淺談低溫省煤器在火力發(fā)電廠中的運(yùn)用

商永強(qiáng)

【摘 要】隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用電需求也呈現(xiàn)出了不斷上升的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，在這樣的條件下強(qiáng)化用電供給能力就限制至關(guān)重要。本文簡(jiǎn)要敘述了“低溫省煤器”的特點(diǎn)及不同的運(yùn)用方式，分析了其運(yùn)用的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)火力發(fā)電廠660 MW級(jí)機(jī)組采用低溫省煤器，可使全廠發(fā)電效率提高0.22%，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低1.1～ 1.2 g/kWh，以800元/t的標(biāo)煤價(jià)計(jì)算，機(jī)組年運(yùn)行7000小時(shí)，年等效利用小時(shí)為5000 h，每臺(tái)機(jī)組全年的燃料成本約可節(jié)約320萬元，每年節(jié)約用水量約35萬噸。投資回收年限約：2.98～3.86年。采用低溫省煤器可提高機(jī)組熱效率，節(jié)能、節(jié)水效果顯著，符合國(guó)家“節(jié)能減排”的政策，具有很好的發(fā)展前景和應(yīng)用推廣價(jià)值。

一、當(dāng)前火力發(fā)電廠面臨的嚴(yán)峻形勢(shì)

隨著全球及我國(guó)經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)保形勢(shì)的發(fā)展，當(dāng)前火力發(fā)電廠特別是燃煤發(fā)電廠，將面臨更為嚴(yán)格的環(huán)保要求和嚴(yán)峻的市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)形勢(shì)，突出表現(xiàn)在如下方面：

1.節(jié)能和減排已成為燃煤發(fā)電企業(yè)發(fā)展的兩個(gè)約束性指標(biāo)

國(guó)務(wù)院發(fā)布的《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃綱要》中明確提出了“建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)；堅(jiān)持開發(fā)節(jié)約并重、節(jié)約優(yōu)先，按照減量化、再利用、資源化的原則；大力推進(jìn)節(jié)能節(jié)水節(jié)地節(jié)材，加強(qiáng)資源綜合利用，完善再生資源回收利用體系，全面推行清潔生產(chǎn)，形成低投入、低消耗、低排放和高效率的節(jié)約型增長(zhǎng)方式?！边@表明節(jié)能降耗和減少排放已成為對(duì)燃煤發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)的兩個(gè)約束性指標(biāo)。在節(jié)能方面，規(guī)劃提出到2015年中國(guó)萬元GDP能耗要降低20%（即由1.22噸標(biāo)煤/萬元GDP下降到0.98噸標(biāo)煤/萬元GDP左右）；一次能源消費(fèi)總量控制目標(biāo)為27億噸標(biāo)煤左右；年均增長(zhǎng)4%；規(guī)劃中對(duì)燃煤發(fā)電行業(yè)的要求是到2015年全國(guó)火力發(fā)電企業(yè)的平均供電煤耗降低20g/kWh，廠用電率下降至4.5%左右。

2.燃煤發(fā)電企業(yè)的電量調(diào)度已經(jīng)由銘牌調(diào)度逐漸向節(jié)能調(diào)度過渡

2007年8月國(guó)務(wù)院轉(zhuǎn)發(fā)了由國(guó)家發(fā)改委、環(huán)?？偩帧㈦姳O(jiān)會(huì)、能源辦制定的《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法》，對(duì)于燃煤機(jī)組按照能耗水平由低到高排序，按照能耗水平進(jìn)行電量調(diào)度。隨著電力供求矛盾的逐步緩減，新的電源點(diǎn)不斷投運(yùn)，高能耗燃煤發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展將受到限制，其經(jīng)營(yíng)形勢(shì)變得非常嚴(yán)峻，將面臨激烈的競(jìng)爭(zhēng)。公司只有對(duì)外不斷爭(zhēng)取市場(chǎng)份額，對(duì)內(nèi)加強(qiáng)管理、最大限度的降低消耗，對(duì)低效高耗的主輔機(jī)進(jìn)行技術(shù)更新和改造，才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中生存和發(fā)展。

3.國(guó)內(nèi)外煤炭?jī)r(jià)格持續(xù)上漲，燃煤發(fā)電企業(yè)經(jīng)營(yíng)嚴(yán)峻

近年來，國(guó)際煤炭?jī)r(jià)格不斷飆升。受國(guó)際煤炭?jī)r(jià)格上漲因素的影響，國(guó)內(nèi)發(fā)電用煤價(jià)格也持續(xù)上漲，且合同煤價(jià)與市場(chǎng)煤價(jià)逐步逼近，燃煤發(fā)電企業(yè)將面臨更大的成本壓力。火電機(jī)組的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果認(rèn)為：電站鍋爐的排煙溫度在120～140℃內(nèi)較佳。目前國(guó)內(nèi)能源價(jià)格和環(huán)保脫硫要求與傳統(tǒng)理論和以前技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析所依據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)生了巨大的變化，能源價(jià)格高漲，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，應(yīng)選用更低的鍋爐排煙溫度；從節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮，降低排煙溫度對(duì)于節(jié)約燃料、降低污染具有非常重要的實(shí)際意義。因此，深度降低排煙溫度是目前電站鍋爐節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展的必然選擇。

二、低溫省煤器的運(yùn)用現(xiàn)狀

我國(guó)目前也以降低排煙溫度為目的的鍋爐技術(shù)改造方案較多，這為電站鍋爐節(jié)能開辟了新的途徑。影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度，一般我國(guó)許多電站鍋爐的排煙溫度大多高于設(shè)計(jì)值，一般約比設(shè)計(jì)值高出20～50℃。排煙熱損失是鍋爐各項(xiàng)熱損失中最大的一項(xiàng)，一般為5%～12%，占鍋爐熱損失的60%～70%。影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度。一般情況下，排煙溫度每增加10℃，排煙熱損失上升0.6%～1%，相應(yīng)多耗煤1.2%～2.4%。若以燃用熱值為20000KJ/kg煤的410t/h高壓鍋爐為例，則每年多消耗近萬噸動(dòng)力用煤。我國(guó)許多電站的排煙溫度高于設(shè)計(jì)值約20～50℃，因此降低排煙溫度對(duì)于節(jié)約燃料、降低污染具有非常重要的實(shí)際意義。

深度降低排煙溫度并開發(fā)低溫省煤器的設(shè)計(jì)理念來自于1973年能源危機(jī)前后美國(guó)和歐洲廣泛推廣的節(jié)能策略，低溫省煤器系統(tǒng)在國(guó)外至今已有幾十年的使用歷史。在歐洲，主要用來降低褐煤爐的排煙溫度，在日本，還用來提高除塵效率。目前已發(fā)展出數(shù)種形式，采用高肋化比的換熱元件作為傳熱體，采用耐硫酸鋼材和不銹鋼材料加工，利用蒸汽或脈沖吹灰器解決運(yùn)行積灰問題，取得了成功的使用業(yè)績(jī)。

在我國(guó)，電站鍋爐深度降低排煙溫度正成為一種趨勢(shì)。據(jù)調(diào)研，華電國(guó)際百年電力發(fā)展有限公司首次在4號(hào)機(jī)組完成了深度降低排煙溫度的改造，將鍋爐排煙溫度從145℃降低至85℃（平時(shí)運(yùn)行保持90℃），節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤耗3.6g/kwh。上海外高橋三期的零能耗脫硫系統(tǒng)，也成功地將鍋爐排煙溫度降低到87℃，節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤耗2.0g/kwh。國(guó)內(nèi)其他電廠如國(guó)電荊門電廠、揚(yáng)州二電廠、六枝電廠、萊蕪電廠、太原第二熱電廠等也在積極進(jìn)行深度降低排煙溫度的努力，相繼制定相關(guān)技術(shù)改造方案或進(jìn)行實(shí)施。上海電氣電站集團(tuán)上海鍋爐廠有限公司目前已經(jīng)將新建機(jī)組鍋爐設(shè)計(jì)排煙溫度最低控制在105～110℃范圍內(nèi)，超越了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，為電站鍋爐節(jié)能降耗作出了重要和優(yōu)異的業(yè)績(jī)，同時(shí)也承接鍋爐增加低溫省煤器的改造業(yè)務(wù)，為眾多需要節(jié)能降耗的電廠提供技術(shù)支持和項(xiàng)目實(shí)施。

三、低溫省煤器的工作原理

1.系統(tǒng)介紹

低溫省煤器系統(tǒng)的改造方案，通常是在鍋爐除塵后部的煙道中加裝低溫省煤器，利用煙氣加熱汽機(jī)凝結(jié)水，提高機(jī)組綜合效率，同時(shí)將排煙溫度降低到102℃，實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的深度回收，大幅度降低脫硫塔入口煙溫，減少脫硫系統(tǒng)水耗，提高機(jī)組整體熱經(jīng)濟(jì)性。

2.系統(tǒng)組成

上述幾種布置方式中，單級(jí)布置場(chǎng)地安排方便，投資較小些；兩級(jí)布置方式較復(fù)雜，但可以降低進(jìn)入電除塵的煙溫，飛灰比電阻可從下降1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣可大大提高電氣除塵器的收塵效率；水媒復(fù)合GGH能最大限度提高回收熱量的利用率（100%的回收熱用來再熱凈煙氣），但是，鑒于目前GGH凈煙氣夾帶石膏漿液現(xiàn)象無法根治，容易造成凈煙氣加熱換熱用肋片管外堵塞，導(dǎo)致阻力失控，制約了該方案的推廣使用。增加低溫省煤器系統(tǒng)可有不同的做法，幾種可行的布置方案如下圖所示：考慮兼顧增加發(fā)電量和冬季使用暖風(fēng)器節(jié)能需要，通常推薦采用單級(jí)布置帶暖風(fēng)器系統(tǒng)的布置方案，該系統(tǒng)由低溫省煤器系統(tǒng)和暖風(fēng)器系統(tǒng)組成。利用鍋爐排出的100～160℃的煙氣作為熱源，用來加熱鍋爐給水和暖風(fēng)器內(nèi)部循環(huán)工質(zhì)，達(dá)到提高發(fā)電系統(tǒng)效率，保護(hù)空氣預(yù)熱器避免低溫腐蝕，同時(shí)能通過降低脫硫系統(tǒng)入口煙氣溫度，達(dá)到減少脫硫系統(tǒng)水耗的目的。低溫省煤器中的工質(zhì)水從汽輪機(jī)低壓缸的低加系統(tǒng)抽出，抽出水的溫度根據(jù)低溫省煤器出口換熱面壁溫高于煙氣露點(diǎn)的要求決定，一般選擇內(nèi)部水溫在50～90℃的低壓加熱器，考慮低負(fù)荷運(yùn)行需要，低溫省煤器作為該級(jí)低壓加熱器的并聯(lián)系統(tǒng)，在低負(fù)荷時(shí)可以調(diào)整低溫省煤器內(nèi)工質(zhì)流量保證低溫省煤器的煙氣出口溫度不低于煙氣露點(diǎn)溫度過多。露點(diǎn)溫度根據(jù)蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)和日本標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法計(jì)算，設(shè)計(jì)控制煙氣排放溫度不低于露點(diǎn)一定范圍。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的利用能力，低溫省煤器設(shè)計(jì)分為多級(jí)，其最后一級(jí)和暖風(fēng)器系統(tǒng)并聯(lián)，暖風(fēng)器系統(tǒng)通過低溫省煤器的末級(jí)吸熱，熱水通過暖風(fēng)器循環(huán)泵強(qiáng)制在末級(jí)低溫省煤器和暖風(fēng)器間循環(huán)，暖風(fēng)器系統(tǒng)工質(zhì)無需連續(xù)提供，只需要定期更換即可。

3.布置方案

一般系統(tǒng)的低溫省煤器，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地情況，建議布置在引風(fēng)機(jī)后脫硫風(fēng)機(jī)前的水平煙道上， 較適合于和新設(shè)計(jì)機(jī)組、加裝脫硫系統(tǒng)改造、拆除GGH改造同步進(jìn)行。這種方案中低溫省煤器內(nèi)部煙氣灰含量很低，設(shè)備磨損較小，對(duì)電除塵設(shè)備影響不大，這種布置方式為優(yōu)先推薦方案。暖風(fēng)器布置在送風(fēng)機(jī)出口的水平風(fēng)道上，可以同時(shí)設(shè)置一次風(fēng)和二次風(fēng)暖風(fēng)器。根據(jù)設(shè)計(jì)換熱量的大小，低溫省煤器可以分成兩級(jí)或三級(jí)布置。其中最末級(jí)在投用暖風(fēng)器時(shí)，可以作為暖風(fēng)器的熱源換熱器。為核算余熱回收效果，計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益，抽取某電廠660MW 機(jī)組的設(shè)計(jì)煤種，BMCR工況條件的煙氣參數(shù)，對(duì)汽輪機(jī)組增加發(fā)電量部分，委托汽輪機(jī)公司核算采用和不采用本系統(tǒng)兩種方案，核算發(fā)電汽耗和機(jī)組輸出電功的變化，得出比較結(jié)果。

四、低溫省煤器的經(jīng)濟(jì)性分析

1.對(duì)熱力系統(tǒng)效率的改善

先考慮不投暖風(fēng)器工況，最大收益狀態(tài)為所有汽輪機(jī)低壓缸凝結(jié)水進(jìn)入低溫省煤器。在燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)，BMCR（機(jī)組輸出功率P=660×1.1=726MW），低溫省煤器內(nèi)部水壓1.67MPa， 進(jìn)出水焓分別為232.41kJ/kg和328.91kJ/kg。標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱量為29310kJ/kg。上述條件下，回收的熱量為：Q=F×（i”-i）= 370.285×3600 ×（328.91-232.41）=1.286×108 kJ/h=35.72MW， 考慮從汽機(jī)到低溫省煤器間輸送熱量損失5%，每滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)節(jié)煤ΔBj=0.95×Q/29310=0.95×1.286×108 / 29310=4168.2 kg/h， 折算為鍋爐煤耗為 ΔC=ΔBj/P= 4168.2 ×1000 / 726000 =5.742g/kwh。對(duì)加熱冷凝水的方案，汽輪機(jī)低壓缸少抽汽部分可以繼續(xù)做功，對(duì)應(yīng)上述回收熱能的蒸汽在汽機(jī)低壓缸做功效率僅為11.78%（按照汽機(jī)熱平衡圖對(duì)比計(jì)算得到），發(fā)電機(jī)組可以多發(fā)電35.72×0.95× 11.78% =3.997MW，汽機(jī)熱耗從7419kJ/kwh降為7378kJ/kwh，發(fā)電效率從48.52%提高到48.79%，提高0.27%， 考慮鍋爐效率94%，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗從269.30 g/kwh降為267.81 g/kwh，降低1.49 g/kwh。每小時(shí)節(jié)約標(biāo)煤為1.49×10-3×726×103=1081.74kg/h。

2.系統(tǒng)多耗能部分

多耗能部分包括（1）低溫省煤器的流通阻力，（2）輸送汽機(jī)冷凝水的泵功損失，（3）暖風(fēng)器循環(huán)泵的功耗。輸送（克服阻力）功率為：W = m×ΔP/（ρ×η）/1000 kw，（m：質(zhì)量流速，kg/s，ΔP：流通阻力，Pa，ρ：水密度：986kg/m3，η：風(fēng)機(jī)（泵）的效率，下面計(jì)算取泵為η=0.90，引風(fēng)機(jī)為η=0.80）。輸送水的功率： w1= 370.285×0.2×106 /（986×0.90）/1000=83.45kw煙氣阻力多耗功為：（煙氣密度0.956kg/m3，阻力1.0kPa）w2=750.6×1000 /（0.956×0.80）/1000= 981.42 kw暖風(fēng)器循環(huán)泵功耗：（泵耗用揚(yáng)程0.3MPa，輸送水量200kg/s，水密度1000kg/m3）w3=200×0.3×106 /（1000×0.90）/1000=66.7kw考慮電廠效率（按42%），上述耗用電功率折算為鍋爐熱輸入量算法為：w/0.42， 折算為每小時(shí)煤耗的計(jì)算方法為： w/0.42×3600 / 29310 （kg/h）。無論采用何種熱源，暖風(fēng)器的空氣阻力都變化不大。因此只要采用暖風(fēng)器，就必須耗用送風(fēng)機(jī)功率，采用該方案不會(huì)增加額外的送風(fēng)機(jī)功耗。另外，采用閉式循環(huán)水加熱暖風(fēng)器的工質(zhì)阻力要小于采用蒸汽，這一部分功耗節(jié)約有限，不予計(jì)入。

3.凈收益計(jì)算

計(jì)算上述供貨范圍內(nèi)的設(shè)備造價(jià)如估算為1000萬元左右（具體費(fèi)用按照供貨范圍詳細(xì)計(jì)算數(shù)值，不含暖風(fēng)器投資費(fèi)用），安裝費(fèi)用預(yù)計(jì)為150萬元，電廠配套設(shè)備約為150萬元，則該項(xiàng)目總建設(shè)（或改造）投入費(fèi)用約為1300萬元。設(shè)備的年收益（發(fā)電收益、暖風(fēng)器收益和減少脫硫運(yùn)行噴水收益，未算入不裝GGH的運(yùn)行收益）計(jì)算為336.57萬元，投資回收周期為2.98～3.86年。按照投運(yùn)壽命一個(gè)大修周期計(jì)算（6年），電廠的凈收益為 6×336.57-1300=713.42萬元，節(jié)煤6×3990.21=23941萬噸（標(biāo)準(zhǔn)煤）；總節(jié)約脫硫噴水量34.71×6=208.3萬噸。凈降低發(fā)電煤耗 1.10g/kwh，發(fā)電成本下降不低于0.088分/kwh。

五、低溫省煤器的綜合使用意義

低溫省煤器-暖風(fēng)器鍋爐余熱回收系統(tǒng)是一項(xiàng)產(chǎn)出遠(yuǎn)大于投入的設(shè)備，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。該系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行要求很低，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)換熱部件和風(fēng)機(jī)，控制簡(jiǎn)單，維護(hù)工作主要為及時(shí)更換局部腐蝕嚴(yán)重的部件。已有設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況表明，對(duì)低溫省煤器布置在電除塵器后方的方案，堵灰現(xiàn)象輕微，用吹灰器定期清理就能滿足，基本上不需要進(jìn)行水沖洗。對(duì)燃用高硫煤鍋爐，采用涂搪瓷表面管束或不銹鋼管束，可以有效延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。該系統(tǒng)非常適合于替代現(xiàn)有FGD脫硫系統(tǒng)中的GGH設(shè)備，由于低溫省煤器不接觸含有石膏的凈煙氣，因此不會(huì)出現(xiàn)管束堵塞現(xiàn)象，換熱管束采用順列布置和H型肋片，可以進(jìn)一步提高吹灰效果。其每年得到的巨大收益，完全能支付因取消GGH后對(duì)煙囪等設(shè)備的防腐改造的投入費(fèi)用，取消GGH還能帶來降低廠用電率、簡(jiǎn)化運(yùn)行維護(hù)工作等好處。由此可見，這種改造不但可長(zhǎng)期獲益，其重要的是符合國(guó)家“節(jié)能減排”的政策，具有很好的發(fā)展前景和應(yīng)用推廣價(jià)值。

低溫省煤器之所以能夠在火力發(fā)電廠中得到廣泛的應(yīng)用，其最重要的原因就在于低溫省煤器具有較高的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。通過對(duì)低溫省煤器的合理安裝和利用，將會(huì)為火力發(fā)電廠帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。面對(duì)當(dāng)前世界能源儲(chǔ)量的不斷下降以及能源價(jià)格的不斷上升，低溫省煤器將會(huì)在火力發(fā)電廠中得到更多的應(yīng)用，并且在相關(guān)的技術(shù)上也將得到不斷地彌補(bǔ)和改進(jìn)，發(fā)揮出更大的功效。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鶴忠，連正權(quán).低溫省煤器在火力發(fā)電廠中的運(yùn)用探討[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2010，4：32-38.

[2]景宇蓉.鍋爐余熱利用裝置低壓省煤器的熱力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].華北電力大學(xué)，2012.