火电机组节能改造技术研究

姚大春 张宏伟

摘 要：目前火力发电在我国电力行业中仍然占据着重要的位置，是电能生产的重要组成部分。随着国家大力提倡、号召节能减排，逐步实现节能环保的能源战略目标，这就对火电厂的生产作业提出了更严格的要求，火电机组的运行也需要按照高标准执行。正是基于上述原因，火电机组的节能改造工作刻不容缓。本文以国电某发电厂600MW火电机组的设计方案和运行数据为依据，研究了低压省煤器、暖风器，以及暖风器与低压省煤器配合运行等余热利用方案，将电驱动方式的给水泵替换为蒸汽方式驱动的给水泵。基于等效热降法和其他常规的热力学计算方法，分析了多种方案下的火电机组的煤炭消耗情况，并对比研究了多种方案的经济效果和节能效果，以及其适用范围和优缺点属性。

关键词：节能改造;等效热降;余热利用

中图分类号：TM621        文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）09-0155-05

Research On Thermal Power Unit Energy-Saving Retrofit Technology

Yao DaChun， Zhang Hongwei

（Tongliao Huolinhe Pithead Power Generration Co.，Ltd.， Tongliao 029200， China）

Abstract：At present， thermal power generation still occupies an important position in Chinas electric power industry and is an important part of electric energy production. As the country vigorously advocates and calls for energy conservation and emission reduction， and gradually realizes the energy strategy goal of energy conservation and environmental protection， which has put forward stricter requirements on the production and operation of thermal power plants， and the operation of thermal power units also needs to be carried out in accordance with high standards. Precisely for the above reasons， the energy-saving renovation of thermal power units cant be delayed. In this paper， based on the design scheme and operation data of a 600MW thermal power unit of a Guodian power plant， the waste heat utilization scheme such as low-pressure economizer， fan warmer， and the operation of fan warmer in cooperation with low-pressure economizer is investigated to replace the feedwater pump driven by electricity with the feedwater pump driven by steam. Based on the equivalent heat drop method and other conventional thermodynamic calculations， the coal consumption of thermal power units under various scenarios is analyzed， and comparative study of the economic and energy efficiency of various solutions， as well as their applicability and advantages and disadvantages attributes.

Key words：energy efficiency retrofits; equivalent heat loss; waste heat utilization

煤炭在我國能源结构中占据主体地位，但是对于煤炭的利用率与发达国家相比，还存在很大差距。我国在煤炭能源的应用方面存在着巨大的节能潜力，节能减排是我国的一项重要战略方针。特别是高能耗的火力发电行业，其节能改造工程刻不容缓。在火力发电行业必须要深入研究节能技术，提高火力发电效率，使得有限的煤炭资源得到高效的利用，获得更高的经济效益。

1 等效热降法

基于等效热降法的精度较高的特点，其在热力学分析中的应用非常普遍。等效热降法是一种热平衡方法，能进行整体的热力学计算，也能够进行局部的定量分析。本文从热系统节能理论的角度出发，对火电厂的工作原理、设备的节能技术等，采用等效热降法搭建数学模型进行定量分析。

等效热降法使用的基本原则是区分内部热量利用和外部热量利用。这两种能量利用对于设备的运行经济性会产生原则性影响。

内部热量利用情况下，循环功的增量为△H，这时的设备热效率为：

其中：H为单位质量新蒸汽所做的功，即等效热降值;Q为循环吸热量;△H为回收热量所做的功。

由此可见，内部热量的回收利用都能够提高设备的热效率;外部热量的利用，刨除回收热量所做的功△H之外，循环吸热量也会增加，即循环吸热量由变为Q+△Q，这时的设备效率为：

由此可见，外部热量的利用能够降低设备的热效率。

2 低压省煤器技术

火电机组锅炉的排烟温度为120～140℃，当使用高硫燃料时，其排烟温度也对应上升至150℃，为锅炉配置暖风器后，排烟温度上升至160℃。排烟过程中损耗掉的热能为电厂热损耗的主要组成部分，所以说降低发电厂热损耗的重要手段是对排烟余热进行有效利用。低压省煤器是一种对锅炉排烟余热进行有效利用的装置。在对低压省煤器进行分析的时候，将被循环利用的排烟余热当做余热利用来处理。低压省煤器主要分为串联低压省煤器和并联低压省煤器两种，分别如图1、图2所示。

2.1 低压省煤器数学模型

低压省煤器的参数由锅炉系统和汽轮机加热系统两大部分的热力参数构成，依据等效热降法原理，搭建适用于火电机组低压省煤器的常规数学模型。

（1）烟气流通速率约束条件。最大值由管路磨损情况决定，最小值由管路堵塞情况决定，即：

（2）管壁温度下限约束条件。管壁温度下限需要高于烟气酸露点，才能保证腐蚀程度尽量降低：

酸露点的求取：

其中，，。

式中，t1d为存在于烟气中的水蒸气的露点（单位为℃）;SII为经过折算后然后中含硫百分比;AII为经过折算后然后中含灰百分比;Sar和Aar为燃料中硫分和灰分的基含量百分比;Qar.net为燃料的低位基发热量;ahf为飞灰量占总灰量的百分比。

（3）入口水温约束条件。由约束条件（2）可知，管壁温度下限值需要高于酸露点，又由于烟气侧的散热系数要低于水侧，所以管壁温度近似等于水温，所以入口水温t0要低于出口的烟气温度t'y：

火电机组锅炉的排烟温度普遍是在120～150℃，该机组的排烟温度为145.6℃。如果进水口的温度高于89.5℃，则会降低换热器的换热效率，导致换热面积的增加。

（4）返回点约束条件。返回点的最远位置只能是除氧器：

其中PX為除氧器的序号。

（5）出水口温度约束条件。为了抑制水冲击的出现，出水口温度t1必须低于对应压力下的饱和水温，还必须有一定的富余;同时出水口温度t1必须低于进口的烟气温度ty，并且加热凝结水的水温必须高于返回点位置的凝结水温tc：

（6）分水流量约束条件。定义βd为分水流量与凝结水流量的比值，为了保证原有加热器的工作稳定性，要求该值必须小于0.5;βd的取值越低越利于低压加热器的工作，βd的下限值低于0.07时，对于水路的改造就无必要了：

（7）介质焓升约束条件。为抑制下一级处理过程中的抽汽值为负，返回点位置的凝结水焓值不能高于下一级出水口的焓值，即：

（8）低压省煤器烟侧流阻约束条件。依据引风机压头余量，烟侧流阻要小于Pymax：

2.2 低压省煤器技术改造方案

对比研究低压省煤器布置在空预器后除尘器前，引风机后脱硫塔前2种方式。方案1：会更好降低烟温到100～120℃的最优工作温度，热源温度较高，凝结水经余热加热后以更高的温度返回热力系统，对煤炭能够更好地实现节约;方案2：更利于延长换热器的使用寿命，减小换热面积，煤炭的节约量虽然低于方案1，烟气中的碱性物质已经被除尘器吸收，烟气呈现弱酸性，其布设位置不会对设备造成腐蚀，只需要对低压省煤器的低温材料部分和低压省煤器与吸收塔之间的管路抗腐蚀进行考虑。最终确定采用方案2，其原理如图3所示。

3 暖风器与低压省煤器配合运行技术

基于等效热降法，单纯从低压省煤器的角度来分析系统的热经济效益，无法完全反映实际的节能效果，需要结合暖风器的工作情况，综合分析暖风器宇低压省煤器配合运行时的节能效果。

3.1 暖风器分析

3.1.1 暖风器基本热力学分析

烟气中的SO2和SO3与水蒸气之间发生反应，当烟气温度达不到烟气露点的情况下，在低温受热面上会出现低温腐蚀现象，进而造成烟灰的积累，影响锅炉的安全、稳定运行。通常会采用暖风器取汽机抽汽对空气进行加热处理，提高受热面的温度，抑制腐蚀效应，但是会使得抽汽无法充分做功。这种方式不仅对系统的热循环有好处，还使得空预器的进风温度得到了提高，从而改变了锅炉的效率。配置暖风器之后，整个系统的热经济性也发生了变化，即：

其中，δηg为锅炉工作效率的相对变化率，qf为暖风器单位吸热量，δηco为系统热经济性相对变化率，ηf为暖风器汽源的抽汽工作效率，ηg为无暖风器情况下锅炉的工作效率，ηgd为管路热传导效率，ηi为系统的热循环效率。

暖风器基本热力学分析是基于暖风器自身的疏水抽汽加热器前提进行的，该火力发电机组采用第4级抽汽对空气进行预加热，疏水经由暖风器传输到除氧器和定排扩容器，本文的研究不考虑疏水方式对系统的影响。

3.1.2 暖风器特性方程

暖风器特性方程可以表示为：

抽汽效率临界特性方程：

锅炉经济指标特性方程：

暖风器热量效益特性方程：

基于定风温的前提条件进行分析，即保证空预器不出现低温硫腐蚀情况下最低入口风温保持恒定，对供气源的臭气效率差异引起的热经济效益差异进行分析，发现仅仅是抽汽效率影响了热经济效益。

3.2 暖风器与低压省煤器配合运行分析

采用暖风器虽然能够解决低温硫腐蚀和灰尘堵塞，但是也造成了热经济效益的降低，在参数设置不合适的情况下，会对系统的热经济效益造成严重影响。在低压省煤器投入运行的时候，暖风器会造成低压省煤器节能效果的减弱，所以说不能单独分析二者各自独立运行时的情况，必须对暖风器与低压省煤器的配合运行进行分析。

暖风器和低压省煤器配合运行时，系统的的经济效益为：

对暖风器与低压省煤器的配合运行进行分析能够更精确的反映出低压省煤器的节能效果;在运用低压省煤器时，在能够保证对空气进行预加热且不发生低温腐蚀的时候，尽量利用低能级的抽汽对空气进行预加热。其应用原理如图4所示。

4 电驱动给水泵改造

由于给水泵是发电厂的核心，在对其进行配置时需要给与更多关注。由于我国的电网调度是基于发电机组的输出功率作为基准来进行的，所以当发电机组的输出功率一致时，采用汽动给水泵就能更大的输出功率。对于该电厂的机组来说，当周边温度较低的情况下，汽动给水泵的经济效益更高。结合热力学公式及现场实际情况，计算得到汽动给水泵与电动给水泵的热力学计算数据，如表1所示。

由表1的计算结果显示，这种改变造成的影响为：

（1）由于进行了节能改造升级，发电标准煤炭消耗上升了3.69g/kW·h。

（2）对水泵配置变化进行分析可知，用两台汽动给水泵实现了对原先两台电动给水泵的替换，实现了系统用电率的降低，用电率总共降低了1.7%;所以在发电标准煤炭消耗和系统用电率的共同作用下，供电标准煤炭消耗降低了3.26g/kW·h。

通过上述计算和分析可知，对于该发电厂的600MW直接空气冷却型火力发电机组来说，将其电动给水泵改造为汽动给水泵后，虽然小机需要单独配置湿冷系统，但其最终总体上还是实现了供电标准煤炭消耗的降低。另外节能技术改造引起了发电标准煤炭消耗的升高，但是由于系统用电率的下降，其总体结果是供电标准煤炭消耗的降低。该项节能技术改造能够达到了节约能源的目的。

5 结论

（1）采用低压省煤器对在用的火力发电机组进行节能改造的方案经济性较好，将排烟的余热进行有效利用，对凝结水进行加热，这是较为常规的余热利用方式。改造技术无难点，易于实现，但是无法对余热进行高效地利用，无法带来显著的节能效果。

（2）基于暖风器的角度展开分析，对低压省煤器和暖风器配合运行工况的节能效果进行分析，能够更为准确的反映出低压省煤器的节能效果，产生的经济效益。同时，对于暖风器的供汽源要展开深入的分析、合理的设计，最大限度保证其抽汽效率能够临近或不高于临界抽汽效率，最大限度使得暖风器的热经济效益得到提高，改善低压省煤器的节能效果。

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