电站锅炉排烟余热回收的应用与经济性计算

王森 王桂林周义刚 甘智勇 边疆 孙国通

（1国网天津市电力公司电力科学研究院 天津 3003842 天津市电力科技发展公司 天津 300384）

随着企业间竞争的加剧和日趋严格的节能减排及环保要求，进一步节省燃料消耗已经成为企业未来发展的首要任务之一，这就使得如何充分利用煤炭燃烧产生的热能，提高热能的利用效率显得十分重要[1]。

在火力发电厂中，锅炉的余热利用有很多种方式[2-5]，本文着重针对某330MW亚临界参数锅炉加装复合式相变换热器后的经济性进行了试验总结和技术性探讨。

1 复合式相变换热器的工作原理

1.1 复合式相变换热器的技术简介

“复合式相变换热器技术”来源于上海交通大学杨本洛教授的原创性设计理念[6]。该技术的核心在于“复合”和“相变”，即通过“相变换热器”的设置，并利用不同“强化传热技术”与不同“控制技术”的合理配置，在始终保证金属壁面温度处于酸露点以上的同时，为大幅度回收烟气低温余热提供了可能[7]。

1.2 复合式相变换热器的工作原理

在不同的应用背景下，复合式相变换热器可以设计和组合出许多变化形式，但其基本工作原理不变。其结构形式如图1所示，复合式相变换热器结构主要分为蒸发段和冷凝段两部分，复合式相变换热器上、下换热器通过汽水分离装置联通，饱和蒸汽和饱和水在密闭系统内自然循环[8]。当相变换热器应用于锅炉尾部烟道时，相变换热器蒸发段吸收锅炉尾部烟气热量，换热器内部介质处于相变状态，并沿上升管进入汽包进行汽水分离，随后蒸汽进入相变换热器冷凝段，在冷凝段中，相变换热器内部蒸汽对外部介质(空气或凝结水等）放热，蒸汽被凝结成液体，并沿回路循环至蒸发段完成一个循环。在这个循环过程中，通过对换热介质流量的调节，实现了壁面温度的可调可控。

2 复合式相变换热器在电站锅炉上的应用

图1 复合式相变换热器原理图

2.1 锅炉运行状况

天津地区某机组为HG1102/17.5-YM33型煤粉锅炉，锅炉为330MW亚临界参数、一次中间再热、单轴两缸双排汽采暖抽汽燃煤机组，同步安装脱硫脱硝装置，平衡通风，固态排渣，半露天布置，全钢构架的汽包炉。

锅炉主要设计参数如表1所示。

表1 锅炉的主要设计参数

该机组在夏季正常运行状况下，排烟温度高达155℃左右，电厂运行人员通过改变燃烧煤质、定期吹灰等传统降低排烟温度方式均无法达到预期效果。过高的排烟温度导致了机组布袋使用寿命急剧减少。在某年该机组小修中，发现除尘器的布袋已经大面积破损，经鉴定已经无法再继续使用，进行了全部更换。经过广泛的分析调查，结论是排烟温度过高所致。从投入运行到重新更换，布袋的使用寿命仅仅维持了2～3年。降低排烟温度，势必能够提高布袋的使用寿命，降低维护运行成本。

2.2 改造方案

最终改造方案确定为：将复合相变换热器吸热段置于空预器之后的烟道中，回收尾部烟道烟气余热，降低排烟温度，利用水介质相变将回收热量传递至放热段。夏季用于加热从#8低加进口引出的凝结水至#7低加出口，从而减少汽轮机的回热抽汽，增加发电量，降低供电煤耗；冬季用于加热供暖回水，节能降耗。该装置灵活配置换热器的吸热段和放热段几何尺寸，一方面满足最低壁温高于烟气酸露点的要求；另一方面充分发挥相变传热的高效性，使壁温与排烟温度维持较小的温差。在保证受热面不结露的前提下降低排烟温度，“最大幅度”有效地进行降温节能、提高锅炉热效率和防腐能力。复合式相变换热器设计参数如表2。

表2 复合式相变换热器设计参数

改造示意图如图2、图3所示。

图2 烟道增加相变换热器的夏季改造示意图

图3 烟道增加相变换热器的冬季改造示意图

2.3 改造效果

改造后，分别选取夏季和冬季对复合式相变换热器入口和出口的排烟温度采用网格法进行了测试，数据汇总如表3、表4。

表3 改造后复合式相变换热器入口和出口排烟温度测试汇总（夏季8月测试）

表4 改造后复合式相变换热器入口和出口排烟温度测试汇总（冬季12月测试）

从表3、表4的改造后测试数据可以看出，夏季相变换热器的出口温度较入口温度低25.0℃，冬季相变换热器的出口温度较入口温度低24.1℃，成功将排烟温度控制在设计值130℃范围内，改造后降温效果显著。

3 相变换热器效益计算与经济性分析

计算中所用到的煤质数据、年平均负荷、年运行时间、排烟温度均根据该电厂改造前运行记录统计得出；各低加抽汽焓值、疏水焓值和汽轮机排汽焓值参照THA工况下的汽轮机汽水平衡图；烟气流量使用实测值；按照发电煤耗为350g/(kW·h）,标煤价格为700元/吨计算，年运行时间统计得出为7013h（冬季供暖时间四个半月即3240h夏季3773h）。

3.1 夏季加热凝结水节能量预算

3.1.1 相变换热器回收热量

式中：Vg——实测烟气流量，取1006870Nm3/h；

ρg——烟气密度，取0.931kg/Nm3；

Cpg——烟气比热，取1.09kJ/(kg.℃）；

ΔT——复合式相变换热器前、后排烟温度温差，单位：℃；

φ——设备保热系数，取0.95；

Q——复合式相变换热器回收热量，单位：kW。

3.1.2 等效标煤量

（1）6号低加增加抽汽流量

夏季回热系统增加管路如图4所示：

图4 夏季回热系统增加管路改造示意图

由于复合式相变换热器出口水温100℃低于机组7号低加设计出口水温105.4℃，因此6号低加需要增加部分抽汽流量对该部分凝结水继续加热。6号低加需要增加抽汽热量：

式中：Cp——凝结水比热，取4.3kJ/kg；

Δt6——6号低加额外加热流经复合式相变换热器凝结水温升，单位：℃；

m——实测流经相变换热器加热凝结水流量，85.3t/h；

Q6——6号低加需要增加抽汽热量，单位：kW；

6号低加抽汽焓值h6=2893.7kJ/kg，疏水焓值为hs6=465.5kJ/kg，根据热平衡计算6号低加需要增加抽汽流量G6为：

（2）7号低加减少抽汽流量

通过复合式相变换热器加热部分凝结水，可以减少7号低加和8号低加的抽汽流量。7号和8号低加设计进口水温分别为84.4℃、33.8℃，复合式相变换热器出水（温度为100℃）进入6号低加，因此7号低加减少的抽汽热量为：

式中：Δt7——7号低加减少加热流经复合式相变换热器凝结水温升，℃；

Q7——7号低加减少抽汽热量，kW；

7号低加抽汽焓值h7=2767.2kJ/kg，疏水焓值hs7=377.2kJ/kg，6号低加由于增加抽汽流量0.227kg/s，同样会增加疏水流量0.227kg/s用于加热7号低加，6号低加疏水焓值hs6=465.5kJ/kg，根据热平衡计算7号低加减少抽汽流量G7为：

（3）8号低加减少抽汽流量

8号低加减少的抽汽热量为：

8号低加抽汽焓值h8=2639.6kJ/kg，疏水焓值hs8=168.0kJ/kg，7号低加减少疏水流量为(G7-G6）kg/s，7号低加疏水焓值hs7=377.2 kJ/kg，根据热平衡计算8号低加减少抽汽流量G8为：

（4）增加发电量

将7、8号低加减少的抽汽流量用于发电，利用等效热降，计算得到增加的发电量为：

式中：H6——6段抽汽等效热降，取519.9kJ/kg；

H7——7段抽汽等效热降，取408.4kJ/kg；

H8——8段抽汽等效热降，取306.7kJ/kg；

ηe——机械效率，取99%；

η——发电机效率，取98.9%。

Ne——增加发电量，kW。

（5）节省的标煤量

夏季运行时间3773小时计算，增加的发电量为：

以发电煤耗350g/（kW·h）为计算，加热凝结水节约标煤量为：=2902041×350÷1000000=1015.7（t/a）。

3.2 冬季加热采暖循环水节能量预算

3.2.1 相变换热器回收热量

3.2.2 等效标煤量

式中：Q——复合相变换热器回收热量，单位：kW；

HR——设备冬季运行小时数，3240h；

Qp——标煤的发热量，单位：kCal/kg；

ηk——锅炉效率，取90%；

860 ——功热当量。

3.3 增设复合式相变换热器后增加的能耗计算

3.3.1 烟气阻力实测增加298.5Pa，引风机增加的能耗为：

式中：Vg——实测烟气流量，取1006870Nm3/h；

t——引风机进口烟温，取115℃；

ΔPy——为增设复合式相变换热器后烟气侧增加阻力，单位：Pa。

ηy——引风机效率，取75%

3.3.2 夏季增压泵增加能耗

式中：Qv——夏季流经相变换热器水流量，取85.3kg/s；

H——水泵扬程，单位：m；

ηb——水泵的效率，取75%。

3.3.3 冬季增压泵增加能耗

式中：qv——冬季流经相变换热器水流量，取188.1kg/s；

H——水泵扬程，单位：m；

ηb——水泵的效率，取75%。

3.3.4 增加的年总耗电量Em和多耗的标煤为Gm：

3.4 节能量及经济效益计算

由此可计算得出，通过增设复合式相变换热器，一年可节约标煤量G为：

按照平均每吨标煤700元计算，可得出每年节省资金243万元。

4 结语

利用相变换热器回收锅炉排烟余热，能大幅度降低烟气的排放温度，产生十分可观的经济效益。在降低排放温度的同时，通过灵活调整受热面上的节流阀门，远离酸露点的腐蚀区域，从根本上避免了结露腐蚀和由此发生的堵灰，大幅度降低了设备的维护成本。因此相变换热器可以被广泛应用到其他电厂中，发挥其回收中低温余热的优良特性。

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