低温省煤器在火力发电厂中的优化设计.pdf

第 3 8 卷 第 7 期 2016年 7 月 华 电 技 术 Huadian Technology Vol. 38 No. 7 Jul. 2016 低温省煤器在火力发电厂中的优化设计 马 金 祥 ， 陈军 南京圣诺热管有限公司， 南 京210009 摘 要摘 要 阐述了火力发电厂低温省煤器系统的设计思路， 分析了不同设计思路的优缺点。以600 MW级机组在除尘器之 前布置低温省煤器为例， 设计2种低温省煤器布置方案， 通过对比其经济性， 结合日益成熟的柔性金属搪瓷防腐技术， 推 荐一种收益虽然略低， 但投资及耗钢量较少的低温省煤器设计方案。 关键词关键词低温省煤器;煤耗;节能;防腐技术;经济性 中图分类号中图分类号TK223.33 文献标志码文献标志码B 文章编号文章编号1674 - 1951 201607 -0015 -05 〇 引言 排烟温度过高一直是影响锅炉经济运行的主要 原因。理论计算表明， 锅炉排烟温度每升高10 c， 锅炉热效率约下降1 。采用低温省煤器可大幅降 低排烟温度， 回收烟气余热， 降低机组热耗， 减少燃 煤消耗， 若再与湿法脱硫技术配合则节水效果 显著m 。 结合某600 MW级火力发电机组条件， 设 计 2 种低温省煤器布置方案， 从经济性、 可靠性等方面进 行了比较分析。 1低温省煤器的应用现状 1 . 1 低温省煤器热力连接方式1 . 1 低温省煤器热力连接方式 低温省煤器在热力系统中的连接方式涉及余热 回收系统的经济性和计算方法， 对整个余热回收系 统运行的安全性、 可靠性有着很大影响[2]。 低温省煤器接人热力系统的方式大体上可以分 为 3 种 串联系统（ 如 图 1 所示） ， 并联系统（ 如图2 所示） 及混合联系统（ 如图3 所示） 。图中低加为低 压加热器。 5 6 7 8 图1串联方式低温省煤器系统图1串联方式低温省煤器系统 1.1.1 串联系统 图 1 中， 从汽轮机7低加出口引出凝结水， 进 收稿日期2016 -03 -03;修回日期2016 -07 -01 5 6 7 8 除 氧 器 低 加 低 加 低加 低加 图2并联方式低温省煤器系统图2并联方式低温省煤器系统 5 6 7 8 除 氧 器 低 加 低 加 低加 低加 图3混合联方式低温省煤器系统图3混合联方式低温省煤器系统 人低温省煤器， 在低温省煤器中加热升温后， 返回 6低加的入口。低温省煤器串联于低加之间， 成为 热力系统的一个组成部分。 串联系统的优点是流经低温省煤器的水量大， 排烟余热利用率较高， 经济效益较好。其缺点是增 加了低加系统凝结水流的阻力和低加系统凝结水泵 的压头。 1 . 1 . 2 并联系统 图2 中， 从 8低加出口分流部分凝结水进人低 温省煤器， 加热升温后返回6低加人口， 与主凝结 水相汇合。低温省煤器与汽轮机7低加并联。 并联系统的优点是可以不增加汽轮机低加系统 凝结水泵扬程， 因为低温省煤器绕过低加， 所减少的 水阻力足以补偿低温省煤器及其连接管道所增加的 阻力。此外， 并联方式低温省煤器系统是独立的旁 路 ， 便于停用和检修， 对汽轮机低加系统影响可以忽 略。缺点是低温省煤器的传热效果低于串联系统。 16 华 电 技 术第 3 8 卷 1 . 1 . 3 混合联系统 图 3 中， 低温省煤器的引人点为2 点 ， 一点从 8低加出口引出， 另一点从7低加出口引出， 混合 后温度为65 70 C， 经低温省煤器加热后返回6 低加出口。这是比较典型的混合联系统， 也是改进 型的并联系统， 经常还混合有先串联、 后并联的情 况 ， 具体根据整个机组的运行情况而定。 混合联系统综合了串、 并联系统的优点， 根据汽 轮机低加系统中各级低加进、 出口温度， 在机组各工 况下控制进人低温省煤器的凝结水温， 使低温省煤 器的受热面处于低速率腐蚀区间内， 可以有效延长 低温省煤器的使用寿命， 保证低温余热回收系统长 期、 安全运行。该连接方式的缺点是凝结水管路比 较复杂， 由于相对提高了进人低温省煤器的凝结水 温， 所以换热面积会增大。混合联方式也是现在业 内低温省煤器最常用的热力连接方式。 1 . 2 低温省煤器布置方式1 . 2 低温省煤器布置方式 目前低温省煤器布置方案有3 种 锅炉空气预 热器之后、 除尘器之前的烟道上（ 如 图 4 所示） ； 除 尘器之后、 风机或脱硫塔之前的烟道上（ 如 图 5 所 示） ； 二者兼之， 分段布置（ 如图6 所示） 。 烟气（ 自 锅炉来 脱硝 低温省 装 置 _煤 器 除 尘 器 风 机 脱 硫 塔 空气预 热器 除氧器 轴 封 加 凝 结 水 来 热器 自热井） *5 *6 低 加 低 加 7 8 凝结 低加 低 加 水 泵 图4低温省煤器布置在除尘器前图4低温省煤器布置在除尘器前 图5低温省煤器布置在除尘器后、 脱硫塔之前图5低温省煤器布置在除尘器后、 脱硫塔之前 1 . 2 . 1 布置在除尘器前烟道内的优点 1 回收烟气余热， 提高机组经济性。 2 烟气经低温省煤器降温后， 烟气体积减小， 飞灰比电阻降低， 可大大提高除尘器的除尘效率， 如 此， 新建机组除尘器设计规格更小、 能耗更低、 占地 更少， 改造机组可实现更高的除尘效率， 降低排放烟 气中的含尘量[3]。 图6低温省煤器分段布置图6低温省煤器分段布置 3烟温降低， 烟气体积减小， 对于新建机组， 低温省煤器出口的烟道断面可减小， 节约钢材耗量。 烟温降低， 烟气体积减小， 引风机和脱硫增 压风机容量相应减小， 可降低引风机和脱硫增压风 机能耗。 5 对于湿法脱硫装置， 由于脱硫装置人口烟 温降低， 蒸发水分少， 可节约脱硫用水。 6 如将除尘器人口烟温降至酸露点以下， 并 配置低低温除尘器， 则还可以除去绝大部分SV3]。 1 . 2 . 2 布置在除尘器前烟道内的缺点 低温省煤器出口烟温比布置在脱硫前高出10〜 15 C， 由于低温省煤器处于除尘器之前， 会造成受热 面磨损及灰堵。 1 . 2 . 3 布置在脱硫装置前烟道内的优点 1低温省煤器布置在引风机后至脱硫装置前， 可 充分利用引风机温升， 更大化提高烟气余热利用率。 经过除尘器除尘， 低温省煤器工作环境含 尘少， 对换热管的磨损较小， 运行风险大为降低。 3对于湿法脱硫装置， 由于脱硫装置人口烟 温降低， 蒸发水分少， 可节约脱硫用水。 1 . 2 . 4 布置在脱硫装置前烟道内的缺点 1 烟气温降无法提高除尘器除尘效率或减少 引风机功率。 2 离主厂房较远， 用于回收热量的凝结水管 稍长， 相关水泵需克服的管道阻力也略高。 1 . 2 . 5 分段布置的特点 分段布置的低温省煤器综合了前2 种布置方式 的优缺点。与前2 种方式比， 管路布置复杂。 综合以上数据， 低温省煤器布置在除尘器前， 在 回收烟气余热、 提高机组效率的同时， 还可提高除尘 效率， 降低灰尘质量浓度， 减少烟道阻力， 具有可观 的经济效益与环保效益。虽然还有一些余热， 但由 于换热器传热温压降低， 将需要投人更多的材料和 更大的工程， 粉尘的冲刷及灰堵都可以从结构上加 以改善。 通过以上分析， 低温省煤器布置在除尘器前烟 道内已经能够做到， 既节能又符合环保要求， 所以这 第 7 期 马 金 祥 ， 等 低温省煤器在火力发电厂中的优化设计 17 种布置方式成为低温省煤器常见布置方式。 2低温省煤器系统热力分析 2 . 1 案例机组概况2 . 1 案例机组概况 某电厂600 MW亚临界机组采用上海汽轮机有 限公司在20世纪70年代引进美国西屋电气公司技 术制造的2028 t/h亚临界压力、 一■次中间再热、 控制 循环汽包炉。锅炉型号为SG- 2028/17. 5 - M907， 采用四角切圆燃烧方式， 配用中速磨煤机的直吹式 制粉系统， 采用燃烧器摆动调温， 露天布置， 为全钢 架悬吊结构。锅炉主要性能参数见表1 汽轮机通 流改造后热平衡图如图7 所示。 表 1锅炉主要技术参数表 1锅炉主要技术参数 参数数值 额定蒸发量// h 12028.0 锅炉过热蒸汽压力/MPa17.50 锅炉过热蒸汽温度/C541 再热器入口、出口汽压/MPa3.84/3.64 再热器入口、出口汽温/C325/541 再热蒸汽流量/ / h-11677.7 汽包压力/MPa18.8 给水温度/C279 排烟温度/C134 锅炉保证热效率按低位发热量/ 93.51 2 . 2 低温省煤器系统2 . 2 低温省煤器系统 为了减少排烟损失， 提高电厂经济性， 一般使用 低温省煤器来回收锅炉尾部的烟气余热。 本案例在锅炉尾部空气预热器出口之后、 电除 尘器之前烟道内设置低温省煤器， 用烟气余热来加 热汽轮机低加系统凝结水， 减少回热抽汽， 增加机组 输出总功， 从而获得更多的发电量。 低温省煤器系统的热力连接方式使用混合联方 式 ， 从控制进人低温省煤器凝结水温的方式来看， 主 要有3 种混合联方式， 即采用3 种方式控制进人低 温省煤器的凝结水温度， 分别为利用再循环管路控 制进水温度（ 如图8 所示） ， 利用再循环管路及高温 取水点控制进水温度（ 如图9 所示） ， 利用再高温取 水点控制进水温度（ 如图10所示） 。 图8利用再循环管路控制进水温度图8利用再循环管路控制进水温度 由图8 〜10可以看出， 3 种混合联方式主要目 的是将进人低温省煤器的凝结水温度控制在70 C。 根据文献可知， 管内水温70 C工况下的烟气低温腐 蚀最轻。腐蚀速率试验结果见表2。 图7 600 图7 600 MW机组热耗率验收功率（机组热耗率验收功率（THA工况热平衡图工况热平衡图 18 华 电 技 术第 3 8 卷 图9利用再循环管路及高温取水点控制进水温度图9利用再循环管路及高温取水点控制进水温度 图1 0 利用再高温取水点控制进水温度图1 0 利用再高温取水点控制进水温度 表2年腐蚀速率试验表2年腐蚀速率试验 材料 温度/C腐蚀速率/mm a_1 600.25 ND钢650.22 700.15 20钢700.14 考顿钢 700.15 316L不镑钢700.11 304L不镑钢70.14 根据上述分析和试验结果， 最终确定换热管选 材 为ND钢 ， 保证换热管使用寿命为5 〜 10 a。 图 11所示的是低温省煤器系统对进水温度没 有控制的流程示意， 这个流程相对于混合联方式简 单许多， 由于取水点温度较低（ 案例中此点凝结水 温度为36 C ， 可能发生严重的低温腐蚀。为防止 发生低温腐蚀， 本案例中采用成熟的柔性金属搪瓷 防腐技术， 这种防腐材料能有效地与换热管管壁结 合为一体， 用来解决低温或露点温度以下换热管金 属壁面的腐蚀问题， 延长管束的使用寿命， 同时达到 换热管壁面防结垢与抗镑垢能力， 提高换热效率， 保 证换热管更换寿命大于10 a。 柔性金属搪瓷技术是在普通搪瓷的基础上， 运 用流态化粉碎动力学原理， 加入具有抗腐蚀性能的 图1 1 利用防腐技术对进水温度无控制图1 1 利用防腐技术对进水温度无控制 金属元素， 微尺度下其表面活性提高， 并与助熔化合 物之间形成牢固的化学吸附和化学键合状态， 形成 聚合物， 显著提高了该金属搪瓷的强度、 柔韧性、 耐 蚀性（ 耐水、 油、 酸、 碱、 盐） 、 耐温性及抗结垢性等多 种特殊性能， 其耐腐蚀性能检测结果见表3， 柔性金 属搪瓷技术能使碳钢材料在低温露点条件下长周期 运行， 实现了低端材料高端化使用， 具有极佳的经济 效益。 表 3柔性金属搪瓷技术耐腐蚀性能检测表 3柔性金属搪瓷技术耐腐蚀性能检测 腐蚀溶液试验时间与试验前状态对比 HCl -107d 无变化 wNaOH 207d 无变化 屮 （H2S〇4二 107d无变化 少 （H2S〇 4 -307d无变化 NaCl 二 10 沸腾）8h无变化 H2O沸腾）8h无变化 海水 30 d无变化 70 C油田污水30 d无变化 2 . 3 低温省煤器系统经济性初步分析2 . 3 低温省煤器系统经济性初步分析 选择图10所示的混合联方式低温省煤器布置 方案为方案1， 选择图11所示的连接方式为方案2, 案例中低温省煤器的运行参数见表4[4]。 表 4低温省煤器运行参数表 4低温省煤器运行参数 项目方案1方案2 烟气流量（ 标态/m s-1638.9638.9 烟气进口温度/C134134 烟气出口温度/C100100 烟气阻力损失/Pa400400 凝结水流量/ h-1880400 凝结水进口温度/C7036 凝结水出口温度/C102102 总传热量/MW30.6830.68 根据案例前面提供的汽轮机100THA工况下 的热平衡图， 热力系统部分参数见表5。 第 7 期 马 金 祥 ， 等 低温省煤器在火力发电厂中的优化设计 19 表 5热力系统部分参数表 5热力系统部分参数 项目参数 凝结水流量// h-11419 8低加进口水温/C36.0 8低加抽汽比焓/U k/ 12477 8低加抽汽量/ /h-150.64 7低加进口水温/C58.7 7低加抽汽比焓/k k/ 12594.6 7低加抽汽量/ /h-147.00 6低加进口水温/C78.8 6低加抽汽比焓/k k/ 1 2730.8 6低加抽汽量/ /h-1 54.40 5低加进口水温/C101.6 5低加抽汽比焓/k k/ 1 2902.9 5低加抽汽量//h 168.90 汽轮机排汽热比焓/k k/ 1 2339.0 低温省煤器回收了 34 C的烟气余热， 减少低加 抽汽量， 增加了发电量， 减少了燃煤， 经济效益非常 显著。从 表 4 可以看出， 低温省煤器回收热量为 30. 68 MW， 根据汽轮机THA工况下的热平衡图， 方 案 1 减少抽汽做功3 781 kW， 汽轮机热耗由7 829. 5 kJ/kW h下降到 7783.0kJ/kW h， 由此降低 发电标准煤耗1.61 g/kW h;方案2 减少抽汽做 功32611汽轮机热耗由7 829.51//1{贾 .“ 下 降到7789.0kJ/kW h 由此降低发电标准煤耗 1.39g/kW h[5]。 低温省煤器布置在除尘器之前， 烟气系统的阻 力增加4 0 Pa， 烟气温度从原来的134 C降 至 100 C， 烟气流量减少约8 ， 通过除尘器及引风机（ 含 增加风机） 后 ， 低温省煤器所产生的阻力对整个系 统影响可以抵消掉， 因此不产生引风机任何能耗。 案例中低温省煤器系统配备增加水泵， 方 案 1 中水泵功率为120 kW,方案2 中水泵功率为55 kW。 由于在进入脱硫吸收塔之前低温省煤器已将烟 气温度从1 4 C冷却到100 C左右， 吸收塔出口的 烟气温度在50C左右， 这样就节省了工业水使用量 约 45t/h。 具体经济性初步分析见表6 表中煤耗、 煤量均 为标准煤） [4_5]， 由表6 可知， 方 案 1、 方案2 投资回 收期分别为3.01， 2.95a。 表 6低温省煤器经济性初步分析（ 100表 6低温省煤器经济性初步分析（ 100THA工况工况 项目 方案 1 方案2项目 方案 1方案 2 低温省煤器本体/万元 70075节约发电煤耗/[/， （kW h -1]1.611.39 清灰系统/万元 404水泵增加煤耗/[/kW，h_1].5. 2 电气仪表系统/万元 12012净节约发电煤耗/[ / kW h-1]1.551.37 水汽、 阀门系统/万元 1206 年节约煤量/t 5 3 04747 系 统 水泵/万元 2012 效 益 年节约工业水量/万t24.7524.75 投 资 钢架平台/万元 158 分 析 年节约煤炭成本/万元 42.75356. 烟道/万元 64年节约工业水成本/万元74.2574.25 现场施工/万元215年总收益/万元478.430.25 运输费用/万元 318 低温省煤器系统一次总投资/万元 144 0127 0 注 （ 1含防腐技术投资； （ 2方案1 的用钢量比方案2 多出近200 / 3全年机组等效运行时间按5 500 h计算,标准煤价格按770 元/t计， 工业水价格按3元/t计。 3结论 由上述经济性比较分析可以看出， 方 案 1 和方 案 2 投资回收期相近， 虽然方案2 总收益较小， 但投 资较小， 且耗钢量相对小很多， 因此推荐采用方案2。 方案2 发电标准煤耗量降低1.39g/kW h， 减少低加抽汽做功3 261 kW， 汽轮机热耗由7 829. 5 kJ/kW h下降到 7 789.0 kJ/kW h， 每台机组 一次总投资1 270万元， 由于低温省煤器系统配备了 增加水泵（ 约 55 kW， 降低标准煤耗中减去水泵增 加 的 标 准 煤 耗 量 ， 净 降 低 标 准 煤 耗 量 为 1. 37 g/kW h， 系统每年总收益约为430万元。 低温省煤器系统可以通过加热汽轮机低加系统 凝结水、 供热回水等提高机组热效率， 降低煤耗， 增 加发电量。随着防腐技术日益成熟， 以及防腐技术 在电力行业越来越多的应用， 对国内大型机组低温 省煤器改造具有一定的借鉴意义。 参考文献参考文献 [1 ]汪哲生， 许传凯.我国烟气余热利用换热器发展概述[J ] . 中国高新技术企业,201233/36 1 -3. 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