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電站鍋爐低壓省煤器節(jié)能原理及工程實(shí)例

目前,國(guó)內(nèi)一些電廠鍋爐排煙溫度偏高,造成鍋爐運(yùn)行效率降低,機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加;此外,電廠若上脫硫系統(tǒng),亦需要較大幅度降低排煙溫度。從電廠技術(shù)改造角度,有多種方案可達(dá)到降低排煙溫度的目的,在電廠的熱系統(tǒng)中增設(shè)低壓省煤器即是其中之一。已在國(guó)內(nèi)幾十家電廠的上百臺(tái)機(jī)組上安裝了這種低壓省煤器的系統(tǒng)。
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產(chǎn)品詳情

目前,國(guó)內(nèi)一些電廠鍋爐排煙溫度偏高,造成鍋爐運(yùn)行效率降低,機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加;此外,電廠若上脫硫系統(tǒng),亦需要較大幅度降低排煙溫度。從電廠技術(shù)改造角度,有多種方案可達(dá)到降低排煙溫度的目的,在電廠的熱系統(tǒng)中增設(shè)低壓省煤器即是其中之一。已在國(guó)內(nèi)幾十家電廠的上百臺(tái)機(jī)組上安裝了這種低壓省煤器的系統(tǒng)。

但對(duì)于低壓省煤器降低排煙溫度的合理性及其節(jié)能效果,尚有不少電廠熱工人員存有質(zhì)疑,以致影響了低壓省煤器系統(tǒng)在電廠節(jié)能減排中的推廣應(yīng)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(chǔ),結(jié)合作者在國(guó)內(nèi)十余家電廠低壓省煤器改造中所作方案比對(duì)的實(shí)際數(shù)據(jù),對(duì)于低壓省煤器系統(tǒng)的工作原理、標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)省量的計(jì)算、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較、方案比對(duì)論證、以及若干重要的運(yùn)行特性作出一個(gè)全面的總結(jié),最后給出一個(gè)工程應(yīng)用的實(shí)例。

 

1. 低壓省煤器系統(tǒng)簡(jiǎn)介

低壓省煤器是利用鍋爐排煙余熱,節(jié)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(jié)構(gòu)與一般省煤器相仿。


低壓省煤器熱系統(tǒng)示意圖

1-低壓省煤器本體;2-進(jìn)口集箱;3-進(jìn)口閥門;4-出口閥門;5-出口集箱;6-電調(diào)閥;7-流量計(jì);8—回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)(低壓部分)

典型的低壓省煤器的熱力系統(tǒng)如圖1所示。低壓省煤器與主回水成并聯(lián)布置,其進(jìn)口水取自汽輪機(jī)的低壓回?zé)嵯到y(tǒng),低省的過水量、入口水溫均可在運(yùn)行中調(diào)節(jié)。進(jìn)入低省的凝結(jié)水吸收鍋爐排煙熱量后,在除氧器入口與主凝結(jié)水匯合。這種熱力系統(tǒng),低省的給水跨過若干級(jí)加熱器,利用級(jí)間壓降克服低省本體及連接管路的流阻,不必增設(shè)水泵,提高了運(yùn)行可靠性,同時(shí)也自然地實(shí)現(xiàn)了排煙余熱的梯級(jí)利用。


2.低壓省煤器節(jié)能理論及計(jì)算

一般認(rèn)為,把煙氣余熱輸入回?zé)嵯到y(tǒng)中會(huì)排擠部分抽汽,導(dǎo)致熱力循環(huán)效率降低;并且,排擠的部分抽汽會(huì)增加凝汽器的排汽使汽輪機(jī)真空有所降低。這兩點(diǎn)對(duì)于低壓省煤器節(jié)能的疑問必須加以澄清。理論上,增設(shè)低壓省煤器后,大量煙氣余熱進(jìn)入回?zé)嵯到y(tǒng),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(zhuǎn)變?yōu)殡姽Α_@個(gè)新增功量要遠(yuǎn)大于排擠抽汽和汽機(jī)真空微降所引起的功量損失,所以機(jī)組經(jīng)濟(jì)性無例外都是提高的。

1.1 發(fā)電煤耗節(jié)省量計(jì)算

采用等效熱降法進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)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(tǒng),而鍋爐產(chǎn)生1kg新汽的能耗不變。在這個(gè)前提下,熱系統(tǒng)所有排擠抽汽所增發(fā)的功率,都將使汽輪機(jī)的效率提高。

相應(yīng)1kg汽輪機(jī)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(fā)的功量(記為ΔH)稱等效焓降增量,計(jì)算如下:

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

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

式中 d—機(jī)組汽耗率,kg/kwh;

ηjd—汽輪機(jī)機(jī)電效率;

β—低省流量系數(shù);

hd2—低壓省煤器出水比焓,kJ/kg;

h4—除氧器進(jìn)水比焓,kJ/kg;

τj—所繞過的各低加工質(zhì)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(jì)算:

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

式中 q—機(jī)組熱耗率,kJ/kwh;

發(fā)電標(biāo)煤耗節(jié)省量δbs按下式計(jì)算:

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

式中ηp、ηb——鍋爐效率、管道效率;

以已投運(yùn)的某200MW火電機(jī)組低壓省煤器系統(tǒng)為例進(jìn)行節(jié)能量計(jì)算,結(jié)果列于表1。由表1可見,低壓省煤器降低排煙溫度28℃,可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)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(yù)熱器出口。

1.2 汽輪機(jī)真空影響計(jì)算

對(duì)于濕冷機(jī)組,汽輪機(jī)背壓增量dpc與冷凝量增量dDc關(guān)系借助凝汽器的變工況計(jì)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(shè)低省引起的汽輪機(jī)新汽量減少值,t/h,可由δbs計(jì)算得到。

∑Dj—低省各排擠抽抵達(dá)凝汽器的總量,t/h。其中第J級(jí)的排擠量按下式計(jì)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(shù),指第J級(jí)排擠抽汽抵凝汽器的份額,按文獻(xiàn)[1]計(jì)算。

其余符號(hào),意義同前。

表2列出了汽輪機(jī)真空計(jì)算主要結(jié)果。


99.jpg

由表可知,各排擠抽抵達(dá)凝汽器的總量14.12t/h,低省節(jié)省新汽量5.64t/h,冷凝量?jī)粼隽?.48t/h,由此引起汽輪機(jī)背壓升高0.0404kPa。此時(shí)汽輪機(jī)排汽比焓升高值為0.457kJ/kg,僅占新汽等效焓降的0.037%。根據(jù)以上分析,排擠抽汽對(duì)汽輪機(jī)真空以及對(duì)汽輪機(jī)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(tǒng)的高壓省煤器改造和增設(shè)低壓省煤器的兩種技術(shù)方案。與高壓省煤器改造相比,低壓省煤器在電廠節(jié)能減排方面有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn):

(1)可以實(shí)現(xiàn)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(diǎn)。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于需上脫硫系統(tǒng)的鍋爐(排煙溫度有最高限制),是十分珍貴的。

(2)對(duì)于鍋爐燃燒和傳熱不會(huì)產(chǎn)生任何不利影響。由于低壓省煤器布置于鍋爐的最后一級(jí)受熱面(下級(jí)空預(yù)器)的后面,因此,它的傳熱行為對(duì)于鍋爐的一切受熱面的傳熱均不發(fā)生影響。因此既不會(huì)降低入爐熱風(fēng)溫度而影響鍋爐燃燒,也不會(huì)使空氣預(yù)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(dú)特的煤種和季節(jié)適應(yīng)性。鍋爐的低壓省煤器出口煙溫可以根據(jù)不同季節(jié)和煤質(zhì)(主要是含硫量)進(jìn)行調(diào)節(jié),以實(shí)現(xiàn)節(jié)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(shè)計(jì)的低壓省煤器,設(shè)計(jì)將排煙溫度從160℃降低到135℃。后運(yùn)行中排煙溫不正常升高到180℃,低壓省煤器靠自身的煙溫調(diào)節(jié)功能,仍然將排煙溫度輕松降低到135℃。

(4)設(shè)計(jì)低壓省煤器也可以同時(shí)解決汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)的某些缺陷。例如山西ST電廠#4機(jī)(200MW),大修前除氧器的主凝結(jié)水進(jìn)水溫度高出設(shè)計(jì)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(jī)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(jié)水溫度34℃,與主凝結(jié)水匯合后,使除氧器進(jìn)水溫度基本恢復(fù)設(shè)計(jì)值,從而消除了回?zé)嵯到y(tǒng)的缺陷,保證了除氧效果。

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

當(dāng)然,由于低壓省煤器所吸收余熱的利用能級(jí)相對(duì)較低,因此其單位排煙溫降的節(jié)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(wěn)定性的擔(dān)憂或其它限制時(shí),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(yùn)行特性

3.1 節(jié)能量-水量特性

某300MW機(jī)組低壓省煤器的節(jié)能量-水量特性如圖2所示。關(guān)于過水流量影響標(biāo)準(zhǔn)煤耗的理論探討,詳見文獻(xiàn)[3]。

3.2 節(jié)能量-負(fù)荷特性

某300MW機(jī)組低壓省煤器的節(jié)能量-負(fù)荷特性也示于圖2。該圖表明,增設(shè)低壓省煤器對(duì)于負(fù)荷率較低的發(fā)電機(jī)組在經(jīng)濟(jì)上則更為有利。

3.3 進(jìn)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(jié)能量與進(jìn)水溫度的關(guān)系。圖中低壓省煤器的進(jìn)口煙溫均保持相等。由圖可知運(yùn)行中應(yīng)恰當(dāng)控制低壓省煤器的出口煙溫,過分追求排煙溫度降低在經(jīng)濟(jì)上是不利的。


圖2 低壓省煤器節(jié)能量-水量曲線

1—100負(fù)荷;2—65%負(fù)荷

圖3 低壓省煤器出口煙溫、節(jié)能量與進(jìn)口水溫關(guān)系,實(shí)線—進(jìn)水溫度87.5℃;虛線—進(jìn)水溫度80.5℃


低壓省煤器的以上幾個(gè)特性具有普遍性。但具體的函數(shù)關(guān)系則與熱力系統(tǒng)的參數(shù)、低省進(jìn)口煙溫等有關(guān),不能套用。需要經(jīng)過變工況計(jì)算予以確定,指導(dǎo)運(yùn)行。


4.低壓省煤器工程實(shí)例一

4.1 概況

山西SHET發(fā)電廠#4爐為蘇制EΠ-670/13.7型中間再熱自然循環(huán)煤粉爐,T型布置,配蘇制215MW機(jī)組。額定蒸發(fā)量670t/h,額定汽溫545/545℃,設(shè)計(jì)煤種為西山煙煤,現(xiàn)運(yùn)行煤種為平朔煙煤,本爐設(shè)計(jì)排煙溫度156℃,但運(yùn)行后鍋爐排煙溫度偏高,全年平均達(dá)170℃,超出設(shè)計(jì)值近20℃。同時(shí)電廠脫硫也急切需要降低排煙溫度。為此,經(jīng)過方案論證,于2007年2月電廠進(jìn)行了增設(shè)低壓省煤器的技術(shù)改造。

4.2 方案簡(jiǎn)介

低壓省煤器與主回水成并聯(lián)布置,其進(jìn)口水取自汽輪機(jī)的低壓回?zé)嵯到y(tǒng),設(shè)計(jì)特定的進(jìn)水方式與電調(diào)閥配合,可實(shí)現(xiàn)低壓省煤器進(jìn)水量的切換與調(diào)整。進(jìn)入低壓省煤器的凝結(jié)水吸收排煙熱量后,在除氧器入口與主凝結(jié)水匯合。靠加熱器的級(jí)間壓力克服低省阻力,不必增設(shè)水泵。

低壓省煤器的總體布置采用了四煙道錯(cuò)列管排逆流布置(見圖4)。主受熱面以鍋爐對(duì)稱中心為界,分甲、乙兩側(cè)分別安裝于電除塵器前的四個(gè)上行煙道內(nèi)。鍋爐排煙從空預(yù)器流出,經(jīng)水平煙道轉(zhuǎn)彎后上行,在豎煙道內(nèi)自下向上沖刷低省蛇形管束;由凝結(jié)水系統(tǒng)流來的低壓水,經(jīng)布置在上方的低壓省煤器入囗集箱進(jìn)入低壓省煤器,自上而下經(jīng)蛇形管排流入出囗集箱,在除氧器進(jìn)水管道的某一點(diǎn)與主凝結(jié)水匯合。低壓省煤器傳熱元件采用專為低壓省煤器設(shè)計(jì)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(jié)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(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。


圖4 低壓省煤器總體布置圖

1-進(jìn)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(yùn)行結(jié)果與效益分析


本低壓省煤器于2007年6月15日投運(yùn),至今運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。經(jīng)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,尤其是煙溫降和煙氣流阻的控制更是優(yōu)于設(shè)計(jì)值。借助低省進(jìn)水溫度和流量的調(diào)節(jié),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(zhì)下控制排煙溫度在140℃左右運(yùn)行。機(jī)組運(yùn)行與調(diào)試數(shù)據(jù)的主要結(jié)果見表4。運(yùn)行數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果均表明,本改造降低機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)煤耗近3 g/kwh,年節(jié)標(biāo)煤4千余噸,全部投資僅一年多即可收回。

#4機(jī)大修前除氧器的主凝結(jié)水進(jìn)水溫度高出設(shè)計(jì)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(jí)低加旁路,造成汽輪機(jī)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(jié)水溫度近30℃,與主凝結(jié)水匯合后,使除氧器進(jìn)水溫度比原運(yùn)行值降低10℃~12℃,保證了除氧器的安全可靠運(yùn)行。

運(yùn)行表明,即使在夏季最大負(fù)荷、最高排煙溫度下,進(jìn)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(huán)境效益。


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