浅谈1240MW机组电厂烟气余热再利用

曾银佳

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510000）

1 工程大气污染物排放执行标准

按照国家标准《火电厂大气污染物排放标准》规定，工程属于非重点地区，标准烟尘允许排放浓度为30mg/Nm³（干基）。但为了响应国家《大气污染防治行动计划》文件对企业污染治理要确保达标排放，甚至达到近零排放的要求，扩建工程的烟尘排放浓度指标具有前瞻性，烟尘排放浓度执行燃机标准，即电厂烟囱出口的烟尘排放浓度不超过10mg/Nm³。

2 工程除尘方案

为了满足烟囱出口烟尘排放浓度不超过10mg/Nm³的标准，工程推荐采用干式除尘器的除尘方案。工程干式除尘器推荐选用三室五电场静电除尘器，静电除尘器采用低低温电除尘器+高频电源的强化除尘措施。

低低温静电除尘器设计的要点是入口烟温应选择恰当，烟气温度高于露点温度太多，粉尘微孔内吸附的SO3不能凝结成电解质，除尘效果会大打折扣；烟气温度低于露点温度太多，除尘内一些存在漏风的局部低温区域会结露，会引起设备腐蚀或者电气短路的问题。按照国外长期运行经验，烟气温度控制在酸露点左右运行效果最好[2]。

3 输入资料

3.1 煤质资料

设计煤种属于中高挥发分、中等灰分、中等水分、中等热值的烟煤，煤质资料见表1。

表1 煤质资料

3.2 主机规范

锅炉炉型：锅炉为高效超超临界参数变压运行直流炉、一次再热、单炉膛单切圆燃烧、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构塔式布置。锅炉最大连续蒸发量3700t/h，出口蒸汽参数为29.4MPa（a）/605/623℃。

汽轮机形式：一次中间再热、单轴、四缸四排汽、凝汽式汽轮机，额定功率1240MW，主蒸汽流量3700t/h，入口参数为28MPa（a）/600/620℃。

3.3 低温省煤器进行经济性计算的其他边界条件

低温省煤器进行经济性计算的其他边界条件包括锅炉设计排烟温度为121℃、主要燃用设计煤种以及机组年运行小时数为7500h。

4 低温省煤器方案的技术分析

4.1 低温省煤器方案设想

4.1.1 低温省煤器金属安全壁温

在低温省煤器的实际应用中，排烟温度过低会使换热器的低温受热面壁温低于酸露点，引起受热面金属的严重腐蚀，危及锅炉运行安全。根据受热面低温腐蚀随金属壁温的变化规律（如图1所示），当受热面壁温接近酸露点（E点）时，腐蚀速度随壁温的降低而增加，在露点温度下20℃～45℃（D点）出现最大露点腐蚀速度；壁温继续降低时，腐蚀速度也下降，在水露点与酸露点之间某个值（B点）达到最低；壁温如果再降低，特别是低于水露点（A点）时，腐蚀速度急剧增加。

低温省煤器壁温一般不会低于水露点，即不选在图1中的A～C区域，而选在酸露点E点附近，因此烟气酸露点是判断换热器是否发生低温腐蚀的重要依据。

图1 低温腐蚀速度随壁温变化示意图

对烟气露点的计算，前人总结了很多方法，该文采用规程DL/T5240—2010的公式，如公式（1）～公式（3）所示。

需要简化计算时Ks可以取0.9，也可以按DL/T5240—2010推荐的公式（4）、公式（5）计算。

η为除尘器除尘效率，进行除尘器前的烟气酸露点计算时，η=0；进行除尘器后的烟气酸露点计算时，η=除尘器设计效率。

结合设计煤种及规程DL/T5240—2010的公式，由表2得出烟气酸露点数值（见表2），可以看出设计煤种的酸露点相对校核煤种稍高，因此该文接下来的分析将结合设计煤种进行[1]。

表2 煤质烟气酸露点计算表（BMCR工况）

4.1.2 烟气系统设计

低温省煤器的设置方案一般有两种。

方案一：单级低温省煤器，布置于除尘器入口，如图2所示。

图2 单级低温省煤器设置方案一

低温省煤器设置在除尘器入口，烟气含尘浓度高，总吸附表面积很大。根据酸露点计算值及国外以往工程长期运行经验，换热器出口烟气温度控制在酸露点左右，推荐取值在90℃至95℃，可有效防止换热元件低温腐蚀。

优点为可减少烟气比电阻，提高除尘器效率，电除尘器的电耗有所降低。缺点是飞灰浓度高容易对低温省煤器的换热元件造成磨损、腐蚀等问题。

方案二：单级低温省煤器，布置于引风机出口，如图3所示。

图3 单级低温省煤器设置方案二

低温省煤器方案设置在引风机出口，由于烟气含尘量下降，因此该处的酸露点温度升高。为充分利用烟气余热、提高经济性，一般推荐省煤器出口烟气温度取值100℃左右。

优点为引风机出口烟道中心较低，可以充分利用引风机对烟气的压缩温升。缺点是不利于引风机稳定运行，容易造成振动，引风机克服换热器阻力增加的电功率会增加，除尘器电耗并未减少。

综上所述，余热再利用可适当提高除尘器效率，降低电耗，减少厂用地，因此推荐在除尘器入口设置低温省煤器（每台机组共6个）方案。

4.1.3 水侧凝结水系统设计

低温省煤器水侧凝结水系统的设计直接影响它的运行可靠性和经济性。国内外相关研究表明，低温腐蚀的最大速率并不是恰好在酸露点温度值，而是发生在烟气酸露点温度下10℃～30℃范围内以及水露点温度以下，因此将换热器的壁温Tb与计算酸露点TDP2的差距控制在10℃以内。为了防止换热元件低温腐蚀，低温省煤器水侧进口的凝结水水温控制在80～85℃是比较合适的，该文推荐将以下计算值暂定为80℃。根据热平衡图，低加出口水温详见表3。

表3 各低加出口水温

从表3可看出，各低加水温都不满足低温省煤器水侧进口的凝结水水温的要求。9号低加出口水温在THA工况时较为接近89.9℃的凝结水温要求，但机组负荷降低后9号低加出口水温又远远达不到要求了。因此，推荐低温省煤器水侧入口接入点选取9号低加进口及出口的混温凝结水，原9号低加至10号低加的主路阀门全关进行设计。凝结水取自9号低加进口及出口，一部分凝结水经过低温省煤器加热后与其余不经过低温省煤器加热的凝结水混合后回到8号低加入口。

低温省煤器在热力系统中的连接方式直接影响它的经济性和运行的安全可靠性。低温省煤器联入热力系统的方案很多，就其本质而言，主要有两种连接系统，一是并联系统，二是串联系统。

并联系统：即将部分凝结水从某级低加前接出至低温省煤器，经过低温省煤器，与烟气换热后，再回到该级低加出口或下一级低加出口。并联系统的优点是可以不增加凝结水泵扬程。缺点是低温省煤器的传热温差比串联系统低，分流量小，需要增加换热面积。同时并联系统的系统运行调节较为复杂。

巴里坤膨润土矿与某些膨润土矿床的对比(表4)可以看出，巴里坤膨润土矿的胶质价、膨胀容、比表面积性能比较好，离子交换量较高，说明巴里坤膨润土的品位较高，其利用价值也比较高。矿石的主要可交换阳离子为Ca2+、Na+、K+、Mg2+，Na+交换容量为95mmol/100g，Ca2+交换容量为13.3mmol/100g，ENa2+/CEC为83.5%，参照前苏联的划分标准[14]，可知巴里坤膨润土为钠基膨润土。

串联系统：即将全部凝结水从某级低加后接出至低温省煤器，经过低温省煤器，与烟气换热后，再回到下一级低加前。串联系统的优点是流经低温省煤器的水量最大，在低温省煤器的受热面一定时，锅炉排烟的冷却程度和低温省煤器的热负荷较大，排烟余热利用的程度较高，经济效果较好。其缺点是凝结水流的阻力增加，所需凝结水泵的压头增加。

因此，暂取低温省煤器换热效率为96%，进而增加汽轮机组的出力，推荐的并联系统如图4所示。

图4 并联系统示意图

4.2 低温省煤器选型结果

结合前述，该文推荐并联方案，低温省煤器选型计算结果见表4。

表4 低温省煤器选型计算结果

5 采用低温省煤器的经济性分析

为了满足近零排放的要求，静电除尘器需要采用低低温电除尘器+高频电源的综合强化除尘措施，通过降低烟气温度提高静电除尘器的除尘效率。在除尘器入口设置低温省煤器（每台机组共6个），并根据汽轮机热平衡图中各级低加凝结水温度，推荐凝结水取自9号低加进口和出口混合水，对该低温省煤器设置方案进行技术经济分析如下。

5.1 经济性比较方法

在总调度电量一定的情况下，通过计算两种方案因上网电量不同所产生的差额收入，以计及资金时间价值的动态理论计算投资差额回收年限n，如公式（6）所示[2-3]。

式中：ΔZ为方案投资差额；ΔC为年差额收益；i为基准收益率；n为差额回收年限；（A/P，i，n）为等额分付资金回收系数。

5.2 经济性计算

按工程实际情况确定经济比较的边界条件：标煤价格为1000元/t（税前），电厂基准收益率为8%，机组年运行小时数7500h[1]。

5.2.2 初投资（ΔZ）

关于低温省煤器所增加的静态投资费用，经询价设备材料等的费用详见表5。

表5 低温省煤器所增加的静态投资费用，经询价设备材料等的费用

5.2.3 年运行小时数

对火力发电厂而言，机组的年运行小时数模式见表6。

表6 机组的年运行小时数

5.2.4 年利润差额（ΔC）

增设低温省煤器的正面运行效益[2-3]：1）提高了凝结水温，节约了抽汽量，进而提高了汽轮发电机组出力。2）降低脱硫系统入口烟温，进而节约水量，并节约脱硫系统工艺水泵运行轴功率。

增设低温省煤器的负面运行效益[2-3]：1）增加了烟气侧阻力，进而增加了引风机运行功耗。2）增加了水侧阻力，从而凝结水泵运行功耗率。3）低温省煤器系统相对复杂，每年运行维护费用会有所增加，暂按照10万元/年估计。

由于机组不可能全年都只在THA工况下运行，有一定时间是处于低负荷工况下的，此时烟气温度较低，因此可以利用的热量较少，甚至可能会出现负面运行效益大于正面运行效益的情况。将增设低温省煤器后的运行效益进行综合计算，见表7和表8。30%THA工况低温省煤器烟气入口温度为90℃，烟气放热量为0，已满足低低温静电除尘器运行要求，因此低温省煤器停运不进行综合计算。

表7 增设低温省煤器后的辅机运行功率核算

表8 增设低温省煤器后的年运行收益核算

从以上计算来看，设置低温省煤器后年运行收益较好，动态回收年限较短，具有一定的经济效益。

6 结论

根据以往国内外工程经验，低温省煤器可以设置在除尘器入口或引风机出口，前者耐低温腐蚀效果较好，后者防磨损效果更好。由于引风机出口含尘量降低，酸露点温度升高，其腐蚀问题也较难得到解决。因此从技术上来说，优先推荐在除尘器入口设置低温省煤器的方案。

污染物排放需要执行《火电厂大气污染物排放标准》，为了达到此排放标准，需要采用低低温静电除尘器。通过在除尘器入口设置低温省煤器，可以降低除尘器入口烟温、烟气流量及烟气比电阻，进而提高除尘器的除尘效率，保证将除尘器出口烟尘排放浓度控制在≤20mg/Nm3。

该文推荐将低温省煤器凝结水侧接入点设置在9号低加进口及出口，一部分凝结水经过低温省煤器加热后与其余不经过低温省煤器加热的凝结水混合后回到9号低加出口。由于利用了部分烟气热量，因此可以节约部分抽汽量，进而增加汽轮机组的出力。设置低温省煤器后，供电标煤耗有所降低。经济性较好，动态回收年限约为5.95年。

综上所述，得出的经济性计算结果基本上可以反映实际情况。由此推荐在除尘器入口增设低温省煤器，一方面回收部分烟气热量，另一方面也可以进一步降低烟尘排放浓度，以更好地满足严格的环保排放标准。