唐 寅，王子睿，鄭 震，宗吉琪，何朝榮

(華能南京燃機(jī)發(fā)電有限公司，南京 210034)

隨著近年來(lái)國(guó)際社會(huì)的能源清潔和環(huán)境保護(hù)要求的日益提高，我國(guó)作為能源消耗大國(guó)從經(jīng)濟(jì)、政策等各方面對(duì)能源利用提出更高的要求，以燃燒煤炭作為電力生產(chǎn)主體的現(xiàn)狀正被不斷改善。在一次能源中，天然氣綠色環(huán)保且儲(chǔ)量豐富，近年來(lái)隨著天然氣新增儲(chǔ)量的不斷提高，燃?xì)獍l(fā)電也得到快速發(fā)展。2019年，我國(guó)燃?xì)獍l(fā)電量為2 325億kW·h，較2018年提高7.89%；燃?xì)廨啓C(jī)裝機(jī)容量為9 024萬(wàn)kW，較2018年提高7.74%[1]。我國(guó)現(xiàn)有燃?xì)獍l(fā)電主要以燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為主體，通過(guò)將燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)相結(jié)合，其聯(lián)合系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率高，通常都達(dá)到55%以上[2]。其中，余熱鍋爐作為連接燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，許多學(xué)者對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行了深入研究[3-5]，包括：建立汽水系統(tǒng)分析模型，對(duì)余熱鍋爐汽水系統(tǒng)進(jìn)行分析，以優(yōu)化各蒸汽壓力來(lái)提高發(fā)電功率[6-7]；利用能量平衡原理對(duì)影響聯(lián)合循環(huán)熱效率的諸多因素進(jìn)行計(jì)算，以分析損的方式對(duì)性能提升空間進(jìn)行研究[8]；也有學(xué)者對(duì)聯(lián)合循環(huán)中余熱鍋爐及蒸汽輪機(jī)變工況運(yùn)行進(jìn)行研究，以提高聯(lián)合循環(huán)整體性能[9-10]。

多數(shù)聯(lián)合循環(huán)研究集中于理論分析，而對(duì)現(xiàn)有機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行難以給予有效的指導(dǎo)。本文提出以回收煙氣余熱的方式加熱天然氣，在聯(lián)合循環(huán)中將煙氣余熱高效回收，實(shí)現(xiàn)更加匹配的能量利用，并與電加熱、抽汽加熱天然氣的方案進(jìn)行對(duì)比，所得結(jié)果可為現(xiàn)有燃?xì)?蒸汽聯(lián)合發(fā)電機(jī)組的余熱深度利用和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 煙氣余熱回收加熱天然氣系統(tǒng)原理和能量平衡

1.1 煙氣余熱回收加熱天然氣系統(tǒng)原理

針對(duì)9E燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組提出的基于煙氣余熱回收的天然氣加熱方案系統(tǒng)原理如圖1所示。利用除鹽水對(duì)余熱鍋爐排煙熱量進(jìn)行回收，并設(shè)置天然氣加熱器對(duì)天然氣進(jìn)行加熱，在天然氣加熱器中完成放熱的除鹽水匯入凝結(jié)水母管進(jìn)行回收。經(jīng)過(guò)預(yù)熱的天然氣，再分配至燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器。

圖1 煙氣余熱回收加熱天然氣系統(tǒng)圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，天然氣在天然氣加熱器管內(nèi)流動(dòng)，設(shè)置并聯(lián)于加熱器的旁路氣動(dòng)門，作為天然氣溫度調(diào)節(jié)閥對(duì)出口天然氣進(jìn)行摻混，以控制天然氣出口溫度在合理范圍內(nèi)。除鹽水通過(guò)尾部煙道中除鹽水換熱器加熱升溫后進(jìn)入天然氣加熱器；加熱器的回水則經(jīng)由凝水加熱器提升泵提高壓力后，匯入凝結(jié)水母管后進(jìn)入凝水加熱器，最終作為凝結(jié)水進(jìn)入除氧器。

1.2 余熱回收系統(tǒng)能量平衡

系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性分析的關(guān)鍵在于煙氣余熱回收量的計(jì)算，根據(jù)余熱鍋爐排煙成分計(jì)算煙氣焓，主要包括：氬氣(Ar)、二氧化碳(CO2)、水(H2O)、氮?dú)?N2)和氧氣(O2)。除鹽水換熱器位于尾部煙道中，煙氣溫度較低，除鹽水換熱器前后煙氣成分保持不變?？筛鶕?jù)以下公式對(duì)煙氣焓hg進(jìn)行計(jì)算：

hg=hAr+hCO2+hH2O+hN2+hO2

(1)

hg=∑CPΔT

(2)

式中：hAr、hCO2、hH2O、hN2和hO2分別為對(duì)應(yīng)煙氣狀態(tài)下各成分焓，kJ/kg；CP是各成分對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；ΔT為與基準(zhǔn)點(diǎn)的溫度差，在計(jì)算中選取水的三相點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)天然氣加熱所需要的熱量，以及加熱器進(jìn)出口的除鹽水溫度，可根據(jù)公式(3)對(duì)除鹽水流量Gw進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：Qw為除鹽水放熱量，MW；Δhw為加熱器進(jìn)出口焓差，kJ/kg。

余熱鍋爐煙氣溫度的降低將提高余熱鍋爐效率ηh，對(duì)其可按公式(4)進(jìn)行近似計(jì)算[2]：

(4)

式中：T4為燃?xì)馔钙脚艢饨^對(duì)溫度，K；T3為余熱鍋爐排氣絕對(duì)溫度，K；T1為外界大氣絕對(duì)溫度，K。

2 機(jī)組簡(jiǎn)介和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)組簡(jiǎn)介

本文以某9E燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為關(guān)鍵系統(tǒng)，包括一個(gè)17級(jí)的軸流式壓氣機(jī)、一個(gè)由14個(gè)分管式燃燒室組成的燃燒系統(tǒng)、一個(gè)3級(jí)透平轉(zhuǎn)子。其中燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度為546 ℃，透平進(jìn)口溫度為1 124 ℃。匹配一臺(tái)三壓無(wú)補(bǔ)燃、雙鍋筒、帶一體化除氧器、臥式煙道、立式螺旋翅片管自然循環(huán)水管鍋爐，標(biāo)準(zhǔn)工況下主要參數(shù)如表1所示。

表1 余熱鍋爐標(biāo)準(zhǔn)工況下主要參數(shù)

2.2 換熱器參數(shù)設(shè)計(jì)

除鹽水換熱器布置在尾部煙道中，一方面考慮到末級(jí)受熱面溫度較低導(dǎo)致低溫腐蝕可能性，故選定除鹽水換熱器出口煙氣溫度為80 ℃，高于55 ℃的燃?xì)鉄煔饴饵c(diǎn)溫度[11]；另一方面，為保證換熱器良好的換熱效果，故設(shè)定換熱器除鹽水出口溫度為75 ℃。天然氣加熱器設(shè)計(jì)將天然氣由5 ℃加熱至35 ℃，考慮到實(shí)際環(huán)境下運(yùn)行可行性，設(shè)定天然氣加熱器除鹽水出口溫度為40 ℃。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上文換熱器溫度節(jié)點(diǎn)設(shè)置，余熱鍋爐末級(jí)受熱面前后煙氣溫度為100 ℃和80 ℃，壓力103.9 kPa，各成分及焓值如表2所示，根據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算得到100 ℃和80 ℃煙氣總焓分別為108.91 kJ/kg和86.75 kJ/kg。

表2 除鹽水換熱器進(jìn)出口煙氣焓

除鹽水換熱器和天然氣加熱器的計(jì)算結(jié)果如表3和表4所示。由表中計(jì)算結(jié)果可以看出，除鹽水換熱器有效回收煙氣熱量1.37 MW，換熱器所需煙氣流量也僅為224.08 t/h，約占煙氣總流量的15.0%，換熱器流通截面小，所需建造成本較低；加熱器在滿足天然氣溫度需求的前提下，方案所需除鹽水流量33.28 t/h，流量較小，增壓泵電耗低。同時(shí)，天然氣加熱器傳熱溫壓為37.44 ℃，加熱器效率可達(dá)80%，熱量利用率高。

表3 除鹽水換熱器主要計(jì)算結(jié)果

表4 天然氣加熱器主要計(jì)算結(jié)果

同時(shí)，根據(jù)公式(4)可以算得對(duì)比機(jī)組原余熱鍋爐效率為83.99%，應(yīng)用該設(shè)計(jì)方案后，將15%煙氣降低20 ℃等價(jià)于將100%煙氣降低3 ℃，可計(jì)算得余熱鍋爐效率為84.56%，提高0.57%。

同時(shí)將天然氣加熱至相同溫度的基礎(chǔ)上，對(duì)原系統(tǒng)中使用電加熱和抽汽加熱兩種方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了計(jì)算。由表5和表6可知，電加熱器加熱方案雖換熱效率高達(dá)96.5%，由于天然氣流量大且用電成本較高，使得每小時(shí)的運(yùn)行成本就達(dá)到630元。成本提高的同時(shí)還使用電加熱器加熱天然氣，雖當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用技術(shù)成熟，但仍存在較大的安全隱患，電器設(shè)備運(yùn)行環(huán)境要求高，日常檢修維護(hù)較為困難。由于本文分析的實(shí)例9E機(jī)組為供熱機(jī)組，使用抽汽加熱直接降低對(duì)外供熱量，以當(dāng)前市場(chǎng)供熱價(jià)格計(jì)算，抽汽加熱方案每小時(shí)運(yùn)行成本達(dá)380元。抽汽加熱由于熱源為過(guò)熱蒸汽，壓力等級(jí)較高，對(duì)天然氣換熱器的容器壓力要求更高，實(shí)際建造材料成本也會(huì)增大。

表5 電加熱器方案計(jì)算結(jié)果

表6 抽汽加熱方案計(jì)算結(jié)果

對(duì)比三種方案可以發(fā)現(xiàn)，煙氣余熱加熱天然氣方案不僅充分使用鍋爐低溫余熱，且系統(tǒng)設(shè)計(jì)能量和水都做到閉式循環(huán)，利用及回收效率100%，額外能耗幾乎可忽略不計(jì)。以9E機(jī)組年運(yùn)行300天為例，煙氣余熱加熱天然氣方案對(duì)比電加熱器加熱方案年可節(jié)約費(fèi)用453.6萬(wàn)元，對(duì)比抽汽加熱方案可節(jié)約273.6萬(wàn)元，熱經(jīng)濟(jì)性顯著。

4 結(jié)論

本文基于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，提出以除鹽水為媒介深度回收余熱鍋爐煙氣余熱用以加熱天然氣的技術(shù)方案，并以現(xiàn)役某9E機(jī)組為例，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性分析，主要結(jié)論如下：

1) 在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)上，提出將余熱鍋爐的煙氣余熱回收用于加熱燃?xì)廨啓C(jī)天然氣的設(shè)計(jì)方案，降低排煙熱損失，優(yōu)化了聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中各部分不同品質(zhì)能量的匹配和利用，使得余熱鍋爐效率提高了0.57%。

2) 針對(duì)實(shí)例對(duì)機(jī)組進(jìn)行了余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將傳熱媒介做到了重新回收，在聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中做到閉環(huán)，使得能量得到最充分的回收及利用，同時(shí)以除鹽水作為載體，將水分100%回收達(dá)到水資源的零流失。

3) 以200 MW 9E機(jī)組為例，進(jìn)行了該方案與電加熱、抽汽加熱方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，結(jié)果顯示煙氣余熱回收加熱天然氣的方案運(yùn)行費(fèi)用幾乎為零，而電加熱和抽汽加熱的方案年費(fèi)用分別達(dá)到453.6萬(wàn)元和273.6萬(wàn)元，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4) 提出煙氣余熱回收加熱天然氣方案，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)單，且改造所需新增設(shè)備較少，運(yùn)行成本極低，因此認(rèn)為可直接將其應(yīng)用于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，以深度發(fā)掘聯(lián)合循環(huán)機(jī)組節(jié)能潛力，提升系統(tǒng)效率和環(huán)境效益。