某600 MW机组烟气余热利用经济性分析

2019-12-18张卿

热力透平 2019年4期

张卿

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院，合肥 230011)

当前火力发电厂锅炉的各种热损失中，锅炉排烟热损失占比达到一半或以上，燃煤机组空预器出口排烟温度在130 ℃左右，有些电厂甚至达到160 ℃，排烟热损失较大。为了减少排烟热损失，合理利用烟气余热，火电行业对烟气余热利用开展了广泛研究[1-4]。

考虑烟气余热利用系统的初期投资和正常运行时的机组经济效益，目前余热利用主要有以下几种方式：

1)低温省煤器系统。此类烟气余热利用系统为目前采用最多的系统，此类系统多采用1级或2级受热面，受热面安装在电除尘器入口、脱硫吸收塔入口等位置。回收的热量用于加热低压凝结水。

2)低温省煤器加暖风器系统。此类低温省煤器系统烟气换热器布置在电除尘器入口，暖风器布置在脱硫吸收塔入口。低温省煤器主要用来加热低压凝结水，暖风器主要采用闭式循环水作为换热介质来加热空气预热器进口一次风、二次风，该方案在国内也有不少应用。现在还有一些机组采用低参数抽汽来加热空气预热器进风。

3)带空气预热器旁路的余热多能级利用系统[5-6]。该系统在空气预热器旁路中串联布置加热高压给水的高温省煤器(I级)系统和加热低压凝结水的低温省煤器(Ⅱ级)系统；在空气预热器出口烟道设置暖风器系统或低温省煤器系统，这样可以实现烟气热量的梯级利用。

另外，还有出于环保考虑而要求脱除白色烟羽，因而投用的低低温烟气处理系统(Mitsubishi recirculated nonleak type Gas-Gas Heater, MGGH)与低温省煤器相结合的烟气余热利用系统等方案，此处不作赘述。

上述各种系统在新建项目中均有应用，但对于现役机组改造，由于空间等条件限制，应用相对较多的是低温省煤器方案。

目前针对低温省煤器的研究，主要集中在提出不同结构的烟气余热利用系统方面。本文主要采用等效热降理论建立计算模型，对烟气余热利用系统的热经济性进行研究。结合烟气余热系统的经济性计算以及能量梯级利用的思想，本文介绍了一种新的烟气余热利用系统，能够更高效地利用烟气余热，实现节能减排的目标。

1 某600 MW机组余热利用系统介绍

某超临界600 MW机组锅炉是由哈尔滨锅炉厂采用引进技术生产的HG-1900/25.4-YM4型、一次再热、π型、变压运行直流锅炉。汽轮机采用哈尔滨汽轮机厂制造的CLN600-24.2/566/566型凝汽式汽轮机。

烟气余热利用系统见图1，采用传统的低温省煤器系统。低温省煤器布置在空气预热器后、电除尘器前的水平烟道上。1台炉布置4台烟气冷却器，额定工况下将烟气温度由133.3 ℃降至95 ℃。

注：HTR为高压加热器

图1 低温省煤器汽机侧布置图

烟气冷却器工质取自7号低压加热器出口，性能保证工况(THA工况)下取水温度为75 ℃，水回流至6号低压加热器入口，回水温度为101 ℃。为防止直接进入烟气冷却器的凝结水水温偏低，致使管束壁温过低，产生低温结露现象，本装置需在凝结水进出口管路间设置热水的再循环系统，以保证烟气冷却器的进口温度能达到或超过设计温度，保证设备安全运行。另外，在机组部分负荷工况运行时，将部分烟气冷却器出口的凝结水与入口处较低温度的凝结水按照一定比例混合，以达到提高烟气冷却器入口水温的目的，这样可以避免入口水温较低而引起的机组安全性问题。

2 热力计算模型

火力发电厂烟气余热利用的运行经济性分析方法，主要为适合于局部经济性诊断的等效热降法[7]。等效热降法是基于热力学中的热量转变为做功量的基本原理，研究热力系统经济性的一种方法。

等效热降法分析的前提条件是已知机组的主蒸汽流量、供锅炉燃烧的燃料量、热力循环系统的起始和最终热力参数，以及回热系统的参数。当热力系统中出现任何关乎热力经济性的变动时，机组出力和回热系统中的抽汽份额均会随之产生变动。根据以上理论分析，可进行局部系统的经济性诊断分析，得到回热系统各级的等效热降和抽汽效率。

等效热降Hj是单位质量流量抽汽从j号加热器抽汽口处返回汽轮机的真实做功能力，标志着汽轮机各级抽汽口的蒸汽能级的高低。等效热降表达式[7]为：

(1)

式中：hj为第j号加热器抽汽焓，kJ/kg；hn为排汽焓，kJ/kg；r为第j号加热器后更低压力抽汽口脚码；Ar根据加热器类型，取γr或者τr，如果第j号加热器为汇集式加热器，则用τr代替Ar,如果第j号加热器为疏水自流式加热器，则对于从第j号加热器以下直到(包括)汇集式加热器的部分，用γr代替Ar，γr为疏水在第r号加热器中放热量，kJ/kg；τr为凝结水或给水在第r号加热器中的焓升，kJ/kg；Hr为第r级抽汽的等效焓降，kJ/kg；qr为抽汽在第r号加热器中的放热量，kJ/kg。

锅炉烟气通过烟气深度冷却系统(及低温省煤器装置)将余热热量输入到汽轮机的回热系统加热器(如j号加热器)。针对该情况，引入抽汽效率ηj的概念，其表达式为ηj=Hj/qj，物理意义为获得的功与加入的热量之比。

在如图1所示的系统中，分析余热利用经济性时，将来自炉侧热量作为纯热量进行处理[8]。假设有热量Qd通过低温省煤器进入回热系统，相对1 kg新蒸汽来说，回热系统获得的热量为：

(2)

式中：D为新蒸汽量，kg/s；DH为凝结水经过低温省煤器的流量，kg/s；αH为凝结水经过低温省煤器的流量占新蒸汽量的比例；td1、td2为工质进、出低温省煤器的焓值，kJ/kg。

按照等效热降的基本法则，纯热量qd进入回热系统时，新蒸汽的等效热降增加量计算式如下：

ΔH=qd×ηj

(3)

投入低温省煤器后装置效率的提高值计算式如下：

(4)

式中：δηi为装置效率。

热耗率降低量计算式如下：

Δq=qδηi

(5)

式中：q为汽轮机热耗率，kJ/(kW·h)。

标准煤耗降低量计算式如下：

Δb=bbδηi

(6)

式中：bb为机组标准煤耗率，g/(kW·h)。

3 计算结果分析

采用性能测试数据，对某600 MW机组在出力600 MW、450 MW以及300 MW工况下余热利用实际运行效果进行计算，计算结果见表1。

表1 热经济性计算主要结果

机组在机组功率分别为600 MW、450 MW以及300 MW三种典型工况下热耗降低值和节煤量计算结果见图2。

图2 余热利用节能效益表

4 烟气余热梯级利用方案

上述低温省煤器系统技术比较成熟，投产后运行稳定，但在煤种不断变化的条件下，节能效果还有提高的空间。为此，改造时可采用相对复杂、节能量较大的方案，即梯级利用方案，见图3。此方案采用2级低温省煤器与暖风器串联布置的方式。

低温省煤器布置在空气预热器出口与除尘器入口之间的水平烟道处，分2级布置，将5号低加入口设置为回水点。热媒水在Ⅱ级低温省煤器处吸热后，将进入空气预热器前的冷二次风加热到55 ℃左右。这样可以提高空气预热器的冷端温度，有效缓解空气预热器的堵塞。随后，热媒水返回I级低温省煤器，吸热后回到5号低加入口。低温省煤器使烟温降低至95 ℃后，使其进入电除尘器。通过烟气余热梯级利用，有效提高了余热利用效率，增加了节能量。