330 MW机组双级低温省煤器系统热经济性分析

李慧君，王妍飞，常澍平，郭江龙，王晓峰

(1. 华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003； 2. 河北省电力研究院，河北石家庄050021)

330 MW机组双级低温省煤器系统热经济性分析

李慧君1，王妍飞1，常澍平2，郭江龙2，王晓峰1

(1. 华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003； 2. 河北省电力研究院，河北石家庄050021)

摘要：低温省煤器烟气余热利用技术在汽轮机热力系统上的应用，一般都会出现平均传热温差变小、存在低温腐蚀等一系列问题。基于对西柏坡电厂4台330 MW的发电机组，实施双级低温省煤器烟气利用改造技术，并依据能效分布矩阵(EEDM)方程，建立汽轮机辅助汽水系统数学模型。通过3种设计方案的经济性计算分析与比较，设计方案三机组煤耗降低了2.69 g/(kW·h)，效率由未引入低温省煤器系统的47.35%提高至48.16%，每台机组每年可节约119.52万元，二氧化碳排放量每年可减少18 322.90 t。结果表明，方案三中提出的双级低温省煤器系统在减少煤炭消耗、降低经济成本等方面都优于方案二常规低温省煤器系统，具有明显的经济效益和环境效益。

关键词：双级低温省煤器；能效分布矩阵；模型；机组效率

中图分类号：TK115

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.06.012

收稿日期：2015-04-16。

作者简介：李慧君(1964-)，男，教授，研究方向为强化传热和数值计算，电厂热力系统节能与监测诊断，E-mail:hjli009@sina.com。

Abstract：The technology of flue gas waste heat utilization of low temperature economizer in the application of steam turbine thermal system generally arises a series of problems, such as the decrease average heat transfer temperature difference, low temperature corrosion, etc.The transformation technology of flue gas waste heat utilization of two-stage low temperature economizer is used in the four units of 300 MW generating set of Xibaipo Power Plant. Besides, according to the energy efficiency distribution matrix (EEDM) equation, the mathematical model of auxiliary steam-water system of steam turbine is established. The results show that the unit coal consumption of third project is reduced 2.69g/(kW·h) and its efficiency is increased from 47.35 %, which is not equipped low temperature economizer, to 48.16% by calculating and comparing the economical efficiency of three different design projects, each unit can save 1.1592 million Yuan per year. The CO2emission can be reduced by 18322.9t each year. The results show that the two-stage low temperature economizer of the third project is superior to the conventional low temperature economizer of second on the aspects of reducing coal consumption saving cost, etc. In conclusion，the third project has high performance on the aspects of economy and environment.

Keywords：two-stage low temperature economizer; energy efficiency distributing matrix; model; unit efficiency

0引言

我国火力发电厂锅炉排放的烟气温度普遍偏高，烟气排放温度过高不但锅炉排烟损失增大，机组煤耗偏高，同时导致烟气体积流量增大，电袋、布袋除尘器除尘效率降低以及寿命减少、除尘器出口的粉尘排放浓度有所增加。电厂的排烟热损失约占锅炉总热损失的80%或更高，是在所有损失中最大的一个。因此，从节能减排、安全环保的整体利益出发，降低锅炉排烟温度具有重大意义[1～5]。在锅炉烟道尾部增加低温省煤器可有效地降低排烟温度，保护电袋、布袋除尘器。国内十里泉发电厂分别投产了2套纵肋的低温省煤器，降低排烟温度25.4 ℃，降低煤耗3.3 g·(kW·h)-1。龙口电厂运行双纵向翅片管低温省煤器，降低排烟温度30 ℃，运行良好，取得了明显的经济效益[6]。而德国科隆Nideraussem 百万千瓦级发电机组把低温省煤器加装在空气预热器的旁路烟道中，并将一小部分烟气引到旁通烟道，用来对锅炉的给水加热[7]。日本Tomato-Atsuma电厂，将低温省煤器布置在除尘器和空气预热器之间，排烟温度可以降低约90 ℃，并应用了低温电气除尘器[8]。低温省煤器在国内外都得到了广泛应用，经济和环境效益显著。西柏坡电厂由于实际燃用煤种偏离设计煤种等原因，目前该4台锅炉非采暖季平均排烟温度达到了143 ℃，夏季最高排烟温度超过170 ℃。对此，实施双级低温省煤器烟气利用技术，并基于能效分布矩阵方程建立了双级低温省煤器系统矩阵数学模型，利用该模型对西柏坡电厂1～4号机组投用双级低温省煤器系统的3种方案进行了计算、比较与分析。

1双级低温省煤器系统

从图1可以看出，烟气旁路空气预热器出口低温省煤器设有双层，分别为低压高温省煤器和低温低压省煤器。空气预热器立式烟道除尘器安装在第一级低温省煤器后，非采暖季排烟平均温度从142 ℃降低到125 ℃，保护电袋除尘效果，同时回收一定的余热。一次风温度降低会减少制粉系统与冷空气的混合量，排烟温度进一步降低。与二次空气温度降低，它将会影响到锅炉的燃烧过程；第二级低温省煤器布置在脱硫塔前的水平烟道内，将排烟温度继续降低到95 ℃，可以将除尘器后脱硫塔前的烟气温度降得更低，增大节能量，节约脱硫系统喷淋水量。烟气经电袋除尘器时烟气温度将有所下降，经引风机时烟温将有所升高。

非采暖季从8号低加入口和7号低加出口分别取部分凝结水，混合至80 ℃后进入烟气低温省煤器，额定工况下，通过两级低温省煤器，逐级升温至120 ℃，并最终返回6号低加出口，与主凝结水汇合后进入5号低加。

采暖季时，系统通过凝结水在低温省煤器与板式换热器之间的循环，将热量传递给热网水，按热网来水和出水温度分别为63 ℃和95 ℃计算，可加热热网水量为408.6 t/h。双级低温省煤器烟气余热利用的原理如图1所示。

1-省煤器　2-空气预热器　3-第一级低温省煤器　4-旁路调节阀　5-电袋除尘器　6-引风机　7-增压风机　8-第二级低温省煤器 9-脱硫塔　10-烟囱图1　双级低温省煤器原理

2能效分布矩阵方程计算模型

低温省煤器并联在汽轮机回热系统中，其回热系统如图2所示。

图2　系统流程图

当低温省煤器投用到低压加热器时，给水将分流一部分进入低温省煤器吸收热入水后。任意辅助汽水成分对热效率的影响因素是通过改变加热器回热系数达到的，因此，在分析研究辅助汽水对系统热经济效率影响的时候，都要归根到对回热系统抽气系数改变上来。

辅助汽水系统组成：第一种进口纯热；辅助汽水成分第二种：从加热器侧进入系统的制冷剂；辅助汽水成分第三种：从加热器水侧入口系统的制冷剂；辅助汽水成分第四种：从汽轮机本体进入、离开回热系统[9]。

在锅炉尾部烟道的低温省煤器，并联在低压加热器上，利用加热锅炉的烟气尾气排放冷凝水，具有辅助蒸汽水两个部分，第一部分是凝结水系统的导流部分，另一部分是被加热的凝结水进系统。根据能效分布矩阵方程，建立了数学模型[10]：

(1)

其中，[Af][αf]代表的制冷剂从加热器汽侧进出系统的组件；[Aτ][ατ]代表的制冷剂是从蒸汽热水器的水侧进出系统的组件；[Δq]代表纯热；使上述各辅助元件0，那么方程退化系统的q-γ-τ方程为

(2)

式中：h0为新蒸汽焓值，kJ/kg；η0为再热机组循环效率；hn为排汽焓值，kJ/kg；[Av]=(E-[Af][αf]d-[Aτ][ατ]d-[Δq]d)-1[A]，对于此热力系统，其余各矩阵填写如下：

(3)

煤耗率计算式[10]：

(4)

式中：ηb为锅炉效率；ηp为管道效率；η0为机组循环效率；ηd为电机效率

循环效率的变化，引起煤耗率的变化为[10]：

(5)

全年节省标煤[11]：

(6)

因此，一般采用相对值δη0来表达辅助汽水成分对热经济性影响。

3热经济性分析与计算

机组年利用时间n非采暖季按4 900 h,采暖季按照2 880 h计算，标准煤折算价格按照550元/t计算。针对西柏坡电厂4台330 MW机组排烟温度非采暖季达到142 ℃，夏季炎热期满负荷时段的最高排烟温度甚至超过170 ℃，采暖季平均排烟温度约为132 ℃，并考虑到低温省煤器进出口温差及低温腐蚀问题，提出3种设计方案进行经济性分析与计算比较。

方案一：没有低温省煤器系统投入到汽轮机回热系统，锅炉的排烟温度为142 ℃。

方案二：单级低温省煤器系统从6号低压加热器出口取105.6 ℃凝结水，经低温省煤器，出口水达到124 ℃，返回6号低加出口，与主凝结水汇合后进入5号低加。锅炉排烟温度由142 ℃降到约124 ℃。

方案三：投入双级低温省煤器系统，非采暖季从8号低加入口和7号低加出口分别取部分凝结水，混合至80 ℃后进入低温省煤器，在额定工况下，通过两级低温省煤器，逐级升温至120 ℃，并最终返回6号低加出口，与主凝结水汇合后进入5号低加。采暖季通过凝结水在低温省煤器和板式换热器之间的循环，将热量传递给热网水。第一级低温省煤器出口烟温由142 ℃降低到125 ℃，第二级低温省煤器出口烟温由121 ℃降低到95 ℃。

机组初始参数见表1，利用上述能效分布矩阵方程的计算模型，对3种方案分别进行计算的结果见表2。

表1　330 MW机组主要热力参数　kJ/kg

注：汽轮机排汽焓hn=2 343.4 kJ/kg；再热蒸汽焓hzr=3 538.9 kJ/kg；凝结水焓hwc=136.3 kJ/kg；给水泵功τb=26.3 kJ/kg；再热量σ=492.6 kJ/kg。

表2　各方案经济性指标计算结果

由表2可见，与方案一不加装低温省煤器系统相比，方案二和方案三全年的总节煤量分别为2 173 t/a，6 006 t/a，总的节煤效益分别达到119.52万元/a和330.33万元/a，煤耗均降低，且方案三双级低温省煤器布置方式的煤耗下降比方案二布置方式多出1.29 g·(kW·h)-1，单级低温省煤器比双级低温省煤器年节煤量少3 833 t/a，总节煤效益高出210.81万元/a。这表明，双级低温省煤器系统的节能潜力与原系统和常规低温省煤器相比，具有明显优越性。

因为将第一级布置在除尘器前，能够调节进入布袋除尘器的烟气温度，起到保护滤袋的作用，并且使飞灰比电阻降低，提高电除尘器的除尘效率，还可以部分抵消加装低温省煤器本体阻力所增加的阻力。第二级低温省煤器布置到脱硫塔前，流经低温省煤器磨损粉尘含量低，热交换管的磨损大大降低，可充分利用烟气流经引风机时产生的温升，更大程度地提高烟气余热回收量。

方案二和方案三中，由于增设低温省煤器系统，分流一部分凝结水进入低温省煤器，而剩余部分的凝结水则通过低压加热器进入到除氧器。进入低温省煤器的水流量不同对煤耗降低值有很大的影响，图3是方案三中流经双级低温省煤器水流量和煤耗降低值的关系。

图3　分水率与降低煤耗的关系

由图3可以看出，方案三双级低温省煤器在分水率为0.45时可以降低煤耗2.69 g·(kW·h)-1，此时的经济效益最佳。

4结论

(1)与常规低温省煤器系统相比，双级低温省煤器系统在降低煤炭消耗，节约成本方面更有优势。

(2)双级低温省煤器布置有利于提高机组电除尘器的除尘效率，充分利用烟气流经引风机时产生的温升，更大程度地提高烟气余热回收量。

(3)在方案三下，机组循环效率由未引入低温省煤器系统的47.35%提高至48.16%，机组煤耗降低2.69 g·(kW·h)-1，每台机组每年可节约119.52万元，CO2排放量每年可减少18 322.90 t，经济和环保效益都十分显著。

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Two-stage Low Temperature Economizer Hot Economic Analysis of 330 MW Units

Li Huijun1，Wang Yanfei1，Chang Shuping2，Guo Jianglong2，Wang Xiaofeng1

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China；2. Hebei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021, China)