服該新增阻力；低壓缸排汽增加考慮到后將增加凝汽器循環(huán)水的能耗，低溫省煤器凝結(jié)水加壓泵也需要消耗能量，以及風(fēng)機功率的增加等，煙氣余熱利用后最終將使供電標準煤耗降低1.34 g/kWh，具體計算如表3所示。

表2 低溫省煤器THA工況計算表

表3 低溫省煤器THA工況計算表

根據(jù)電廠運行數(shù)據(jù)，全年總運行小時數(shù)為7920 h。全年運行負荷分布時間折合到額定工況下的運行小時數(shù)如表4所示。

表4 機組運行負荷分布率

設(shè)置低溫省煤器后，由于降低了脫硫塔進口的煙氣溫度，每臺機組脫硫系統(tǒng)可減少噴水量約12 t/h，全年節(jié)約用水55596 t。考慮脫硫系統(tǒng)工業(yè)水制備、噴淋設(shè)備投用等綜合成本，水價按2.2元/t計，每臺機組每年可節(jié)省水費12.23萬元。

設(shè)置低溫省煤器需要增加靜態(tài)投資約480萬元。每8年需花費112萬元更換冷段受熱面，加上運行維護費用，折合后每年約需20萬元運行維護費用。經(jīng)濟性分析見表5所示。

表5 低溫省煤器經(jīng)濟性分析表

4 結(jié)論

綜上所述，設(shè)置低溫省煤器能有效降低進入脫硫塔的煙氣溫度，并回收了煙氣余熱。分析、計算的結(jié)論如下：

（1）低溫省煤器適合布置在增壓風(fēng)機前、引風(fēng)機后的煙道上。

（2）低溫省煤器水側(cè)采用改進型并聯(lián)聯(lián)結(jié)方式，從1號低壓加熱器進出口的主凝結(jié)水管路上，分別引出兩路凝結(jié)水，混合后經(jīng)過低溫省煤器，再返回3號低壓加熱器主凝結(jié)水入口。

（3）低溫省煤器投運后每臺機組供電標準煤耗將降低1.34 g/kWh，每年可節(jié)省燃料費用108.53萬元；節(jié)省脫硫系統(tǒng)用水55596 t，每臺機組每年可節(jié)省水費12.23萬元。按初始投資480萬元計算，6年可收回動態(tài)投資。

[1] 趙旭東，吳少華,項光明，等.循環(huán)流化床煙氣脫硫裝置對電除塵影響研究[J].熱能動力工程，2005（4）∶378-380.

[2] 林萬超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1994.

[3] 李勤道，劉志真.熱力發(fā)電廠熱經(jīng)濟性計算分析[M].北京：中國電力出版社，2008.