馬金祥，陳軍

(南京圣諾熱管有限公司，南京　210009)

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低溫省煤器在火力發(fā)電廠中的優(yōu)化設(shè)計

馬金祥，陳軍

(南京圣諾熱管有限公司，南京210009)

闡述了火力發(fā)電廠低溫省煤器系統(tǒng)的設(shè)計思路，分析了不同設(shè)計思路的優(yōu)缺點。以600 MW級機組在除塵器之前布置低溫省煤器為例，設(shè)計2種低溫省煤器布置方案，通過對比其經(jīng)濟性，結(jié)合日益成熟的柔性金屬搪瓷防腐技術(shù)，推薦一種收益雖然略低，但投資及耗鋼量較少的低溫省煤器設(shè)計方案。

低溫省煤器；煤耗；節(jié)能；防腐技術(shù)；經(jīng)濟性

0　引言

排煙溫度過高一直是影響鍋爐經(jīng)濟運行的主要原因。理論計算表明，鍋爐排煙溫度每升高10 ℃，鍋爐熱效率約下降1%。采用低溫省煤器可大幅降低排煙溫度，回收煙氣余熱，降低機組熱耗，減少燃煤消耗，若再與濕法脫硫技術(shù)配合則節(jié)水效果顯著[1]。

結(jié)合某600 MW級火力發(fā)電機組條件，設(shè)計2種低溫省煤器布置方案，從經(jīng)濟性、可靠性等方面進行了比較分析。

1　低溫省煤器的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1低溫省煤器熱力連接方式

低溫省煤器在熱力系統(tǒng)中的連接方式涉及余熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟性和計算方法，對整個余熱回收系統(tǒng)運行的安全性、可靠性有著很大影響[2]。

低溫省煤器接入熱力系統(tǒng)的方式大體上可以分為3種：串聯(lián)系統(tǒng)(如圖1所示)，并聯(lián)系統(tǒng)(如圖2所示)及混合聯(lián)系統(tǒng)(如圖3所示)。圖中低加為低壓加熱器。

圖1　串聯(lián)方式低溫省煤器系統(tǒng)

圖2　并聯(lián)方式低溫省煤器系統(tǒng)

圖3　混合聯(lián)方式低溫省煤器系統(tǒng)

1.1.1 串聯(lián)系統(tǒng)

圖1中，從汽輪機#7低加出口引出凝結(jié)水，進入低溫省煤器，在低溫省煤器中加熱升溫后，返回#6低加的入口。低溫省煤器串聯(lián)于低加之間，成為熱力系統(tǒng)的一個組成部分。

串聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點是流經(jīng)低溫省煤器的水量大，排煙余熱利用率較高，經(jīng)濟效益較好。其缺點是增加了低加系統(tǒng)凝結(jié)水流的阻力和低加系統(tǒng)凝結(jié)水泵的壓頭。

1.1.2并聯(lián)系統(tǒng)

圖2中，從#8低加出口分流部分凝結(jié)水進入低溫省煤器，加熱升溫后返回#6低加入口，與主凝結(jié)水相匯合。低溫省煤器與汽輪機#7低加并聯(lián)。

并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點是可以不增加汽輪機低加系統(tǒng)凝結(jié)水泵揚程，因為低溫省煤器繞過低加，所減少的水阻力足以補償?shù)蜏厥∶浩骷捌溥B接管道所增加的阻力。此外，并聯(lián)方式低溫省煤器系統(tǒng)是獨立的旁路，便于停用和檢修，對汽輪機低加系統(tǒng)影響可以忽略。缺點是低溫省煤器的傳熱效果低于串聯(lián)系統(tǒng)。

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1.1.3混合聯(lián)系統(tǒng)

圖3中，低溫省煤器的引入點為2點，一點從#8低加出口引出，另一點從#7低加出口引出，混合后溫度為65～70 ℃，經(jīng)低溫省煤器加熱后返回#6低加出口。這是比較典型的混合聯(lián)系統(tǒng)，也是改進型的并聯(lián)系統(tǒng)，經(jīng)常還混合有先串聯(lián)、后并聯(lián)的情況，具體根據(jù)整個機組的運行情況而定。

混合聯(lián)系統(tǒng)綜合了串、并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點，根據(jù)汽輪機低加系統(tǒng)中各級低加進、出口溫度，在機組各工況下控制進入低溫省煤器的凝結(jié)水溫，使低溫省煤器的受熱面處于低速率腐蝕區(qū)間內(nèi)，可以有效延長低溫省煤器的使用壽命，保證低溫余熱回收系統(tǒng)長期、安全運行。該連接方式的缺點是凝結(jié)水管路比較復雜，由于相對提高了進入低溫省煤器的凝結(jié)水溫，所以換熱面積會增大?；旌下?lián)方式也是現(xiàn)在業(yè)內(nèi)低溫省煤器最常用的熱力連接方式。

1.2低溫省煤器布置方式

目前低溫省煤器布置方案有3種：鍋爐空氣預熱器之后、除塵器之前的煙道上(如圖4所示)；除塵器之后、風機或脫硫塔之前的煙道上(如圖5所示)；二者兼之，分段布置(如圖6所示)。

圖4　低溫省煤器布置在除塵器前

圖5　低溫省煤器布置在除塵器后、脫硫塔之前

圖6　低溫省煤器分段布置

1.2.1布置在除塵器前煙道內(nèi)的優(yōu)點

(1)回收煙氣余熱，提高機組經(jīng)濟性。

(2)煙氣經(jīng)低溫省煤器降溫后，煙氣體積減小，飛灰比電阻降低，可大大提高除塵器的除塵效率，如此，新建機組除塵器設(shè)計規(guī)格更小、能耗更低、占地更少，改造機組可實現(xiàn)更高的除塵效率，降低排放煙氣中的含塵量[3]。

(3)煙溫降低，煙氣體積減小，對于新建機組，低溫省煤器出口的煙道斷面可減小，節(jié)約鋼材耗量。

(4)煙溫降低，煙氣體積減小，引風機和脫硫增壓風機容量相應(yīng)減小，可降低引風機和脫硫增壓風機能耗。

(5)對于濕法脫硫裝置，由于脫硫裝置入口煙溫降低，蒸發(fā)水分少，可節(jié)約脫硫用水。

(6)如將除塵器入口煙溫降至酸露點以下，并配置低低溫除塵器，則還可以除去絕大部分SO3[3]。

1.2.2布置在除塵器前煙道內(nèi)的缺點

低溫省煤器出口煙溫比布置在脫硫前高出10～15 ℃，由于低溫省煤器處于除塵器之前，會造成受熱面磨損及灰堵。

1.2.3布置在脫硫裝置前煙道內(nèi)的優(yōu)點

(1)低溫省煤器布置在引風機后至脫硫裝置前，可充分利用引風機溫升，更大化提高煙氣余熱利用率。

(2)經(jīng)過除塵器除塵，低溫省煤器工作環(huán)境含塵少，對換熱管的磨損較小，運行風險大為降低。

(3)對于濕法脫硫裝置，由于脫硫裝置入口煙溫降低，蒸發(fā)水分少，可節(jié)約脫硫用水。

1.2.4布置在脫硫裝置前煙道內(nèi)的缺點

(1)煙氣溫降無法提高除塵器除塵效率或減少引風機功率。

(2)離主廠房較遠，用于回收熱量的凝結(jié)水管稍長，相關(guān)水泵需克服的管道阻力也略高。

1.2.5分段布置的特點

分段布置的低溫省煤器綜合了前2種布置方式的優(yōu)缺點。與前2種方式比，管路布置復雜。

綜合以上數(shù)據(jù)，低溫省煤器布置在除塵器前，在回收煙氣余熱、提高機組效率的同時，還可提高除塵效率，降低灰塵質(zhì)量濃度，減少煙道阻力，具有可觀的經(jīng)濟效益與環(huán)保效益。雖然還有一些余熱，但由于換熱器傳熱溫壓降低，將需要投入更多的材料和更大的工程，粉塵的沖刷及灰堵都可以從結(jié)構(gòu)上加以改善。

通過以上分析，低溫省煤器布置在除塵器前煙道內(nèi)已經(jīng)能夠做到，既節(jié)能又符合環(huán)保要求，所以這種布置方式成為低溫省煤器常見布置方式。

圖7　600 MW機組熱耗率驗收功率(THA)工況熱平衡圖

2　低溫省煤器系統(tǒng)熱力分析

2.1案例機組概況

某電廠600 MW亞臨界機組采用上海汽輪機有限公司在20世紀70年代引進美國西屋電氣公司技術(shù)制造的2 028 t/h亞臨界壓力、一次中間再熱、控制循環(huán)汽包爐。鍋爐型號為SG-2028/17.5-M907，采用四角切圓燃燒方式，配用中速磨煤機的直吹式制粉系統(tǒng)，采用燃燒器擺動調(diào)溫，露天布置，為全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐主要性能參數(shù)見表1，汽輪機通流改造后熱平衡圖如圖7所示。

表1　鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

2.2低溫省煤器系統(tǒng)

為了減少排煙損失，提高電廠經(jīng)濟性，一般使用

低溫省煤器來回收鍋爐尾部的煙氣余熱。

本案例在鍋爐尾部空氣預熱器出口之后、電除塵器之前煙道內(nèi)設(shè)置低溫省煤器，用煙氣余熱來加熱汽輪機低加系統(tǒng)凝結(jié)水，減少回熱抽汽，增加機組輸出總功，從而獲得更多的發(fā)電量。

低溫省煤器系統(tǒng)的熱力連接方式使用混合聯(lián)方式，從控制進入低溫省煤器凝結(jié)水溫的方式來看，主要有3種混合聯(lián)方式，即采用3種方式控制進入低溫省煤器的凝結(jié)水溫度，分別為利用再循環(huán)管路控制進水溫度(如圖8所示)，利用再循環(huán)管路及高溫取水點控制進水溫度(如圖9所示)，利用再高溫取水點控制進水溫度(如圖10所示)。

圖8　利用再循環(huán)管路控制進水溫度

由圖8～10可以看出，3種混合聯(lián)方式主要目的是將進入低溫省煤器的凝結(jié)水溫度控制在70 ℃。根據(jù)文獻可知，管內(nèi)水溫70 ℃工況下的煙氣低溫腐蝕最輕。腐蝕速率試驗結(jié)果見表2。

圖9　利用再循環(huán)管路及高溫取水點控制進水溫度

圖10　利用再高溫取水點控制進水溫度

材料溫度/℃腐蝕速率/(mm·a-1)ND鋼600.25650.24700.1520鋼700.14考頓鋼700.15316L不銹鋼700.11304L不銹鋼700.14

根據(jù)上述分析和試驗結(jié)果，最終確定換熱管選材為ND鋼，保證換熱管使用壽命為5～10 a。

圖11所示的是低溫省煤器系統(tǒng)對進水溫度沒有控制的流程示意，這個流程相對于混合聯(lián)方式簡單許多，由于取水點溫度較低(案例中此點凝結(jié)水溫度為36 ℃)，可能發(fā)生嚴重的低溫腐蝕。為防止發(fā)生低溫腐蝕，本案例中采用成熟的柔性金屬搪瓷防腐技術(shù)，這種防腐材料能有效地與換熱管管壁結(jié)合為一體，用來解決低溫或露點溫度以下?lián)Q熱管金屬壁面的腐蝕問題，延長管束的使用壽命，同時達到換熱管壁面防結(jié)垢與抗銹垢能力，提高換熱效率，保證換熱管更換壽命大于10 a。

圖11　利用防腐技術(shù)對進水溫度無控制

柔性金屬搪瓷技術(shù)是在普通搪瓷的基礎(chǔ)上，運用流態(tài)化粉碎動力學原理，加入具有抗腐蝕性能的金屬元素，微尺度下其表面活性提高，并與助熔化合物之間形成牢固的化學吸附和化學鍵合狀態(tài)，形成聚合物，顯著提高了該金屬搪瓷的強度、柔韌性、耐蝕性(耐水、油、酸、堿、鹽)、耐溫性及抗結(jié)垢性等多種特殊性能，其耐腐蝕性能檢測結(jié)果見表3，柔性金屬搪瓷技術(shù)能使碳鋼材料在低溫露點條件下長周期運行，實現(xiàn)了低端材料高端化使用，具有極佳的經(jīng)濟效益。

表3　柔性金屬搪瓷技術(shù)耐腐蝕性能檢測

2.3低溫省煤器系統(tǒng)經(jīng)濟性初步分析

選擇圖10所示的混合聯(lián)方式低溫省煤器布置方案為方案1，選擇圖11所示的連接方式為方案2，案例中低溫省煤器的運行參數(shù)見表4[4]。

表4　低溫省煤器運行參數(shù)

根據(jù)案例前面提供的汽輪機100%THA工況下的熱平衡圖，熱力系統(tǒng)部分參數(shù)見表5。

表5　熱力系統(tǒng)部分參數(shù)

低溫省煤器回收了34 ℃的煙氣余熱，減少低加抽汽量，增加了發(fā)電量，減少了燃煤，經(jīng)濟效益非常顯著。從表4可以看出，低溫省煤器回收熱量為30.68 MW，根據(jù)汽輪機THA工況下的熱平衡圖，方案1減少抽汽做功3 781 kW，汽輪機熱耗由7 829.5 kJ/(kW·h)下降到7 783.0 kJ/(kW·h)，由此降低發(fā)電標準煤耗1.61 g/(kW·h)；方案2減少抽汽做功3 261 kW,汽輪機熱耗由7 829.5 kJ/(kW·h)下降到7 789.0 kJ/(kW·h)，由此降低發(fā)電標準煤耗1.39 g/(kW·h)[5]。

低溫省煤器布置在除塵器之前，煙氣系統(tǒng)的阻力增加400 Pa，煙氣溫度從原來的134 ℃降至100 ℃，煙氣流量減少約8%，通過除塵器及引風機(含增加風機)后，低溫省煤器所產(chǎn)生的阻力對整個系統(tǒng)影響可以抵消掉，因此不產(chǎn)生引風機任何能耗。

案例中低溫省煤器系統(tǒng)配備增加水泵，方案1中水泵功率為120 kW，方案2中水泵功率為55 kW。

由于在進入脫硫吸收塔之前低溫省煤器已將煙氣溫度從134 ℃冷卻到100 ℃左右，吸收塔出口的煙氣溫度在50℃左右，這樣就節(jié)省了工業(yè)水使用量約45 t/h。

具體經(jīng)濟性初步分析見表6(表中煤耗、煤量均為標準煤)[4-5]，由表6可知，方案1、方案2投資回收期分別為3.01，2.95a。

表6　低溫省煤器經(jīng)濟性初步分析(100%THA工況)

注：(1)含防腐技術(shù)投資；(2)方案1的用鋼量比方案2多出近200 t；(3)全年機組等效運行時間按5 500 h計算，標準煤價格按750元/t計，工業(yè)水價格按3 元/t計。

3　結(jié)論

由上述經(jīng)濟性比較分析可以看出，方案1和方案2投資回收期相近，雖然方案2總收益較小，但投資較小，且耗鋼量相對小很多，因此推薦采用方案2。

方案2發(fā)電標準煤耗量降低1.39 g/(kW·h)，

減少低加抽汽做功3 261 kW，汽輪機熱耗由7 829.5 kJ/(kW·h)下降到7 789.0 kJ/(kW·h)，每臺機組一次總投資1 270萬元，由于低溫省煤器系統(tǒng)配備了增加水泵(約55 kW)，降低標準煤耗中減去水泵增加的標準煤耗量，凈降低標準煤耗量為1.37 g/(kW·h)，系統(tǒng)每年總收益約為430萬元。

低溫省煤器系統(tǒng)可以通過加熱汽輪機低加系統(tǒng)凝結(jié)水、供熱回水等提高機組熱效率，降低煤耗，增加發(fā)電量。隨著防腐技術(shù)日益成熟，以及防腐技術(shù)在電力行業(yè)越來越多的應(yīng)用，對國內(nèi)大型機組低溫省煤器改造具有一定的借鑒意義。

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(本文責編：弋洋)

2016-03-03；

2016-07-01

TK 223.33

B

1674-1951(2016)07-0015-05

馬金祥(1984—)，男(回族)，寧夏靈武人，工程師，從事火力發(fā)電廠低溫(超低溫)余熱回收系統(tǒng)設(shè)計與研究方面的工作(E-mail:majx@shengnuo.cn)。