楊大偉

【摘 要】對(duì)于煙氣進(jìn)入脫硫塔前煙氣余熱利用問(wèn)題，分析指出這部分煙氣余熱可通過(guò)低壓省煤器加熱凝結(jié)水，然后讓加熱后的凝結(jié)水再并入某級(jí)加熱器，從而提高機(jī)組效率的效率。根據(jù)溫度對(duì)口、按質(zhì)用能、梯級(jí)利用的原則，提出了四種種集成發(fā)電方案，通過(guò)對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、安全性對(duì)比得出最佳加熱方案。研究結(jié)果可為中低品位余熱的高效利用提供理論指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】煙氣余熱;低壓省煤器;經(jīng)濟(jì)性

0 引言

鍋爐煙氣濕法脫硫工藝需要將鍋爐排煙溫度降到50℃左右進(jìn)入脫硫塔脫硫，脫硫后的凈煙氣需加熱到85℃左右，然后通過(guò)煙囪排放。若進(jìn)入吸收塔前的煙氣溫度以125℃計(jì)，傳統(tǒng)煙氣再熱方法實(shí)際上意味著脫硫系統(tǒng)浪費(fèi)掉了85℃～125℃這一溫度區(qū)間的熱量。

1 集成方案的提出

在低壓省煤器與燃煤機(jī)組集成的系統(tǒng)中，采用煙氣余熱加熱低溫給水，根據(jù)煙氣溫度特點(diǎn)可以有不同的集成方式，凝結(jié)水在低壓省煤器內(nèi)吸收排煙熱量，降低排煙溫度，而凝結(jié)水自身被加熱、升高溫度后再次返回低壓加熱器系統(tǒng)。低壓省煤器串聯(lián)在低壓加熱器回路之中，代替部分低壓加熱器的作用，排擠部分或全部低壓缸抽汽，該排擠抽汽將從低壓抽汽口返回汽輪機(jī)繼續(xù)膨脹做功。如果機(jī)組輸出功率不變，則機(jī)組煤耗、熱耗、污染物排放量將減小;如果機(jī)組燃料消耗量不變，則機(jī)組可獲得更多的發(fā)電量。經(jīng)過(guò)除塵之后的煙氣，進(jìn)入低壓省煤器，經(jīng)過(guò)煙水換熱，然后再流入脫硫塔進(jìn)行脫硫。本文提出四種集成方案。

方案（a）：低壓省煤器與軸封加熱器出口串聯(lián)，加熱軸封加熱器出口的凝結(jié)水，低壓省煤器（LPE）出口與7號(hào)低壓加熱器入口相連，此種方式排擠了機(jī)組的8段抽汽，被排擠的抽汽返回汽輪機(jī)做功。

方案（b）：將低壓省煤器串入8號(hào)低壓加熱器和7號(hào)低壓加熱器之間，此種情況下給水經(jīng)過(guò)低壓省煤器加熱后進(jìn)入7號(hào)低壓加熱器。

方案（c）：低壓省煤器與8號(hào)低壓加熱器出口串聯(lián)，加熱8號(hào)低壓加熱器出口的給水，低壓省煤器（LPE）出口與6號(hào)低壓加熱器入口相連，此種方式排擠了機(jī)組的7段抽汽，被排擠的抽汽返回汽輪機(jī)做功。

方案（d）：將低壓省煤器串入7號(hào)低壓加熱器和6號(hào)低壓加熱器之間，此種情況下給水經(jīng)過(guò)低壓省煤器加熱后進(jìn)入6號(hào)低壓加熱器。

2 熱力學(xué)分析

對(duì)于低壓省煤器與機(jī)組集成的熱力系統(tǒng)，采用燃料節(jié)省型運(yùn)行方式時(shí)，總的發(fā)電量與原燃煤機(jī)組相同，凝結(jié)水的熱量部分由低壓省煤器提供。煙氣與凝結(jié)水的換熱主要是對(duì)流換熱。

凝結(jié)水在低壓省煤器中與煙氣進(jìn)行對(duì)流換熱，煙氣的入口溫度 T1和凝結(jié)水的入口溫度t1一般都是知道的。當(dāng)?shù)蛪菏∶浩鞯慕Y(jié)構(gòu)已經(jīng)確定以后，需要先假定一個(gè)低壓省煤器出口的溫度T2。根據(jù)這些參數(shù)，可以求出煙氣的放熱量Qs，以及總的換熱量Q，通過(guò)Qs與Q的比較，可以改進(jìn)T2的假定值。計(jì)算的主要過(guò)程如下：

2.1 煙氣放熱量的計(jì)算

低壓省煤器中煙氣釋放的熱量為低壓省煤器進(jìn)口煙氣焓和出口煙氣焓值之差，這個(gè)焓差值可以通過(guò)煙焓表計(jì)算確定。煙焓表一般都是通過(guò)計(jì)算煙氣中不同成分的焓值的調(diào)和平均值來(lái)確定，然后通過(guò)數(shù)學(xué)中的線性差值計(jì)算不同溫度下煙氣的焓值，進(jìn)出口不同溫度下煙氣的焓值的差值就是所要求取的焓差，也就是本文所設(shè)定的煙氣放熱量，這個(gè)熱量也就是回?zé)嵯到y(tǒng)中凝結(jié)水所吸收的熱量的來(lái)源。

2.2 傳熱溫差計(jì)算

煙氣與凝結(jié)水的換熱為逆流換熱，在沒(méi)有熱量損失的情況下，當(dāng)煙氣的出口溫度確定后，煙氣的放熱量等于凝結(jié)水的吸熱量，此時(shí)可根據(jù)能量平衡及煙焓差計(jì)算凝結(jié)水的出口溫度。這時(shí)計(jì)算過(guò)程中需要確定逆流換熱過(guò)程中的一個(gè)平均溫差，本文在計(jì)算時(shí)采用傳熱學(xué)中經(jīng)常使用的對(duì)數(shù)溫差來(lái)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)數(shù)溫差相對(duì)于普通的平均溫差來(lái)說(shuō)計(jì)算的精度更大，更符合實(shí)際情況，特別是當(dāng)進(jìn)口溫差與出口溫差相差較大時(shí)，使用對(duì)數(shù)溫差能得到平均溫差不能達(dá)到的精度的結(jié)果。

2.3 傳熱系數(shù)計(jì)算

煙氣流經(jīng)低壓省煤器與凝結(jié)水換熱時(shí)，忽略輻射損失及熱傳導(dǎo)損失，對(duì)流受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以采用傳熱學(xué)中熱阻并聯(lián)的方式來(lái)確定。串聯(lián)的兩部分熱阻分別是煙氣側(cè)的熱阻以及水側(cè)的熱阻，相似于電工學(xué)中電阻并聯(lián)的方法就可以確定換熱過(guò)程的總熱阻。

煙氣對(duì)管壁的放熱系數(shù)可參考文獻(xiàn)[2]中關(guān)于煙氣換熱的換熱系數(shù)的計(jì)算關(guān)系式來(lái)實(shí)現(xiàn)。想要得到煙氣的換熱系數(shù)，就需要確定煙氣側(cè)的換熱系數(shù)，首先要確定關(guān)于煙氣流速以及換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，

這些數(shù)據(jù)也就是煙氣換熱器熱力計(jì)算的基礎(chǔ)，同時(shí)還有一部分管內(nèi)換熱的概念，管內(nèi)換熱也采用該文獻(xiàn)中的相關(guān)擬合公式用來(lái)確定，這時(shí)就要確定換熱器管內(nèi)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，以及水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相關(guān)變動(dòng)參量值。

在次基礎(chǔ)上，采用熱阻并聯(lián)的概念，就可以確定整個(gè)換熱過(guò)程中的換熱系數(shù)，通過(guò)換熱系數(shù)和換熱溫差就可以就可以計(jì)算整個(gè)過(guò)程的換熱速率[1]。

2.4 傳熱速率計(jì)算

換熱速率是換熱系數(shù)換熱面積與換熱溫差的乘積，這些數(shù)據(jù)均可通過(guò)上文所述的方法計(jì)算確定。這個(gè)換熱速率和煙氣放熱量從理論上講應(yīng)該是相等的，但是計(jì)算過(guò)程中往往不能一次確定出口的煙氣和水的溫度的大小，這也是傳熱學(xué)中換熱器設(shè)計(jì)的一個(gè)過(guò)程，計(jì)算過(guò)程實(shí)際是一個(gè)不斷迭代出口溫度的過(guò)程，最終讓煙氣放熱量和總換熱量相等，就完成了最終的迭代。

3 安全性分析

煙氣露點(diǎn)溫度計(jì)算：煤在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生二氧化硫，當(dāng)排煙溫度過(guò)低時(shí)，就容易對(duì)受熱面造成低溫腐蝕。為了有效的防止低溫腐蝕的發(fā)生，確定鍋爐低溫受熱面的壁溫和鍋爐的運(yùn)行條件，必須計(jì)算出硫酸蒸汽的酸露點(diǎn)溫度。如果出口的煙氣的溫度低于了酸露點(diǎn)，就會(huì)對(duì)低壓省煤器造成腐蝕，設(shè)備的壽命就會(huì)大大降低。所以在設(shè)定過(guò)程中酸露點(diǎn)是一個(gè)十分重要的概念。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 機(jī)組經(jīng)濟(jì)性分析

系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性可借助等效焓降原理分析，將所吸收的排煙熱量作為外部純熱量引入系統(tǒng)，然后確定新蒸汽的等效焓降和機(jī)組新蒸汽的等效焓降增量，在二者的基礎(chǔ)上就可以確定機(jī)組效率相對(duì)提高率，從而得到機(jī)組熱耗、氣耗以及煤耗的變化量。再此基礎(chǔ)上就可以確定機(jī)組加裝低壓省煤器后全年節(jié)省的標(biāo)煤量。

4.2 污染物減排量分析

在機(jī)組輸出功率不變的情況下，引入煙氣余熱利用系統(tǒng)，不僅降低了煤耗量，同時(shí)減少了污染物的排放量。污染物減排量基本與煤耗降低量和機(jī)組容量成正比。

5 算例分析

研究了一個(gè)300MW的機(jī)組的四種種集成形式，它們采用相同的低壓省煤器結(jié)構(gòu)，只是采用了不同的耦合方式。根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算了四種方案的出口煙溫和出口水溫，分析了機(jī)組的效率的變化以及二氧化碳的減排量。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，方案a使機(jī)組的煤耗降低最多為2.893g/kWh，其次是方案c為2.181g/kWh，但是電廠中一般不采用前三種方案而采用采用方案d，其煤耗降低最少為1.435g/kWh，因?yàn)榍叭N方案使得低壓省煤器出口煙溫低于酸露點(diǎn)，容易對(duì)設(shè)備造成腐蝕。若近似取煙氣側(cè)金屬壁溫為出口煙溫，可以看出，只有d的金屬壁溫要高于酸露點(diǎn)的溫度，不易對(duì)設(shè)備造成腐蝕。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、安全性對(duì)比得出了最佳加熱方案。分析的結(jié)果如下：

（1）利用等效焓降法，對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，a、b、c、d四種方案的煤耗分別降低了2.893g、1.886g、2.181g以及1.435g。因?yàn)榍叭N方案在經(jīng)濟(jì)性上雖然占優(yōu)勢(shì)，但是出口煙溫較低，容易腐蝕設(shè)備，故最終采用了方案d。

（2）在分析的過(guò)程中不能只看重經(jīng)濟(jì)性，還要考慮到設(shè)備的壽命，綜合這兩種思路才能獲得最佳方案。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].高等教育出版社，2012-9-27.

[2]莊俊，張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]