电厂锅炉烟气余热应用系统的热力学研究及优化方案

徐大朋安徽池州九华发电公司发电部，安徽池州 247103

电厂锅炉烟气余热应用系统的热力学研究及优化方案

徐大朋
安徽池州九华发电公司发电部，安徽池州 247103

通过对烟气余热应用系统的热力学研究发现，对锅炉烟气余热进行利用改造，不仅能提高电厂的热经济，还能减少动力燃料的浪费，同时还能减轻对环境污染的程度。本文通过对电厂锅炉烟气余热应用系统和热力学的分析，进一步提出了具体的优化方案，不仅提高了电厂的经济效益，还能为其他高耗能产业的发展借鉴电厂余热利用方式。

电厂锅炉；烟气余热；热力学；优化方案

随着经济的加速发展，能源需求急剧增加，能源匮乏问题越来越突出，进而激发了能源供需之间的矛盾。面对能源紧缺的现状，我们一边要提高能源利用率，另一边要不断进行新能源的开发和利用，才能逐步缓解能源供需矛盾。电厂锅炉会产生各种热损失，而排烟带走的热损失占的比例最多，由于能源紧张，能源价格不断上升，对烟气余热利用的研究受到了广泛关注。

1 电厂锅炉烟气余热利用原则与应用系统

1.1 尽量减少热损失

电厂锅炉的热损失是因为热量不可逆造成的，烟气余热的有效利用就是减少不可逆带来的损失。要根据实际需求保质保量地供能，一方面尽量减少传热中因温差、避免节流和摩擦带来的不可逆损失，另外，还要在数量上满足需求，并且质量更要符合要求。

1.2 应用总能系统

总能系统由烟气余热能量的高低决定，然后进行能力、量匹配和利用，把动能、热能以及势能等能量之间进行配合和转换利用。要对热力、经济以及环保等因素进行综合考虑，同时要全面提高设备的能源利用率，使能源利用达到最优值。

烟气余热利用，是为了提高能源利用率，降低能源浪费，不能为了回收而进行回收，设计余热利用方案要保证余热回收后，系统还能正常进行，且烟气余热利用设备是否能降低污染程度。

2 烟气余热应用系统的热力学研究

2.1 烟气余热应用热力学分析方法

根据能量守恒定律，总结出热力系统常用的烟气余热应用方法有：热平衡法、等效焓降法、矩阵法等。

2.1.1 热平衡法

热平衡法是热力系统最基本的分析方法，需要分别写出热力系统中各个子系统的能量平衡式，再成立方程求解，这是串联算法。热平衡法是在原来的汽水系统的基础上，通过把原有汽水引入系统热平衡中，进而改变热平衡结构，然后再重新计算整个汽水系统的热平衡，最后得出烟气余热利用系统的结果，并且这个方法适用范围非常广。在进行手工计算时，要对每个方程式进行计算，就是为了保证每个计算方程式中只能有一个未知数，计算要按照次序由高到低。

热平衡法的计算方式是应用了热力学的第一定律，其原理简单明了，计算结果也比较可靠，但是计算过程比较繁琐，工作量大且复杂。

2.1.2 等效焓降法

等效焓降法是根据热力学中的热能转换原理，基于设备、热力结构和参数等特点，来研究热能转换的效率和热量利用率。它是根据已经确定的蒸汽参数和回热参数，把燃料的燃烧量和机组蒸汽的流动量都作为固定值，并且热力系统的微小改变对各级抽汽产生影响，利用简单的局部运算来代替整个系统的计算。

锅炉烟气变换热量的前后焓值的变化量就时锅炉余热利用的热量，通过锅炉燃料数据，再结合热力学的知识，就能计算出烟气的组成部分和烟气的排放的数值，从而再根据烟气释放热量得到加热过后凝结水的热量。

2.2 尾部烟道侧烟余热回收子系统

为了减少空气在锅炉炉腔内吸热，在尾部烟道安置一个空气余热器，进入锅炉的空气经过余热对烟气释放热量Qk，为了能有效降低排烟的温度，应在预热器出口处安装一个低温省煤器，可以回收更多的热量。由于降低后的排烟温度还会受到热量转换器材料低温腐蚀性的局限，决定了烟气余热回收子系统能回收到的热量Qd有最大值Qmax，由下面的计算公式计算可得：

（Qtot为排烟温度降低到控制范围内的尾部烟气的总热量）

2.3 回热系统侧排挤抽汽做功子系统

在电厂系统中，需要从汽机中抽取蒸汽来加热凝结成水，所要抽取的蒸汽可以用于提高凝结水的温度，相对应的也可以节省抽蒸汽返回汽轮继续做功。因此，是在消耗燃料量不改变的前提下，增加机组的总出功，进一步提高了回热系统的经济性。

热功转换也可以用等效焓降法来进行分析。回热系统侧排挤抽汽做功子系统回收到的热量，其值可以根据下面这个公式计算：

（Do表示为机组的蒸汽流量，npj为低压省煤器热量的平均抽汽率）

3 基于能量梯级利用的系统优化

3.1 常规余热利用系统节能效果有限的原因

百万千瓦的电厂机组锅炉的排烟温度一般都是在130℃左右，与汽机侧回热系统中加热器人口处的凝结水的温度相比，我们可以发现，常规低温省煤器回收的余热热量只能排挤出低压加热器部分的回热。如果再对相关工程的约束进一步考虑，余热利用排挤抽汽的平均最高能达到第七级。

因此，高能级排汽对高品位、高质量热量的需求，与尾部烟气回收的余热质量品味之间的能级品味差的矛盾，就是常规余热利用系统节能效果有限的主要原因。因此，如何通过优化余热回收系统和排挤做功的能量匹配，以此来提高热量做功的转换效率，以便能利用可以回收的尾部烟气的有限热量来获得更多的热量，是提高烟气余热利用的重要问题。

3.2 能量梯级利用在余热利用系统优化中的应用

在热能的利用过程中，既要保证数量满足用户的需求，还要能报证热能的品味问题。高温度高压下的热量比低温度低压下的热能品味要高，因此，从能量转换守恒的基本定律出发，采用能量梯级方法对能源结构进行分析，不断优化能量利用方式，能大大减少能量品味的消耗，从而达到节能减排、提高能源利用率的效果。

主要根据温度对口、能级匹配的原则，对锅炉烟气余热回收子系统进行优化设计。现在仍然使用原有空气余热加热器，将锅炉烟气余热回收子系统与空气余热加热器串联，从省煤器出口排出的高温烟气部分进入到了旁边的烟道中，进行余热回收，所回收到的烟气余热温度将会得到很大的提高，进一步提高了凝结水侧的抽出点温度，排挤抽气的热功也将得到很明显的提升。但是由于能进入到空气余热加热器的烟气热量不断减少，进入到锅炉中的空气温度降低后就会在锅炉内吸收大量的热量。因此，必须在空气余热加热器的出口添置一个冷空气余热加热器，用较低品味的余热对冷空气进行余热后再送到空气预热器中。

4 结论

本文通过对锅炉烟气余热利用系统的热力学系统进行分析，从中可以发现，烟气余热利用率提高与烟气在回收过程中的能量匹配有着密不可分的关系。基于能量梯级设计的优化方案，符合温度对口，梯级利用的能源使用原则，从而大幅度提高了余热回收的热力特性。

根据对电厂锅炉烟气余热应用系统的热力学研究，我们提出了优化系统的方案，不仅能提高电厂锅炉烟气余热回收率，最大限度减少了烟气余热带走的热量，减少动力燃料的浪费，从而促进了电厂的经济效益，同时还能减轻对环境污染的程度。电厂的锅炉烟气余热应用系统的热力学研究的方案不断进行优化，比其他行业领先很多，总结了丰富的经验，同时对其他高耗能、能源需求大的行业提供了借鉴意见和方案。

［1］张鑫.锅炉烟气余热利用系统分析与优化研究［D］.北京：华北电力大学，2015.

［2］杨勇平，黄圣伟，徐钢，等.电站锅炉烟气余热利用系统的热力学分析和优化［J］.华北电力大学学报：自然科学版，2014（1）：78-83.

［3］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.

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1674-6708（2016）168-0192-02

徐大朋，安徽池州九华发电公司发电部。