电站锅炉烟气余热利用现状分析

王乔良, 郑莆燕, 卢冬冬, 李晋超, 甘志超

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

电站锅炉烟气余热利用现状分析

王乔良, 郑莆燕, 卢冬冬, 李晋超, 甘志超

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

介绍了电站锅炉烟气余热回收的现状,指出了余热回收、利用、发展3个阶段的特点,表明余热方案系统越来越复杂,节能效果越来越好,方案可选择性越来越多,需要优化.总结了余热方案优化常用的优化目标和优化方法.

电站锅炉; 余热利用; 方案; 优化

在世界范围内,燃煤电厂仍然是主要的发电厂[1],2015年我国全年总发电量中火力发电的占比为72.4%.火力发电是一次能源消耗大户和污染排放大户,因此也是国家实施节能减排的重点领域[2].火电厂锅炉排烟损失余热约为4%～8%,影响排烟损失的主要因素是排烟温度[3],排烟温度每下降10 ℃,锅炉热效率可提高约1%[4].因此,锅炉烟气余热利用是火电机组节能降耗的有效手段,成为节能领域的研究重点.目前,锅炉烟气余热设计温度约为120～140 ℃,存在进一步降低回收余热的空间,特别是脱硫系统要求烟气进口温度在90 ℃以下[5].余热利用方案回收了烟气余热,符合国家节能政策[6].

1 余热利用方案

火电厂锅炉烟气余热回收用于增加系统发电量的发展经历了3个阶段:第1阶段是加热凝结水;第2阶段是加热空气和凝结水;第3阶段是加热空气、凝结水和给水.

1.1 加热凝结水

对锅炉尾部受热面实施低压省煤器的改造已成为国内成熟技术,将空气预热器后的锅炉排烟用以加热凝结水,增加汽轮机的输出功率,可以达到回收烟气余热的目的,如图1所示.

在运行过程中,锅炉的温度往往比设计值要高,主要原因在于锅炉燃烧、炉膛换热和燃料变化等[7-8],运用低压省煤器回收低温烟气热量可以达到较好的节煤效果.与原有锅炉省煤器相比,低压省煤器的能量利用率较低,但由于其布置于锅炉空预器的后部,对锅炉所有受热面的传热均没有影响,也不会受到锅炉欠焓和炉内有限空间的约束,可根据季节和煤质灵活调节锅炉的排烟温度,而且由于其热载体压力低而具有较高的安全性,因而在电厂中得到广泛的应用[9-10].

图1 低压省煤器加热凝结水

低压省煤器余热回收方案有串联和并联两种类型,如图2所示[9].

图2 低压省煤器回收余热方案示意

根据烟气温度和凝结水温度的不同,串联和并联的具体位置也相应不同,并联时还需要考虑凝结水分流量的大小.实际机组的余热回收利用中,低压省煤器余热回收方案可以有多种选择.

由于低压省煤器是布置在空气预热器之后,烟气的温度等级较低,会排挤较低压力的抽汽,因此该阶段的余热利用方案节煤量一般不超过2 g/kWh[5].

1.2 加热空气和凝结水

在第2阶段,烟气侧的最高温度为空气预热器入口的烟温,将空气预热器分为高温空气预热器和低温空气预热器,与低压省煤器串联,根据加热空气和凝结水的温度等级,构建烟气余热利用系统.此时,低压省煤器布置于高温空气预热器和低温空气预热器之间,吸收低温空气预热器前较高温度等级的烟气热量,排挤汽轮机回热抽汽,从而增加做功,如图3所示[10].文献[9]中定义烟气通过低压省煤器加热凝结水的余热利用系统为机侧烟气回热循环,而通过低温空气预热器加热空气的系统为炉侧烟气回热循环.由于烟气回热循环提高了高温空气预热器的进口风温,使得高温空气预热器的传热温差减小,出口烟温升高,从而提高了进入低压省煤器的烟气温度.低压省煤器入口的烟气温度提高后,可以加热温度较高的凝结水,排挤压力较高的回热抽汽.

在高低温空气预热器之间布置低压省煤器,选择不同的切入点,可以得到不同温度的烟气,用于加热凝结水.低压省煤器与凝结水的布置与第1阶段相似,也有串联、并联多种方式,而且由于烟气侧温度的提高,可以加热较高温度的凝结水.烟气侧和水侧都有多种方案可选,使得第2阶段余热回收方案增多.

第2阶段方案回收了较高温度等级的烟气加热凝结水,因而可以排挤压力较高的回热抽汽,使得汽轮机输出功率大幅提高,节煤量增幅较大,一般在2～4 g/kWh[5,10].

图3 加热凝结水与空气预热器

1.3 加热空气、凝结水和给水

在第3阶段,空气加热、凝结水加热与给水加热深度耦合,初步呈现出机炉集成设计的特点:烟气从省煤器出来后,通过分流和/或分阶段加热的方式,按温度等级的高低送入空气预热器、高温烟水换热器和低温烟水换热器,空气预热器用以加热空气,高温烟水换热器用以加热锅炉给水,低温烟水换热器用以加热凝结水.在空气预热器前可增置抽汽式空气预热器,以上结构见图4[11].

图4 余热烟气耦合低压抽汽加热空气、凝结水和锅炉给水

在水侧,低温烟水换热器加热凝结水的方式与第1阶段相同,可以选择不同的串联、并联方案,高温烟水换热器加热锅炉给水的方式也可以选择不同的串联、并联方案.在烟气侧,空气预热器、高温烟水换热器和低温烟水换热器则根据烟气热量回收的分配和烟气温度等级的差异,可以有分流并联、分级串联的选择.因此,与第2阶段相比较,烟气余热加热空气、凝结水和给水的方案在系统设计选择方面,呈现出了更强的多样性.

第3阶段同时加热温度等级较高的给水和温度等级较低的凝结水,不仅排挤了加热凝结水的低压回热抽汽,而且排挤了加热锅炉给水的高压回热抽汽,使得汽轮机输出功率的增加比第2阶段更多,烟气余热回收的节煤量增大,可以达到3.62～5.5 g/kWh[11-13].

综上所述,电站锅炉烟气余热回收用于增加发电功率所经历的3个阶段的特点如表1所示.随着电站锅炉烟气余热回收用于增加汽轮机输出功率的方案越来越复杂,余热利用方案的选择性逐渐增多,节煤效果也越来越好.

表1 电站锅炉烟气余热利用方案3个阶段的特点

2 方案优化研究

2.1 优化目标

另外,余热利用系统的技术经济性[10-11,13]也是一种优化目标.不管是设计计算还是工程验证计算,都需要综合考虑节煤量、换热器面积、风机与水泵功耗、实际改造安装和管理成本等因素,以确定技术经济指标、评价优化结果.

对实际机组锅炉烟气进行余热利用改造时,通常需要同时考虑方案的热经济和技术经济指标,有时也需要判断方案的污染治理效果[16],形成多目标优化.多目标优化既可对余热方案综合优化,又可通过权重因子重点评价热经济性或者技术经济性.

2.2 优化方法

锅炉余热利用最为普遍的计算分析方法是理论计算[15,17]与火电厂运行验证相结合[1,10,18],也可以专门设计模拟实验加以验证[9,19],例如用Aspen对烟气余热利用系统进行模拟,并与理论推导相结合[20].对烟气余热利用方案的优化方法可分为物理优化方法和数学优化方法.

2.2.1 物理优化方法

文献[21]基于“温度对口,能级匹配”的原则,针对尾部烟道的烟气余热回收耦合系统优化方案设计,能量梯级利用导则适用于对余热方案的优化定性分析.夹点分析技术为实现过程工业的节能降耗提供了一种高度有效的优化设计及改造的工具[22],文献[23]应用夹点技术分析了地热电站的热力系统.

2.2.2 数学优化方法

电站锅炉烟气余热利用的数学优化是通过建立物理模型后选定的,物理模型的建立包括拟定优化目标函数、变量分析、寻找约束条件等.文献[24]针对烟气余热利用建立了通用的数学模型;文献[25]对低压省煤器建立了最大的节约标准煤耗的数学模型;文献[26]对锅炉排烟余热回收器的设计参数进行了离散分析,并通过回归拟合成为连续函数.优化算法的选择方案为:只是单变量时,选择黄金分割法[27]、最数下降法、牛顿法等,优化低压省煤器的布置位置、排烟温度、并联分流量;求解多目标最优时,可选择评价函数法、分层求解法与目标规划法;特别是当单/多变量、单/多优化作为目标时可以选择适应性较好的粒子群算法、遗传算法优化[27-28]等.

3 结 语

电站锅炉烟气余热有加热凝结水,加热凝结水与空气,加热凝结水、空气与给水3个阶段.从第1阶段到第3阶段,节能效果逐步提高.方案也越来越复杂,可选择性越来越多,需要确定合理的优化目标,并运用合适的优化方法选择最佳方案.在系统优化时,约束条件是获得实际可行的优化方案的必要条件,但关于这方面的研究还很少,还需要结合机组的实际情况进行深入研究.

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CurrentStatusofFlueGasWasteHeatUtilizationinPowerStationBoiler

WANG Qiaoliang, ZHENG Puyan, LU Dongdong, LI Jinchao, GAN Zhichao

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Current situation on flue gas waste heat utilization in power station boiler is introduced.The characteristics of the waster heat utilization’s system in three stages of development are analyzed.As a result,with the more and more complicated system,better and better effect of energy saving,more and more selective systems,there exists the necessity of optimization.Then the common optimization goal and optimization methods are summarized.

boiler for coal-fired power plant; waste heat recovery; scheme; optimization

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.008

2016-03-31

王乔良(1991-),男,在读硕士,云南曲靖人.主要研究方向为电站锅炉烟气余热利用.E-mail:qlwaang@163.com.

上海市科学技术委员会节能减排专项(12dz1200302);上海市科学技术委员会科研计划项目(12DZ2280300).

TK115;TM621.4

A

1006-4729(2017)05-0451-05

(编辑 白林雪)