多变量因素下的锅炉低压省煤器节能效果测试与分析

王学栋，仲昭伟，董洋，朱同兵

（1．华电电力科学研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030；2．华电龙口发电股份有限公司，山东省 龙口市 265700）

0 引言

国内燃煤锅炉普遍存在排烟温度偏高的问题，排烟温度严重超温不仅影响机组的经济性，而且还影响空气预热器运行的安全性，因此，降低排烟温度对于节能降耗、提高锅炉的安全可靠性具有重要的实际意义。目前锅炉烟气余热回收方案主要有加热凝结水方案、加热空气预热器入口冷空气方案、加热空气预热器入口冷空气与加热凝结水逐级利用联合方案。对于锅炉排烟温度严重高于设计值问题，在锅炉尾部烟道加装低压省煤器能够有效利用锅炉排烟余热，具有良好的节能效果[1-2]。

西安交通大学的林万超利用等效焓降理论对低压省煤器系统的热经济性进行了深入的分析；东北电力大学的周振起等利用等效焓降原理对燃煤机组增装低压省煤器的热经济性进行分析，计算出其节能效果；山东大学黄新元等对电站系统低压省煤器优化设计及优化运行进行了深入的研究，提出了电站系统低压省煤器优化设计的通用数学模型。以上学者偏重于低压省煤器节能效果的理论分析，而许多文章中所广泛报道的低压省煤器节能效果都是利用等效焓降法或热力性能试验法对机组投、停低压省煤器的几个运行工况进行试验和计算[3-8]，还没有文章和专著对各种工况下低压省煤器的节能效果进行分析和论述。本文对低压省煤器运行工况和节能效果进行多变量的性能测试，并用等效焓降法计算了典型工况下的节能效果，对试验结果进行分析，对低压省煤器的运行方式和运行参数进行优化，以得到最佳的运行方式和运行参数。

图1 低压省煤器热力系统示意图Fig. 1 Schematic diagram of thermal system of theLP economizer

1 低压省煤器的节能原理

1.1 低压省煤器的连接方式

低压省煤器装在锅炉尾部烟道，结构与一般省煤器相仿，典型的低压省煤器热力系统如图 1所示。低压省煤器与主凝结水系统成并联布置，其进口水取自汽轮机的低压回热系统，低压省煤器的进水量、进水温度均可在运行中调节，进入低压省煤器的凝结水吸收锅炉排烟热量后，回到凝结水系统与主凝结水汇合。这种连接方式，进入低压省煤器的凝结水跨过若干级加热器，利用级间压降克服低压省煤器本体及连接管路的流阻，不必增设水泵，提高了运行可靠性，同时有效实现了排烟余热的梯级利用[9-11]。

1.2 低压省煤器节能效果分析方法

低压省煤器把烟气余热输入凝结水回热系统中会减少部分低加抽汽，增加了汽轮机的冷源损失，导致热力循环效率降低，并且减少的部分抽汽量会增加凝汽器的排汽使汽轮机真空有所降低。但增设低压省煤器后，大量烟气余热进入机组回热系统，汽轮机组从外部获取了这部分热量，减少的抽汽在汽轮机低压缸中继续做功，新增了一定的做功能力，这个新增的额外热功远大于因减少抽汽和汽轮机真空微降所引起的热功损失，所以在一定程度上提高了机组的经济性。目前分析低压省煤器热经济性的两种主流方法是：等效焓降法和汽轮机热力性能试验法。

1）等效焓降法。等效焓降法是将低压省煤器回收的排烟余热作为纯热量输入系统，而锅炉产生1 kg新汽的能耗不变，热系统所有排挤抽汽所增发的功率，都使汽轮机组的热效率增加。所谓等效焓降法，是根据已选定的蒸汽初、终参数和回热参数，并以机组的新蒸汽流量和燃料供热量均系定值为前提，在这样的条件下，热力系统任何影响热经济性的微小变化，只与机组的功率变化有关，不会使各级抽汽流量全部发生变化，只对某几级的抽汽流量和热量进行定量计算，即可求得整个热力系统变化的经济效果。

2）汽轮机热力性能试验法。热力性能试验法是直接对机组投、停低压省煤器的运行工况进行性能试验，由得到的机组热耗率的变化分析低压省煤器的节能效果。低压省煤器回收的排烟余热作为纯热量输入系统，而锅炉产生1 kg新汽的能耗不变，热系统所有排挤抽汽所增发的功率，都使汽轮机的效率增加、热耗率降低，而降低的热耗率即为投运低压省煤器的节能效果。

2 多变量因素下的低压省煤器节能效果测试

低压省煤器节能效果测试在某220 MW机组上进行，通过测试低压省煤器多个运行参数变化及相应工况下的节能效果，比较不同工况、不同低压省煤器运行方式下的节能效果，以进一步确定低压省煤器运行参数、运行方式对节能效果的影响。

2.1 低压省煤器连接方式与性能参数

机组低压省煤器连接方式属于混合型的连接方式，从6号低加、7号低加、8号低加分别引出凝结水经混合后依次送往脱硫低压省煤器和锅炉低压省煤器(以下统称“低压省煤器”)加热，加热后的凝水回到5号低加出口或6号低加出口，与主凝结水一起进入除氧器，具体系统示意图见图2。

图2 低压省煤器连接系统示意图Fig. 2 Schematic diagram of LP economizer connection system

低压省煤器设计参数如表1所示。

表1 低压省煤器设计参数Tab. 1 Design parameters of LP economizer

2.2 低压省煤器多变量因素下节能效果测试

针对以上低压省煤器系统，通过变化低压省煤器多个运行参数，进行不同目的试验：低压省煤器最佳分水流量试验、低压省煤器出口至主凝结水系统最佳回水位置试验。根据试验目的不同，设计了不同的试验工况。

2.2.1 低压省煤器最佳分水流量试验

进入低压省煤器的凝水来自于7号低加或6号低加出口，经低压省煤器加热后引至5号低加出口，为比较7号低加出口与6号低加出口凝水量对低压省煤器节能效果的影响，进行如下工况的试验：1）180 MW工况下，6号低加出水进低压省煤器流量100、150、200、270 t/h；7号低加出水进低压省煤器流量100、150、200、270 t/h；2）220 MW工况下，6号低加出水进低压省煤器流量150、190、240、300 t/h；7号低加出水进低压省煤器流量150、190、240、300 t/h。

2.2.2 低压省煤器出口最佳回水位置试验

进入低压省煤器的凝水来自于8号低加或7号低加出口，经低压省煤器加热后引至5号低加或6号低加出口，为分析比较凝水经低压省煤器加热后引至主凝水系统不同位置的节能效果，进行如下工况的试验：1）220 MW工况下，低压省煤器出口凝结水引至5号低加出口，低压省煤器出口烟温99 ℃；2）220 MW工况下，低压省煤器出口凝结水引至6号低加出口，低压省煤器出口烟温96 ℃；3）110 MW工况下，低压省煤器出口凝结水引至6号低加出口，低压省煤器出口烟温91 ℃。

3 低压省煤器多变量因素变化下的节能效果

3.1 低压省煤器最佳分水流量试验结果

利用等效焓降法计算低压省煤器最佳分水流量试验结果，试验数据与计算结果如表2—3所示。

由表2—3可以看出，在180 MW和220 MW工况下，当低压省煤器进水流量较大时(200~270 t/h)，6号低加出水进低压省煤器的节能效果比较好，分析原因是7号低加出水低压省煤器虽然使6号低加抽汽量减少，但低压省煤器出水温度低于5号低加出水温度，导致除氧器抽汽量增加，高品质的抽汽量增加，机组低压缸做功量减少，经济性降低，因此建议投用6号低加出水进低压省煤器的运行方式。

由以上试验结果做出220 MW工况下，6号低加出水进低压省煤器流量对机组经济指标影响的趋势图，以确定6号低加出口的最佳分水流量，如图3所示。

表2 220 MW工况下6号、7号低加出水进低压省煤器流量变化试验结果Tab. 2 Test results of change condensate water flow into LP economizer from NO.6 or NO.7 LP heater outlet under the condition of 220 MW

表3 180 MW工况下6号、7号低加出水进低压省煤器流量变化试验结果Tab. 3 Test results of change condensate water flow into LP economizer from NO.6 or NO.7 LP heater outlet under the condition of 180 MW

由图3所示，机组在220 MW工况下，6号低加出水进低压省煤器最佳流量为250 t/h左右。从以上两个工况的试验结果来看，在高流量运行时，进入低压省煤器的流量变化对机组经济性影响变化量较小。以220 MW工况为例，进水流量分别为 240、270 t/h时，机组热效率分别提高0.645 1%、0.635 5 %，差值为0.01%，按机组热耗率8500 kJ/(kW·h)计算，影响热耗率差值为0.85 kJ/(kW·h)，说明高流量之间的节能效果相差很小。

图3 220 MW工况最佳分水流量趋势图Fig. 3 Trend chart of the optimal water flow rate under 220 MW condition

3.2 低压省煤器出口最佳回水位置试验结果

利用等效焓降法计算低压省煤器出水至主凝结水系统最佳回水位置的试验结果，试验数据与计算结果如表4所示。

由表4中试验结果可以看出，增加低压省煤器进水流量可以降低排烟温度，但同时低压省煤器的出口水温也随着降低。由于该低压省煤器设计出口是引至5号低加出口，当低压省煤器出口水温低于5号低加出口水温时势必增加四段抽汽量来弥补加热不足。因此只有当低压省煤器出口温度略高于 5号低加出口水温运行时才比较经济，否则，增加低压省煤器进水流量，节能效果相比最佳工况降低。在管道阻力满足运行要求的前提下，如将低压省煤器出水引至6号低加出口，如表中工况2所示，可以增加低压省煤器的进水流量，降低低压省煤器的出水温度和排烟温度，锅炉排烟余热能够得进一步利用，机组热效率提高更大。通过试验及模拟计算结果证明低压省煤器出口凝水引至6号低加出口比引至5号低加出口经济性要好，上述工况2与工况1相比，机组热效率提高的差值0.701%，热耗率差59.6 kJ/(kW·h)。

4 低压省煤器节能效果分析与运行优化

以上试验结果分析了某220 MW机组低压省煤器不同系统运行方式、不同多变量因素变化下的节能效果。由分析结果可以看出，低压省煤器进水流量、进水温度、出水温度对节能效果影响最大，低压省煤器运行工况的调整直接影响其节能效果。即使同一个系统的不同次试验，进入低压省煤器的凝结水流量和温度发生变化，造成低压省煤器的出口水温不同，低压省煤器的节能效果也不同。

根据等效焓降法计算低压省煤器性能试验结果，结果显示在低压省煤器进口水温一定的条件下，调节低压省煤器入口凝水流量降低省煤器出口烟温的同时，还要保证低压省煤器出口水温高于回到主凝水系统汇合点前的低加出口水温，这时低压省煤器的运行才会比较经济，否则，增加低压省煤器进水流量，节能效果相比最佳工况降低。

在机组日常运行投用低压省煤器时，根据机组负荷变化及燃烧的煤种，控制低压省煤器出口烟温不低于低压省煤器出口的设计温度，从而确定低压省煤器的进水流量和进水温度，确定低加出口进低压省煤器的分水流量。对于上文中的220 MW机组低压省煤器系统，低压省煤器出水回到主凝水系统中的5号低加出口时，则优先利用6号低加出口的凝结水，在180~220 MW工况下，低压省煤器的进水流量在200~270 t/h之间，只要保证低压省煤器的出水温度不低于5号低加出水温度，低压省煤器的节能效果变化不大，在此工况下，可以不需频繁地调节低压省煤器的进水流量，降低了运行调整的工作量。

表4 低压省煤器出口至凝水管道最佳回水位置试验结果表Tab. 4 Test results of optimal water returning location from LP economizer outlet to main condensate system

如锅炉排烟温度较高时，为进一步降低排烟温度，可以分流7号、8号低加出水进低压省煤器，在此工况下，应使低压省煤器出水引至6号低加出口，并使低压省煤器出水温度高于6号低加出水温度，此时低压省煤器的节能效果最佳，在220 MW试验工况下，从8号低加和7号低加出口抽取凝结水370 t/h，经低压省煤器加热后回水至6号低加出口，排烟温度降至96℃时，机组热效率提高 2.003 %，如机组热耗率取 8500 kJ/(kW·h)，可以使机组运行热耗率降低 170.3 kJ/(kW·h)，同时试验结果表明，低压省煤器采用这种运行方式，节能效果更佳，值得在类似的技改项目中借鉴。

5 结论

1）多变量条件下的低压省煤器试验结果表明，在低压省煤器进口水温一定的条件下，调节低压省煤器入口凝水流量降低锅炉排烟温度的同时，还要保证低压省煤器出口水温高于回到凝水系统汇合点前的低加出口水温，这时低压省煤器的运行才会比较经济，否则，增加低压省煤器进水流量，节能效果相比最佳工况降低，对不同的低压省煤器运行方式，都存在一个最佳回水位置和最佳进水流量。

2）试验结果表明，来自于7号、8号低加出水进入低压省煤器，经加热后引至6号低加出口，并使低压省煤器出水温度高于6号低加出水温度时，低压省煤器的节能效果最佳。在220 MW试验工况下，从8号低加和7号低加出口抽取凝结水370 t/h，经低压省煤器加热后回水至6号低加出口，排烟温度降至 96 ℃时，机组热效率提高2.003%。

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