姚振剛，陳 曦，白 巖，沈繼榮，冷 杰

(1．中電投東北節(jié)能技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110181;2．遼寧省送變電工程公司，遼寧 沈陽(yáng) 110021;3．中電投東北新能源發(fā)展有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110181;4．中國(guó)石油撫順石化公司熱電廠，遼寧 撫順 113004;5．遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

目前，大多火力發(fā)電廠的燃煤鍋爐排煙溫度高于設(shè)計(jì)值，特別是近年來(lái)隨著燃煤價(jià)格不斷上漲，火力發(fā)電廠為降低發(fā)電成本，對(duì)燃煤結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使入爐煤煤質(zhì)偏離設(shè)計(jì)煤種 (如摻燒或全燒褐煤)，導(dǎo)致鍋爐排煙溫度升高、熱效率降低及機(jī)組發(fā)電煤耗增加。變換熱技術(shù)是一項(xiàng)全新的換熱技術(shù)，采用了熱管原理，將原來(lái)傳統(tǒng)熱管換熱器中相互獨(dú)立的部分通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的整體，以保證受熱面最低壁面溫度只有微小的梯度溫降，解決了低溫腐蝕問(wèn)題。

1 機(jī)組概況

某電廠為2×135 MW超高壓雙抽供熱機(jī)組，鍋爐為超高壓參數(shù)、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、自然循環(huán)、固態(tài)排渣循環(huán)流化床鍋爐，由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)制造 (2臺(tái)440 t/h循環(huán)流化床鍋爐)。鍋爐原設(shè)計(jì)燃燒煙煤，現(xiàn)燃用煤質(zhì)改為全燒褐煤，運(yùn)行中存在排煙溫度較高的問(wèn)題［1］。

為降低鍋爐的排煙損失，提高鍋爐效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保效益，擬采用相變換熱煙氣余熱回收技術(shù)，以回收該公司1號(hào)鍋爐煙氣余熱。改造后，夏季工況可降低供電煤耗3.206 g/kWh，冬季工況可降低供電煤耗2.76 g/kWh，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表1列出了1號(hào)鍋爐近3年來(lái)的排煙溫度數(shù)據(jù)?？梢?jiàn)，夏季排煙溫度為150～160℃，冬季排煙溫度為145～150℃，鍋爐排煙損失較大，熱效率降低，影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。由于鍋爐排煙溫度高，鍋爐熱效率約降低0.7%，機(jī)組煤耗約增加3 g/kWh。

表1 鍋爐近3年排煙溫度數(shù)據(jù) ℃

2 相變余熱回收系統(tǒng)

圖1 相變余熱回收系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)的余熱利用系統(tǒng)是利用鍋爐排煙余熱加熱給水加熱系統(tǒng)的低壓給水 (主凝結(jié)水)，其結(jié)構(gòu)與一般省煤器相似。低壓省煤器水側(cè)連接于汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)中的低壓部分，由于內(nèi)部流過(guò)的介質(zhì)是凝結(jié)水泵供出的低壓主凝結(jié)水，其水側(cè)壓力較低，故稱為低壓省煤器。

根據(jù)該公司1號(hào)機(jī)組鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀及煙氣余熱回收相關(guān)技術(shù)要求，結(jié)合給水回?zé)嵯到y(tǒng)，設(shè)計(jì)方案為相變余熱回收系統(tǒng)，如圖1所示。

相變余熱回收系統(tǒng)由相變換熱器、相變換熱汽包、連接管道、溫度控制系統(tǒng)等組成。相變換熱器是在原鍋爐煙氣系統(tǒng)尾部，空預(yù)器之后、除塵器之前的煙道部分加裝一套換熱器裝置，其作用為回收煙氣中的熱量，降低排煙溫度。相變換熱汽包與主凝結(jié)水系統(tǒng)并聯(lián)，主要作用是用相變換熱器介質(zhì)的熱源來(lái)加熱抽出的部分凝結(jié)水，從而將鍋爐尾部煙氣余熱回收利用 (加熱凝結(jié)水)。連接管道主要是給水回?zé)嵯到y(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)接入和接出系統(tǒng)管道及供暖水管道。溫度控制系統(tǒng)主要是保證煙氣余熱回收裝置的相變換熱器壁面溫度大于煙氣酸露點(diǎn)溫度，并可控可調(diào)，從而保證相變換熱器不結(jié)露、不積灰、不腐蝕。與傳統(tǒng)的低壓省煤器余熱回收系統(tǒng)相比，相變余熱回收系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)越性，主要技術(shù)特點(diǎn)如下。

a． 相變余熱回收系統(tǒng)的余熱回收利用適用性更強(qiáng)。相變換熱器將高于煙氣酸露點(diǎn)的換熱器最低壁面溫度作為“第一”設(shè)計(jì)參數(shù)，保證換熱面不結(jié)露、不腐蝕。相變換熱汽包解決了凝結(jié)水溫度對(duì)換熱器影響的問(wèn)題，允許溫度較低的凝結(jié)水進(jìn)入相變換熱器，無(wú)需考慮換熱器的酸腐蝕問(wèn)題。

b． 相變余熱回收系統(tǒng)從低壓給水加熱器引出部分或全部凝結(jié)水進(jìn)入相變換熱汽包，而布置在鍋爐尾部的相變換熱器只有少量換熱介質(zhì)水，解決了傳統(tǒng)的低壓省煤器管道腐蝕引起凝結(jié)水泄漏導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法安全運(yùn)行問(wèn)題。

c． 相變余熱回收系統(tǒng)通過(guò)控制換熱器表面溫度，解決了換熱器腐蝕和積灰問(wèn)題，系統(tǒng)運(yùn)行更加安全、可靠。

d． 相變余熱回收系統(tǒng)采用換熱介質(zhì)在換熱器中相變的技術(shù)，使換熱效率和強(qiáng)度相對(duì)于對(duì)流換熱得到了顯著提高。同時(shí)，相變換熱可以控制換熱器最低壁面溫度“整體均勻”，適應(yīng)機(jī)組、煤質(zhì)及傳熱負(fù)荷的變化，使排煙溫度和壁面溫度保持相對(duì)穩(wěn)定。

3 改造方案

相變余熱回收系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)需對(duì)鍋爐排煙熱損失和汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)影響進(jìn)行整體熱力計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性分析，需解決所增設(shè)的設(shè)備積灰、堵灰、磨損、泄漏、低溫腐蝕等問(wèn)題，同時(shí)還需考慮在引風(fēng)機(jī)、電除塵、純凝及供熱工況下，對(duì)汽輪機(jī)安全運(yùn)行的影響。

3.1 換熱器方案的選擇

目前，在尾部受熱面應(yīng)用較普遍的是螺旋翅片管換熱器。螺旋翅片管換熱器多應(yīng)用于管內(nèi)為液體或氣液兩相工質(zhì)而管外為氣體工質(zhì)的場(chǎng)合，可強(qiáng)化管外氣流擾動(dòng)，擴(kuò)大換熱面積，從而增強(qiáng)傳熱，節(jié)約能源。同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)緊湊，使金屬耗量減少，在電廠鍋爐中采用螺旋管束翅片管省煤器可大大節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，在國(guó)內(nèi)外得到迅速推廣應(yīng)用。針對(duì)該公司1號(hào)鍋爐煙氣余熱回收的技術(shù)參數(shù)，綜合考慮換熱器傳熱、阻力、造價(jià)等因素，同時(shí)根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，擬定本方案中換熱器采用螺旋翅片管換熱器［2－3］，如圖 2 所示。

圖2 螺旋翅片管換熱器

3.2 總體布置方案

相變余熱回收系統(tǒng)的布置位置對(duì)整個(gè)鍋爐排煙余熱回收利用系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性產(chǎn)生較大影響。對(duì)于該公司1號(hào)鍋爐，鍋爐尾部煙道空間有限，將相變換熱器布置在空預(yù)器和除塵器之間，具體在空預(yù)器出口、灰斗的上方位置。相變換熱汽包布置在風(fēng)機(jī)房的上方。相變換熱器和相變換熱汽包的布置方式充分利用了鍋爐尾部已有鋼架和混凝土支撐架［4－6］。

3.3 熱力系統(tǒng)

相變換熱器設(shè)計(jì)阻力為250 Pa，在相變余熱回收系統(tǒng)中，夏季工況時(shí)，從JD.2低壓加熱器出口引出凝結(jié)水，凝結(jié)水溫度為82.9℃，流量為260.4 t/h，被加熱到105℃，接入至JD.3低壓加熱器入口凝結(jié)水管道;冬季工況時(shí)，從JD.2低壓加熱器出口引出凝結(jié)水，凝結(jié)水溫度為75℃，流量為230.5 t/h，被加熱到100℃，接入至JD.3低壓加熱器入口凝結(jié)水管道。在鍋爐尾部的空預(yù)器之后、除塵器之前布置相變換熱器，夏季工況煙氣溫度由155℃降至127℃，冬季工況煙氣溫度由150℃降至122℃。相變換熱器內(nèi)流動(dòng)的換熱介質(zhì)為水，水在低壓換熱器中吸收煙氣的余熱被加熱，通過(guò)自然對(duì)流到相變換熱器中，再與凝結(jié)水換熱［7－9］。

相變換熱器進(jìn)口水溫設(shè)計(jì)為高于煙氣酸露點(diǎn)溫度8℃，由溫度控制凝結(jié)水管路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門對(duì)入口水溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)換熱器入口水溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)。相變余熱回收系統(tǒng)中，水在相變換熱器中吸收鍋爐排煙余熱，降低排煙溫度，通過(guò)自然對(duì)流在相變換熱汽包中加熱凝結(jié)水。凝結(jié)水間接被鍋爐排煙余熱加熱，溫度升高后再返回低壓加熱器系統(tǒng)。煙氣的余熱回收加熱凝結(jié)水可起到低壓加熱器的作用，成為汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。余熱回收系統(tǒng)將排擠部分汽輪機(jī)的回?zé)岢槠?，在汽輪機(jī)進(jìn)汽量不變時(shí)，這部分排擠抽汽將從抽汽口返回汽輪機(jī)繼續(xù)做功。因此，在鍋爐燃料消耗量不變時(shí)，可多獲得電功，提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

3.4 吹灰系統(tǒng)

根據(jù)吹灰器形式的不同分為蒸汽式機(jī)械吹灰器、聲波吹灰器和激波吹灰器。在效果上以蒸汽式機(jī)械吹灰器為最佳，在經(jīng)濟(jì)性上以激波吹灰器和聲波吹灰器為最佳，在安全性上以聲波吹灰器為最佳，從吸熱段換熱表面保護(hù)及換熱器表面積灰為干灰綜合考慮，本項(xiàng)目采用聲波吹灰器。

3.5 防腐措施

根據(jù)低溫腐蝕機(jī)理，只要保證低溫受熱面金屬壁面溫度高出煙氣酸露點(diǎn)溫度8℃左右，就可以避免產(chǎn)生低溫腐蝕。因此，吸熱段換熱器進(jìn)口介質(zhì)溫度應(yīng)始終大于110℃，使相變換熱器壁面溫度高出煙氣酸露點(diǎn)溫度，從而保證換熱器不會(huì)受到腐蝕。在工況變化情況下，通過(guò)溫度監(jiān)控和流量控制調(diào)節(jié)，保證相變換熱器壁面溫度不低于110℃。

3.6 對(duì)引風(fēng)機(jī)性能影響分析

根據(jù)實(shí)際情況，在空預(yù)器后、除塵器前布置相變換熱器，要考慮換熱器產(chǎn)生的煙氣阻力對(duì)引風(fēng)機(jī)影響。設(shè)計(jì)相變換熱器引起煙氣側(cè)阻力增大值在250 Pa以下。同時(shí)，由于相變換熱器后煙氣溫度降至125℃，使煙氣密度增大，體積流量減小，提高了引風(fēng)機(jī)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

由于加裝了余熱回收裝置，原來(lái)由低壓加熱器抽汽加熱的部分凝結(jié)水，現(xiàn)通過(guò)余熱回收裝置被鍋爐排煙余熱加熱，節(jié)省了低壓加熱器系統(tǒng)的抽汽量，這部分抽汽將返回汽輪機(jī)做功，從而提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)這部分熱量屬于排煙余熱，如果不被利用，則隨煙氣的排放而損失掉，利用余熱回收裝置回收的這部分熱量對(duì)于回?zé)嵯到y(tǒng)屬于外部輸入熱量。

采用等效熱降法進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性分析，將余熱回收裝置回收的排煙余熱作為純熱量輸入系統(tǒng)，而鍋爐的有效熱量不變，即鍋爐產(chǎn)生1 kg新汽的能耗不變，在此前提下，熱系統(tǒng)所有排擠抽汽所增大的功率，都將使汽輪機(jī)的效率提高。 相應(yīng)1 kg汽輪機(jī)新汽，其全部做功量稱為新汽等效焓降，所有排擠抽汽所增大的功量稱為等效焓降增量，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 節(jié)煤量計(jì)算結(jié)果

機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)為6 500 h，其中夏季按3 000 h計(jì)算，機(jī)組負(fù)荷率為72.4%，冬季按3 500 h計(jì)算，機(jī)組負(fù)荷率為74.7%，標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)為650元/t，夏季工況收益為621 225元，冬季工況收益為646 945元，一年總效益為1 268 280元。

［1］ 杜國(guó)良，史明武，冷 杰．440 t/h循環(huán)流化床鍋爐磨損原因分析及措施［J］．東北電力技術(shù)，2007，28(3):30－31，34．

［2］ 林 巖，丁 煒，田懷真．電站鍋爐排煙余熱回收系統(tǒng)在通遼發(fā)電總廠的應(yīng)用［J］．東北電力技術(shù)，2004，25(7):4－6．

［3］ 孫海鵬．淺談熱管技術(shù)在工業(yè)鍋爐余熱回收上的應(yīng)用 ［J］．鍋爐制造，2011，33(5):38－40．

［4］ 辛曲珍，康 達(dá)，姜 森．鍋爐排煙余熱回收熱力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析［J］．電站系統(tǒng)工程，2011，27(3):58．

［5］ 武 勇，康 達(dá)，李永星．某電廠鍋爐排煙余熱利用系統(tǒng)改造 ［J］．鍋爐制造，2009，31(3):4－6．

［6］ 楊菊青．鍋爐余熱回收技術(shù)的應(yīng)用 ［J］．節(jié)能科技，2012，21(4):42－43．

［7］ GB 151—1999，管殼式換熱器 ［S］．

［8］ GB 150—1998，鋼制壓力容器 ［S］．

［9］ DL/T 5054—1996，火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］．