1 000 MW超超临界机组烟气余热梯级利用设计思想

包伟伟，张伟，刘彦宝，张少康，张宇

（1.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨，150046；神华国华永州发电有限责任公司，湖南永州，425000）

1 000 MW超超临界机组烟气余热梯级利用设计思想

包伟伟1，张伟2，刘彦宝1，张少康1，张宇1

（1.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨，150046；神华国华永州发电有限责任公司，湖南永州，425000）

文章针对1 000 MW超超临界机组锅炉尾部烟气余热高效利用的问题，提出了梯级利用的设计思想，并基于热力系统的变工况分析计算方法，对该思想的设计特点以及经济性收益作了详细的论述及分析。结果表明：采用梯级利用设计思想，在第4、5级回热抽汽上设置蒸汽暖风器，在0号高压加热器上并联高位低温省煤器，可使机组热耗降低约26 kJ/ kW·h，经济性效果明显。

汽轮机，超超临界，余热利用，蒸汽暖风器，低温省煤器，热经济性

0 引言

1 000 MW超超临界机组锅炉尾部烟气余热的高效利用方式始终是行业内研究的热点问题。常规的锅炉设计主要通过设置空预器回收其尾部烟气余热。近年来，随着国家节能减排政策对燃煤发电机组运行经济性要求的不断提高，大多数的新建项目机组均开始设置低温省煤器以进一步降低锅炉的排烟温度，回收烟气余热，并取得了一定的成果[1-3]。空预器以及低温省煤器的设置单纯从回收锅炉尾部烟气余热的角度出发，并未考虑机炉热力参数的联合优化。如果从机炉热力参数的联合优化出发，是否还存在更为经济的设计方案呢？

常规锅炉空预器入口的设计烟气温度一般在400～380℃，而回热系统的最终给水温度一般在300～320℃。可见，常规设计的锅炉空预器入口的烟气温度仍然较高，其高出最终给水温度约80℃，显然，这一温度区间的烟气在回热系统仍有可利用的价值。另外，空预器入口的空气温度基本上为-20～30℃的室温，由于进口空气温度低，很容易造成烟气中的酸分凝结，从而对空预器造成腐蚀，因此，空预器的运行始终面临着低温腐蚀的危险。

如果利用回热系统低品质的回热抽汽对空预器入口的空气进行一定的预热，则不但可以改善空预器的运行条件，还能减少空预器对高品质烟气的消耗，正好可以利用其加热回热系统的部分给水，从而排挤高品质的回热抽汽，这样就可实现对锅炉尾部烟气余热的梯级高效利用。

1 000 MW超超临界机组锅炉尾部烟气余热采用梯级利用设计，可以降低相应设备的换热温差，实现回热系统高、低品质热量的置换，达到能量品质的梯级利用，从而更进一步提高机组的运行经济性。笔者就以某高效1 000 MW超超临界机组[4-7]为例，详细论述其采用这一设计思想的设计特点以及对于机组运行经济性的影响。

1 设计目的

1 000 MW超超临界机组为了避免空预器产生低温腐蚀，有的机组设计采用大功率的电暖风对空预器入口的低温空气进行预热。众所周知，电能是高品质的能源，用电制热在热经济学上无疑是不经济的。联合整个热力系统来看，回热系统第4～7级的回热抽汽具有一定的过热度且温度较高，完全可以利用这部分蒸汽对空预器入口的空气加热。这样既可以改善空预器的运行条件，还能减少其对入口高品质烟气的消耗。

1 000 MW超超临界机组回热系统的最终给水温度主要依靠第0级回热抽汽加热实现。由上所述，如果利用蒸汽暖风所减少的高温烟气去加热部分给水，完全可以将给水加热到所规定的温度，这样就可排挤部分高品质的回热抽汽，提高蒸汽的做功能力。

因此，可以从回热系统高加0（0号高压加热器，下同）进口引一路给水到新增设的高位低温省煤器，并利用空预器入口的高温烟气，将其加热到额定给水温度，这样就可减少第0级回热抽汽；同时，引回热系统第5级回热抽汽到新增设的蒸汽暖风器，利用其过热度对空预器入口处的空气进行预热，补充烟气损失的热量。

显然，对于锅炉尾部烟气和空气的换热过程来说，总体的换热量仍然是保持不变的，因此上述设计并不会对整个锅炉的热平衡产生大的影响。这样，便可在炉侧设计热力参数保持不变的情况下，在机侧实现高低品质蒸汽的置换。这一置换加大了低品质蒸汽的抽汽量，减少了高品质蒸汽的抽汽量，从而提高了蒸汽的做功能力，可在热力系统定热量的条件下实现增发电功率的目的。

汽轮发电机组热耗率的定义式为：

式中：Q为锅炉吸热量，kJ/h；W为机组电功率，kW。

对热耗公式进行小偏差线性化，可得：

由式（2）可知：在吸热量不变的条件下，如果机组的电功率增加，则热耗将降低，运行经济性将提高，这就是锅炉尾部烟气余热梯级利用设计思想产生经济性收益的原理所在。

图1 烟气余热梯级利用设计思想原理图

1 000 MW超超临界机组要实现这一设计思想，需要增加两个辅助换热设备：一是需要在炉侧增设一个高位低温省煤器，二是需要增设相应的蒸汽暖风器，如图1所示。虽然增加辅助换热设备将加大系统的设备投资成本，但是在目前的超超临界发电技术水平下，采用这一设计思想，可将机组的运行经济性进一步提高。同时，对于其他参数等级的燃煤发电机组的节能减排工作，这一设计思想也有一定的借鉴意义。

2 工作原理

该机组100%负荷工况时锅炉空预器的设计烟气流量为3 448.12 t/h，进口烟温为380℃，出口烟温为156℃；进口风温为30℃，出口风温为363℃。回热系统的给水流量为2 916.63 t/h，最终给水温度为315℃；高加0的进水温度为297.3℃，第0级回热抽汽量为120.12 t/h；低加5的抽汽温度为292.7℃，回热抽汽量为75.28 t/h，过热度为138 K，可利用过热热量约为7 MW。

为了更加高效地利用烟气余热，采用梯级利用设计，并按图1所示的设计方案设置蒸汽暖风器及高位低温省煤器，则高位低温省煤器的进水温度为297.3℃。为了不对锅炉的热力参数造成影响，保持给水温度不变，高位低温省煤器的出水温度取为315℃。高位低温省煤器的上、下端差分别取10 K，则设计进口烟温可取为325℃，出口烟温为307℃。高位低温省煤器冷却水的温升△Tec为18 K。由上述分析可知，这一设计方案将对回热系统最高品质的第0级回热抽汽形成排挤，同时，将加大第5级回热抽汽的抽汽量，整个过程所能置换的热量Qh约为7 MW。

高位低温省煤器需要的冷却水量为：

高加0减少的抽汽量为：

低加5增加的抽汽量为：

由式（3）～（5）中：cpf为给水的定压比热容，5.211 kJ/（kg·K）；q0为高加0回热抽汽的放热量，1 868 kJ/kg；q5为低加5回热抽汽的放热量，2 474 kJ/kg。

由式（3）～（5）可分别算得，高位低温省煤器的冷却水量为280 t/h，高加0减少的抽汽量为13.3 t/h，低加5增加的抽汽量为10.1 t/h。排挤的抽汽在汽轮机中的做功量与该级抽汽的等效焓降有关。由文献[3]可知，第0级回热抽汽的等效焓降He0为1 235 kJ/kg，第5级回热抽汽的等效焓降He5为673 kJ/kg。机组增加的机械功为：

将式（1）代入式（2）可知，机组降低的热耗为：

式中：W0为该机组在100%负荷工况下的电功率，1 046 MW；QHR0为相应的机组热耗，7 183 kJ/ kW·h。

该机组在100%负荷工况时，由式（6）可得，第0级抽汽减少增加的机械功为4 562 kW，再热器增加的吸热量为2 439 kW，第5级抽汽增加减少的机械功为1 877 kW。该工况机组的机械传递效率为99.8%，发电机效率为99%，机组增发电功率为2 652 kW。由式（7）计算可知，机组热耗可降低约10 kJ/kW·h。

以上计算仅仅是利用低加5回热抽汽的过热度进行梯级利用设计的结果，如果同时利用低加5以及除氧4回热抽汽的过热度，则可利用的过热热量可达到约20 MW，排挤的抽汽量将达到38.5 t/h，机组的电功率增加将达到约7.0 MW，机组热耗降低可达到约26 kJ/kW·h。可见，采用梯级利用的设计思想，选取的设计方案不同，则整个过程所置换的热量也不相同。由此可见，梯级利用设计工作热力过程所置换的高、低品质的蒸汽热量越多、蒸汽品质相差越大，则产生的经济性效益越高。

3 置换热量

采用梯级利用设计思想后，通过利用一部分低品质蒸汽的过热度在低温侧加热空气，可置换相同数量的高品质烟气的热量，用于在省煤器中加热高加给水，排挤高品质的回热抽汽，从而产生经济性收益。由上分析，这一过程置换的蒸汽热量越多、品质差别越大，则对能量的梯级利用程度越高，产生的经济性收益也就越大。但是，梯级利用设计置换的热量受到多方面因素的限制，并不是随意而定的。

第一个影响置换热量的因素是锅炉的烟气条件。该机组按上述方案设计，在100%负荷工况时，按全部烟气温降18 K来算，可利用的烟气热量仅约为20 MW。为了提高可利用的烟气热量，只有加大省煤器的上端差，提高烟气的入口温度，或者减小省煤器的下端差，降低烟气的出口温度。例如将入口烟温提高到380℃，则可利用的烟气热量可达到约80 MW。如果利用全部高参数的烟气去加热给水，由于烟气温度降低，便不能再将空气加热到锅炉的原设计参数，因此，这只是一个理论上的极限值，实际利用的热量一般达不到这个数值。同时，需要注意的是虽然回热系统的蒸汽温度也有高于380℃的，但是可置换的热量有限。

第二个影响置换热量的因素是回热系统的可利用过热热量。为了避免蒸汽在暖风器中凝结，对暖风器以及加热器的运行产生影响，这就要求暖风器出口的回热抽汽应留有一定的过热度。低加8、低加9回热抽汽由于已经接近湿蒸汽且一般都打包布置在凝汽器喉部，安装暖风器的可行性不高，因此不予考虑。表1给出了回热系统其余各级低加回热抽汽的潜在可利用热量。

表1 低加回热抽汽可利用热量汇总

由表1可见，回热系统低加回热抽汽的最大可利用热量约为26 MW，这一数值在炉侧来说并不大，在设计上还是比较可行的。以省煤器进口烟温380℃、出口烟温307℃来算，约需1 000 t/h烟气即可达到这一要求，尚留有71%的高品质烟气用来加热锅炉烟风系统的空气。如果扣除低加6、低加7回热抽汽的过热热量，则其余回热抽汽的可利用热量约为20 MW，占最大可利用热量的76%。可见，低加回热抽汽可利用程度比较高的蒸汽过热度主要集中在除氧4以及低加5中。

第三个影响置换热量的因素是蒸汽暖风器、高位低温省煤器以及空预器的具体设计。由于采用了高低参数热量的置换，同时又要维持原设计的参数不变，因此，这势必将对空预器的传热设计提出新的要求，特别是在蒸汽参数低于烟气的条件下，为了维持原来的风温，用于省煤器加热的烟气流量势必将受到限制。

4 经济性分析

1 000 MW超超临界机组锅炉尾部烟气余热梯级利用设计按对省煤器、暖风器增设位置的不同以及相关设计参数选取的不同，将会有很多方案。选择不同的方案，所能置换的蒸汽品质、热量也不同，因此产生的经济性收益也不同。以在第4、5级回热抽汽上增设蒸汽暖风器，在0号高压加热器上并联高位低温省煤器的方案为例，在100%负荷工况，可实现置换热量约20 MW，降低机组热耗约26 kJ/kW·h。图2是梯级利用设计与原设计的经济性比较。

图2 烟气余热梯级利用经济性曲线

由图2可知，采用梯级利用设计之后，在40%到100%负荷区间内，机组热耗可整体下降约26 kJ/kW·h。按锅炉效率95%、管道效率99%计算，可使电厂发电煤耗降低约0.94 g/kW·h。按年利用小时数6 000 h、标煤800元/t计算，每年可节约标煤5 660 t，产生经济效益453万元。

5 结论

本文对于1 000 MW超超临界机组锅炉尾部烟气余热的高效利用问题，提出了梯级利用的设计思想，并对其设计目的、工作原理、置换热量以及经济性收益等问题进行了全面的论述及分析。结果表明：锅炉尾部烟气余热采用梯级利用设计，在第4、5级回热抽汽上设置蒸汽暖风器，在0号高压加热器上并联高位低温省煤器，可使机组热耗降低约26 kJ/kW·h，对于进一步提高整个机组的运行经济性具有一定的效果。

[1]张润盘,董丽娟,辛建华.锅炉烟气余热利用方案研究[J].热力发电,2013,42(11):107-109.

[2]康晓妮,马文举,马涛,等.320 MW机组锅炉加装低温省煤器的经济性研究[J].热力发电,2012,41(5):8-11.

[3]包伟伟,任伟,张启林.大型空冷机组低真空供热特性分析[J].区域供热,2015,(4):73-75.

[4]包伟伟.1 000 MW超超临界机组增设0号高压加热器经济性分析[J].发电设备,2015,29(3):172-175.

[5]包伟伟,余海鹏,刘世云.1 000 MW超超临界机组增设外置式蒸汽冷却器经济性分析[J].发电设备,2015,29(5):348-352.

[6]包伟伟,刘鑫,李积辉,等.1 000 MW超超临界机组增设低温省煤器经济性分析[J].发电设备,2015,29(6):397-401.

[7]包伟伟,高敏,庞浩城,等.1 000 MW超超临界机组补汽调节技术经济性分析[J].发电设备,2016,30(1):11-15.

Flue Gas Waste Heat Echelon Utilization Design for 1 000 MW Ultra-supercritical Units

Bao Weiwei1，Zhang Wei2，Liu Yanbao1，Zhang Shaokang1，Zhang Yu1
(1.Harbin Turbine Co.,Ltd.,Harbin Heilongjiang,150046；2.Shenhua Guohua Yongzhou Power Co.Ltd,Yongzhou Hunan，425000)

As for the problem of boiler flue gas waste heat utilization of 1 000 MW ultra-supercritical unit,the flue gas waste heat eche⁃lon utilization technology which can improve the economy of the unit is presented.Based on the analysis and calculation method of ther⁃mal dynamic system,detailed discussion and analysis to the design feature and economy benefit of the echelon utilization technology are conducted.The result shows that the unit heat rate will be reduced by 26 kJ/kW·h after using the technology with low temperature econo⁃mizer on No.0 high pressure heater and steam air heater on No.4 and No.5 regenerative extraction.

steam turbine,ultra-supercritical units,waste heat utilization,steam air heater,low temperature economizer,thermal economy

TK219

A

1674-9987（2016）04-0008-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.003

包伟伟（1986-），男，工程师，2009年毕业于哈尔滨工业大学飞行器动力工程专业，现主要从事汽轮机热力、气动以及强度方面的设计计算工作。