鍋爐尾部煙道低溫省煤器節(jié)能分析

1.低溫省煤器系統(tǒng)概述

排煙損失是鍋爐運(yùn)行中最重要的一項(xiàng)熱損失，一般約為5%--12%，占鍋爐熱損失的60%--70%，影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度，一般情況下，排煙溫度每增加10℃，排煙熱損失增加0.6%--1%，相應(yīng)多耗煤1.2%--2.4%。若以燃用熱值2000KJ/KG煤的410t/h高壓鍋爐為例，則每年多消耗近萬(wàn)噸動(dòng)力力煤，我國(guó)火力發(fā)電廠的很多鍋爐排煙溫度都超過(guò)設(shè)計(jì)值,約比設(shè)計(jì)值高20—50℃。所以，降低排煙溫度對(duì)于節(jié)約燃料和降低污染具有重要的實(shí)際意義，實(shí)踐中以降低排煙溫度為目的的鍋爐技術(shù)改造較多。但由于大多數(shù)電廠尾部煙道空間太小，防磨、防腐要求較高，引風(fēng)機(jī)的壓頭裕量不大等實(shí)際情況。為了降低排煙溫度，減少排煙損失，提高電廠的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，可考慮在煙道上加裝低溫省煤器。低溫省煤器的具體方案為：凝結(jié)水在低溫省煤器內(nèi)吸收排煙熱量，降低排煙溫度，自身被加熱、升高溫度后再返回汽輪機(jī)低壓加熱器系統(tǒng)，代替部分低壓加熱器的作用。在發(fā)電量不變的情況下，可節(jié)約機(jī)組的能耗。同時(shí)，由于進(jìn)入脫硫塔的煙溫下降，還可以節(jié)約脫硫工藝水的消耗量。

2.國(guó)內(nèi)外低溫省煤器目前的應(yīng)用情況及安裝位置

2.1低溫省煤器目前在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況

低溫省煤器能提高機(jī)組效率、節(jié)約能源。目前在國(guó)內(nèi)也已有電廠進(jìn)行了低溫省煤器的安裝和改造工作。

山東某發(fā)電廠，兩臺(tái)容量100MW發(fā)電機(jī)組所配鍋爐是武漢鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的WGZ410/100—10型燃煤鍋爐，由于燃用煤種含硫量較高，且鍋爐尾部受熱面積灰、腐蝕和漏風(fēng)嚴(yán)重，鍋爐排煙溫度高達(dá)170℃，為了降低排煙溫度，提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，在尾部加裝了低溫省煤器。低溫省煤器系統(tǒng)布置圖如下：

山東某電廠低溫省煤器系統(tǒng)連接圖

國(guó)外低溫省煤器技術(shù)較早就得到了應(yīng)用。在蘇聯(lián)為了減少排煙損失而改裝鍋爐機(jī)組時(shí)，在鍋爐對(duì)流豎井的下部裝設(shè)低溫省煤器供加熱熱網(wǎng)水之用。德國(guó)Schwarze Pumpe電廠2×800MW褐煤發(fā)電機(jī)組在靜電除塵器和煙氣脫硫塔之間加裝了煙氣冷卻器，利用煙氣加熱鍋爐凝結(jié)水，其原理同低溫省煤器一致。德國(guó)科隆Nideraussem1000MW級(jí)褐煤發(fā)電機(jī)組采用分隔煙道系統(tǒng)充分降低排煙溫度，把低溫省煤器加裝在空氣預(yù)熱器的旁通煙道中，在煙氣熱量足夠的前提下引入部分煙氣到旁通煙道內(nèi)加熱鍋爐給水。日本的常陸那珂電廠采用了水媒方式的管式GGH。煙氣放熱段的GGH布置在電氣除塵器上游，煙氣被循環(huán)水冷卻后進(jìn)入低溫除塵器（煙氣溫度在90～100℃左右），煙氣加熱段的GGH布置在煙囪入口，由循環(huán)水加熱煙氣。煙氣放熱段的GGH的原理和低溫省煤器一樣。

低溫省煤器盡管在國(guó)內(nèi)和國(guó)外已經(jīng)有運(yùn)用業(yè)績(jī)，但上述的例子中我們發(fā)現(xiàn)，在德國(guó)鍋爐排煙溫度較高，均達(dá)到170℃左右（這些鍋爐燃用的是褐煤），而加裝低溫省煤器后排煙溫度下降到100℃左右。日本的情況是鍋爐設(shè)計(jì)排煙溫度不高（125℃左右），經(jīng)過(guò)低溫省煤器后煙氣溫度可降低到85℃左右。

2.2低溫省煤器安裝位置

由于低溫省煤器的傳熱溫差低，因此換熱面積大，占地空間也較大，所以在加裝低溫省煤器時(shí)，需合理考慮其在鍋爐現(xiàn)場(chǎng)的布置位置。

2.2.1低溫省煤器布置在除塵器的進(jìn)口

日本的不少大型火電廠，如常陸那珂電廠（1000MW）和Tomato-Atsuma電廠（700MW）等都有類似的布置。管式的GGH煙氣放熱段布置在空預(yù)器和除塵器之間。管式GGH將煙氣溫度降低到90℃左右，除塵器的飛灰比電阻可從1012Ω-cm下降到1010Ω-cm，這樣可提高電氣除塵器的運(yùn)行收塵效率。低溫省煤器布置在除塵器的進(jìn)口，除塵器下游的煙氣體積流量降低了約5％，因此其煙道、引風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)等的容量也可相應(yīng)減少，降低了運(yùn)行廠用電。據(jù)計(jì)算，每臺(tái)機(jī)組節(jié)約引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)廠用電共約500kW。需要指出的是除塵器和風(fēng)機(jī)的選型仍應(yīng)該考慮125℃低溫省煤器未投運(yùn)時(shí)的情況，

這種布置方式最大的風(fēng)險(xiǎn)是腐蝕。因?yàn)榻?jīng)過(guò)低溫?zé)煔鈸Q熱器后的煙氣溫度已經(jīng)在酸露點(diǎn)以下，除塵器、煙道、引風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)均存在腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)日本的有關(guān)技術(shù)資料，未經(jīng)除塵器收塵的煙氣中含有較多的堿性顆粒，可中和煙氣中凝結(jié)的硫酸微滴，低溫除塵器及其下游的設(shè)備并“不需要進(jìn)行特別的防腐考慮”，而且日本的不少大機(jī)組運(yùn)行低溫除塵器也有良好的業(yè)績(jī)，因此，這種布置方式應(yīng)該是可行的。但是，對(duì)所謂的“不需要進(jìn)行特別的防腐考慮”還有一些疑慮：（1）是不是僅僅依靠煙氣中的堿性灰顆粒就能中和大部分SO2，而大大降低溫?zé)煔獾母g性？中和反應(yīng)的徹底程度肯定與燃煤的特性有關(guān)（如含硫量，含灰量，灰分中堿性物質(zhì)如CaO。K2O的數(shù)量等），是不是還與別的因素有關(guān)？（2）對(duì)于低溫電氣除塵器與常規(guī)除塵器的區(qū)別還需要進(jìn)一步研究。根據(jù)我們目前掌握的資料，為了防止低溫除塵器灰斗中的灰板結(jié)，其灰斗的加熱面積要大于普通除塵器。由于缺乏更多的資料，如果采用這種布置方式需要進(jìn)行大量資料的收集研究工作。（3）對(duì)于除塵器下游的煙道和風(fēng)機(jī)設(shè)備，由于煙氣中的灰已經(jīng)基本被除去，此時(shí)還應(yīng)該充分考慮相應(yīng)的防腐措施。（4）隨著煙氣溫度的降低，煙灰的電氣抗阻值下降。此時(shí)ESP的除塵性能上升，但是在捶打集塵極板時(shí)，附在電極處的煙塵會(huì)飛散，使ESP出口粉塵濃度短時(shí)上升（比通常的出口濃度要高約50mg/m3左右）。

2.2.2低溫省煤器布置在脫硫吸收塔的進(jìn)口

德國(guó)一些燃燒褐煤的鍋爐將低溫省煤器布置在吸收塔入口。低溫省煤器將煙氣溫度從160℃降低到100℃后進(jìn)入吸收塔，被煙氣加熱的凝結(jié)水再加熱冷二次風(fēng)。

這種方式的低溫省煤器實(shí)際上起到管式GGH加熱器中煙氣冷卻的作用。煙氣經(jīng)過(guò)除塵器后，低溫省煤器處于低塵區(qū)工作，因此飛灰對(duì)管壁的磨損程度將大大減輕。由于煙氣中的堿性顆粒幾乎被除塵器捕捉，其出口煙氣帶有酸腐蝕性。但是由于其布置位置在除塵器、引風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)之后，煙氣并不會(huì)對(duì)這些設(shè)備造成腐蝕，因而避免了腐蝕的危險(xiǎn)。因?yàn)槲账?nèi)本來(lái)就是個(gè)酸性環(huán)境，煙氣離開(kāi)吸收塔時(shí)溫度約為45℃。塔內(nèi)進(jìn)行了防腐處理。這種布置方式只要考慮對(duì)低溫省煤器的低溫段材料和低溫省煤器與吸收塔之間的煙道進(jìn)行防腐。

采用這種布置方式的缺點(diǎn)是無(wú)法利用煙氣溫度降低帶來(lái)的提高電氣除塵器運(yùn)行效率、減少引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)功率的好處；其次，其布置位置遠(yuǎn)離主機(jī)，用于降低煙氣溫度的凝結(jié)水管道也較長(zhǎng)，凝結(jié)水泵需克服的管道阻力及電耗也更高。

3.低壓省煤器節(jié)能理論及計(jì)算

一般認(rèn)為，把煙氣余熱輸入回?zé)嵯到y(tǒng)中會(huì)排擠部分抽汽，導(dǎo)致熱力循環(huán)效率降低；并且，排擠的部分抽汽會(huì)增加凝汽器的排汽使汽輪機(jī)真空有所降低。這兩點(diǎn)對(duì)于低壓省煤器節(jié)能的疑問(wèn)必須加以澄清。理論上，增設(shè)低壓省煤器后，大量煙氣余熱進(jìn)入回?zé)嵯到y(tǒng)，這是在沒(méi)有增加鍋爐燃料量的前提下，獲得的額外熱量，它以一定的效率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽Α＿@個(gè)新增功量要遠(yuǎn)大于排擠抽汽和汽機(jī)真空微降所引起的功量損失，所以機(jī)組經(jīng)濟(jì)性無(wú)例外都是提高的。

3．1 發(fā)電煤耗節(jié)省量計(jì)算

采用等效熱降法進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性分析。將低壓省煤器回收的排煙余熱作為純熱量輸入系統(tǒng)，而鍋爐產(chǎn)生1kg新汽的能耗不變。在這個(gè)前提下，熱系統(tǒng)所有排擠抽汽所增發(fā)的功率，都將使汽輪機(jī)的效率提高。

相應(yīng)1kg汽輪機(jī)新汽，其全部做功量稱新汽等效焓降（記為H），所有排擠抽汽所增發(fā)的功量（記為ΔH）稱等效焓降增量，計(jì)算如下：

H = 3600/（ηjd×d）                   (kJ/kg)

ΔH=β[（hd2-h4）η5+∑(τj·ηj)]          (kJ/kg)

式中 d—機(jī)組汽耗率，kg/kwh；

ηjd—汽輪機(jī)機(jī)電效率；

β—低省流量系數(shù)；

hd2—低壓省煤器出水比焓，kJ/kg；

h4—除氧器進(jìn)水比焓，kJ/kg；

τj—所繞過(guò)的各低加工質(zhì)焓升，kJ/kg；

ηj—所繞過(guò)的各低加抽汽效率。

熱耗率降低δq按下式計(jì)算：

δq=ΔH·q/(H+ΔH)                (kJ/kwh)

式中 q—機(jī)組熱耗率，kJ/kwh;

發(fā)電標(biāo)煤耗節(jié)省量δbs按下式計(jì)算：

δbs=δq/(ηp·ηb·29300)        (kg/kwh)

式中ηp、ηb——鍋爐效率、管道效率；

以已投運(yùn)的某200MW火電機(jī)組低壓省煤器系統(tǒng)為例進(jìn)行節(jié)能量計(jì)算，結(jié)果列于表1。由表1可見(jiàn)，低壓省煤器降低排煙溫度28℃，可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤3.05g/kwh。

表1低壓省煤器主要指標(biāo)計(jì)算結(jié)果(某國(guó)產(chǎn)200MW機(jī)組)

這里指出，低壓省煤器盡管降低了排煙溫度，但并未改變鍋爐效率。鍋爐的排煙溫度仍然定義于空氣預(yù)熱器出口。

3．2 汽輪機(jī)真空影響計(jì)算

對(duì)于濕冷機(jī)組，汽輪機(jī)背壓增量dpc與冷凝量增量dDc關(guān)系借助凝汽器的變工況計(jì)算，亦可按下式估算：

dpc=2.059×dDc/Dc            (kPa)

dDc=∑Dj- dD0               （t/h）

式中 Dc—凝汽器冷凝量，t/h，

dD0—由增設(shè)低省引起的汽輪機(jī)新汽量減少值，t/h，可由δbs計(jì)算得到。

∑Dj—低省各排擠抽抵達(dá)凝汽器的總量，t/h。其中第J級(jí)的排擠量按下式計(jì)算：

Dj=3.6·γj·G·τj/qj         ( t/h)

式中 G—低省的過(guò)水流量，kg/s

γj—排擠系數(shù)，指第J級(jí)排擠抽汽抵凝汽器的份額，按文獻(xiàn)[1]計(jì)算。

其余符號(hào)，意義同前。

表2列出了汽輪機(jī)真空計(jì)算主要結(jié)果。

表2汽輪機(jī)真空影響計(jì)算結(jié)果（某國(guó)產(chǎn)200MW級(jí)組）

由表可知，各排擠抽抵達(dá)凝汽器的總量14.12t/h,低省節(jié)省新汽量5.64t/h,冷凝量?jī)粼隽?.48t/h,由此引起汽輪機(jī)背壓升高0.0404kPa。此時(shí)汽輪機(jī)排汽比焓升高值為0.457kJ/kg，僅占新汽等效焓降的0.037%。根據(jù)以上分析，排擠抽汽對(duì)汽輪機(jī)真空以及對(duì)汽輪機(jī)做功的影響完全可以忽略。

4.某工程低溫省煤器的初步方案

低溫省煤器的結(jié)構(gòu)形式如下

省煤器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需考慮的問(wèn)題 :

1、管徑的選擇

2、縱向節(jié)距和橫向節(jié)距（煙氣流速）的確定

3、管組高度的限制，檢修用空間高度的預(yù)留

4、省煤器中的凝結(jié)水流速

4.1機(jī)組主要設(shè)備參數(shù)

4.2低溫省煤器主要設(shè)備參數(shù)

4.3低溫省煤器調(diào)試運(yùn)行參數(shù)

由以上實(shí)例可以看出，投資回收期為1.41年，可使用壽命為10年，則低溫省煤器具有非常積極的意義。

5.加裝低溫省煤器需要考慮的問(wèn)題

5．1 煙道省煤器的低溫腐蝕

選用合適的耐腐蝕材料。針對(duì)工程的應(yīng)用情況，選擇合適的、性價(jià)比比較高的材料是非常重要的。目前可供考慮采用的材料主要有：不銹鋼材料、耐腐蝕的低合金碳鋼、復(fù)合鋼管及碳鋼表面搪瓷處理等。

5.2 換熱面管的積灰

低溫省煤器的換熱面管采用高頻焊翅片管,與普通光管相比，翅片管傳熱性好，因此可減小低溫省煤器的外形尺寸和管排數(shù)，減少煙氣流動(dòng)阻力。

但是高頻焊翅片管易于積灰。其積灰的程度與煤灰特性及煙氣流速有關(guān)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)提高煙速(對(duì)于除塵器前布置的低溫省煤器，煙氣流速推薦10 m／s左右，對(duì)于除塵器后布置的低溫省煤器，煙氣流速推薦15 m／s左右)。選擇合適間距的翅片管以減少省煤器管壁積灰。在低溫省煤器管排間將設(shè)置蒸汽吹灰器。對(duì)于低溫省煤器在布置上必須考慮可拆卸的形式，并在低溫省煤器上設(shè)置水清洗系統(tǒng)，利用機(jī)組停運(yùn)期間進(jìn)行水清洗。

5.3 煙道的防腐

由于煙氣運(yùn)行溫度較低，需要對(duì)低溫省煤器后的煙道考慮防腐措施，初步考慮采用耐硫酸碳鋼，對(duì)煙道的造價(jià)會(huì)提高約20%。

6 低溫省煤器的特點(diǎn)分析

6.1  排煙溫度方案比較

主要比較了傳統(tǒng)的高壓省煤器改造和增設(shè)低壓省煤器的兩種技術(shù)方案。與高壓省煤器改造相比，低壓省煤器在電廠節(jié)能減排方面有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以實(shí)現(xiàn)排煙溫度的大幅度降低。按照電廠的不同需求，可降低排煙溫度30℃～35℃，甚至更多。而改造高壓省煤器，則根本無(wú)法做到這一點(diǎn)。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于需上脫硫系統(tǒng)的鍋爐（排煙溫度有最高限制），是十分珍貴的。

（2）對(duì)于鍋爐燃燒和傳熱不會(huì)產(chǎn)生任何不利影響。由于低壓省煤器布置于鍋爐的最后一級(jí)受熱面（下級(jí)空預(yù)器）的后面，因此，它的傳熱行為對(duì)于鍋爐的一切受熱面的傳熱均不發(fā)生影響。因此既不會(huì)降低入爐熱風(fēng)溫度而影響鍋爐燃燒，也不會(huì)使空氣預(yù)熱器的傳熱量減少，從而反彈排煙溫度的降低效果。

（3）具有獨(dú)特的煤種和季節(jié)適應(yīng)性。鍋爐的低壓省煤器出口煙溫可以根據(jù)不同季節(jié)和煤質(zhì)（主要是含硫量）進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能和防腐蝕的綜合要求。這也是高壓省煤器改造所不具備的。例如為貴州QG電廠670t/h鍋爐設(shè)計(jì)的低壓省煤器，設(shè)計(jì)將排煙溫度從160℃降低到135℃。后運(yùn)行中排煙溫不正常升高到180℃，低壓省煤器靠自身的煙溫調(diào)節(jié)功能，仍然將排煙溫度輕松降低到135℃。

（4）設(shè)計(jì)低壓省煤器也可以同時(shí)解決汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)的某些缺陷。例如山西ST電廠#4機(jī)（200MW），大修前除氧器的主凝結(jié)水進(jìn)水溫度高出設(shè)計(jì)值很多，造成了除氧器的排擠抽汽。為此，只得部分開(kāi)啟#4低加旁路，使汽輪機(jī)熱耗增加。加裝低壓省煤器后，低省出口的水溫為120℃，低于主凝結(jié)水溫度34℃，與主凝結(jié)水匯合后，使除氧器進(jìn)水溫度基本恢復(fù)設(shè)計(jì)值，從而消除了回?zé)嵯到y(tǒng)的缺陷，保證了除氧效果。

（5）采用低壓省煤器系統(tǒng)，可以充分利用鍋爐本體以外的場(chǎng)地空間布置受熱面，因而空間寬綽、便于檢修。

當(dāng)然，由于低壓省煤器所吸收余熱的利用能級(jí)相對(duì)較低，因此其單位排煙溫降的節(jié)能量不及高壓省煤器改造。如果電廠只需少量降低排煙溫度、而鍋爐又無(wú)燃燒穩(wěn)定性的擔(dān)憂或其它限制時(shí)，改造高壓省煤器也不失為較好的方案。

6.2  低溫省煤器的優(yōu)點(diǎn)：

1、可降低排煙溫度30~70℃?？色@得顯著的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益。

2、大大降低脫硫系統(tǒng)的水耗。加裝低壓省煤器后，可取消脫硫系統(tǒng)的噴水降溫裝置或事故（噴淋）降溫裝置，實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)的深度節(jié)能。

3、增設(shè)低壓省煤器，可減少抽汽量，降低煤耗。

 4、具有良好的煤種和季節(jié)適應(yīng)性。

5、具有良好的負(fù)荷適應(yīng)性。

6、可以充分利用鍋爐本體以外的場(chǎng)地空間，布置所需要的受熱面，并留有足夠的檢修空間，檢修方便。

7、本技術(shù)把鍋爐的余熱利用與汽輪機(jī)的低加系統(tǒng)巧妙地結(jié)合起來(lái)，對(duì)于鍋爐燃燒和傳熱不會(huì)產(chǎn)生任何不利影響。

8、對(duì)于拆除GGH的脫硫改造工程，在吸收塔入口處加裝低溫省煤（GGH的阻力比低溫省煤器高300-400Pa），不僅解決了去掉GGH后煙氣對(duì)脫硫系統(tǒng)的不利影響，而且降低排煙溫度，提高鍋爐效率。

9、由于本系統(tǒng)屬靜態(tài)設(shè)備，無(wú)動(dòng)力裝置，所以系統(tǒng)本身能耗極低。