锅炉深度利用烟气余热变能级系统的原理与设计

常家星，段君寨，黄新元， 高鹏

(1.国网能源伊犁煤电有限公司，新疆 伊宁835000； 2.华电国际山东分公司，济南 250101； 3.山东大学 能源与动力工程学院，济南 250061； 4.山东泓奥电力科技有限公司，济南 250101)

0 引言

随着国内节能减排形势的发展，锅炉烟气余热利用领域出现了一些新的变化，这些变化可归纳为：(1)锅炉排烟温度从早期的125～130 ℃，下降到90～100 ℃，以最大限度地回收排烟余热；(2)节能与环保密切协同，如低低温省煤器配静电除尘技术，在明显提高除尘效率的同时，降低烟气露点；(3)排烟温度很高的机组越来越少，余热的能级水平越来越低；(4)随着火电机组全部完成选择性催化还原(SCR)脱硝系统改造，锅炉空气预热器的硫酸氢铵腐蚀和堵灰问题凸显出来，除控制氨逃逸之外，提高空气预热器冷端综合温度也是有效措施之一。

本文介绍了一种锅炉深度利用烟气余热变能级系统(以下简称变能级系统)，其特点可概括为：(1)烟气余热同时用于加热送风和汽轮机凝结水，取得余热能级提高和保护空气预热器的双重效益；(2)将锅炉出口烟气温度降至烟气露点以下，达到深度节能和初级脱硫之目标。该技术已获得国家发明专利(ZL 2010 1 0242930.X)。

1 变能级系统组成

变能级系统由高能级段(HES)、低能级段(LES)和空气加热段(AHS)3个单元组成，如图1所示。所回收烟气余热分成2个部分：HES用于加热汽轮机凝结水，排挤抽汽、增发功率来实现节能；LES借助闭式循环水和AHS,加热入炉冷风，提高空气预热器进风温度和排烟温度，实施对空气预热器的保护。LES在提升进风温度的同时，使排烟余热和凝结水吸热的能级提高，增益HES的标煤节省量。机组负荷、煤质变化时的调整由一个控制器(CSD)来执行。LES采用石墨改性漆膜钢作为传热元件、安装高声强声波吹灰器来应对极低烟温下的受热面低温腐蚀和积灰问题。

图1 变能级系统示意图

2 设计方案

2.1 机组概况

某电厂#3锅炉为1 025 t/h自燃循环汽包炉，配335 MW纯凝发电机组。设计煤种为烟煤，设计锅炉效率为92.5%，设计排烟温度为134 ℃，实际运行时夏季满负荷排烟温度为135 ℃，年平均排烟温度为120 ℃。空气预热器为三分仓回转式。湿法脱硫系统已取消烟气换热器(GGH)。汽轮机组为335 MW亚临界纯凝机组，回热系统为典型的四低三高一除氧型。设计热耗率为8 140 kJ/(kW·h)。

2.2 布置与参数

图2为所设计变能级系统的总体布置图。按照低低温静电除尘器原理，将HES布置于静电除尘器前，烟温降至90 ℃，冷却介质为汽轮机凝结水；LES布置于脱硫塔前，烟温降至75 ℃，冷却介质为锅炉冷风。在LES与AHS之间以闭式水传递热量。按常用负荷75%机组热耗保证工况(THA)设计。原始排烟温度120 ℃。在冬季工况下，关闭阀3、阀4、阀5，开启阀1、阀2，HES与LES合并加热锅炉送风，排烟温度从104 ℃降到97.5 ℃，实现冬季热风加热零汽耗。

图2 变能级系统总体布置示意图

变能级装置布置于两侧烟道，截面尺寸4 400 mm×8 800 mm，其中HES的传热元件采用H型翅片管，LES的传热元件采用双纵肋管。受热面材质按金属壁温分段选择。设计总传热面积31 200 m2,传热设备总质量530 t，系统主要设计参数见表1。

表1 主要设计性能参数(75%THA)

3 若干设计说明

3.1 能级提升

变能级余热利用系统与常规低压省煤器的最大区别是其运用了能级提升原理，现结合设计方案加以说明：利用烟气余热加热空气后，空气预热器进口风温升高22.1 ℃，空气预热器出口烟温升高11.3 ℃，烟温升高就是烟气能级的提升，烟气能级提升后用于加热凝结水即可获得比常规低压省煤器更多的排挤功。为此，变能级系统将加热空气装置后置，高的烟温首先加热汽轮机凝结水，随后再去加热空气，这个位置的颠倒，是能级提升的关键。参照表1和表2，HES的烟温降区域是89.4～131.3 ℃，平均抽汽效率为0.173 1，若设计为常规低压省煤器时，相应烟温降区域为78～120 ℃，平均抽汽效率仅为0.138 4。

3.2 锅炉效率

某电厂的空气预热器出口烟温(排烟温度)升高11.3 ℃，锅炉效率升高0.135个百分点，这与常识似乎相悖。分析其原因在于升高温度后的排烟并未终结向空气传热过程。设计方案是将LES继续加热空气的烟温降低14 ℃，扣除排烟温度升高值11.3 ℃，其差值为2.7 ℃，即加热空气多消耗的烟温降(称炉内烟温降)，以此计算锅炉效率升高为0.135个百分点。

实际上，依据GB/T 10184—1988 《电站锅炉性能试验规程》的排烟损失Q2计算公式，同样可以得出结论：锅炉效率随排烟温度升高而增加。

Q2=(Vgycgy+VH2OcH2O)(tPY-t0) ，

式中：tPY为排烟温度，℃；t0为空气预热器进风温度，℃；Vgy为干烟气质量体积，m3/kg(标态，下同)；VH2O为水蒸气质量体积，m3/kg；cgy为干烟气比热容，kJ/(m3·℃)(标态，下同)；cH2O为水蒸气比热容，kJ/(m3·℃)。

上式中，tpy随t0的升高而升高，但其差值(tpy-t0)减小，故Q2损失降低。

以上分析结果表明，当排烟温度的增加是由于非外来热量加热进风而引起时，排烟损失不仅不升高，反而降低。这里的非外来热量是指环境温度或排烟余热，不包括用汽轮机抽汽加热的暖风器。

3.3 空气预热器冷端保护

国内电厂普遍投运炉外脱硝装置后，需应对空气预热器的冷端腐蚀、堵灰和差压增大的问题。除降低氨的逃逸率之外，提高空气预热器冷端综合温度也是有效措施之一。设计方案是在非冬季工况下，利用烟气余热提升空气温度22.1 ℃，提高排烟温度11.3 ℃，提高冷端综合温度33.4 ℃；在冬季工况下，利用烟气余热提升空气温度41.6 ℃，提高排烟温度28 ℃，提高冷端综合温度69.6 ℃。因此，变能级系统还具有常年减缓空气预热器腐蚀、积灰，减小空气预热器差压的功能。

3.4 受热面腐蚀、堵灰对策

(1)材质选择。该工程烟气露点99.4 ℃，最低壁温90 ℃为有限腐蚀区下界，75 ℃为酸结露腐蚀区下界，65 ℃为水结露腐蚀区下界。按以下原则选择金属材料：管排最低壁温高于90 ℃时，选用20 G钢；管排最低壁温在75～90 ℃区间，选用ND钢；管排最低壁温低于75 ℃，选用ZS-1041钢(石墨改性漆膜钢)。以上3种材料的相应传热面积比例为0.37∶0.40∶0.23。所研制的ZS-1041材料的防腐蚀性能与其他材料的对比试验结果见表3。

表3 试件在φ(H2SO4)=10%溶剂中的腐蚀速率

(2)壁温控制。各级受热面均设计进口水温的调节装置，在任意负荷下保持与该级金属材料的匹配。

(3)传热管结构。LES的传热元件采用小直径低直翅光管,其防积灰性能优于“H”型翅片管。

(4)设置清灰装置。在LES安装可调频高声强吹灰器，实施运行连续吹灰；安装高压离线清洗装置，停炉期间一次性彻底清灰。

4 变能级系统与常规低压省煤器的比较

本文主要比较变能级系统与常规低压省煤器的热经济性。

4.1 比较原则

(1)两种系统的设计传热面积、设备质量相同。

(2)两种系统的最低管排壁温相同。

(3)冬季工况维持风温升相同，非冬季工况低压省煤器水量按最佳水量选取[2]。

4.2 计算方法

(1)变能级系统。在非冬季工况下，HES的热量用于机侧，采用等效热降法计算其热经济性。LES的热量用于炉侧，采用常规算法计算锅炉效率。总的热经济性为机侧、炉侧两部分之和。在冬季工况下，高、低能级段的全部烟气用于加热锅炉送风，效益按其所节省的常规暖风器抽汽计算。

(2)常规低压省煤器。按等效焓降法计算热经济性。在冬季工况下，低压省煤器进口烟温按暖风器投入后的排烟温度选取。

4.3 比较结果

变能级系统与常规低压省煤器的节能量比较见表2。

表中数据表明，变能级系统与常规低压省煤器方案相比，按冬季运行3个月，非冬季运行9个月计算，全年可多节省标准煤0.59 g/(kW·h)，空气预热器提高冷端综合温度33.4 ℃，常规低压省煤器没有这一功能。在冬季工况下，变能级系统排挤的抽汽的能级(除氧器)高于常规低压省煤器(2，3级)，故冬季工况的节能量也是前者多于后者。

5 不同烟温降方案的比较

为评定降烟温至75 ℃的技术经济合理性，选择2个不同烟温降方案进行比较。方案1从120 ℃降低到75 ℃，方案2为比对方案，从120 ℃降低到95 ℃。主要结果见表4。

表4 不同烟温降方案计算结果汇总

表4中标煤价格按650元/t计算。在此煤价下，方案1的回收期略优于方案2。如果煤价下降，则投资回收期延长，方案1不及方案2，反之若煤价升高，方案1的优越性则比较明显。

6 结论

(1)变能级系统利用变能级原理使低烟温区加热锅炉送风、高烟温区加热汽轮机凝结水，既可以提高空气预热器的金属壁温，又可以增加排挤抽汽的能级，可比常规低压省煤器节省供电煤耗0.5～0.6 g/(kW·h)。锅炉的原始排烟温度越低，变能级系统相对常规低压省煤器的标煤节省越多。

(2)对低低温烟气环境下的抗腐蚀材料ZS-1041进行了试验研究，按照腐蚀速率从小到大的排序习惯，依次排序为：ZS-1041，ND，12Cr1MoV，T91，20G。

(3)在采取有效措施后，变能级系统可将烟温深度降低到露点以下。技术经济比较结果表明，降低到75 ℃的变能级系统，其投资回收年限略小于降低到95 ℃的变能级系统。入厂煤价越高，投资回收年限的差异越大。

(4)对于利用烟气自身余热加热锅炉送风的系统，锅炉效率会随着排烟温度的升高而增加。大致的定量关系为，排烟温度每升高1 ℃，锅炉效率提高约0.012个百分点。

(5)变能级系统尤其适用于原始排烟温度较低的锅炉(115～125 ℃)。该系统能够达到节省标煤、空气预热器冷端保护、低低温提高静电除尘器效率、降低烟风机电耗的效果。

参考文献：

[1]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.

[2]黄新元,平亚明，孙奉仲，等. 火电厂低压省煤器系统的最优水量分配[J].水动力学研究与进展，2003(5):526-531.