褐煤锅炉余热集成梯级利用系统的应用与研究

赵小楠，杨巨生

(1.内蒙古京能锡林发电有限公司，内蒙古 锡林郭勒 026000；2.太原理工大学，太原 030024)

褐煤锅炉余热集成梯级利用系统的应用与研究

赵小楠1，杨巨生2

(1.内蒙古京能锡林发电有限公司，内蒙古 锡林郭勒 026000；2.太原理工大学，太原 030024)

褐煤锅炉空预器排烟温度达161 ℃，不利于节能。基于能量品位梯级利用原理和系统集成方法论，设计实施了尾部烟气余热集成梯级利用系统，与蒸汽回热系统进行耦合优化，排挤高品质抽汽返回汽轮机内继续膨胀做功。相对于将低温省煤器布置在空气预热器出口之后的传统方案，采用梯级利用技术节能优势显著。

能量梯级利用，烟气余热，低温省煤器，节能

0 引言

1 烟气余热的热力学分析方法

在尾部烟道中增设余热换热装置，利用烟气余热加热回热系统的冷凝水，排挤部分进入回热换热器的回热抽汽，增加进入汽轮机后续级的蒸汽流量，从而增加汽轮机的总输出功率，提高整个发电机组的效率。

烟气余热系统热力平衡分析。对第i级回热加热器(如图1所示)的热平衡式如下

qmn,i-1hn,i-1-qmn,ihn,i=(qme,ihe,i+

qms,i-1hs,i-1-qms,ihs,i)ηh,i。

(1)

当存在余热回收利用时，对于同样的换热器热平衡式如下

图1 回热加热器热平衡关系

(2)

式中：Qg为给水或凝结水吸收的烟气余热量，kJ/h；η为回热加热器效率；qm为质量流量，kg/h；he，hn，hs分别代表蒸汽、凝结水或给水、疏水的比焓，kJ/kg；有*的量表示采用烟气余热利用时的参数。

根据传热学原理可知，电站锅炉尾部烟气用于加热凝结水的热量Qg大致相当于烟气的放热量， 凝结水吸热量热平衡式如下

在之后与它的谈话中，我得到了一些信息。人类为了发展科技，大肆破坏自然环境，在三千年后科技终于位居宇宙排名的前五名。三千年后的人都很富裕，像医院、酒吧、游乐场都只有机器人员工。这时候的人类不用工作，也能得到每天一万元的宇宙币（一种宇宙的通用货币），但唯一的问题是：地球环境受到了无法修复的破坏，自然界已经没有了氧气，所以人类要戴着氧气面罩才能到户外进行活动。因为环境受到污染，地球人只能向外星球移民，给外星球增添了负担。外星球一再提出要地球人改善地球的环境，但地球人依旧我行我素。最终，外星人忍无可忍，决定联手消灭地球人。此时此刻，在地球上的某一处，外星人大军正在与地球士兵作战呢。

Qg=qm×cρ,g×Δt×φ，

(3)

凝结水或给水吸收烟气余热后，可排挤的该级节约回热抽汽量为

(4)

根据该级回热加热器的抽汽量变化Δqmi，可计算出汽轮机机组做功增量 ΔPi为

(5)

式中：he，i为该级加热器抽汽的比焓；hc为汽机低压缸排汽的比焓， kJ/kg；ηm为机组的机械效率；ηg为发电机效率。

2 烟气余热利用系统的热力学分析

某电厂汽轮机为单轴、一次中间再热、三缸两排汽、 间接空冷凝汽式汽轮机，型号为NJK660-28/600/620。锅炉为超超临界中间一次再热∏型变压直流炉，型号为B&WB-2117/29.4-M。回热系统采用九级回热抽汽“三高、五低、一除氧”。锅炉燃用设计煤种，低位发热量为14.69 MJ/kg，锅炉实际燃煤量为408 t/h，锅炉热效率为93.02%。空预器出口排烟温度为161.3 ℃。

根据该厂系统参数，对采用常规低温省煤器的烟气余热利用系统和集成梯级烟气余热系统2种技术方案分别进行热力平衡计算。各方案的主要设备及其设计参数见表1。

表1 2种系统主要设备及其设计参数 ℃

2.1低温省煤器热力学分析

采用传统的低温省煤器的技术方案如图2所示(图中高加为高压加热器，低加为低压加热器，下同)，将#7低加入口的凝结水引出加热后送人#6低加出口，排挤6次抽汽量来提高蒸汽做功能力，又考虑到工程应用实际，必须保证换热器的两侧节点有15.0 ℃以上的温差。#7低加入口凝结水温度为98.3 ℃，因此排烟温度控制在113.0 ℃左右。根据表的设计参数，图3给出了烟气余热利用系统常规方案和烟气余热利用过程的T-Q图。由图3可见凝结水温升较小，此方案对提高机组经济性效果有限，只能降低煤耗约2 g/(kW·h)。对于褐煤机组的烟气余热利用不充分。

图2 低温省煤器烟气余热利用系统

图3 低温省煤器烟气余热利用系统的T-Q图

2.2烟气余热集成梯级利用系统的分析

根据“温度对口，能级匹配”的梯级利用原则，对尾部烟道的烟气余热利用系统进行优化设计，如图4所示。首先利用低品位烟气余热加热冷一、二次风，提高空预器入口风温，减少烟气在空预器中的换热，而将这部分高品位热量在烟气旁路加热高加旁路给水和#5低加凝结水，通过排挤汽轮机一、二、三、五次高品位的回热抽汽从而获得更高的经济效益。集成梯级利用系统不仅有利于余热的梯级回收利用，在变工况运行时，排烟温度的控制有更好的适应性与灵活性[3-4]。

图4 烟气余热集成梯级利用系统

锅炉尾部烟气余热梯级利用方案具体包括：空预器旁路换热器(给水换热器，凝结水换热器)、凝结水烟冷器、热媒水交换器。给水换热器从给水泵出口引出1路给水，利用烟气旁路余热将给水温度从196.0 ℃左右升至310.0 ℃左右再送至省煤器入口，通过排挤汽轮机一、二、三次高品级的回热抽汽从而获得更高的经济效益。从#6低加出口引出的部分凝结水，通过凝结水烟气换热器将凝结水温度由138.0 ℃升至158.0 ℃再送至#5低加出口，排挤汽轮机五次抽汽量提高蒸汽做功能力。凝结水烟冷器将#7低加入口的凝结水引出加热后送入#6低加出口，排挤六、七次抽汽量来提高蒸汽做功能力。热媒水换热器采用低品质的低温烟气以热媒水作为中间介质预热空预器进口一、二次冷风，提高空预器入口风温，防止空预器低温腐蚀与堵灰。图5给出了梯级烟气余热利用系统的T-Q图。

图5 烟气余热集成梯级利用系统的T-Q图

2.32种系统的热力分析对比

低温省煤器系统和烟气余热梯级综合利用系统的热力学分析结果见表2。

表2 2种系统热力分析结果

计算结果表明采用烟气余热梯级利用系统后，使低温省煤器煤耗降低值由2.0 g/(kW·h)提高到7.7 g/(kW·h)，同时使机组效率提高1.5%。效率比采用单一热源的低温省煤器更高。

3 结论

通过对集成梯级烟气余热系统的热力学研究分析，表明余热的转换利用不仅要关注余热的数量，还要考虑余热的品位质量问题。高温高压热源比低温低压热源转换力大。通过对不同品位能量的合理分配以及与各系统的优化匹配，可以获得更好的整体节能效果。与常规低温省煤器的烟气余热利用技术相比，高效褐煤烟气余热集成梯级利用系统具有以下明显优势。

(1)采用梯级利用技术可使机组供电煤耗降低值由2.0 g/(kW·h) 提高至7.7 g/(kW·h)。

(2)集成烟气余热换热器使阻力提高导致风机能耗增加量与烟气量减少引起的电耗降低量基本相当。

(3)空预器进出口的冷一、二次风温水平均较高达95.3 ℃，减小了低温腐蚀的可能。

(4)在变工况运行时，电除尘入口烟温的控制有更好的适应性与灵活性。

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[2]戈志华，胡学伟，杨志平.能量梯级利用在热电联产中的应用[J].华北电力大学学报，2010，37(1)：66-68.

[3]李勤道，刘志真.热力发电厂热经济性计算分析[M ].北京：中国电力出版社，2008.

[4]黄圣伟，徐钢，杨勇平，等.电站锅炉烟气余热利用的热力学分析与优化设计原则[J].现代电力，2013(1):75-80.

TK 323

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1674-1951(2017)10-0066-03

2017-08-23；

2017-09-10

(本文责编：刘炳锋)

赵小楠(1988—)，男，河南商丘人，工程师，工学硕士，从事火电厂发电运行工作(E-mail:873170744@qq.com)。

杨巨生(1965—)，男，山西太谷人，教授，从事节能技术研究工作。