火力发电厂烟气余热回收及热力系统性能分析

杨大伟

【摘 要】对于烟气进入脱硫塔前烟气余热利用问题，分析指出这部分烟气余热可通过低压省煤器加热凝结水，然后让加热后的凝结水再并入某级加热器，从而提高机组效率的效率。根据温度对口、按质用能、梯级利用的原则，提出了四种种集成发电方案，通过对机组经济性、安全性对比得出最佳加热方案。研究结果可为中低品位余热的高效利用提供理论指导。

【关键词】烟气余热;低压省煤器;经济性

0 引言

锅炉烟气湿法脱硫工艺需要将锅炉排烟温度降到50℃左右进入脱硫塔脱硫，脱硫后的净烟气需加热到85℃左右，然后通过烟囱排放。若进入吸收塔前的烟气温度以125℃计，传统烟气再热方法实际上意味着脱硫系统浪费掉了85℃～125℃这一温度区间的热量。

1 集成方案的提出

在低压省煤器与燃煤机组集成的系统中，采用烟气余热加热低温给水，根据烟气温度特点可以有不同的集成方式，凝结水在低压省煤器内吸收排烟热量，降低排烟温度，而凝结水自身被加热、升高温度后再次返回低压加热器系统。低压省煤器串联在低压加热器回路之中，代替部分低压加热器的作用，排挤部分或全部低压缸抽汽，该排挤抽汽将从低压抽汽口返回汽轮机继续膨胀做功。如果机组输出功率不变，则机组煤耗、热耗、污染物排放量将减小;如果机组燃料消耗量不变，则机组可获得更多的发电量。经过除尘之后的烟气，进入低压省煤器，经过烟水换热，然后再流入脱硫塔进行脱硫。本文提出四种集成方案。

方案（a）：低压省煤器与轴封加热器出口串联，加热轴封加热器出口的凝结水，低压省煤器（LPE）出口与7号低压加热器入口相连，此种方式排挤了机组的8段抽汽，被排挤的抽汽返回汽轮机做功。

方案（b）：将低压省煤器串入8号低压加热器和7号低压加热器之间，此种情况下给水经过低压省煤器加热后进入7号低压加热器。

方案（c）：低压省煤器与8号低压加热器出口串联，加热8号低压加热器出口的给水，低压省煤器（LPE）出口与6号低压加热器入口相连，此种方式排挤了机组的7段抽汽，被排挤的抽汽返回汽轮机做功。

方案（d）：将低压省煤器串入7号低压加热器和6号低压加热器之间，此种情况下给水经过低压省煤器加热后进入6号低压加热器。

2 热力学分析

对于低压省煤器与机组集成的热力系统，采用燃料节省型运行方式时，总的发电量与原燃煤机组相同，凝结水的热量部分由低压省煤器提供。烟气与凝结水的换热主要是对流换热。

凝结水在低压省煤器中与烟气进行对流换热，烟气的入口温度 T1和凝结水的入口温度t1一般都是知道的。当低压省煤器的结构已经确定以后，需要先假定一个低压省煤器出口的温度T2。根据这些参数，可以求出烟气的放热量Qs，以及总的换热量Q，通过Qs与Q的比较，可以改进T2的假定值。计算的主要过程如下：

2.1 烟气放热量的计算

低压省煤器中烟气释放的热量为低压省煤器进口烟气焓和出口烟气焓值之差，这个焓差值可以通过烟焓表计算确定。烟焓表一般都是通过计算烟气中不同成分的焓值的调和平均值来确定，然后通过数学中的线性差值计算不同温度下烟气的焓值，进出口不同温度下烟气的焓值的差值就是所要求取的焓差，也就是本文所设定的烟气放热量，这个热量也就是回热系统中凝结水所吸收的热量的来源。

2.2 传热温差计算

烟气与凝结水的换热为逆流换热，在没有热量损失的情况下，当烟气的出口温度确定后，烟气的放热量等于凝结水的吸热量，此时可根据能量平衡及烟焓差计算凝结水的出口温度。这时计算过程中需要确定逆流换热过程中的一个平均温差，本文在计算时采用传热学中经常使用的对数温差来进行计算，对数温差相对于普通的平均温差来说计算的精度更大，更符合实际情况，特别是当进口温差与出口温差相差较大时，使用对数温差能得到平均温差不能达到的精度的结果。

2.3 传热系数计算

烟气流经低压省煤器与凝结水换热时，忽略辐射损失及热传导损失，对流受热面传热系数可以采用传热学中热阻并联的方式来确定。串联的两部分热阻分别是烟气侧的热阻以及水侧的热阻，相似于电工学中电阻并联的方法就可以确定换热过程的总热阻。

烟气对管壁的放热系数可参考文献[2]中关于烟气换热的换热系数的计算关系式来实现。想要得到烟气的换热系数，就需要确定烟气侧的换热系数，首先要确定关于烟气流速以及换热器的结构参数的相关数据，

这些数据也就是烟气换热器热力计算的基础，同时还有一部分管内换热的概念，管内换热也采用该文献中的相关拟合公式用来确定，这时就要确定换热器管内结构的相关参数，以及水在运动过程中的相关变动参量值。

在次基础上，采用热阻并联的概念，就可以确定整个换热过程中的换热系数，通过换热系数和换热温差就可以就可以计算整个过程的换热速率[1]。

2.4 传热速率计算

换热速率是换热系数换热面积与换热温差的乘积，这些数据均可通过上文所述的方法计算确定。这个换热速率和烟气放热量从理论上讲应该是相等的，但是计算过程中往往不能一次确定出口的烟气和水的温度的大小，这也是传热学中换热器设计的一个过程，计算过程实际是一个不断迭代出口温度的过程，最终让烟气放热量和总换热量相等，就完成了最终的迭代。

3 安全性分析

烟气露点温度计算：煤在燃烧过程中产生二氧化硫，当排烟温度过低时，就容易对受热面造成低温腐蚀。为了有效的防止低温腐蚀的发生，确定锅炉低温受热面的壁温和锅炉的运行条件，必须计算出硫酸蒸汽的酸露点温度。如果出口的烟气的温度低于了酸露点，就会对低压省煤器造成腐蚀，设备的寿命就会大大降低。所以在设定过程中酸露点是一个十分重要的概念。

4 经济性分析

4.1 机组经济性分析

系统的热经济性可借助等效焓降原理分析，将所吸收的排烟热量作为外部纯热量引入系统，然后确定新蒸汽的等效焓降和机组新蒸汽的等效焓降增量，在二者的基础上就可以确定机组效率相对提高率，从而得到机组热耗、气耗以及煤耗的变化量。再此基础上就可以确定机组加装低压省煤器后全年节省的标煤量。

4.2 污染物减排量分析

在机组输出功率不变的情况下，引入烟气余热利用系统，不仅降低了煤耗量，同时减少了污染物的排放量。污染物减排量基本与煤耗降低量和机组容量成正比。

5 算例分析

研究了一个300MW的机组的四种种集成形式，它们采用相同的低压省煤器结构，只是采用了不同的耦合方式。根据所建立的数学模型计算了四种方案的出口烟温和出口水温，分析了机组的效率的变化以及二氧化碳的减排量。通过计算结果可以看出，方案a使机组的煤耗降低最多为2.893g/kWh，其次是方案c为2.181g/kWh，但是电厂中一般不采用前三种方案而采用采用方案d，其煤耗降低最少为1.435g/kWh，因为前三种方案使得低压省煤器出口烟温低于酸露点，容易对设备造成腐蚀。若近似取烟气侧金属壁温为出口烟温，可以看出，只有d的金属壁温要高于酸露点的温度，不易对设备造成腐蚀。

6 结论

通过对机组经济性、安全性对比得出了最佳加热方案。分析的结果如下：

（1）利用等效焓降法，对机组的经济性进行了分析，a、b、c、d四种方案的煤耗分別降低了2.893g、1.886g、2.181g以及1.435g。因为前三种方案在经济性上虽然占优势，但是出口烟温较低，容易腐蚀设备，故最终采用了方案d。

（2）在分析的过程中不能只看重经济性，还要考虑到设备的寿命，综合这两种思路才能获得最佳方案。

【参考文献】

[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].高等教育出版社，2012-9-27.

[2]庄俊，张红.热管技术及其工程应用[M].化学工业出版社，2000.

[责任编辑：杨玉洁]