降低锅炉排烟温度利用烟气余热的实践与理论研究

胡广涛，岳益锋

(上海理工大学 能源与动力工程学院，上海200093)

0 引言

近年来节能减排已作为我国的一项基本国策。火电厂作为消耗一次能源的几大行业之一，火电厂的节能潜力更是巨大，故对于火电厂的节能技术方法是亟待解决的问题。当前国内火电厂的余热利用空间更是巨大，如锅炉排烟余热、排污余热、除氧器乏汽余热及相关冷却器余热等都是可以利用的余能。然而理论和实践证明降低锅炉排烟温度利用烟气余热是有可观的经济效益的做法［1］。

1 利用烟气余热的理论基础

1.1 烟气余热利用的方法

排烟热损失是锅炉运行中最大的一项热损失，提高能源利用率，提高电厂经济性，降低排烟温度利用烟气余热是一项重要的措施。目前降低排烟温度的方法主要分为两种，一是改造锅炉的省煤器，另一种是增设尾部热回收装置，可称为低压省煤器。

相对来说改造原省煤器的余热利用能级较高，在对排烟温降要求不高，且对锅炉的燃烧稳定性要求不严格时，可利用改造原省煤器来达到降低排烟温度的目的。但大多数的实际情况下并非如此，往往改造原省煤器不合理也不被接受，它会影响到整个锅炉的运行安全。理论和实践证明在锅炉的尾部加装低压省煤器是一种行之有效的途径。

山东大学黄新元［2－3］教授对低压省煤器做了较深入的分析，提出了相关的数学理论模型。西安交通大学的林万超［4］教授对低压省煤器系统的热经济性利用等效焓降理论进行了深入的研究，提出了余热梯级利用的概念。近年来国内很多电厂陆续成功加装了低压省煤器，如开封电厂、长春第二热电厂、大唐淮北电厂等，且运行状况良好，如大唐淮北电厂［5］将8号210 MW机组加装低压省煤器后烟温降低了23℃，年节省标煤2 633 t，节能效益显著。

1.2 低压省煤器的原理

低压省煤器与传统省煤器相仿，安装在锅炉的尾部烟道，一般在空气预热器之后。其水侧一般是低压给水或汽轮机回热系统的低压水。水在低压省煤器中吸收烟气被加热后，一般进入除氧器等设备被利用。

低压省煤器接入系统时可分为串联和并联两种［6］，串联如图1示，从第N级低加出口引出全部凝结水，经过低压省煤器进入第N+1级低加出口。串联时该省煤器中的水流量较大，故当在省煤器换热面积一定时，可将烟气温度降低的更低，即排烟余热利用程度大。然而串联时因水流量大，故势必引起工质侧的阻力增加，所以在大多数情况下需加装凝结水泵。

图1 串联式

并联如图2示，低压省煤器跨过一个或多个低加，流经该省煤器的水占了总凝结水的一部分。这种工况下一般无需增设凝结水泵，因低压省煤器跨过了多个加热器，此时所产生的压差一般情况足以弥补低压省煤器及相关设备所增加的阻力。但并联时由于分流量小于全流量，则水的出口水温较高，所以并联时的传热温压较低，余热利用程度较低。

图2 并联式

1.3 低压省煤器设计时主要参数的选择

(1)进水流量

低压省煤器的节能效果和流量有如图3示的关系，可知进水流量G存在一个最佳数值，无论是增加或减少进水流量都会使节能效果变差［7］。

图3 进水流量—节能关系

(2)负荷大小

当机组低负荷运行时，因各低压加热器的出口温度、出口比焓均降低，进入除氧器的主凝结水温度降低［7］，这使低压省煤器的吸热量变化且该变化能够减少高能级抽气的重新分配。负荷与流量的关系如图3示，从图3上能够看出在相同的流量下低负荷时的节能效果更有利。

(3)进水温度

在设计锅炉的低温受热面时务必要考虑低温腐蚀和堵灰的问题，安装低压省煤器也同样需注意，但大多数情况下两者不能协调统一，这种情况下应优先考虑防腐蚀措施。一般工程要求腐蚀速度≤0.2 mm，根据低温腐蚀机理，要求管壁温度在下述范围［8］:tld+25℃ ＜t＜105℃，其中tld为烟气水露点温度。由于低压省煤器管内的工质水的换热系数远大于烟气侧的，所以其冷段管壁的温度近似等于水的温度，故低压省煤器的进水温度需在以上要求的范围之内。

2 低压省煤器的工程实例计算

某电厂130 t/h煤粉炉排烟温度高达180℃，现欲通过加装该低压省煤器来降低烟温，利用余热。以下为该低压省煤器的计算示例。

2.1 结构特性及设计参数

本次改造欲将温度降低至150℃左右，即温降并不是很大，故该低压省煤器用采用并联式接入系统。低压省煤器结构特性及参数见表1。

表1 结构特性及设计参数

2.2 热力计算

(1)换热系数的计算

一般锅炉受热面传热系数可表示为［9］

式中ay——烟气侧对流换热系数;

as——工质水侧对流换热系数;

ε——灰污系数。

因锅炉省煤器中工质水侧的对流换热系数相对于烟气侧很大，故上式可写为

烟气侧传热系数计算如下［9］:

式中Cs、Cd、Cw——分别为修正系数，由文献［9］中查表得出;

λ——烟气导热系数/W·m－1·℃－1;

d——管径/m;

ν——烟气运动粘度/m2·s－1;

w——烟气速度/m·s－1;

a——烟气热扩散系数/m2·s－1。

灰污系数计算:

式中 ε0——灰污系数基本值/m2·℃·W－1;

Cg——管径修正系数;

Csf——飞灰修正系数;

Δε——灰污系数改正值/m2·℃·W－1。

带入实际参数，并参考文献［9］中相关修正系数，得总换热系数为K=30.52 W/(m2·℃)

(2)校核计算

换热量为Q'=KAΔT=1 863.45 kW

烟气放热量Q″=(Ij－Ic)Vy=1 812.52 kW

3 节能效益分析

利用低压省煤器回收余热，并作为纯热量利用于热力系统，但锅炉产生单位新蒸汽的耗能不变。故在此条件下抽气减少所增加的功率使汽轮机的效率提高。以上文介绍工程为计算实例，利用等效焓降法计算其工程收益［10］，计算如下:

1 g新气全部做功量称为新气等效焓降(记为H)，所有排挤抽气所增加的功量称为等效焓降增量(记为ΔH)计算如下

式中d——机组汽耗率/kg·kWh－1;

ηjd——汽轮机机电效率;

β——低压省煤器流量系数;

hdc——低压省煤器出口水比焓/kJ·kg－1;

hcj——除氧器进口水比焓/kJ·kg－1;

λj——所绕过的各低加工质焓升/kJ·kg－1;

ηj——所绕过的各低加的抽气效率;

ηg——低压省煤器出口到除氧器管道效率。

经计算H=844.63 kJ/kg;ΔH=22.46 kJ/kg热经济性相对提高为

锅炉年节约能量为

式中N——机组额定容量;

n——机组年运行小时;

b——发电标准煤耗率。

经计算得ΔB=1 296.9(t/a)

年节能价值为

式中P——煤价，取P=800元/t。

因前期投资成本不到50万元，将该投资和维修费用总和与收益相比知，该项目投资约半年时间即可回收成本，可见投资收益显著，值得各电厂借鉴实施。

4 结论

(1)烟气温度降要求在30℃左右时低压省煤器一般采用并联接法接入系统，此时可不用再安装凝结水泵;但在烟气温度要深度降低时可用串联接法，水流量可更大，温差更大，有利于强化低温换热;

(2)锅炉运行稳定时，低压省煤器进水流量存在一个最佳值，使其节能效率达到最高;且锅炉低负荷运行时的节能效率更高些;

(3)因尾部烟气温度低，灰的硬度大，故磨损较严重，且磨损与速度三次方成正比，所以为减轻低压省煤器中的磨损，烟气的速度可以较低些，这样也减少了烟气侧的阻力，减少风机耗能;

(4)从本文介绍的工程实例来看，安装低压省煤器的经济效益很显著，值得推广应用。

［1］高占民，张少平.降低电站锅炉排烟温度新技术研究［J］.节能技术，2006，24(1):9－11，

［2］黄新元，孙奉仲，史月涛，等.670 t/h锅炉增设低压省煤器降低排烟温度的实践［J］.中国电力，2008，41(6):55－58.

［3］黄新元，王家明，孙启超，等.锅炉加装低压省煤器改造技术研究［J］.电力建设，2008，29(3):98－101.

［4］林万超.火电厂热系统节能理论［M］.西安;西安交通大学出版社，1994.

［5］王润生.200 MW锅炉余热利用关键技术及节能效果［J］.安徽电力，2011(28):54－57.

［6］周新军，房林铁，张红方，田松峰.330 MW机组增装低压省煤器及经济性分析［J］.节能，2011(6):16－20.

［7］黄新元.火电厂低压省煤器系统的最优水量分配［J］.水动力研究与进展，2003，(5).

［8］丁乐群，张镭，于捷.火电厂加装低压省煤器经济效益分析［J］.东北电力技术，2006(5):28－30.

［9］冯俊凯.锅炉原理及计算［M］.北京:科学出版社，2003.

［10］张红方，王勇，田松峰，等.基于等效焓降法的低压省煤器系统经济性分析［J］.节能技术，2011，29(5);457－461.