电站低低温烟气余热利用系统熵产分析

陆万鹏，孙浩森，赵元东

（1.山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南250101；2.山东建筑大学 学报编辑部，山东济南250101；3.山东大学 后勤保障部，山东 济南250100）

电站低低温烟气余热利用系统熵产分析

陆万鹏1，孙浩森2，赵元东3

（1.山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南250101；2.山东建筑大学 学报编辑部，山东济南250101；3.山东大学 后勤保障部，山东 济南250100）

电站低低温烟气处理技术是实现电站锅炉烟气高效除尘、脱硫的有效方法之一，高效回收利用锅炉烟气降温过程中形成的烟气余热，并准确评价其节能收益，对于电站节能有重要意义。文章基于热力学第二定律，根据等效热降的分析思想，利用熵产分析法，建立了电站低低温烟气余热利用系统各环节的做功能力损失模型，结合N300-16.7／537／537-7型亚临界机组的热力参数，分析了低低温烟气余热利用系统的热经济性及各环节的能量损失。结果表明：烟气余热利用各环节中，影响系统热经济性的最主要因素是烟气余热输入损失，占总做功能力损失的85.23%；系统将锅炉排烟温度从138℃降至90℃，可降低机组标准煤耗率2.15 g／（kW·h），提高全厂效率0.66%。

低低温烟气处理；电站节能；熵产分析；经济性

Abstract：Super-low temperature treatment of boiler flue gas in thermal power plants is one of highefficient techniques in dust removal and desulfurization.In a super-low temperature flue gas waste heat recovery system（super-low FGWHRS），the waste heat coming from flue gas cooling is reused to save energy.It is of great significance for power plant energy conservation to efficiently utilize the waste heat and accurately evaluate its energy saving effect.Based on the second law of thermodynamics，the energy loss model of each process was established using entropy generation method combined with equivalententhalpy analysis.Based on the developedmodel，the heateconomy and energy losses of each process of the super-low FGWHRSof a subcritical unitwith the tipe of N300-16.7／537／537-7 were analyzed.The results show that themain influencing factor on the system thermal efficiency is the exhaust gas energy of the boiler，accounting for 85.23%of total loss of working capacity.The studied system reduces the exhaust gas temperature of the boiler from 138 to 90℃.As a result，the plant efficiency is improved by 0.66%，saving standard coal consumption rate of 2.15 g／（kW·h）.Emission reduction and energy saving are achieved.

Key words：super-low temperature flue gas treatment；energy conservation；entropy generation analysis；economic performance

0 引言

随着能源环境问题日益严峻，国家对电站的节能环保工作提出了更高的要求，低低温烟气处理技术在许多电站得以应用［1-4］。其将电除尘器进口前的烟温深度降低至露点附近，烟气中的硫酸雾会被飞灰颗粒吸附，然后被电除尘器捕捉后随飞灰排出，不仅保证了更高的除尘效率，还解决了下游设备的防腐蚀难题。实践证明，低低温烟气处理技术与湿法烟气脱硫工艺的组合可以达到高效除尘、脱硫的效果，是达到电站锅炉烟气超净排放的有效途径之一［5-6］。另一方面，回收的烟气余热若引入蒸汽回热系统，用于加热凝结水，则成为低低温烟气余热利用系统，可以节省回热抽汽，起到替代部分低压加热器的功能，节省的抽汽返回汽轮机继续做功，会提高机组的循环效率［7-11］。因此，电站低低温烟气余热利用系统使环保与节能相结合，具有双重功效。

电站热系统节能分析方法大多以热力学第一定律为依据，如施延洲等在某电厂烟气余热利用系统热力试验中采用热平衡法进行节能分析［12］。闫水保、郭江龙等指出了等效热降法、矩阵法和循环函数法等分析方法之间的关系［13-14］。这些方法均基于能量和质量的守恒，利用系统热力学平衡的概念来分析、完善所研究系统，但它们仅考虑了能量的数量而忽视了能量的品质，所以在分析系统能量品质下降的原因上无能为力，因此也无法正确地分析系统节能和优化的潜力。而热力学第二定律指出了能量转换的方向性，注重于能量的品质与可用性［15-16］，以热力学第二定律为依据的熵产法能够对烟气余热利用过程中的不可逆损失进行分析和量化，同时辨识系统中不可逆损失的原因和产生的部位，可以清晰揭示出能量在传递和转换的各环节中能量耗损的分布特征，从而更好地为提高低低温烟气余热利用的有效性指引方向。因此，文章采用熵产法建立了低低温烟气余热利用系统各环节的能量损失模型，并应用于型号为N300-16.7／537／537-7的亚临界300 MW机组。

1 电站低低温烟气余热利用系统熵产分析模型的建立

1.1 电站低低温烟气余热利用系统简述

低低温烟气余热利用系统，如图1所示，在空气预热器出口和电除尘器之间的烟道中增设低低温省煤器，将烟温深度降低至约90℃，其水侧通常与回热系统中的某级（或某几级）低压加热器并联连接，回收的余热用于加热部分凝结水，以排挤对应的抽汽，增加机组做功功率。

图1 低低温烟气余热利用系统示意图

1.2 低低温烟气末级回热利用系统熵产分析模型

如果低低温省煤器系统只并联于末回热加热器，利用烟气余热回热凝结水排挤末级抽汽，称之为低低温烟气末级回热利用。低低温烟气末级回热利用的 T-s图，如图2所示，下标 in、gh、sh、t、c、en分别表示余热输入、烟气冷却器、回热加热器、汽轮机、凝汽器及环境。

图2 低低温烟气末级回热利用过程熵产分析图

图2 中，7-8线表示低低温排烟余热在利用过程中的温度变化线，相对1 kg新蒸汽利用的烟气余热热负荷被输入到蒸汽回热系统，表示为虚线围成的面积788″7″。4-5-1线表示烟气余热利用所排挤的末级回热抽汽线，排挤1 kg抽汽，定压线1′4′下的矩形面积为烟气余热输入其自带的做功能力损失、烟气冷却器的传热损失及回热加热器的传热损失等三项之和；矩形 1′2′2″1″面积为排挤抽汽在汽轮机内的流动损失；矩形322′3′面积为排挤抽汽在凝汽器中凝结放热损失。这样，将回收的低低温烟气余热在传递与转换中熵产及做功能力变化过程分4个环节：烟气余热输入环节、烟气冷却器与回热加热器传热环节、排挤抽汽在汽轮机中的流动环节、凝汽器中的放热环节。

1.2.1 烟气余热输入环节

烟气余热输入低低温省煤器的同时，会将其自带的 一同输入，从而造成烟气余热输入环节的熵产及做功能力损失，其输入熵产由式（1）表示为

式中：Δσin为烟气热负荷输入熵产，kJ／（kg·K）；s为相对1 kg新蒸汽所利用烟气的熵kJ／（kg·K）；Δqge为相对1 kg新蒸汽所利用的烟气热负荷，kJ／kg为 回收烟气余热的对数平均温度，K。

1.2.2 烟气冷却器与回热加热器传热环节

T-s图中的面积用A表示，末级加热器的抽汽系数为μ，μ＝回热抽汽量 ／新蒸汽量，则烟气余热经过烟气冷却器与回热加热器传热环节，烟气热负荷 Δqge＝μA1544″1″。烟气余热在前两个环节的总熵产由式（2）表示为

式中：Δσgh、Δσsh分别为烟气冷却器和回热加热器的熵产，kJ／（kg·K）为末级加热器排挤抽汽的平均温度，K。

1.2.3 排挤抽汽在汽轮机中的流动环节

排挤的抽汽进入汽轮机，蒸汽膨胀及粘性流动环节产生的熵产由式（3）表示为

式中：Δσt为蒸汽的流动熵产，kJ／（kg·K）。

1.2.4 凝汽器中的放热环节

排挤的抽汽在汽轮机中膨胀做功后排入凝汽器，在凝汽器内的放热负荷 Δqc＝μ（h2-h3），kJ／kg，其做功能力损失由式（4）表示为

式中：Ic为凝汽器内蒸汽做功能力损失，kJ／kg；Ten、Tc分别为环境和汽轮机排汽温度，K。

1.3 低低温烟气多级回热利用系统熵产分析模型

相对低低温烟气单级回热利用，如低低温省煤器并联于几级回热加热器，则称之为低低温烟气多级回热利用。如图1所示，自x-1级加热器出口引出凝结水进入低低温省煤器加热，吸收烟气余热热负荷Δqge后，回到m级加热器入口的主凝结水管道，此过程中，排挤了x～m级加热器的抽汽。以低低温烟气末级回热利用熵产分析为基础，对其多级级回热利用系统进行熵产分析。

1.3.1 烟气余热输入和烟气冷却器、回热加热器传热环节

根据火电厂热系统节能理论［11］，若不计散热损失，低低温省煤器抽取1 kg热水，x～m级回热加热器排挤抽汽的熵产由式（5）表示为

式中：Δσx～m为x～m级回热加热器排挤抽汽的熵产，kJ／（kg·K）为第 j级加热器出口水比焓，kJ／kg为第j级加热器排挤抽汽的平均温度，K；τj为第j级加热器水侧比焓差下标we（water exit）表示低低温省煤器回水。由式（5）可得出x～m级回热加热器排挤抽汽的平均温度，其由式（6）表示为

由式（2）、（6），可得到余热输入、烟气冷却器及回热加热器等三环节的熵产之和，由式（7）表示为

烟气余热输入和烟气冷却器、回热加热器传热环节总做功能力损失可由式（8）表示为

1.3.2 排挤抽汽在汽轮机内流动环节

在电站机组回热系统中，若因利用热量改变而排挤某级加热器抽汽，会对其后的各级加热器造成影响［11］。对于疏水式加热器，抽气量减少会使进入下级的疏水量会减少；对于汇集式加热器，会使以后各级的凝结水量增加，这些原因都会造成后级加热器的可利用热量相对减少，因此，后面各级加热器会增加抽汽量以保持热量平衡。

图1中，n为x～m级中间的某一级，若因烟气余热加热凝结水排挤1 kg第n级加热器抽汽，导致其后第j级抽汽量增加βjkg，则βj可由式（9）表示为

根据第j级加热器型式，式（9）中Aj为取疏水焓差 γj或凝结水焓差 τj，kJ／kg；qj为加热器抽汽与疏水的焓差

如果第n级加热器为汇集式，则Aj均以τj代替；如果第n级加热器为疏水自流式，则从n级以下直到汇集式加热器用γj代替Aj，而在汇集式加热器以下，无论是汇集式或疏水自流式加热器，一律用τj代替Aj。

根据式（9），相对1 kg水流量，低低温省煤器系统排挤第n级加热器的抽汽量由式（10）表示为

第n级排挤抽汽在汽轮机内流动到第j级剩余的流量由式（11）表示为

式中：dj（n）为相对1 kg水流量系统排挤第n级加热器的抽汽量，在汽轮机内流动到第j级剩余的流量，kg／kg。

相对1 kg新蒸汽，第n级排挤抽汽从第j级到第j-1级的流动损失由式（12）表示为

式中：Ij（n）为第n级排挤抽汽从第j级到第j-1级的流 动 损 失，kJ／kg；Sj为 第 j级 抽 汽 的 比 熵，kJ／（kg·K）；αd为加热凝结水的份额，若 Dd为流经低低温省煤器的凝结水流量，kg／s，D为汽轮机进汽量，kg／s，则 αd＝Dd／D。

第n级排挤抽汽在汽轮机流动环节的做功能力损失由式（13）表示为

对于低低温烟气多级回热利用系统，排挤抽汽在汽轮机流动环节产生的总做功能力损失由式（14）表示为

式中：It为系统排挤抽汽在汽轮机流动环节产生的总做功能力损失，kJ／kg。

1.3.3 凝汽器放热环节

对于x～m级中间的任意第n级，由式（11）可推得相对1 kg水流量，多级回热利用系统进入凝汽器的排挤抽汽量，其由式（15）表示为

相对1 kg新蒸汽，排挤抽汽在凝汽器内的放热过程中做功能力损失由式（16）表示为

式中：Ic为排挤抽汽在凝汽器内的放热做功能力损失，kJ／kg；hc和 h′c为分别为凝汽器进、出口的焓值，kJ／kg；Tc为排汽的饱和温度，K。

1.3.4 经济性计算

低低温烟气多级回热利用系统使蒸汽做功能力增加由式（17）表示为

对应使全厂效率相对提高由式（18）表示为

式中：Δw为低低温烟气多级回热利用系统使蒸汽做功能力增加值，kJ／kg；w为蒸汽的原始做功能力，kJ／kg。

2 熵产分析模型应用计算与分析

针对型号为N300-16.7／537／537-7的亚临界300 MW单元机组，在空气预热器至电除尘器之间设置低低温省煤器，将烟温降至90℃，用熵产法分析系统的热经济性。

机组的燃料特性及机组热力参数见表1，回热系统参数见表2。

表1 N300-16.7／537／537-7机组热力主参数

表2 N300-16.7／537／537-7机组回热系统参数

低低温烟气余热利用水侧系统如图3所示。为防止严重的低温腐蚀，系统设置了回水再循环管路，8＃低加进口的凝结水与再循环回水混合至70℃，进入低低温省煤器被加热至109.5℃，回到6＃低加进口的凝结水主管路。

图3 低低温烟气余热利用水侧系统示意图

低低温烟气余热利用系统设计参数及经济性计算结果见表3。

表3 低低温烟气余热利用系统设计参数及经济性计算结果

表3计算结果表明，应用低低温烟气余热利用系统降低排烟温度48℃，回收烟气单位热负荷69.33 kJ／kg，熵产法计算蒸汽做功能力增加了7.66 kJ／kg，标准煤耗率降低 2.15 g／（kW·h），全厂效率相对提高0.66%。

按照表3计算结果，低低温省煤器回收热量的做功能力损失分布如图4所示，表明总做功能力损失包含了烟气余热输入损失、加热器损失、汽轮机流动损失和凝汽器放热损失等4项，分别占总损失的份额分别为 85.23%、5.94%、3.96%和 4.87%。

图4 低低温烟气余热利用系统能量做功能力损失分布图

根据图4分析可以看出：

（1）烟气冷却器和回热加热器这两种加热器存在传热温差，产生了加热器传热损失。提高低低温省煤器进、出口水温，烟气冷却器传热温差减少，传热损失降低；另外，烟气冷却器进、出口水温的提高还可以排挤更高能级的回热抽汽，在图2中表现为回热抽汽线的上移，从而使两种加热器的总传热损失减少。但过小的烟气冷却器端差会导致其传热面积增大、投入增加，低低温省煤器出口水温选择往往要依据投资和收益进行综合考虑。

（2）低低温烟气余热利用系统通过加热凝结水排挤回热抽汽，在增加汽轮机做功的同时导致排汽量较原来增加2.79%，使汽轮机内流动损失和凝汽器放热损失增加。

对于汽轮机内流动损失，由于锅炉排烟温度的限制，低低温省煤器排挤的抽汽一般为低压回热抽汽，仅造成的汽轮机低压缸后部的流动损失增加，影响有限。汽轮机流动损失增加占总损失的3.96%。

排汽量增加造成的凝汽器放热损失增加占总做功能力损失的4.87%，而在以热力学第一定律为基础的分析方法中，排汽量增加导致冷源损失增大，回收余热的所有做功损失都被归为冷源损失之中。

（3）由于系统利用的是烟气余热，烟温较低，因此烟气余热自身带有大量的，构成了烟气余热输入损失，其在几项损失中份额最大。根据式（1），可知本项损失与利用烟温相关，表明烟气余热利用系统的热经济性受到锅炉原始排烟温度的限制。如果锅炉排烟温度较高，一方面烟气余热输入损失减小；另一方面，低低温省煤器的出口水温得以提高，加热器传热损失降低，还可以排挤更高能级的抽汽，相同回收热量下排挤抽汽量减少，凝汽器放热损失也会降低，从而使系统的热经济性显著提高。

3 结论

利用熵产分析法，建立了低低温烟气余热利用系统各环节的能量损失模型，应用于型号为N300-16.7／537／537-7的亚临界 300 MW 机组，结果表明：

（1）将低低温烟气余热利用过程分为烟气热量输入、加热器传热、排挤抽汽在汽轮机流动和凝汽器放热等环节，加热器损失、汽轮机流动损失和凝汽器放热损失等3项损失近乎相当且较小，而烟气余热输入损失最大，占总做功能力损失的85.23%。

（2）利用低低温烟气余热利用系统将排烟温度从138℃降至90℃，可降低标准煤耗率2.15 g／（kW·h），提高全厂效率 0.66%，可实现环保与节能双重功效。

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（学科责编：赵成龙）

Entropy generation analysis of the super-low tem perature flue gas heat recovery system in thermal power plants

Lu Wanpeng1，Sun Haoshen2，Zhao Yuandong3
（1.School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Editorial Department of Journal of Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；3.Logistics Security Department，Shandong University，Jinan 250100，China）

TK115

A

1673-7644（2017）04-0327-06

2017-07-12

国家发改委-电力行业低碳技术创新及产业化示范工程项目（发改办高技［2013］1819号）；山东建筑大学博士基金项目（0000601336）

陆万鹏（1973-），男，副教授，博士，主要从事热力设备节能及可靠性等方面的研究.E-mail：luwp＠sdjzu.edu.cn