1 000 MW机组烟气余热利用方案对比

张 健，甄 辉，向柏祥，李 燕，黄 军，王 鹏，王大鹏

(1.神华国华(北京)电力研究院有限公司，北京 100025；2.国华定州电厂，河北保定 071003)

低温省煤器在电力系统的大规模加装和应用开始于2013年，初始目的是为了采用低低温电除尘的理念，在降低排烟温度后使飞灰比电阻降低，更有利于电除尘器的收尘[1-4]。另外，烟温低于酸露点后，SO3气体会吸附极细微的高比电阻飞灰，从而降低电除尘器出口的烟尘含量。但低低温电除尘器改造后，受限于低温省煤器出口混合距离不足和煤种多变等因素，电除尘器出现了众多潜在隐患。

传统低温省煤器的设计和改造建立在对锅炉排烟的直接利用上。第一代低温省煤器直接布置在空气预热器(简称空预器)后部，吸收排烟余热，加热凝结水、供热循环水或水媒式烟气-烟气再热器(MGGH)热媒水，节能效率较低。第二代低温省煤器在第一代的基础上，增加了分级空预器的功能，节能效果大大增强。第三代低温省煤器在第二代的基础上，将部分空预器的烟气引至旁路后，用来加热给水和凝结水。总的来说，低温省煤器变相地增加了空预器面积，提高了排烟余热的回收量[5-10]。三代低温省煤器技术的采用均未考虑增强空预器换热效率，直接采用钢铁换热的方式，不能称之为最优。

笔者比较了采用0号高压加热器(简称高加)入口给水、0号高加疏水、凝结水和原系统冷媒水作为冷却介质，以降低热一次风温度，间接降低空预器出口排烟温度的性价比。在降低一次风温度的基础上，结合现场设备空间，分析增加一次风暖风器，且改变原一级低温省煤器用途等4种烟气余热利用方案的性价比。

1 机组概况

某电厂一期工程建设2台1 000 MW燃煤发电机组，每台锅炉空预器出口配置2级低温省煤器。一级低温省煤器在锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况下烟气温度由155.8 ℃降至 143.9 ℃，二级低温省煤器由 143.9 ℃降至90 ℃。二次风暖风器在BMCR工况下将二次风温度由 25 ℃升至100 ℃。一级低温省煤器烟温降设计值为11.9 K，热量利用至凝结水系统，循环热效率较低。二级低温省煤器烟温降设计值为53.9 K，热量交换给二次风暖风器，用来加热二次风，相当于二级空预器(见图1)，该系统循环热效率较高。

图1 低温省煤器原始设计图

2 低温省煤器存在的问题

夏季工况下，机组的排烟温度最高超过110 ℃(设计值为90 ℃)，年平均温度为103 ℃；冬季工况下，机组的排烟温度约97 ℃，二次风暖风器出口温度为85 ℃；二次风暖风器出口年平均温度为91 ℃(设计值为100 ℃)，不能达到深度节能运行的目标，见图2和图3。另外，由于采用了暖风器和空预器结合的烟气利用系统，造成一次风温度高，磨煤机的冷风掺入量大，年均掺入质量流量达到了171 t/h，这些均会造成排烟温度升高。低温省煤器后烟气温度和暖风器后空气温度不能达到设计值，说明低温省煤器系统换热不足，存在能源浪费，与节能降耗行动不符。

图2 低温省煤器系统运行温度随负荷变化趋势

图3 低温省煤器系统运行温度随时间变化趋势

排烟温度高与低温省煤器换热能力有关，也与冷一次风量大有关。冷一次风量大，经过空预器换热的总风量下降，烟气放热量下降，排烟温度升高。冷一次风主要包括进入磨煤机的冷风、制粉系统的密封风、火检风和脱硝稀释风。其中，部分排烟余热可以通过一次风回收。

暖风器出口温度低，可以通过提高暖风器入口的热媒水温度，增加暖风器面积或配合增加热媒水流量改善。但受限于空间不足，暖风器面积不能增加；试验结果显示，热媒水流量也较充足，所以提高暖风器入口的热媒水温度是提高暖风器出口温度的唯一途径。

3 热一次风冷却器改造方案比较

磨煤机密封风体积流量设计值为81.91 m3/min，给煤机密封风体积流量设计值为7～9 m3/min，两者合计约90 m3/min。考虑到密封风与一次风的压差较设计值高2倍左右，所以密封风体积流量约为150 m3/min，6台磨煤机合计质量流量约70 t/h。年均冷一次风质量流量为171 t/h，从磨煤机入口掺入的质量流量约为100 t/h。约100 t/h的风量将通过空预器换热，可降低排烟温度约7.9 K。

需要说明的是，若采用高加出口的给水冷却热一次风(见图4)，相当于热一次风冷却器替代了一部分省煤器的功能，虽然制粉系统出口的温度会降低，但剔除对燃烧的影响外，锅炉效率会得到较大提高。因为一二次风已全部通过空预器换热，对空预器的冷却能力已经达到极限，再采用提高制粉系统出口温度的方法来降低冷一次风量，也不会降低排烟温度。

图4 一次风改造图

冷却水取自给水，循环热效率高，但投资成本上升。若冷却水取自除氧器入口凝结水，并返回至除氧器，循环热效率降低，但可利用现有管道，投资下降。直接使用原有管道，并使用原有系统，投资更低，但循环热效率最低。从0号高加疏水取水并升压，然后经过相变换热器换热[11]，变成蒸汽后，进入0号高加，循环热效率较高，投资较少。

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磨煤机入口掺入的冷一次风，经空预器换热后，再掺入磨煤机，提高了锅炉效率，且回收的热量用来加热更高参数的循环水或给水，循环热效率提高。由于热一次风冷却器投入使用后，空预器入口烟气温度下降约8 K，原一级低温省煤器的节煤量下降，所以剔除原有设备的回收效果，节煤量见表1。

表1 热一次风冷却方式的比较

4 烟气余热利用方案的比较

4.1 方案一

因一次风机出口至空预器的入口有一定的空间，建议加装一次风暖风器(见图5)。

图5 烟气余热回收方案一

改造后一级低温省煤器转化为二级低温省煤器的一部分，该方案相当于增加了21%的二级低温省煤器面积和25%的暖风器面积。因冷一次风量减小，一级低温省煤器入口的烟气温度与原一级低温省煤器出口温度的设计值相差约2 K，串联低温省煤器相当于增加了二级低温省煤器的面积。一次风暖风器的投入，增加了暖风器的面积，夏季工况下，可以使排烟温度降低至92 ℃。虽然空预器入口二次风温度并没有升高，但总的空预器入口冷风温度提高，锅炉效率提高最大，可在目前阶段下节煤1.5 g/(kW·h)。若耦合一次风加热给水的方式，节煤量增加至2.2 g/(kW·h)，且设备均布置在0 m层，人工成本低，投资较少。

热一次风冷却器可以自由调节进入磨煤机的热一次风温度，保证磨煤机出口温度在70～80 ℃，且将从冷风调门掺入的冷一次风量降低至最小，不影响机组安全稳定运行。

4.2 方案二

方案二同样加装一次风暖风器，但热一次风的热量回收至二次风(见图6)。该方案能将空预器入口的二次风温提高到100 ℃以上。热一次风温度的升高会使空预器出口的烟气温度升高约10 K，而冷一次风的加入会使得空预器出口的排烟温度降低约8 K，综合计算空预器出口的烟气温度小幅升高约2 K。由于一级低温省煤器可以将温度降低至设计值，所以二级低温省煤器入口的烟气温度不变，入口的热媒水温度降低，使出口烟气温度降低，可节煤约1.8 g/(kW·h)，但在夏季高负荷时二级低温省煤器出口烟气温度不能降低至95 ℃以下。

图6 烟气余热利用方案二

4.3 方案三

方案三在一次风机出口不加装暖风器(见图7)。

图7 烟气余热利用方案三

4.4 方案四

方案四(见图8)充分利用了原系统的设备，在一次风机出口不加装暖风器，可以将排烟温度降低至90 ℃，也可以将二次风温度加热至100 ℃。但该方案中凝结水压力高于二级低温省煤器和二次风暖风器的设计压力，需要通过节流降压，增加了厂用电率。该方案配合凝结水变频并降低凝结水泵出口压力的方案时，低负荷循环热效率较好。

图8 烟气余热利用方案四

4.5 方案比较

采用加热给水方案，省煤器出口给水温差ΔT(T1-T2，T1为给水压力下的饱和温度，T2为给水温度)见表2。增加冷却器并加热给水后，热耗率验收(THA)工况下给水温度上升约3 K；50%THA工况下，给水温度上升约5 K，省煤器不会出现汽化的风险。从节约投资，降低风险考虑，采用加热0号高加疏水方案的效果最优。

表2 方案一给水温差的校核计算

设置一级低温省煤器的初衷是回收二级低温省煤器多余的热量。设置一次风加热器后，经过空预器的风量增加，对排烟起到了冷却作用，空预器后排烟温度下降约7.9 K。一级低温省煤器大部分时间处于闲置状态，所以将其利旧，用来补充二级低温省煤器的不足，性价比最高。

暖风器面积不足造成二级低温省煤器后烟温升高，增加一次风暖风器可以弥补暖风器面积不足导致的低温省煤器热一次风冷却器入口水温过高，并且可以提高热一次风温度，从而使给水吸热量增加，提高了热力系统的循环热效率。

综上所述，采用热一次风加热0号高加疏水，并加装一次风暖风器方案，性价比高，循环热效率高，节煤效益显著(见表3)。

表3 整体改造方案的比较

5 结语

2台1 000 MW机组采用排烟热量加热暖风器方式对烟气余热进行回收改造后，一次风温度明显升高；因计算误差，有些项目的换热设备不能很好地兼顾冬夏两个季节，影响节能。采用加热给水、降低一次风温度，从而减小冷风掺入的设计，可实现高效率的能量回收。在此基础上，通过在0 m层增加暖风器可弥补基建阶段换热面积的不足。

此外，热一次风冷却器和暖风器均设置在锅炉0 m层，不需要额外增加过多的地基投资，建设费用省，检修方便，是设备改造的首选方案。