薛永明,樊鵬
(1.蘇州市江遠(yuǎn)熱電有限責(zé)任公司,江蘇蘇州 215000;2.北京新世翼節(jié)能環(huán)??萍脊煞萦邢薰荆本?100070)
燃煤鍋爐作為將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的主要設(shè)備之一,被廣泛應(yīng)用于電力、冶金和石化等高耗能行業(yè)。煤炭在爐膛內(nèi)燃燒放熱后,經(jīng)過(guò)尾部對(duì)流受熱面(過(guò)熱器和省煤器等)換熱后煙氣溫度仍較高(300℃左右),為了充分利用煙氣熱量,提高鍋爐的熱效率,在鍋爐尾部煙道通常設(shè)置空氣預(yù)熱器,回收煙氣的余熱去加熱鍋爐的送風(fēng),達(dá)到節(jié)能降耗的效果。此外,由于燃煤煙氣中含有大量粉塵、氮氧化物和二氧化硫等污染成分,排放的煙氣須經(jīng)過(guò)脫硝、除塵和脫硫等凈化處理后方可由煙囪排空,以減少排煙對(duì)大氣環(huán)境的污染程度。綜合考慮鍋爐的熱效率和各煙氣處理工序的安全可靠性,將空預(yù)器出口的排煙溫度通常設(shè)為120~150℃作為鍋爐排煙的最佳設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。
隨著近些年環(huán)保政策的不斷加碼和新能源行業(yè)的日益壯大,燃煤鍋爐作為傳統(tǒng)能源利用的主要設(shè)備,其年運(yùn)行小時(shí)數(shù)逐年下降,企業(yè)的經(jīng)營(yíng)狀況日趨嚴(yán)峻,生存危機(jī)逐日增大。鑒于大環(huán)境的惡化現(xiàn)狀,為了進(jìn)一步降低企業(yè)成本,提升能源利用效率,對(duì)125℃左右的低溫?zé)煔庥酂徇M(jìn)行回收對(duì)企業(yè)具有重要的意義。
在實(shí)際工程應(yīng)用中,綜合地域、行業(yè)和生產(chǎn)工藝等多種客觀因素的影響,不同煙氣余熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也有很大差別。為保證煙氣余熱回收系統(tǒng)給企業(yè)創(chuàng)收最大化,本文闡述了三種不同的煙氣余熱回收工藝及特點(diǎn),并對(duì)三種工藝系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了理論分析,以期為工業(yè)用戶(hù)提供一種定量化的選型依據(jù)。
在除塵器與脫硫塔之間加設(shè)一套低溫?zé)煔庥酂峄厥昭b置,余熱回收系統(tǒng)以水為熱媒介質(zhì),通過(guò)水吸收鍋爐排煙的熱量。設(shè)置一級(jí)熱網(wǎng)水加熱器,將來(lái)自煙氣余熱回收裝置的高溫?zé)崦剿ㄈ霟峋W(wǎng)水加熱器,實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)回水的加熱,放熱降溫后的熱媒水回至煙氣余熱回收裝置開(kāi)啟下一個(gè)循環(huán)換熱過(guò)程,由此實(shí)現(xiàn)將煙氣余熱回用于熱網(wǎng)水系統(tǒng)的目標(biāo)。
本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)控靈活、工程改造量小,系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益隨鍋爐負(fù)荷波動(dòng)而變化。在實(shí)際運(yùn)行中,以鍋爐側(cè)煙氣溫度為控制目標(biāo),以熱網(wǎng)水和熱媒水流量為調(diào)節(jié)對(duì)象,根據(jù)鍋爐生產(chǎn)負(fù)荷同步調(diào)節(jié)兩種介質(zhì)的流量,達(dá)到既保證脫硫系統(tǒng)安全運(yùn)行又滿(mǎn)足煙氣余熱回收系統(tǒng)收益最大化的目的,煙氣余熱回收加熱熱網(wǎng)水工藝系統(tǒng)圖如圖1所示。
在除塵器與脫硫塔之間加設(shè)一臺(tái)煙氣余熱回收裝置,余熱回收系統(tǒng)以水為熱媒介質(zhì),通過(guò)水吸收鍋爐排煙的熱量。設(shè)置一級(jí)凝結(jié)水加熱器,將來(lái)自煙氣余熱回收裝置的高溫?zé)崦剿ㄈ肽Y(jié)水加熱器,加熱來(lái)自7#低壓加熱器進(jìn)口母管的凝結(jié)水,凝結(jié)水吸熱升溫后通至7#低壓加熱器出口母管,放熱降溫后的熱媒水回至煙氣余熱回收裝置開(kāi)啟下一個(gè)循環(huán)換熱過(guò)程,由此實(shí)現(xiàn)將煙氣余熱回用于凝結(jié)水的目標(biāo)。
本系統(tǒng)工程改造量較小,凝結(jié)水加熱器通常布置在汽機(jī)房?jī)?nèi),使得取熱工藝的熱媒水管路較長(zhǎng),沿程熱損失較大。該系統(tǒng)調(diào)控相對(duì)復(fù)雜、工作量和難度均較大,對(duì)運(yùn)行人員的操控水平要求較高。當(dāng)鍋爐負(fù)荷波動(dòng)時(shí),需要同時(shí)調(diào)節(jié)被加熱凝結(jié)水流量、7#低加抽汽閥開(kāi)度和循環(huán)熱媒水流量,使得7#低加出口水溫控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi),并同時(shí)保證脫硫系統(tǒng)的安全及系統(tǒng)熱回收效益最大化,煙氣余熱回收加熱凝結(jié)水工藝系統(tǒng)圖如圖2所示。
在除塵器與脫硫塔之間加設(shè)一臺(tái)煙氣余熱回收裝置,余熱回收系統(tǒng)以水為熱媒介質(zhì),通過(guò)水吸收鍋爐排煙的熱量。在鍋爐送風(fēng)系統(tǒng)空預(yù)器進(jìn)口風(fēng)道內(nèi)設(shè)置一級(jí)暖風(fēng)器,將來(lái)自煙氣余熱回收裝置的高溫?zé)崦剿ㄈ肱L(fēng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐送風(fēng)的加熱,升溫后的空氣再進(jìn)入空預(yù)器進(jìn)一步升溫,放熱降溫后的熱媒水回至煙氣余熱回收裝置開(kāi)啟下一個(gè)循環(huán)換熱過(guò)程。
(1)加強(qiáng)對(duì)品管圈護(hù)理人員與患者的教育與知識(shí)宣傳,向患者講解內(nèi)瘺穿刺的原理方法以及在穿刺時(shí)對(duì)患者的要求,并鼓勵(lì)家屬共同參與,提高護(hù)理人員及患者對(duì)內(nèi)瘺穿刺點(diǎn)滲血的認(rèn)識(shí),以達(dá)到減少并盡量避免動(dòng)靜脈內(nèi)瘺穿刺點(diǎn)滲血的效果。
本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控簡(jiǎn)單,調(diào)節(jié)對(duì)象僅為循環(huán)泵流量,控制目標(biāo)為煙氣溫度,在保證脫硫系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下,暖風(fēng)器出口風(fēng)溫越高,鍋爐排煙系統(tǒng)的可靠性越高,由此也會(huì)使得整體經(jīng)濟(jì)性下降,但工程改造量大。在實(shí)際運(yùn)行中,以暖風(fēng)器出口風(fēng)溫大于20℃為原則,根據(jù)自然環(huán)境溫度變化來(lái)調(diào)節(jié)熱媒水的流量,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,煙氣余熱回收加熱暖風(fēng)器工藝系統(tǒng)圖如圖3所示。
表1 300 MW機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)表
下面以某300 MW火力發(fā)電機(jī)組為例,分別對(duì)上述三種煙氣余熱回收系統(tǒng)的節(jié)能收益和運(yùn)行費(fèi)用等展開(kāi)理論分析。300 MW機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,回?zé)嵯到y(tǒng)采用3高4低1除氧的形式,燃料設(shè)計(jì)為煙煤。
基于表1的數(shù)據(jù),在脫硫塔入口設(shè)置一級(jí)低溫?zé)煔鈸Q熱器用于回收煙氣余熱,將煙溫由125℃冷卻至80℃,計(jì)算得到煙氣放熱量約為72 GJ/h,折合熱功率約為20 MW。下面以回收的20 MW煙氣余熱量為基準(zhǔn),分別對(duì)三種煙氣余熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行測(cè)算。
表2 汽輪機(jī)7#低壓加熱器抽汽效率測(cè)算結(jié)果
煙氣余熱回收加熱熱網(wǎng)水系統(tǒng)主要是將回收的煙氣余熱通過(guò)熱網(wǎng)水轉(zhuǎn)移至熱用戶(hù)處,該系統(tǒng)通常應(yīng)用于北方冬季較為寒冷和有供暖需求的地區(qū),其收益主要由供熱負(fù)荷和當(dāng)?shù)毓┡M(fèi)用確定。
以華北地區(qū)某城市為例測(cè)算,其供熱時(shí)間為2018年11月15日至2019年3月15日,共計(jì)120 d,按照系統(tǒng)全天候滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行工況測(cè)算,居民單位面積熱負(fù)荷為45 W/m2,系統(tǒng)總的供暖面積達(dá)44萬(wàn)m2,單位面積供暖費(fèi)用按照22元/m2計(jì),本系統(tǒng)產(chǎn)生的年節(jié)能收益約為975萬(wàn)元。
假如項(xiàng)目所在地在東北或西北,供暖時(shí)間比華北地區(qū)長(zhǎng)1~2個(gè)月,單位面積的供熱負(fù)荷也比華北地區(qū)高10 W/m2左右,折算總的供暖面積約為36萬(wàn)m2,單位面積供暖費(fèi)用按照29元/m2計(jì),測(cè)算本系統(tǒng)產(chǎn)生的年節(jié)能收益達(dá)1 055萬(wàn)元。
由上可知,在北方有供暖需求的地區(qū)均可采用本煙氣余熱回收系統(tǒng),綜合考慮供暖收益和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間因素,盡管在不同地區(qū)存在供暖負(fù)荷與供暖面積的差異,但最終收益差別不大,此類(lèi)項(xiàng)目的整體經(jīng)濟(jì)性較好。
煙氣余熱回收加熱凝結(jié)水工藝系統(tǒng)[1]是將回收的煙氣余熱用于加熱汽輪發(fā)電機(jī)組的凝結(jié)水回水,完全取7#低壓加熱器的抽汽,由此實(shí)現(xiàn)增加系統(tǒng)發(fā)電量,提升機(jī)組整體收益的目標(biāo)。本系統(tǒng)普遍應(yīng)用于各地區(qū)火力發(fā)電站,其節(jié)能效益主要取決于加熱凝結(jié)水節(jié)約抽汽增加的發(fā)電功率和凝汽器運(yùn)行負(fù)荷增加帶來(lái)的循環(huán)水泵電耗。
由表1汽水系統(tǒng)的參數(shù),通過(guò)原則性熱力系統(tǒng)計(jì)算得到7#低加抽汽效率為12.8%,汽輪機(jī)低壓加熱器抽汽效率測(cè)算結(jié)果如表2所示。
投入煙氣余熱回收系統(tǒng)后,回收的20 MW煙氣熱量用于7#低壓加熱器的加熱熱源,由此排擠出約30 t/h的低壓抽汽,被排擠出的低壓抽汽繼續(xù)在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功發(fā)電,綜合考慮8#低加新增抽汽對(duì)機(jī)組發(fā)電功率的影響,折算新增發(fā)電功率約為2 490 kW;同時(shí),因7#低加排擠抽汽導(dǎo)致汽輪機(jī)的排汽量增加,凝汽器運(yùn)行負(fù)荷隨之上升,由此帶來(lái)的循環(huán)冷卻水泵運(yùn)行電功率增加約80 kW,最終合計(jì)本系統(tǒng)能夠凈增發(fā)電功率為2 410 kW,按照上網(wǎng)電價(jià)為0.3元/kW·h,年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為8 000 h,測(cè)算得到本系統(tǒng)年收益約為580萬(wàn)元??梢?jiàn),煙氣余熱回收加熱凝結(jié)水系統(tǒng)在長(zhǎng)期滿(mǎn)發(fā)的汽輪發(fā)電機(jī)組上,整體收益情況也較可觀。
煙氣余熱回收加熱暖風(fēng)器是一種通過(guò)水媒將低溫?zé)煔庥酂徂D(zhuǎn)移至鍋爐一二次風(fēng)的工藝系統(tǒng),該工藝一方面可提升進(jìn)入空氣預(yù)熱器的冷空氣溫度,有利于維持鍋爐爐膛的燃燒溫度;另一方面用于保護(hù)空預(yù)器,防止其發(fā)生低溫腐蝕和結(jié)垢堵塞[2]等問(wèn)題。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于北方寒冷地區(qū)冬季運(yùn)行,可有效減少機(jī)組因空預(yù)器故障導(dǎo)致的非計(jì)劃停機(jī)次數(shù),對(duì)保障機(jī)組的長(zhǎng)期、安全和高效運(yùn)行具有重要意義。
雖然增設(shè)暖風(fēng)器提高了進(jìn)入鍋爐的助燃風(fēng)溫,有助于提高鍋爐的熱效率,但因空預(yù)器入口空氣溫度升高,增加了鍋爐的排煙溫度,由此使得鍋爐排煙損失增大,鍋爐熱效率下降[3-4]?;谏鲜鰻顩r,為客觀評(píng)價(jià)暖風(fēng)器對(duì)鍋爐能耗的影響,下面以表1數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),定量測(cè)算暖風(fēng)器正負(fù)兩方面作用對(duì)鍋爐熱效率的綜合影響,暖風(fēng)器對(duì)鍋爐熱效率負(fù)影響測(cè)算見(jiàn)表3,暖風(fēng)器對(duì)鍋爐熱效率正影響測(cè)算見(jiàn)表4。
綜合表3和表4測(cè)算數(shù)據(jù)可得,暖風(fēng)器投運(yùn)后鍋爐熱效率下降約1.77%,以機(jī)組額定發(fā)電功率為300 MW和全廠發(fā)電效率為42%基礎(chǔ)測(cè)算,鍋爐熱效率下降導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電效率下降約0.8%,折合發(fā)電功率減少約5 700 kW?;诒鞠到y(tǒng)僅在采暖季運(yùn)行,年運(yùn)行小時(shí)數(shù)按2 880 h計(jì),上網(wǎng)電價(jià)按0.3元/kW·h測(cè)算,計(jì)算得到加熱暖風(fēng)器系統(tǒng)年損失的發(fā)電收益約為490萬(wàn)元。然而,考慮到暖風(fēng)器的投入可大幅提升空預(yù)器的可靠性,并由此減少了機(jī)組冬季運(yùn)行期的非計(jì)劃停機(jī)次數(shù),可以根據(jù)實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)算其間接創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益。按每年減少機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)1次,停爐期間損失的發(fā)電收益約為320萬(wàn)元;將單次啟停機(jī)費(fèi)用和空預(yù)器檢修費(fèi)用按150萬(wàn)元考慮,本系統(tǒng)每年可總創(chuàng)收約470萬(wàn)元,與機(jī)組發(fā)電效率下降帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失基本一致。由此可知,煙氣余熱回收加熱暖風(fēng)器系統(tǒng)基本不產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益,但對(duì)整個(gè)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大,可作為企業(yè)可持續(xù)性生產(chǎn)管理的有利保障。
表3 暖風(fēng)器對(duì)鍋爐熱效率負(fù)影響測(cè)算表
表4 暖風(fēng)器對(duì)鍋爐熱效率正影響測(cè)算表
表5 煙氣冷卻器工藝參數(shù)表
為了直觀比較三種系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用,本文所述三種煙氣余熱回收系統(tǒng)的取熱工藝均采用同樣的煙氣冷卻器,煙氣冷卻器工藝參數(shù)如表5所示。
鑒于三種系統(tǒng)的終端熱用戶(hù)方面設(shè)計(jì)偏差較大,本文不便于統(tǒng)計(jì)其運(yùn)行費(fèi)用,這里僅討論取熱工藝的運(yùn)行費(fèi)用,主要包括引風(fēng)機(jī)新增電耗和循環(huán)水泵電耗兩部分。
1)引風(fēng)機(jī)新增電耗計(jì)算。引風(fēng)機(jī)效率ηf取為87%,電動(dòng)機(jī)功率儲(chǔ)備系數(shù)βd1為1.3,機(jī)械傳動(dòng)效率ηj1為0.98,電動(dòng)機(jī)軸功率計(jì)算公式為:
式中,Qg'為工況煙氣量,對(duì)標(biāo)態(tài)煙氣量進(jìn)行溫度和壓力修正后得到Qg'為151萬(wàn)m3/h,根據(jù)(1)式計(jì)算得到引風(fēng)機(jī)新增電耗Pf為255 kW。
2)循環(huán)水泵電耗計(jì)算。循環(huán)水泵效率ηw取為85%,電動(dòng)機(jī)功率儲(chǔ)備系數(shù)βd2為1.3,機(jī)械傳動(dòng)效率ηj2為0.98,電動(dòng)機(jī)軸功率計(jì)算公式為:
由(2)式計(jì)算得到循環(huán)水泵電耗Pw為45 kW。
由上可知,引風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵電耗功率合計(jì)為300 kW,運(yùn)行電費(fèi)按照0.3元/kW·h計(jì),結(jié)合三種系統(tǒng)的年運(yùn)行小時(shí)數(shù),測(cè)算得到各系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為:1)加熱熱網(wǎng)水系統(tǒng):26~36萬(wàn)元;2)加熱凝結(jié)水系統(tǒng):72萬(wàn)元;3)加熱暖風(fēng)器系統(tǒng):26~36萬(wàn)元。
通過(guò)上文對(duì)三種煙氣余熱回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析可以直觀地看出,煙氣余熱回收系統(tǒng)對(duì)于企業(yè)的主要意義在于創(chuàng)收和穩(wěn)產(chǎn)兩個(gè)方面。在實(shí)際工程應(yīng)用中,企業(yè)用戶(hù)應(yīng)結(jié)合自身生產(chǎn)情況和實(shí)際需求,選擇其中一種或者多種工藝的組合作為最終實(shí)施方案,以求煙氣余熱回收效益最大化,下面以加熱熱網(wǎng)水和加熱凝結(jié)水組合工藝為例做簡(jiǎn)單說(shuō)明:
本組合工藝采用采暖季加熱熱網(wǎng)水和非采暖季加熱凝結(jié)水的運(yùn)行方式,采暖季按4個(gè)月考慮,系統(tǒng)年總運(yùn)行小時(shí)數(shù)按8 000 h考慮,加熱熱網(wǎng)水的運(yùn)行小時(shí)數(shù)為2 880 h,加熱凝結(jié)水的運(yùn)行小時(shí)數(shù)為5 120 h。以2.1節(jié)和2.2節(jié)的計(jì)算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),測(cè)算得到本工藝采暖季經(jīng)濟(jì)收益約975~1 055萬(wàn)元,非采暖季的經(jīng)濟(jì)收益約370萬(wàn)元,年運(yùn)行總費(fèi)用約72萬(wàn)元,合計(jì)年凈收益約1 270~1 350萬(wàn)元??梢钥闯觯喾N煙氣余熱回收工藝組合后的經(jīng)濟(jì)效益比單純一種加熱工藝更好。同理,可將加熱暖風(fēng)器工藝和加熱凝結(jié)水工藝進(jìn)行組合,以彌補(bǔ)單純加熱暖風(fēng)器工藝無(wú)經(jīng)濟(jì)效益的不足;將加熱暖風(fēng)器和加熱熱網(wǎng)水工藝進(jìn)行組合,可實(shí)現(xiàn)企業(yè)穩(wěn)產(chǎn)和增收雙重效果。
本文以某300 MW火力發(fā)電機(jī)組為例,分析了3種煙氣余熱回收系統(tǒng)的工藝特點(diǎn),并以相同的取熱工藝為基準(zhǔn),測(cè)算了各個(gè)系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)收益和運(yùn)行費(fèi)用等方面的差異,以期為工業(yè)用戶(hù)在煙氣余熱回收利用方面的設(shè)計(jì)選型提供參考依據(jù):
1)加熱熱網(wǎng)水系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)控性較好和工程改造量小的特性,適用于冬季有采暖需求地區(qū),僅在采暖季運(yùn)行,系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用低,綜合收益高。在滿(mǎn)負(fù)荷工況下,年凈收益約為900~1 000萬(wàn)元,可作為有采暖需求企業(yè)用戶(hù)的首選工藝路線。
2)加熱凝結(jié)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,調(diào)控難度較大,工程改造量小,不受地域限制,全年均可運(yùn)行,年總收益較好,但運(yùn)行費(fèi)用較高。在滿(mǎn)負(fù)荷工況下,年凈收益在500萬(wàn)元以上,對(duì)于沒(méi)有采暖需求的工業(yè)企業(yè),本工藝將是煙氣余熱回收的優(yōu)選方案。
3)加熱暖風(fēng)器系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單、調(diào)控性好,工程改造量較大,適用于冬季寒冷地區(qū),通常在采暖季運(yùn)行,運(yùn)行費(fèi)用較低,但由于其會(huì)降低鍋爐的熱效率,造成一定的發(fā)電收益損失。盡管如此,綜合考慮系統(tǒng)對(duì)整個(gè)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的有利作用,其所產(chǎn)生的間接效益也很可觀,由工程經(jīng)驗(yàn)測(cè)算得到,其間接經(jīng)濟(jì)效益與損失的發(fā)電收益基本相等;故可認(rèn)為本系統(tǒng)不產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于以穩(wěn)定生產(chǎn)為主的企業(yè)用戶(hù),可以采用本工藝作為煙氣余熱回收系統(tǒng)的技術(shù)方案。
4)在鍋爐排煙溫度較高,煙氣余熱資源富足的工業(yè)企業(yè),可以采用多種工藝的組合作為煙氣余熱回收項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案,以達(dá)到最大化回用煙氣余熱資源的目的。