燃煤电厂氟塑料换热系统的技术经济分析

2019-07-10王晓华谈志林宫建李连军

综合智慧能源 2019年6期

王晓华，谈志林，宫建，李连军

(湖北华电襄阳发电有限公司，湖北襄阳 441021)

0 引言

随着《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》(国办发〔2014〕31号)的实施，燃煤电厂在实现烟气超低排放的同时需达到节能降耗的目标。常规脱硫系统入口烟气温度在90～120 ℃，出口烟气温度在50 ℃左右，为降低脱硫系统烟气温度需要消耗大量工艺水，造成水和热量的浪费，如在脱硫系统入口处设置余热利用装置回收热量，则可实现节能、节水、降耗的多重目的。

由于脱硫系统入口烟气中含有腐蚀性气体，降温易造成换热器本体腐蚀，此时需采用耐腐蚀材料的换热管。氟塑料是部分或全部链烷烃聚合物，其本身具有极强的耐腐蚀性、良好的表面不沾性、较宽的温度范围和耐老化等优点，具有“塑料王”美称，采用氟塑料材质换热器可以有效地解决腐蚀问题[1-4]。

氟塑料材质换热器在国内起步较晚，但随着国家对节能、降耗、节水、环保等要求的日益提高，氟塑料材质换热器能很好地实现节能、节水、降耗的目标。为系统掌握氟塑料材质换热器的技术特点和经济性，本文对氟塑料材质换热器的投资和节能效果进行研究，对影响其经济性的因素进行系统分析，为下一步氟塑料材质换热器的应用提供数据支撑。

表1 氟塑料材质换热系统设计参数Tab.1 Design parameters of fluorine plastic heat exchange system

1 技术特点

1.1 材质特性

氟塑料属化学惰性材料，对换热器管壁温度和烟气酸露点无特殊要求，能够避免换热器低温腐蚀现象；换热管表面及内壁光滑，管外不易黏结、堆积粉尘，管内不易结垢，从而减少设备的维护和清洗次数；同时，可设置在线水冲洗系统对其进行清灰，能在200 ℃以下的各种腐蚀性气体中稳定运行。

但氟塑料换热管本身的耐压性能较差，不足以承受凝结水的压力，因此进行热量回收时需考虑设置中间二次换热器；同时，其本身的导热系数低，传热性能较差，需采用薄管壁来克服导热系数低的缺点；另外，其本身耐磨特性较差，不宜布置在高粉尘的烟气中[5-8]。

1.2 热量回收方式

根据氟塑料材质的特性，氟塑料换热器主要布置在除尘器与脱硫塔之间，用以回收烟气中的热量，降低进入脱硫塔的烟气温度，使烟气温度由120～130 ℃降低至70～80 ℃，从而实现烟气余热的回收利用，减少了脱硫系统耗水量，并有效地防止低温酸腐蚀等问题。回收热量的主要利用形式为：(1)加热脱硫塔后的净烟气，减少“石膏雨”现象和“白烟”视觉污染；(2)加热凝结水系统，从而实现热量的回收利用；(3)加热热风系统，可有效地降低空气预热器的腐蚀[9-11]。

2 研究方法

为研究氟塑料材质换热系统的投资和运行成本，本文以300 MW和600 MW机组为例进行系统分析，其中系统投资包括设备工艺系统、电气、热控和土建系统的投资；运行成本包括固定资产折旧、电耗、水耗、阻力引起的电耗、设备维护费用等。氟塑料材质换热系统设计参数见表1。

3 投资分析

3.1 降温幅度对投资的影响

不同出口烟温对投资的影响如图1所示，氟塑料材质换热器按照入口烟气温度为145 ℃设计，出口烟气温度由120 ℃降到70 ℃时，300 MW机组投资由1 120万元升高到2 750万元，600 MW机组投资由1 720万元升高到4 170万元。氟塑料材质换热器出口烟气温度每降低10 ℃(即换热器温降每增加10 ℃)，300 MW机组投资增加180万～620万元，600 MW机组投资增加320万～860万元，出口烟气温度越低氟塑料材质换热器投资的增幅越大。

图1 不同出口烟温对投资的影响Fig.1 Impact of flue gas temperature at outlet on investment

3.2 布置方式对投资的影响

分级布置方式：低温省煤器+氟塑料换热系统为两级换热器分开布置，低温省煤器采用金属材质(烟气温度由145 ℃降到110 ℃)布置在除尘器入口处，氟塑料换热系统采用氟塑料材质(由110 ℃进一步降温)布置在脱硫系统入口处。整体布置方式：整体为氟塑料换热系统，全部采用氟塑料材质布置在脱硫系统入口处(烟气温度由145 ℃进行降温)。

不同布置方式对投资的影响如图2所示。由图2可以看出，当温度由145 ℃降低到80 ℃时，300 MW和600 MW机组两种布置方式的投资基本相当；当温度由145 ℃降低到70 ℃时，300 MW和600 MW机组整体布置方式的投资高于分级布置方式；而当温度由145 ℃降低到90～100 ℃时，300 MW和600 MW机组分体布置方式的投资高于整体布置方式。由此可以看出，当降温幅度较大时采用分级布置方式的投资具有一定优势，且采用分级布置方式时一级换热系统可以用于高品质热量的回收，二级换热系统可用于加热热风系统。

4 运行成本分析

4.1 节煤效果分析

为研究氟塑料换热系统的节煤效果，本文按照300 MW和600 MW机组烟气温度均由145 ℃降低到70～120 ℃进行设计，从而计算出不同降温幅度的节煤效果。

图2 不同布置方式对投资的影响Fig.2 Impact of different arrangements on investment

降温幅度对节煤效果的影响如图3所示。由图3可以看出：换热器出口烟气温度由70 ℃提高到120 ℃时，300 MW机组降低的煤耗在1.2～2.8 g/(kW·h)，600 MW机组降低的煤耗在1.1～2.4 g/(kW·h)；随着出口烟气温度的降低，其煤耗降低的幅度减缓，由于出口烟气温度较低时回收热量的热品质较低，该部分热量直接回收的利用率较低。

图3 降温幅度对节煤效果的影响Fig.3 Impact of flue gas cooling range on coal saving

4.2 煤价对运行成本的影响

为研究煤价对运行成本的影响，本文按照300 MW和600 MW机组烟气温度均由130 ℃降低到80 ℃，机组年利用小时数为5 000进行设计。煤价对年运行成本的影响如图4所示。由图4可以看出，标准煤价格由400元/t提高到650元/t时，300 MW机组年运行成本由增加68万元到降低16万元，600 MW机组年运行成本由增加39万元到降低130万元。

同时，当标准煤价格高于650元/t时，300 MW机组的年运行成本会降低；标准煤价格高于500元/t时600 MW机组的年运行成本会降低。由此可以看出，煤价对氟塑料换热系统的经济性影响较大，为实现节能降耗的目标，采用氟塑料换热系统需考虑煤价的因素。

图4 煤价对年运行成本的影响Fig.4 Impact of coal price on operating cost

4.3 年利用小时数对运行成本的影响

为研究年利用小时数对运行成本的影响，本文按照300 MW和600 MW机组烟气温度均由130 ℃降低到80 ℃，标准煤价格为550元/t进行设计。

年利用小时数对年运行成本的影响如图5所示。由图5可以看出，年利用小时数由3 500提高到6 000时，300 MW机组年运行成本由增加73万元到降低20万元，600 MW机组年运行成本由增加49万元到降低137万元。

图5 年利用小时对年运行成本的影响Fig.5 Impact of unit utilization hours on operating cost

同时，当标准煤价格一定时，年利用小时数超过5 500时300 MW机组的年运行成本会降低，年利用小时数超过4 500时600 MW机组的年运行成本才会降低。由此可以看出，年利用小时数对氟塑料换热系统的经济性影响较大，为实现节能降耗的目标采用氟塑料换热系统也需考虑年利用小时数的因素。

4.4 降温幅度对运行成本的影响

为研究降温幅度对运行成本的影响，本文按照300 MW和600 MW机组烟气温度均由145 ℃降低到70～120 ℃，标准煤价格为500元/t，年利用小时数为5 000进行设计。降温幅度对年运行成本的影响如图6所示。由图6可以看出，换热器出口烟气温度由70 ℃提高到120 ℃时，300 MW机组年运行成本由增加40万元到降低5万元，600 MW机组年运行成本由增加10万元到降低90万元。

图6 降温幅度对年运行成本的影响Fig.6 Impact of flue gas cooling range on operating cost

当标准煤价格和年利用小时数均确定时，可以看出300 MW和600 MW机组氟塑料换热系统运行成本受降温幅度的影响较大，且发现由145 ℃降到80 ℃时，300 MW和600 MW机组氟塑料换热系统年运行成本降幅最大。因此，为实现节能降耗的目标，在标准煤价格和利用小时数确定的条件下，氟塑料换热系统存在最佳的降温幅度区间，在实际设计时需着重考虑。