深度利用烟气回热循环对于电厂性能及指标的影响

高岩++高绪栋++彭吉伟+++栾涛

摘 要：本文研究了深度利用烟气回热循环技术对于电厂性能及指标的影响，通过热量转移和置换能级，使得加热回热系统的余热能级得以提升，系统效率得到提高，燃煤机组发电煤耗减小。该系统同时具备炉侧烟气回热循环和机侧烟气回热循环的优势，且避免了他们的不足，更加有效提高了机组效率，是燃煤电厂深度节能减排并安全可靠运行的先进技术。

关键词：烟气回热循环；低温省煤器；高温省煤器；前置式空预器

1 前言

烟气回热循环系统在国外较早已得到应用，国内近年来在该系统的研究中也积累了一定的经验[1]。机侧烟气回热循环是采用前置式热管空气预热器回收锅炉废热，是近几年正在逐步推广的一项新技术。在空气预热器后安装前置式热管空气预热器，冷空气首先流经热管空气预热器，被加热到一定温度后，再进入空气预热器。采用该设备能够有效减轻空气预热器低温腐蚀程度。但采用烟气余热加热空预器入口的冷空气，会改变锅炉辐射换热与对流换热的比例，导致炉膛出口烟温升高，进而使得在尾部竖井的烟道上，对流受热面的烟温随之提高。计算表明，该装置效率较低，仅为10%左右，锅炉烟气余热用于加热冷空气回收的热量有很大部分是没用的。新增前置式空气预热器，回收的热量造成空预器入口风温提高，传热温差减小，换热量下降，最终导致排烟温度升高。

机侧烟气回热循环是从凝结水系统中引一路凝结水到锅炉尾部烟道，利用排烟余热加热凝结水，凝结水吸收热量后，再送回到回热系统的适当位置。这种方法降低了锅炉排烟温度，没有热量进入锅炉本体，不会对锅炉产生负面影响。目前烟气余热加热凝结水的低压省煤器技术成为火电机组锅炉烟气余热利用的主要有效途径。但低压省煤器余热利用排挤汽轮机低参数抽汽，该技术对于提高机组效率、降低煤耗及能耗的作用较为有限，特别是对于百万级机组，尚属于较为低层次的热量回收应用，烟气中仍有大量的高能级余热未加以回收利用。

炉侧烟气回热循环系统能够减小空气预热器冷端熵产，该系统热经济性不受锅炉排烟温度局限，但其实际利用的烟气热量减少，会导致热经济性较低；机侧烟气回热循环的热经济性主要受到电站锅炉排烟温度的限制，当锅炉排烟温度降低时，其热经济性会大幅下降[2]。

低温烟气换热元件在抗低温腐蚀研究中取得了较多成果[3-6]，可以应用于燃煤电厂低温排烟余热深度利用中。通过对烟气回热循环系统深入优化，能够降低机组熵产与做功能力损失，使经济性得以提升。本文将机侧烟气回热循环与炉侧烟气回热循环进行结合，从提高烟气余热利用能级角度进行优化，提出了深度利用烟气回热循环系统，并对该系统进行了热平衡分析，根据回收烟气余热的不同利用途径，进行了经济性计算，通过某1000MW超超临界机组的应用计算，验证了深度利用烟气回热循环系统具有较高的热经济性。

2 深度利用烟气回热循环系统热平衡分析

深度利用烟气回热循环系统采用锅炉排烟余热加热冷风、凝结水与给水，提升低温烟气的能级，使得余热利用效率得到大幅提高。该技术核心是通过排烟余热利用系统设备的合理组合，从系统的角度，通过热量转移、能级置换等手段，使加热回热系统的余热能级得到提高，进而获得较大的经济效益。

炉侧烟气回热循环是在空气进入空预器前，先采用烟气余热加热，使空预器冷端端差变小。但该技术会导致空预器出口烟温升高，换热量变小。如同时采用机侧烟气回热循环系统，可不减少被利用的烟气热量，利用烟气受热面加热锅炉给水或汽轮机凝结水。采用空预器烟气旁路，可以使高温烟气通过空预器旁路的烟气冷却器，用来加热抽汽加热器的给水和凝结水。利用旁路的烟气调节器，可将空预器后主路与旁路出口的烟气温度同时降至原额定工况下的排烟温度。

图1是深度利用烟气回热循环系统热平衡t-q图，横坐标表示烟气或空气相对于1kg新蒸汽的传热量（KJ/Kg），纵坐标表示烟气或空气的温度。各连线的斜率表示烟气或空气的单位热容的倒数。

线段ec与of分别表示未采用深度利用烟气回热系统时，空预器烟气与空气的传热量。在某工况下，采用深度利用烟气回热系统时，空预器的空气进口温度由to增大到ta，空气出口温度由tf减小到tg，烟温出口由tc增大到tb。此时，eb与ag分别表示空预器烟气与空气的传热量。传热平衡方程为：

△qgf-△qge=△qae+qw （△qae<0）

上式等号左端为实际烟气回收热量，等号右端为不同利用途径的烟气回收热量。在深度利用烟气回热系统中，一部分回热循环的烟气回收热量增大了空预器出口热风热量，另一部分增大了凝结水和给水的热量。空预器后烟气主路和旁路的烟气温度同时降为原额定工况下的排烟温度。此时，烟气换热量在低温烟气冷却器进口前减少的量为△qge=0，上式变为：

△qgf=△qae+qw

冷空气在前置式空气预热器中被烟气余热加热，其空气进口温度上升，使得空预器传热温差减小，换热量降低，且排烟温度和热风温度都升高。所以仅使用前置式空气预热器，绝大部分烟气余热没有得到利用。采用烟气旁路时，空预器中通过的烟气量减少，热风温度得到降低，可降至原额定工况下的排烟温度；利用旁路烟气热量加热给水和凝结水，烟气温度得到降，也可降至原额定工况下的排烟温度。流经旁路的烟气温度比常规排烟温度高，所以利用其加热给水和凝结水，可以得到更高的出口温度，甚至不流经高压加热器直接进入省煤器。采用此方法可以使低能级热量的能级升高，使锅炉烟气余热在高能级状态下被深度利用。

3 深度利用烟气回热循环工程计算与分析

本文以1000MW超超临界机组为例，锅炉最大连续蒸发量3125 t/h，主蒸汽温度605℃，压力29.4MPa（a），再热蒸汽温度605℃。汽轮机额定功率为1050MW，间接空冷凝汽式汽轮机，具有8级非调整回热抽汽。

3.1 深度利用烟气回热循环系统参数设计endprint

深度利用烟气回热循环系统中主要回热装置：

（1）前置式空气预热器，设置在空预器之后，进入空预器的冷空气被低温段低压省煤器回收的烟气余热加热；

（2）一级高温加热器和二级低温加热器，设置在空预器的烟气旁路上。一级高温加热器用于加热给水，二级低温加热器用于加热凝结水。深度利用烟气回热循环系统结构如图2所示。

1）除尘器前烟气系统：高温烟气流经省煤器，在脱硝装置后分为两路，一路流经空预器，约占82%；另一路进入空预器烟气旁路，约18%，依次流经一级高温加热器和二级低温加热器，经换热后，烟气出口温度与空预器出口相同。在空预器出口处，两路烟气汇合，流入除尘器。空预器冷空气平均温度21℃，空预器热风平均温度380℃，空预器排烟温度123℃。

2）引风机后烟气系统：从引风机排出的低温烟气依次流经烟气挡板门、低温低压省煤器、烟气挡板门，然后进入脱硫塔。低温低压省煤器进口烟温123℃，出口烟温93℃，烟温降低30℃，换热量27987.57kW。

3）送风系统：一次风机出口的冷风经过一次风前置空预器后，风温提高，再进入空气预热器；二次风机出口的冷风流经二次风前置空预器后，进入空气预热器。前置空预器热源来自于低温换热器，进口空气平均温度21℃，出口空气平均温度61℃，换热量27987.57kW。

4）一级高温加热器回路：给水在给水泵出口分为两路，一路仍为高压加热器系统管路，另一路形成一级高温加热器回路，在省煤器中，与高温烟气逆流换热。经换热后，一级高温加热器出口水温与1#高加出口水温相同，两支路在锅炉侧给水操作平台之前混合。旁路一级高温加热器进口烟温380℃，出口烟温230℃，进口水温189.1℃，出口水温301.4℃，给水流量114.7t/h，换热量17510.57kW。

5）二级低温加热器回路：在7#低加的进出口分别设置取水管路，以7#低加THA工况下的进水温度作为回路设计温度，回路出口凝结水流入除氧器。二级低温加热器回路与流经一级高温加热器的烟气逆流换热，二级低温加热器回路的回水点布于凝结水量测点前。旁路二级低温加热器进口烟温230℃，出口烟温123℃，进口水温85.8℃，出口水温160℃，凝结水流量128.5t/h，换热量10477kW。

6）闭式循环水回路：在前置空预器与低温换热器之间为闭式水系统，由水泵克服循环管路的阻力，实现烟气余热加热冷风的目的。

3.2 深度利用烟气回热循环系统经济性计算分析

采用动态投资回收期法计算出深度利用烟气回热循环系统投资差额的回收年限。设投资差额回收年限为n，则：

n=1-log（1+i） （1-ΔU×i×（1+i）/ΔB）

式中：ΔU为与基准相比投资增加的费用（万元）；ΔB为本方案带来的收益（万元）；i为年利率（%），本工程取6.55%。

回收年限n=6.44年。

采用深度利用烟气回热循环系统在发电标煤耗、燃煤费用、运行费用等方面均优于未采用的系统，其主要经济性参数列于表1中。

4 结语

深度利用烟气回热循环系统有机整合了利用排烟余热的设备，采用热量转移和能级置换，使加热回热系统的余热能级得到提高，进而使得经济效益大幅提升。该系统同时具备炉侧烟气回热循环和机侧烟气回热循环的优势，且避免了他们的不足，更加有效提高了机组效率。某1000MW超超临界机组采用深度利用烟气回热循环系统，电厂发电标煤耗降低2.67 g/kW·h，年标煤消耗节省1.54吨，年运行费用节省776.69万元，该系统是实现电厂深度节能并安全可靠运行的有效技术手段。

参考文献：

[1]陆万鹏，孙奉仲，史月涛.电站锅炉排烟余热能级提升系统火用分析[J].中国电机工程学报，2012，23（32）：09-14.

[2]陆万鹏.基于电站锅炉排烟余热的机炉烟气回热循环理论与应用研究[D].山东大学，2012.

[3]Gao Y， Luan T， Lü T， et al. Performance of V2O5-WO3-MoO3/TiO2 Catalyst for Selective Catalytic Reduction of NOx by NH3[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering， 2013，21（01）：01-07.

[4]Gao Y， Luan T， Cheng K， et al. Industrial experiment on selective catalytic reduction honeycomb catalyst [J]. Proceedings of the Chinese Society of Electrical Engineering， 2011，31（35）：21-28.

[5]Gao Y， Luan T， Lv T， Xu H. The Mo Loading Effect on Thermo Stability and SO2 Oxidation of SCR Catalyst [J]. Advanced Materials Research，2012（573）：58-62.

[6]Gao Y， Luan T， Lv T， Xu H. The Mo loading effect on SCR deNOx performance for V-W-Mo/TiO2 catalyst [J]. Applied Mechanics and Materials，2012（229）：126-129.

通讯作者：栾涛endprint