1000MW机组锅炉空气预热器旁路余热利用系统节能效果分析

王春昌，马剑民，张宇博，杨 辉

（西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

近年来，烟气余热利用技术在国内应用广泛，其主要典型系统有烟气冷却器系统、水媒式烟气-烟气冷却器（MGGH）系统、冷风加热器+烟气冷却器系统、冷风加热器+空气预热器（空预器）旁路系统4 种。目前，国内发表的余热利用文章较多[1-6]，其中，涉及空预器旁路系统的文章也不少[7-12]，这些文章普遍认为，空预器旁路系统节能效果明显，有的文章[9]甚至认为，该系统的能量品位利用最高，节能效果在上述4 种典型系统中最佳。我国目前投运的1 000 MW 二次再热机组锅炉的余热利用系统均采用了空预器旁路系统，且在新建的1 000 MW 机组中，空预器旁路系统已成为锅炉余热利用的标配设计。

就余热利用而言，空预器旁路系统利用的能量品位确实最高，但其节能效果在上述4 种典型系统中并非最佳。其原因是这些文章忽略了空预器旁路系统对锅炉热效率的影响，在计算节能效果时并未计入该系统在锅炉侧的热损失。有的文章[8]虽然提到旁路系统对二次风温度的影响，但并未计算其对锅炉热效率的影响；有的文章[7]在送风温度不变的条件下，计算出空预器旁路系统的节能效果约为常规低压省煤器的2 倍，但其假定的前提条件与实际情况完全不符，因此所得结论也值得商榷。

本文将重点分析计算空预器旁路系统对锅炉热效率的影响，并与冷风加热器+烟气冷却器系统的节能效果进行分析对比，为电站锅炉烟气余热系统的正确选择提供依据。

1 2 种烟气余热系统结构对比

某电厂1 000 MW 二次再热机组配置一种典型的空预器旁路系统。为了便于对比，本文同时给出冷风加热器+烟气冷却器系统，这2 种烟气余热系统示意分别如图1和图2所示。

众所周知，当通过空预器的烟风比不变时，提高空预器的入口冷风温度，其出口热风温度（即入炉热风）将有所提高；当空预器的烟风比降低时，空预器出口的热风温度将降低。对比图1和图2可以看出，这2 种系统均使空预器入口冷风温度提高，冷风加热器+烟气冷却器系统因不影响空预器的烟风比，使锅炉的入炉热风温度及锅炉热效率提高；空预器旁路系统则不同，由于烟气量及烟风比的大幅降低，最终使锅炉的入炉热风温度及锅炉热效率降低。因此，空预器旁路系统并非纯粹的烟气余热利用系统，因为该系统将可用于锅炉的能量品位较高部分热量用于余热系统，降低了锅炉热效率，且违反了能量梯级利用原则。诚然，如文献[7,9]所述，空预器旁路系统提高了烟气余热的节能效果，且节能效果约为常规低压省煤器的2 倍。由此可见，单独从锅炉侧或余热侧来评价空预器旁路系统的节能效果均不公正，惟有全面计算各个方面的得与失，才能够准确评价2 种余热系统的综合节能效果。

图1 空预器旁路系统示意Fig.1 Schematic diagram of the cold air heater+air preheater flue gas bypass system

图2 冷风加热器+烟气冷却器系统示意Fig.2 Schematic diagram of the cold air heater+flue gas cooler system

2 2 种烟气余热系统对锅炉热效率影响

2.1 烟气侧计算

常规的锅炉热效率计算通常将空预器出口作为锅炉的出口界面，其依据是从空预器排出的烟气所携带的热量不能被锅炉所利用。据此冷风加热器+烟气冷却器系统的锅炉出口界面是空预器出口，其出口烟气温度即为锅炉的排烟温度。空预器旁路系统的出口界面则有2 处，一是空预器的烟气出口，二是旁路余热系统的烟气入口，其烟气温度等于空预器入口的烟气温度，其锅炉实际排烟温度则是这2 个出口烟气温度的加权平均值（简称实际排烟温度）。同时，取2 个系统中空预器前的暖风器入口为锅炉的入口界面。在上述边界条件下，这两种系统的入口边界条件相同。因此，这两种系统对锅炉热效率的影响就是其对锅炉排烟温度的影响。

按照上述分析，计算得到冷风加热器+烟气冷却器系统对锅炉排烟温度的影响，结果见表1，空预器旁路系统对锅炉实际排烟温度的影响结果见表2。表2中烟气旁路量为0 对应图2的冷风加热器+烟气冷却器系统，以及空预器进风温度为80 ℃的工况。

表1 冷风加热器+烟气冷却器系统对锅炉排烟温度的影响Tab.1 The effect of cold air heater+flue gas cooler system on exhaust temperature ℃

表2 空预器旁路系统对锅炉实际排烟温度的影响Tab.2 The effect of cold air heater+air preheater flue gas bypass system on exhaust temperature

对比表1和表2可见，冷风加热器+烟气冷却器系统的排烟温度明显低于空预器旁路系统的实际排烟温度，空预器旁路系统对锅炉热效率的影响不可忽视。

2.2 空气侧计算

取空预器热风出口作为锅炉的入口界面，空预器烟气入口为锅炉的出口界面。在此边界条件下，上述2 种余热系统对应的锅炉排烟温度始终相同；上述2 种烟气余热系统对空预器出口热风温度的影响即成为可定量反映出其对锅炉热效率影响的唯一参数。热风温度的计算按一次风与二次风的各自风率风温进行加权计算，2 种余热系统对锅炉入炉热风温度的影响结果分别见表3和表4。锅炉基准工况下入炉热风温度为325 ℃，因此表中仍然以此作基准温度计算热风温度的变化值。

表3 冷风加热器+烟气冷却器系统对空预器出口热风温度的影响Tab.3 The effect of cold air heater+flue gas cooler system on hot air temperature at outlet of the air preheater ℃

表4 空预器旁路系统对空预器出口热风温度的影响Tab.4 The effect of cold air heater+air preheater flue gas bypass system on hot air temperature at outlet of the air preheater

对比表3和表4可见：空预器旁路系统对空预器出口热风温度的影响随着旁路烟气量的增加而增大，旁路烟气量达到约28.8%时，入炉热风温度降低22.8 ℃；而冷风加热器+烟气冷却器系统入炉热风温度却提高了6 ℃。两者对锅炉热效率的影响一目了然。

某电厂1 000 MW 二次再热机组锅炉在投运旁路烟气系统中的三级烟气冷却器时，在锅炉运行条件不变时，进入空预器的一次风入口风温由42.8 ℃提高到55.6 ℃；进入空预器的二次风入口风温由32.2 ℃提高到60.3 ℃。为了维持空预器出口烟气温度不变，旁路烟气量随之增加到约15%（对比工况仍然有一定的旁路烟气量）。在该工况下，空预器出口热一次风温度由337.0 ℃降低到325.7 ℃，降低了11.3 ℃；空预器出口热二次风温度由326.5 ℃降低到313.0 ℃，降低了13.5 ℃。上述运行数据明显反映出旁路烟气量变化对空预器出口热风温度的影响，同时也印证了表4中的计算结果。

3 2种烟气余热系统余热侧的节能效果分析

上述2种余热系统的二级（或三级）烟气冷却器只是通过暖风器来加热进入空预器的冷空气，因而，其暖风器可作为上述2 种余热系统的入口界面。2 种余热系统设计工况下的暖风器出口风温度均为80 ℃，也即其入口边界条件相同。因此，其节能效果差异仅需计算空预器旁路余热系统中高压和低压烟气冷却器的节能效果与冷风加热器+烟气冷却器系统中的一级烟气冷却器的节能效果即可。

为了使上述边界条件与实际情况吻合，可以对空预器旁路余热系统做一些改进，改进后的空预器旁路余热系统示意如图3所示。

图3 改进空预器旁路系统示意Fig.3 Schematic diagram of the improved cold air heater+air preheater flue gas bypass system

改进后的空预器旁路系统增设了四级烟气冷却器，其主要用途是吸收空预器出口烟气的部分热量，使其暖风器出口风温始终维持在80 ℃，以便与冷风加热器+烟气冷却器系统在同一边界条件下进行比较。此外，假定改进前后的空预器旁路系统的高压与低压烟气冷却器的功率相同，各占总功率的50%，其发电转化率取其加权平均值。同时，假定1 000 MW 机组的发电煤耗为286 g/(kW·h)。在上述条件下，参考某电厂1 000 MW 机组的汽轮机热平衡图及锅炉额定负荷下的烟气量等，利用等效焓降法计算可得上述3 种余热系统（包括改进型）在机组额定负荷下的余热功率的发电转化率以及煤耗变化等，结果见表5。

表5 3 种余热系统的余热功率及余热侧节能效果Tab.5 The waste heat power and energy saving effect at waste heat side of the above three waste heat systems

由表5可见，改进前后的空预器旁路余热系统在余热侧的节能效果均随着旁路烟气量的增加而增加，在设计工况下，即当旁路烟气量达到28.8%、空预器出口烟气温度达到120.0 ℃时，其余热侧的节能效果约为冷风加热器+烟气冷却器系统节能效果的2 倍，与文献[7]的计算结果基本相同。

4 2种余热系统综合节能效果计算及分析

4.1 2种余热系统的综合节能效果

第3 节的计算结果并不能说明空预器旁路系统的节能效果优于冷风加热器+烟气冷却器系统。因为前者使锅炉热效率大幅度降低，而后者使锅炉热效率略有升高。对机组而言，其综合节能效果才是评价余热系统节能效果的唯一指标。

本文将上文计算的空预器旁路系统对机组煤耗的影响仍然按“1 000 MW 机组的发电煤耗为286 g/(kW·h)”的假定折算煤耗，并计算出上述3种余热系统的综合节能效果，结果见表6。表6中，旁路烟气比率为28.8%的工况为改进前后空预器旁路余热系统的设计工况；旁路烟气比率为0 时的工况为冷风加热器+烟气冷却器系统的设计工况。其暖风器的出口风温均为80 ℃，边界条件完全相同。

表6 2 种余热系统综合节能效果Tab.6 The comprehensive energy conservation effects of two waste heat systems

由表6可见：在旁路烟气量达到设计工况28.8%时，改进前后的空预器旁路系统对锅炉热效率的影响使机组煤耗增加近3 g/(kW·h)，其影响超过了空预器旁路系统余热煤耗降低的相对增加值，因而其综合节能效果比冷风加热器+烟气冷却器系统的低0.797 g/(kW·h)。这里需要说明的是，空预器旁路系统的节能效果是在假定其暖风器出口风温为80 ℃计算的，而暖风器的实际出口风温在旁路烟气量小于28.8%时，其空预器出口烟气温度高于120.0 ℃，该系统中三级烟气冷却器的吸热将略有增加，因而暖风器的放热有所增加，暖风器的出口风温也会增加，亦即其出口风温将超过80 ℃。因此，在实际中，当旁路烟气量小于设计值时，空预器旁路系统的节能效果将略大于表6的计算结果。

此外，在计算中之所以引入改进的空预器旁路系统，只是为了说明即使将原来的空预器旁路余热系统设计得更完善，在旁路烟气量大于5.5%时，改进的旁路余热系统的综合节能效果反而随着旁路烟气量的增加而降低。由此可见，增加空预器旁路烟气量来提高空预器旁路系统节能效果的做法欠妥，其余热侧所获得效益无法抵消锅炉侧的热损失。对改进前的空预器旁路余热系统而言，当其旁路烟气量小于设计值时，其节能效果反而更低。这是因为该系统中的三级烟气冷却器是针对排烟温度120 ℃设计，当其旁路烟气量小于设计值时，空预器出口烟气温度将高于120 ℃，此时，旁路中的烟气余热利用功率降低，而三级烟气冷却器的余热利用功率增加却有限。

上述计算中未考虑各级烟气冷却器阻力，该做法不影响对比结果的计算（2 种系统烟气侧的阻力相差不大），但计算的节能效果将大于其实际节能效果。

4.2 计算结果分析

从上述计算结果可见，空预器旁路系统在4 种典型余热系统中的综合节能效果并非最优，在设计工况下，其综合节能效果比冷风加热器+烟气冷却器系统的低0.797 g/(kW·h)。从工艺方面看，空预器旁路系统的工艺更为复杂，投资也大于冷风加热器+烟气冷却器系统；即便将空预器旁路系统改为更为复杂的改进型余热系统，其设计工况下的节能效果仍低于冷风加热器+烟气冷却器系统。由此可见，将空预器旁路系统用于1 000 MW 机组锅炉虽然有一定的节能效果，但其并非最优选择。

此外，烟气余热系统实际中普遍存在着受热面磨损及堵灰现象，目前，该问题已成为燃煤电站锅炉余热利用系统难以解决的技术难题。更为严重的是，因烟气余热系统设备故障造成的机组非停事故也时有发生，影响到了火电机组的安全运行。因此，不宜采用任何使烟气余热系统复杂化的技术。

5 结 论

1）空预器旁路余热系统的综合节能效果在设计工况下，可节约煤耗为2.998 g/(kW·h)，但与冷风加热器+烟气冷却器系统相比，其综合节能效果降低了0.797 g/(kW·h)。该系统并非节能效果最优的烟气余热系统，不应在新建机组中或改造项目中推广应用。

2）在空预器旁路余热系统中增设四级烟气冷却器后，其综合节能效果在旁路烟气量约为5.5%时最优，但与冷风加热器+烟气冷却器系统相比，综合节能效果仅降低了0.24 g/(kW·h)。且其系统过于复杂，投资更大，仅可作为空预器旁路系统的补救方案，不应在新建机组或改造项目中推广应用。

3）将锅炉可利用的能量品位最高的热量用于烟气余热系统，违反了能量梯级利用原则，其在余热侧利用节能效果的相对提高值无法抵消其对锅炉热效率影响所产生的机组煤耗的升高值，其实际的综合节能效果反而随旁路烟气量的增加而降低。因此，试图通过增加空预器旁路烟气量来提高余热侧节能效果的技术路线不可取。