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電站鍋爐低壓省煤器節能原理及工程實例

目前,國內一些電廠鍋爐排煙溫度偏高,造成鍋爐運行效率降低,機組標準煤耗增加;此外,電廠若上脫硫系統,亦需要較大幅度降低排煙溫度。從電廠技術改造角度,有多種方案可達到降低排煙溫度的目的,在電廠的熱系統中增設低壓省煤器即是其中之一。已在國內幾十家電廠的上百臺機組上安裝了這種低壓省煤器的系統。
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目前,國內一些電廠鍋爐排煙溫度偏高,造成鍋爐運行效率降低,機組標準煤耗增加;此外,電廠若上脫硫系統,亦需要較大幅度降低排煙溫度。從電廠技術改造角度,有多種方案可達到降低排煙溫度的目的,在電廠的熱系統中增設低壓省煤器即是其中之一。已在國內幾十家電廠的上百臺機組上安裝了這種低壓省煤器的系統。

但對于低壓省煤器降低排煙溫度的合理性及其節能效果,尚有不少電廠熱工人員存有質疑,以致影響了低壓省煤器系統在電廠節能減排中的推廣應用,有必要在理論上加以澄清。

本文是以等效焓降理論為基礎,結合作者在國內十余家電廠低壓省煤器改造中所作方案比對的實際數據,對于低壓省煤器系統的工作原理、標準煤節省量的計算、技術經濟比較、方案比對論證、以及若干重要的運行特性作出一個全面的總結,最后給出一個工程應用的實例。

 

1. 低壓省煤器系統簡介

低壓省煤器是利用鍋爐排煙余熱,節約能源的有效措施之一,并頗具特色。低壓省煤器裝在鍋爐尾部,結構與一般省煤器相仿。


低壓省煤器熱系統示意圖

1-低壓省煤器本體;2-進口集箱;3-進口閥門;4-出口閥門;5-出口集箱;6-電調閥;7-流量計;8—回熱加熱系統(低壓部分)

典型的低壓省煤器的熱力系統如圖1所示。低壓省煤器與主回水成并聯布置,其進口水取自汽輪機的低壓回熱系統,低省的過水量、入口水溫均可在運行中調節。進入低省的凝結水吸收鍋爐排煙熱量后,在除氧器入口與主凝結水匯合。這種熱力系統,低省的給水跨過若干級加熱器,利用級間壓降克服低省本體及連接管路的流阻,不必增設水泵,提高了運行可靠性,同時也自然地實現了排煙余熱的梯級利用。


2.低壓省煤器節能理論及計算

一般認為,把煙氣余熱輸入回熱系統中會排擠部分抽汽,導致熱力循環效率降低;并且,排擠的部分抽汽會增加凝汽器的排汽使汽輪機真空有所降低。這兩點對于低壓省煤器節能的疑問必須加以澄清。理論上,增設低壓省煤器后,大量煙氣余熱進入回熱系統,這是在沒有增加鍋爐燃料量的前提下,獲得的額外熱量,它以一定的效率轉變為電功。這個新增功量要遠大于排擠抽汽和汽機真空微降所引起的功量損失,所以機組經濟性無例外都是提高的。

1.1 發電煤耗節省量計算

采用等效熱降法進行熱經濟性分析[1]。將低壓省煤器回收的排煙余熱作為純熱量輸入系統,而鍋爐產生1kg新汽的能耗不變。在這個前提下,熱系統所有排擠抽汽所增發的功率,都將使汽輪機的效率提高。

相應1kg汽輪機新汽,其全部做功量稱新汽等效焓降(記為H),所有排擠抽汽所增發的功量(記為ΔH)稱等效焓降增量,計算如下:

H = 3600/(ηjd×d)                   (kJ/kg)

ΔH=β[(hd2-h4)η5+∑(τj·ηj)]          (kJ/kg)

式中 d—機組汽耗率,kg/kwh;

ηjd—汽輪機機電效率;

β—低省流量系數;

hd2—低壓省煤器出水比焓,kJ/kg;

h4—除氧器進水比焓,kJ/kg;

τj—所繞過的各低加工質焓升,kJ/kg;

ηj—所繞過的各低加抽汽效率。

熱耗率降低δq按下式計算:

δq=ΔH·q/(H+ΔH)                (kJ/kwh)

式中 q—機組熱耗率,kJ/kwh;

發電標煤耗節省量δbs按下式計算:

δbs=δq/(ηp·ηb·29300)          (kg/kwh)

式中ηp、ηb——鍋爐效率、管道效率;

以已投運的某200MW火電機組低壓省煤器系統為例進行節能量計算,結果列于表1。由表1可見,低壓省煤器降低排煙溫度28℃,可節省標準煤3.05g/kwh。


98.jpg

這里指出,低壓省煤器盡管降低了排煙溫度,但并未改變鍋爐效率。鍋爐的排煙溫度仍然定義于空氣預熱器出口。

1.2 汽輪機真空影響計算

對于濕冷機組,汽輪機背壓增量dpc與冷凝量增量dDc關系借助凝汽器的變工況計算,亦可按下式估算[2]

dpc=2.059×dDc/Dc            (kPa)

dDc=∑Dj- dD0               (t/h)

式中 Dc—凝汽器冷凝量,t/h,

dD0—由增設低省引起的汽輪機新汽量減少值,t/h,可由δbs計算得到。

∑Dj—低省各排擠抽抵達凝汽器的總量,t/h。其中第J級的排擠量按下式計算:

Dj=3.6·γj·G·τj/qj         ( t/h)

式中 G—低省的過水流量,kg/s

γj—排擠系數,指第J級排擠抽汽抵凝汽器的份額,按文獻[1]計算。

其余符號,意義同前。

表2列出了汽輪機真空計算主要結果。


99.jpg

由表可知,各排擠抽抵達凝汽器的總量14.12t/h,低省節省新汽量5.64t/h,冷凝量凈增量8.48t/h,由此引起汽輪機背壓升高0.0404kPa。此時汽輪機排汽比焓升高值為0.457kJ/kg,僅占新汽等效焓降的0.037%。根據以上分析,排擠抽汽對汽輪機真空以及對汽輪機做功的影響完全可以忽略。

2.降低排煙溫度方案比較

主要比較了傳統的高壓省煤器改造和增設低壓省煤器的兩種技術方案。與高壓省煤器改造相比,低壓省煤器在電廠節能減排方面有其獨到的優點:

(1)可以實現排煙溫度的大幅度降低。按照電廠的不同需求,可降低排煙溫度30℃~35℃,甚至更多。而改造高壓省煤器,則根本無法做到這一點。這個優點對于需上脫硫系統的鍋爐(排煙溫度有最高限制),是十分珍貴的。

(2)對于鍋爐燃燒和傳熱不會產生任何不利影響。由于低壓省煤器布置于鍋爐的最后一級受熱面(下級空預器)的后面,因此,它的傳熱行為對于鍋爐的一切受熱面的傳熱均不發生影響。因此既不會降低入爐熱風溫度而影響鍋爐燃燒,也不會使空氣預熱器的傳熱量減少,從而反彈排煙溫度的降低效果。

(3)具有獨特的煤種和季節適應性。鍋爐的低壓省煤器出口煙溫可以根據不同季節和煤質(主要是含硫量)進行調節,以實現節能和防腐蝕的綜合要求。這也是高壓省煤器改造所不具備的。例如為貴州QG電廠670t/h鍋爐設計的低壓省煤器,設計將排煙溫度從160℃降低到135℃。后運行中排煙溫不正常升高到180℃,低壓省煤器靠自身的煙溫調節功能,仍然將排煙溫度輕松降低到135℃。

(4)設計低壓省煤器也可以同時解決汽輪機熱力系統的某些缺陷。例如山西ST電廠#4機(200MW),大修前除氧器的主凝結水進水溫度高出設計值很多,造成了除氧器的排擠抽汽。為此,只得部分開啟#4低加旁路,使汽輪機熱耗增加。加裝低壓省煤器后,低省出口的水溫為120℃,低于主凝結水溫度34℃,與主凝結水匯合后,使除氧器進水溫度基本恢復設計值,從而消除了回熱系統的缺陷,保證了除氧效果。

(5)采用低壓省煤器系統,可以充分利用鍋爐本體以外的場地空間布置受熱面,因而空間寬綽、便于檢修。

當然,由于低壓省煤器所吸收余熱的利用能級相對較低,因此其單位排煙溫降的節能量不及高壓省煤器改造。如果電廠只需少量降低排煙溫度、而鍋爐又無燃燒穩定性的擔憂或其它限制時,改造高壓省煤器也不失為較好的方案。

3.低壓省煤器主要運行特性

3.1 節能量-水量特性

某300MW機組低壓省煤器的節能量-水量特性如圖2所示。關于過水流量影響標準煤耗的理論探討,詳見文獻[3]。

3.2 節能量-負荷特性

某300MW機組低壓省煤器的節能量-負荷特性也示于圖2。該圖表明,增設低壓省煤器對于負荷率較低的發電機組在經濟上則更為有利。

3.3 進水溫度特性

圖3是某1025t/h爐低壓省煤器出口煙溫、出口水溫和節能量與進水溫度的關系。圖中低壓省煤器的進口煙溫均保持相等。由圖可知運行中應恰當控制低壓省煤器的出口煙溫,過分追求排煙溫度降低在經濟上是不利的。


圖2 低壓省煤器節能量-水量曲線

1—100負荷;2—65%負荷

圖3 低壓省煤器出口煙溫、節能量與進口水溫關系,實線—進水溫度87.5℃;虛線—進水溫度80.5℃


低壓省煤器的以上幾個特性具有普遍性。但具體的函數關系則與熱力系統的參數、低省進口煙溫等有關,不能套用。需要經過變工況計算予以確定,指導運行。


4.低壓省煤器工程實例一

4.1 概況

山西SHET發電廠#4爐為蘇制EΠ-670/13.7型中間再熱自然循環煤粉爐,T型布置,配蘇制215MW機組。額定蒸發量670t/h,額定汽溫545/545℃,設計煤種為西山煙煤,現運行煤種為平朔煙煤,本爐設計排煙溫度156℃,但運行后鍋爐排煙溫度偏高,全年平均達170℃,超出設計值近20℃。同時電廠脫硫也急切需要降低排煙溫度。為此,經過方案論證,于2007年2月電廠進行了增設低壓省煤器的技術改造。

4.2 方案簡介

低壓省煤器與主回水成并聯布置,其進口水取自汽輪機的低壓回熱系統,設計特定的進水方式與電調閥配合,可實現低壓省煤器進水量的切換與調整。進入低壓省煤器的凝結水吸收排煙熱量后,在除氧器入口與主凝結水匯合??考訜崞鞯募夐g壓力克服低省阻力,不必增設水泵。

低壓省煤器的總體布置采用了四煙道錯列管排逆流布置(見圖4)。主受熱面以鍋爐對稱中心為界,分甲、乙兩側分別安裝于電除塵器前的四個上行煙道內。鍋爐排煙從空預器流出,經水平煙道轉彎后上行,在豎煙道內自下向上沖刷低省蛇形管束;由凝結水系統流來的低壓水,經布置在上方的低壓省煤器入囗集箱進入低壓省煤器,自上而下經蛇形管排流入出囗集箱,在除氧器進水管道的某一點與主凝結水匯合。低壓省煤器傳熱元件采用專為低壓省煤器設計的零隙阻鎳基滲層肋片管。采用夾持板支持蛇行管屏重量,并兼有固定管束各管間橫、縱向節距的作用。管箱組裝后外形總尺為5200×3600×825mm。低壓省煤器的主要結構與設計參數見表3。


圖4 低壓省煤器總體布置圖

1-進水母管;2-出水母管;3-本體管束;4-水平煙道;5-電除塵前豎直煙道;6-鋼架

4.3.運行結果與效益分析


本低壓省煤器于2007年6月15日投運,至今運行穩定、可靠。經測試各項指標均達到設計要求,尤其是煙溫降和煙氣流阻的控制更是優于設計值。借助低省進水溫度和流量的調節,鍋爐排煙溫度最低可降低至130℃以下。但考慮到低溫腐蝕的影響目前煤質下控制排煙溫度在140℃左右運行。機組運行與調試數據的主要結果見表4。運行數據和計算結果均表明,本改造降低機組標準煤耗近3 g/kwh,年節標煤4千余噸,全部投資僅一年多即可收回。

#4大修前除氧器的主凝結水進水溫度高出設計值很多,造成了除氧器的排擠抽汽。為此,不得不部分開啟最后一級低加旁路,造成汽輪機熱耗增加。加裝低壓省煤器后,低省出口的水溫接近130℃,低于主凝結水溫度近30℃,與主凝結水匯合后,使除氧器進水溫度比原運行值降低10℃~12℃,保證了除氧器的安全可靠運行。

運行表明,即使在夏季最大負荷、最高排煙溫度下,進入靜電除塵器的煙氣溫度也能降低至140℃以下,這就為鍋爐的煙氣脫硫提供了必需的煙溫條件,具有良好的環境效益。


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