考虑烟气余热的燃煤机组经济性能分析

1、 考虑烟气余热的燃煤机组经济性能分析摘要 大型燃煤电站锅炉普遍存在尾部烟气余热未经利用便直接排向大气的问题。尾部烟气的回收利用不仅可以提高电厂的热效率还可以减少电力燃煤燃烧的同时，也可以减少对环境的污染。因此，大型燃煤电站锅炉烟气余热的回收利用，对于节能降耗和提高电站机组的经济性具有重要的实际意义。本文深入的研究火电厂锅炉烟气余热的节能潜力，通过各种烟气余热利用率的对比方式，利用烟气余热加热凝结水是应用程序的最简单的方法，不仅可以减少电站锅炉的排烟温度，并可以在提高单位经济和减少煤炭消耗方面发挥重要的作用。在进一步的论文工作中，本文在详细分析低压省煤器系统的节能原理和计算方法的基础上，结合典型

2、百万千瓦燃煤电站机组，对集成低压省煤器的常规烟气余热利用系统进行全面分析和研究，从而做出了客观的经济性分析评价。本文研究的成果，对今后大型燃煤电站锅炉烟气的深度余热利用系统的设计及研究具有一定的参考意义。关键词：烟气余热 节能 回收利用 经济性 低压省煤器 IAbstractLarge coal-fired power station boiler generally exists the problem of the tail gas waste heat from the air to the atmosphere without the use of the waste heat fro

3、m the tail gas.The recycling of the tail gas can not only improve the thermal efficiency of the power plant but also can reduce the coal burning, while it can also reduce the pollution of the environment.Therefore, the recovery and utilization of the waste heat of the large coal power station boiler

4、 flue gas has important practical significance for saving energy consumption and improving the economic of the power station.This in-depth study of thermal power plant boiler flue gas waste heat energy saving potential, through the flue gas waste heat utilization rate of contrast, use of flue gas wa

5、ste heat of condensation water is the simplest way to application can not only reduce the flue gas temperature of boiler in power plant, and can improve the economy and reduce coal consumption play an important role.In further work, this paper on the basis of detailed analysis of low pressure econom

6、izer system energy-saving principle and calculation method of, combined with typical million kilowatts coal-fired unit, integrated low pressure economizer of conventional flue gas waste heat utilization system to conduct a comprehensive analysis and research, from the objective economic analysis and

7、 evaluation.The results of this study have some reference for the design and research of the waste heat utilization system of the large coal power station boiler flue gas.Key words： Flue gas waste heat Energy saving Recycling Economy Low pressure coal feederII目 录 摘要IAbstractII第一章 绪 论- 1 -1.1 课题研究的背景

8、及意义- 1 -1.2 现有的烟气余热利用方式- 1 -1.2.1加热回收系统中的部分凝结水- 1 -1.2.2预热并干燥燃料- 2 -1.2.3加热热网水- 2 -1.3国内外研究现状- 2 -1.4本文研究的主要内容- 2 -第二章 热经济学相关理论- 4 -2.1引言- 4 -2.2热平衡法- 4 -2.3循环函数法- 4 -2.4矩阵法- 4 -2.5特征函数法- 4 -2.6等效焓降法- 5 -2.7热经济性评价指标- 6 -2.8本章小结- 7 -第三章 考虑烟气余热的燃煤机组热力系统- 8 -3.1 引言- 8 -3.2 低压省煤器系统- 8 -3.2.1烟气露点的计算- 9 -

9、3.2.2 有限腐蚀的低温省煤器系统- 10 -3.3低温省煤器与燃煤机组热力系统的联接方式- 10 -3.3.1 串联系统- 11 -3.3.2 并联系统- 11 -3.4 本章小结- 13 -第四章 考虑烟气余热的燃煤机组热经济性分析- 14 -III4.1 机组概况- 14 -4.1.1主要烟气利用方案设计- 15 -4.1.2热力学节能分析- 17 -4.1.3传热学面积成本分析- 21 -4.1.4流体力学阻力功耗- 24 -4.1.5综合煤耗讨论- 26 -4.2综合技术经济性分析- 27 -4.3本章小结- 29 -第五章 结论与展望- 30 -致谢- 31 -参考文献：- 32

10、 -IV 第一章 绪 论1.1 课题研究的背景及意义在火力发电机组中，锅炉效率和汽轮机内效率是影响电厂经济运行的关键因素。锅炉热损失是影响电站锅炉效率的重要因素，其中排烟热损失是锅炉热损失中最重要的一项，约占锅炉热损失的50%以上1。若排烟温度偏高，将导致锅炉排烟损失增大，锅炉效率降低，导致电厂发电煤耗上升，影响电厂的经济运行。根据相关计算得知：现在排烟温度每上升10锅炉的热效率就会下降0.6%左右，但是至今为止我国大多数电厂还是在采用排烟温度设计较高的机组在运行，在降低火电厂排烟温度这一方面其实我国还有着巨大的潜力。如果能尽可能的降低锅炉排烟热损失，并对锅炉尾部烟气余热加以回收利用，对提高电

11、厂整体经济性具有重要的意义。目前我国燃煤电站锅炉的设计排烟温度大多为 120 150，排烟带走的热量可达电站全部输入燃料热值的 3 % 8 %。烟气温度每降低15 ,锅炉热效率提高1。但烟气温度不能低于酸露点,否则会发生结露腐蚀,为应对锅炉负荷波动及燃烧煤种的变化。排烟温度每上升 10 15，年平均标煤耗随之上升 3 4 g/( kWh)。随着节能减排政策的日益严格和能源价格的不断攀升，合理利用电站锅炉烟气余热的重要性日益增加。电站锅炉烟余热利用的研究和应用也受到了广泛重视。1.2 现有的烟气余热利用方式目前常用的烟气余热回收利用的方式有很多种，例如加热回收系统中的部分凝结水、预热并干燥燃料、

12、加热热网水等，由于烟气回收利用的方式不尽相同，烟气余热回收系统的形式也会有相应的区别。1.2.1加热回收系统中的部分凝结水在众多烟气余热利用的方式中，效果最明显也是最常用的方法就是利用烟气余热加热回热系统的冷凝水，在燃煤机组的空气预热器后面加装低温省煤器系统并将其与回热系统的低压加热器联接利用其热量来减少回热系统的抽汽，节省的抽汽进入后续汽轮机内继续膨胀做功，汽机总出功增加，从而提高了整个机组的经济性。对于这种烟气余热利用方式的研究国内有很多单位都已经展开了，并在一些300MW以下机组成功应用了，例如：龙口电厂，长春第二热电厂，开封电厂等。上海外高桥发电厂1000MW超临界机组采用了“广义”再

13、生系统，设计降低排气温度从125到85左右，所以，锅炉效率提高了2%，单位的总效率为0.8% 0.9%。1.2.2预热并干燥燃料预热空气装置的安装位置是加热炉，这套装置可以强化燃烧，还有加快炉子升高温度的速度，提高热工性能等作用。由于褐煤的水分比较高， 预干燥比较高水分的褐煤是目前需要研究的一个新的课题，干燥的方法有很多种，其中利用烟气余热干燥褐煤的部分外在水分是一种新的思路，可用于内蒙、东北等地褐煤的利用。1.2.3加热热网水 加装防腐管热交换器、热网循环水加热房间或工厂水加热系统，加热器可以取代或部分取代传统网络保存加热器供热蒸汽消耗，增加产能。1.3国内外研究现状华北电力大学，西安的交通

14、大学，山东大学等单位进行通过低温省煤器利用锅炉烟气余热来加热凝结水的研究都比较早2-5而且在第二热电厂，长春在开封电厂，山东十里泉电厂等成功应用于200 mw以下级别的机组锅炉6。第三期的上海外高桥电厂21000 mw超超临界机组脱硫工程同步建设的项目开始时改造了余热回收系统，改造了低温省煤器，低温省煤器布置在引风机前脱硫吸收塔后前，根据绩效评价报告的节能效果明显，烟气温度从125C：下降到85C，从而减少单位耗热量的0.7%7。目前在国内有比较多的应用。许多国内使用的低温省煤器，借鉴德国通过增加烟气冷却器前脱硫塔尾气废热回收，采用热交换器的方法，烟气余热利用率不高也不够成熟，还有待优化，借鉴

15、国外技术并结合国内实际情况改进。在国外，广泛应用的烟气余热利用的方法也和中国类似。德国科隆Nidemusseml000MW级褐煤发电厂的烟道系统完全分离，降低排烟温度（烟气旁路技术）设置一个低温省煤器和空气预热器是并联连接的旁路烟道，换热器是足以降低排气温度采用多级烟水，在保证引进烟气部分旁路烟道锅炉给水加热是目前报道的节能效果更好的单元操作系统所需要的空气预热器的热量8。1.4本文研究的主要内容本文主要研究通过加热回收系统中的部分凝结水来利用锅炉烟气余热的方法，对当前存在的烟煤机组的主要烟气余热利用系统进行介绍、分析、总结；并结合具体的实例及工程约束条件展开热经济性分析计算，对燃煤机组的余热

16、回收利用进行了深入探讨。主要研究内容如下：（1）本文采用加装低温省煤器系统的方法，运用低温省煤器系统来加热回收 系统中的部分凝结水，从而达到利用烟气余热的目的。（2）对低温省煤器系统的选择及安装位置做了相应的分析比较，而且综合考虑了烟气酸露点对低温省煤器系统的限制。（3）结合具体实例分析烟气余热回收利用系统对整个燃煤机组的影响，并对其进行热力性能的计算和经济性分析。第二章 热经济学相关理论2.1引言 电站热力系统拥有比较复杂的结构，而且它的运行状态常常处于变工况状态，所以如果想要实现对部分烟气余热的有效利用就必须对其系统进行必要的理论分析。目前存在的电站热力系统节能理论有很多种其中比较常用的方

17、法有：循环函数法，矩阵法，特征函数法，热平衡法和等效焓降法等。2.2热平衡法根据热力学第一定律，研究回热系统，为每个加热器、冷凝器、各级抽汽凝汽加热器列材料和能量平衡方程，并且帮助直接计算新蒸汽流量、动力装置和热经济指标。能量法即热平衡法是热力学第一定律的直接应用，所以计算结果较为可靠。一般只有对计算结果进行检验的时候才会用到能量平衡法，因为只要热力系统局部发生改变，用平衡法就得对整个系统进行重新计算，工作量十分繁重。2.3循环函数法 循环函数法，整个再生加热器系统分为几个加热装置，从而计算锅炉给水问题可以转化为系数计算每个单元的单元系数进水问题。 整个热力系统主要分为：循环和辅助循环，主循环

18、和辅助循环。在计算的过程中，将影响它们性能的指标进行叠加，从而使变工况计算变得简单，也有利于不同方案的比较论证。2.4矩阵法由于回热加热器热平衡方程式是关于抽汽量的线性代数方程，因此可以用矩阵方程来表示，通过矩阵运算计算出抽汽量，然后求出热力系统的各项经济性指标，较适用于计算机处理。矩阵法对热平衡法的改进主要是在计算回热系统的非调节抽汽量上，但由于在所建模型中未包括锅炉、再热器和汽轮机，也未对热力系统参数与经济性指标建立完整的数学关系，因此关于主循环与辅助循环的叠加性也仅限于回热系统。2.5特征函数法 特殊函数方法从应用程序的角度来看是热力学的基本定律，主要阐明了热力学第二定律应用于合理的形式

19、及其在电厂热力系统中的应用普遍性、基于“工作介质实际工作能力”的原则开发“演绎型”类型的理论热力系统节能分析理论。特殊函数结合热力系统的结构，广泛通过运用数学工具导出热力系统分析方法。2.6等效焓降法等效焓降理论是在热力学的热功转换原理的基础上考虑设备质量，热力系统结构和参数的特点，基于抽汽等效焓降和抽汽效率等热力分析参量，用以研究热工转换及能量的利用程度9。等效方法可以用于热力系统的计算，也可以只有部分的研究和系统的变化，并给出一次性定量参数和确定变化的经济效应，因此可以进行简单的局部计算操作而不是整个系统。在本论文的接下来的研究中，利用等效恰降法进行烟气余热利用系统的热力学节能计算。根据等

20、效焓降理论9，对于各级抽汽，其等效焓降可归纳为下列通式： （2-1）在上述公式中的取值是由加热器的型号决定的可以取和如果j是汇集式加热器就可以取；如果j是疏水放流式加热器就需要取计算出各级抽汽的等效焓降后，再根据等效焓降与加入热量之比，计算相应的抽汽效率： (2-2)对于再热机组，可把锅炉视为汇集式加热器，故新蒸汽的毛等效热降为： (2-3)净等效热降是指除去轴封蒸汽的渗漏与利用加热器的散热、抽汽器汽耗以及泵耗。 (2-4)烟气余热替代抽汽加热凝结水，某级的等效焓降为： （2-5）式中，-汽机侧第j级回热加热器抽汽效率。2.7热经济性评价指标热力设备的完善程度，电厂热经济性的好坏，通常用热经济

21、指标来表征。常用的热经济指标有：实际循环效率，汽轮机装置的热耗率q和电厂标准煤耗。其中，实际循环热效率是反映汽轮机热功转换程度的一项重要经济性指标，根据其定义式（其中是已进汽轮机的蒸汽为1kg计的实际比内功；是比热耗）。可知，要想计算实际循环热效率必须已知新汽焓值、抽汽份额和焓值、排汽焓值、1kg再热蒸汽的再热热量和锅炉给水焓值。在实际运行机组中以上各参数的温度、压力都有测点，可由蒸汽表差得焓值10。汽轮机装置的热耗率热耗量指的是发电厂单位时间内生产电能所消耗的热量。 （2-6） 热耗率指的是发电厂生产单位电能所消耗的热量。 （2-7）电厂标准煤耗。电厂煤耗量B表示单位时间内发电厂所消耗的燃料

22、量，电厂煤耗率b表示发电厂生产单位电能所消耗的燃料量发电标准煤耗率是指发电厂生产单位的电能所消耗的标准煤量，其中标准煤指的是低位发热量为29270kj/kg的煤。29270= （2-9） （2-10） （2-11）2.8本章小结 本章对热经济学的相关研究方法进行了简单的介绍，包括：热平衡法、等效焓降法、矩阵法、循环函数法和特征函数法，并对本文所采用的等效焓降法进行了详细的分析。简单介绍了热经济性评价指标，为接下来的经济性能分析奠定了理论基础。第三章 考虑烟气余热的燃煤机组热力系统3.1 引言低压省煤器系统在回热系统中的应用会由于烟气露点的存在受到一定的限制，可以考虑限制其腐蚀速率的有限腐蚀的低

23、温省煤器系统，另外低温省煤器在热力系统中的集成方式也能直接影响到系统的节能效果、计算方法以及运行的安全性。就余热集成到低加部分的基本实质而言，共包括串联和并联两种方式；若出于对换热成本、节能效益等工程应用的综合考虑，根据余热与低加的具体联结形式不同，还可具体分为串联、单级并联、跨级并联等方式。3.2 低压省煤器系统流过低压省煤器的介质是凝结水泵所提供的低压凝结水，因为它的水侧压力比较低所以称为低压省煤器。低压省煤器的特点之一是其可以利用锅炉的排烟余热节约了一部分能源的浪费。低压省煤器与一般省煤器的结构基本相同都位于锅炉烟道的尾部。其水侧联接于汽轮机回热系统的低压加热部分。二是连接于汽水系统中的

24、形式，在回热系统中串并联。它通过回热系统排挤抽汽以实现煤耗的节省。安装低压省煤器之后由于外部提供了一部分热源从而使汽轮机减少了抽气使汽轮机的整体效率有所提高。低压省煤器具有以下优点：不会对锅炉的燃烧和传热产生任何不利的影响。2、具有良好的煤种和季节变化适应性。3、检修维护方便。4、节省投资。图3-1是低压省煤器的系统图。通常从某个低压加热器引出部分或者全部的凝结水，送往锅炉尾部低压省煤器。凝结水在低压省煤器内吸收热量，降低排烟温度，而自身被加热、升高温度后再返回低压加热器系统。这样的低压省煤器，其系统并联或者串联在加热器回路之中，代替部分低压加热器的作用，是汽轮机热系统的一个组成部分。这是低压

25、省煤器的最大特点，也是它不同于一般省煤器和回收排烟热量的余热锅炉之处。低压省煤器将排挤部分汽轮机的回热抽汽，在汽轮机进汽量不变的情况下，该排挤抽汽将从抽汽口返回汽轮机继续膨胀做功。因此，在燃料消耗量不变的情况下，可以多获得电功，提高装置经济性11图 3-1 低压省煤器系统3.2.1烟气露点的计算目前见之于国内常用的酸露点计算公式和图表有十几种之多，本文针对几种常用的计算公式对锅炉的设计煤种进行烟气的酸露点计算。表3-1设计煤种元素分析CarHarOarNarSt，arAarMadQnet，ar%MJ/kg61.453.610.717.800.43121023.42公式一：前苏联73年锅炉机组热

26、力计算标准方法=+ （3-1）式中：表示的是纯水蒸汽露点温度，根据烟气中水蒸气压力可在饱和湿空气表查取。燃烧折算硫份g/KJ； = （3-2） 燃料折算硫份g/KJ； = （3-3）Sar指的是：燃料收到基硫份%；Aar指的是：燃料收到基灰份%；Qnet，ar指的是：燃料收到基低位发热量，KJ/kg指的是：飞灰份额，对于煤粉炉而言=0.8-0.9指的是：与炉膛出口过剩空气系数有关的系数：当=1.2 时，=121 ； 当= 1.4-1.5时，=129 ；一般在标准中取=125；公式二： Haase，经验式=255+27.6lg+18.7lg （3-4）公式三；Okkes（按Muller实验数据）

27、=203.25+27.61lg+10.83lg+1.06 （3-5）其中 ，为烟气中和的分压力，单位为at。表3-2 酸露点计算结果计算结果水露点温度（）酸露点温度（）公式一44.891.9公式二44.8125.4公式三44.8142.4 根据上图可以知道，采用不同的酸露点计算公式，结果是完全不同的。一般来说，煤的含硫量，约0.5 - 0.6的烟气酸露点温度在90到120之间，所以准确的数值应该是通过实验测量。3.2.2 有限腐蚀的低温省煤器系统 为了克服这些缺点，可以使用有限腐蚀速率的低温省煤器系统。如下图所示：下烟气的流动加热后侧壁温度达到露点，硫酸蒸汽冷凝开始，尽管壁温较高，但是冷凝酸量

28、少，而且酸浓度也很高，所以腐蚀速度很低。壁温度降低，浓缩硫酸数量逐渐增加，浓度较低，腐蚀速度增加，一般到墙温度约120，结数量逐渐增加，浓度较低，腐蚀速度增加，一般到壁温度约120，最大的腐蚀速度，壁温度继续降低，冷凝的体积减少酸，硫酸浓度也跌至弱腐蚀区域的浓度，腐蚀速度降低，但当壁温的水露点，墙壁上的凝析油膜，结合S02结合的烟气，生成H2SO3，强大的腐蚀，腐蚀。所以在低温腐蚀的情况下，金属有两个严重腐蚀区域，20到45下酸露点低于露点和水的区域，以防止严重的锅炉受热面腐蚀，必须避免严重腐蚀区域，省煤器防腐搬到两个严重腐蚀区中间的低腐蚀区。使低温省煤器壁温度小于105，但高于烟气中水蒸气的

29、饱和温度25范围(前苏联标准推荐的金属壁温最低，和推荐值是接近欧洲和美国)。金属壁温在低于0.2毫米/年的腐蚀速率，腐蚀速率的是可以接受的。想要保持低温省煤器的金属壁温腐蚀面积有限，所需的省煤器进水温度和返回热系统的回水温度，可以在每个单元的热力系统，很容易实现，有限腐蚀的低温省煤器系统是一种很有前途的低温省煤器系统。3.3低温省煤器与燃煤机组热力系统的联接方式低压省煤器在回热系统的连接方式直接影响其经济效应及计算方法的分析以及操作的安全性和可靠性。低压省煤器连接热系统的方法有许多种，本质上，只有两个联结系统：是一个热力学系统，低压省煤器系列，称为串联系统；其次，在热力系统中并联低压省煤器，称

30、为并联系统 13。接下来简单分析介绍这两种结构的优缺点。3.3.1 串联系统如下图的串联系统示意图，把在第i级加热器出口引出的凝结水引入到低温省煤器中，利用低温省煤器吸收热量升高温度后，返回到更高一级的低压加热器入口。低温省煤器作为回热系统的一个组成部分以串联方式联接在两级低压加热器之间。如果低温省煤器的受热面一定，锅炉排烟温度的冷却程度是由低温省煤器的热负荷来影响的。由于这种联接方式流经的凝结水量最大，所以经常会因为凝结水泵压头不足而在旧电厂余热利用系统改造的过程中遇到困难，加大投资。图 3-2 串联系统示意图3.3.2 并联系统根据余热利用系统和低压加热器之间的具体联结形式不同还可具体分为

31、单级并联与跨级并联系统单级并联系统如单级并联系统图所示，流入低温省煤器的凝结水是某一级低压加热器入口分流出来的一部分，通过低温省煤器加热升温后再返回回热系统的后一级低压加热器出口与主凝结水汇合起来。因为低温省煤器加热的是分流出来的部分凝结水，所以低温省煤器及相应管道所增加的阻力是小于回热系统中低压加热器所减小的凝结水阻力。这对旧电厂的余热改造颇为有利。通过研究林万超教授提出的等效焓降应用的基本法则，对于多级回热系统，份额为的高温水从第i级低压加热器入口引出，其损失作功为在低温省煤器中吸热升温后的凝结水从第i级低压加热器的出口返回来，这个过程的作功为。因此整个系统获得的实际作功收益应该是上述两式

32、的代数和，即： (3-6)图3-3 单级并联系统示意图需要说明一下的是，在参考文献18中，对于部分公式的推导是在凝汽器有补水，加热器是表面式的，而且在主凝结水管道引出水的前提下的，对于不在这种工况下，例如在疏水管道引水，加热器为汇集式加热器，没有补水工况的情况，损失做功和加做功两部分的公式形式会发生相应的变化。根据上面的公式可以知道，如果低温省煤器与回热系统的联接方式一旦确定了，它的烟气余热利用的节能效果，将由分水份额和凝结水回水温度来控制，以热力学节能作用为标准来分析：（1）如果，将利用烟气余热来排挤某一级和其上一级的部分抽汽。（2）如果 ，将利用咽气余热来排挤某一级抽汽，且只能对本级起作用

33、。 因此，当低温省煤器面积和排烟控制策略(烟温降低指标)确定时，低温省煤器内流通的凝结水份额，将直接决定，从而直接影响烟气余热利用系统的经济性。跨级并联系统并联的方式并不单一，低温省煤器的联接位置不仅仅局限于并联在某单一一级低压加热器的两端，由于燃煤机组的运行常常处于变负荷运行，所以对于咽气的利用方式也需要做出相应的调整，由此，便出现了跨级并联系统。但由于凝结水焓升跨度更大，凝结水分流量较少，因此传热温差也较低，这点在工程设计中需要结合节点温差限制给予充分考虑。图3-5 跨级并联系统示意图参考上文对等效焓降的推导过程，跨级并联不同于单级，它需要绕过多个低压加热器，其相应的等效焓降增量也会做出相

34、应的调整，这样有助于对烟气余热的梯级利用拥有更好的灵活性，对于控制变工况运行的燃煤机组。3.4 本章小结本章主要介绍了低温省煤器的特点，对低温省煤器的联接方式和选型进行了介绍分析和对比，为了合理的选择和安装低温省煤器系统提供了理论支持。（1）低温省煤器的安装位置是在锅炉烟道尾部的空气预热器后面，并且和汽轮机回热系统的低压加热器相连构成烟气余热利用系统，它的作用是利用锅炉的部分烟气余热来加热凝结水从而提高燃煤机组的经济效益。（2）因为存在有腐蚀威胁的烟气露点，限制了低温省煤器的应用范围，为了克服这个缺点，本章引出了有限腐蚀速率的低温省煤器系统，可以起到一定的阻止腐蚀作用。（3）根据余热利用的要求

35、不同低温省煤器在燃煤机组中的联接方式也有很大的区别，有串联，并联（单级并联，跨级并联)。 串联联接方式：由于新增设的管道增加了凝结水流阻力，所以对凝结水泵压头的要求也相应的提高了，在旧电厂改造时有可能会遇到凝结水泵压头不足的情况，会是投资成本有所增加。 并联联接方式：这种方式对凝结水泵的压头要求不高，对旧电厂的改造比较有利，但由于低压省煤器的传热温压要比串联系统低，所以出口水温将比串联时高一些。第四章 考虑烟气余热的燃煤机组热经济性分析 本章重点讨论利用低压省煤器系统的燃煤机组，主要通过热力学节能效果分析、传热学面积成本分析、流体力学阻力功耗分析、技术经济投资效益分析，并结合典型百万千瓦燃煤电

36、站机组参数，给出低温省煤器应用于实际工程时，考察设备布置方式、烟气流速、凝结水分流份额、排烟温降控制与总投资效益变化的定量关系式，以便进一步根据电厂实际负荷运行，提出更加准确可靠的热经济性分析。4.1 机组概况锅炉侧参数 锅炉为超超临界压力直流锅炉型号为SG-3093/27。46-M533，煤种(收到基碳、氢、氧、氮、硫、水分分别为：56.26%、3.79%、12.11%、0.82%， 0.17%、9.57%)，在BMCR工况下锅炉实际入炉煤量为409.9t/h，锅炉热效率为94.08% (按低位发热量计算)，排烟温度为130。汽机侧参数 在汽机侧，汽轮机采用超超临界压力中间再热凝汽式汽轮机型

37、号为N 1000-26.25/600/600 在VWO运行工况下运行，汽轮机的参数=26.25MPa； =600。再热参数为：再热冷段压力=6.292MPa，再热冷段温度=376.rC ；再热热段压力=5.654 MPa，再热热段温度 =6001 ；再热器吸热量 =552.31d/kg。汽轮机排汽压力为=0.00575MPa。其机械效率为0.995，发电机效率=0.99。该机组(扣除给水泵功耗)的最大功况=1093.241MW，总热耗率=7411 kJ/kgc本章中所用数据为这个工况下的数据，如表4-1所示。 表4-1 机组热力系统计算各参数表级号01234567803462.13187.93

38、109.33420.53213.93033.92848.22624.12491.62321.7 -1323.81213.5979.9801.6666.0528.9361.4264.3148.3 -1247.8996.8857.0 -552.3 -372.1 - -2138.31940.12112.52563.52547.92481.62486.82252.02343.32173.4 - -251.0139.8191.0 -190.9 -223.8 - -110.3233.6178.3135.6137.1167.597.1116.0 -机组的热力系统如图所示：图4-1 某超超临界压力1000MW

39、汽轮机主循环系统示意图4.1.1主要烟气利用方案设计就像前面提到的利用锅炉的烟气余热来加热凝结水从而代替汽轮机部分抽汽以增加燃煤机组的出功。而根据凝结水引流位置的不同，有多种不同的余热利用方案。针对案例机组，本文在满足前文提及的相关工程约束条件下，按照常规烟气余热利用系统的设计思路，设计了如图所示的四种主要方案，方案1：低温省煤器与第7级低压加热器并联（如图4-2所示）。从7级低加的入口处分流部分凝结水引入低温省煤器，吸收一定的热量后返回热系统，在7#低加的出口处与主凝结水相汇合。此时烟气余热可替代部分第7级抽汽。图4-2 与第7级并联方案2：低温省煤器与第8级低压加热器并联(如图4-3所示)

40、。从8#低加的入口处分流部分凝结水引入低温省煤器，吸收一定的热量后返回热系统，在8#低加的出口处与主凝结水相汇合。此时烟气余热可替代部分第8级抽汽。图4-3 与第8级并联方案3：低温省煤器同时与第7级和第8级低压加热器并联(如图4-4所示)。从8#低加的入口处分流部分凝结水引入低温省煤器，吸收一定的热量后返回热系统，在7#低加的出口处与主凝结水汇合。此时烟气余热可替代部分第7、8级抽汽。图4-4 与7、8级跨级并联方案4：低温省煤器串联于第6级和第7级低压加热器之间(如图4-5所示)。在7#低加的出口处设置分流阀，可以控制全部或者部分凝结水引入低温省煤器，并设置加压泵，将吸收一定热量后的凝结水

41、送回热系统中，在6#低加的入口处与主凝结水相汇合。此时烟气余热可替代部分第6级抽汽。图4-5 串联于7、8级之间4.1.2热力学节能分析对于某个具体回热器，如图4-6所示，有以下热平衡关系式： (4-1)而若无烟气余热利用，则对于同样的回热器，有以下热平衡式成立： (4-2)图4-6 回热加热器质量和能量平衡关系式中，m表示质量流量，h表示恰值，Q为吸收的烟气余热热量；下标：W表示冷凝水，d表示排水，e表示抽取的蒸汽；in和out分别代表流入和流出换热器；加上单引号表示有烟气余热利用的情况；没有单引号表示没有烟气余热利用的情况。在此定义节省抽汽量为： （4-3）根据稳定工况条件：（ ， ， ，

42、 ， ）及质量守恒：（ ， ，）由公式（4-3）可推导得出替代抽气量随烟气温降变化曲线，如图4-7 所示。图4-7 各方案替代抽气量随烟气温降的变化曲线节省的抽汽量将增大汽轮机的做功量，其增大的做功量应为： （4-4）其中，和分别为抽汽点和最终汽轮机排汽的蒸汽焓；为汽轮机低压缸的内效率。根据机组参数，电站的净出功为942.4MW；净效率为43.07%；输入燃料热值为2321.7MW；则易算得其供电煤耗为： （4-5）通过余热利用可增加做功量(kW)，则有： （4-6）进而可以节约煤耗，有： （4-7）根据以上分析，可以得出各方案下净出功增加和节约煤耗随烟气温降的变化曲线，分别如图4-8、图4-

43、9所示： 图4-8 各方案下净出功增量随烟气温降的变化曲线 图4-9 各方案下供电煤耗降低随烟气温降的变化曲线从图4-8中可以看出：烟温温降越大、所回收的余热量越大和替代的抽汽量越大；且在烟气温降相同时，不同方案下的替代抽汽量均比较接近。但从图4-9中可以看出：一方面各方案下均有烟温温降越大、净出功增加越大的规律；但另一方面，烟气温降相等时，各方案下的净出功增加相差很大。相比于替代第8级抽汽的方案2，替代第6级抽汽的方案4在相同烟气温降条件下的净出功增加可达后者的4-5倍。根据公式(4-4)可以看出，主要随、而变化，从图3-6可以看出，在相同的温降条件下，各方案下变化不大，对汽轮机排汽焓和内效

44、率影响也很小。因此在相同温降条件下，各方案的主要受抽汽焓的影响。而不同等级的抽汽焓相差甚远，由此带来不同方案下净出功增加相差很大。而根据公式(4-7)可以看出：当基准系统确定时，系统的净出功和净效率不变，此时各方案下供电煤耗降低与净出功增加存在一一对应的函数关系；对比图4-8和图4-9则可以看出，随着烟气温降的变化，各方案的供电煤耗降低与净出功增加的变化趋势非常接近。综合以上分析可以看出：烟气余热利用的效果不仅受锅炉侧烟气温降的影响，也受汽水侧集成方案的影响。特别是替代抽汽的等级，对节能效果有着决定性的影响。因此，仅从热力学角度考虑，应使余热利用方案尽可能替代更高级的抽汽，以获得远高于替代低级

45、抽汽的节能效率。4.1.3传热学面积成本分析本文的电站锅炉烟气余热换热器工作在低温区间，不存在换热器超温的危险。 为增大对数温差、减少换热面积，本文中的各余热利用方案的换热器均采用逆流布置。对于烟气余热换热器，有以下传热计算公式4-8： Q=kA (4-8) 其中，Q-烟气余热换热器换热量；k-换热器总传热系数；A-换热器换热面积；-换热器的传热对数平均温差。对于逆流布置的换热器，有如下关系式： (4-9)其中， ， 。 为未加装烟气余热利用换热器时的锅炉排烟温度，、分别为对应方案下流经换热器的冷凝水进出口温度为加装烟气余热利用换热器后的排烟温度。图4-10 对数温差随烟气温降的变化曲线大量工

46、程实践证明，由于传热温差有限，在烟气余热利用系统中采用扩展表面翅片管，有利于提高金属壁温，减轻低温腐烛，同时减少金属管材的消耗。但对于工程设计阶段，为校核传热过程的换热量和换热温差等关键参数，必须有详细的管型传热及流动实验数据予以支撑，但往往这方面的资料非常稀缺。文献19-25中给出了多种扩展表面管的传热及流动实验关联式，有助于工程设计中的计算分析。但由于这些准则方程对于实验条件要求较高，不利于推广到该方程的实验参数范围之外，如雷诺数、管排数等参数限制，因此在使用上多有不便。文献18，27给出了根据基管(圆管束)传热系数换算为扩展式表面管换热系数的工程简便方法。对于烟气横向冲刷顺列传热管束(光

47、管)的传热过程，烟气侧传热系数可根据下式计算： （4-10）其中，d为基管直径， m、Re、Pr 分别是烟气平均温度状态下的导热系数、雷诺数及普朗特常数； 分别是管排修正系数及管束几何布置结构修正系数，根据文献34推荐可以通过以下公式计算：当管排数z10，；当管排数z10，。螺旋翅片管排的换热参数便可根据其扩展表面积与基管表面积的比例关系，在光管管排的传热计算基础上进行修正得出。相对光管，螺旋翅片管外烟气侧的传热热阻和导热热阻分别可根据下列公式修正： （4-11）其中，为传热管对流换热外表面积与内表面积之比；为传热管导热换热外表面积与内表面积之比；为管材导热热阻。通过修正后的工程简便计算式可以

48、得到螺旋翅片管总传热系数，然后结合公式(3-8)便可计算所需的换热面积(换算到基管)，如图4-11所示。 （4-12）根据工程手册查出该种管材的单位面积重量，单位，便可进一步得到换热面的总重量，单位t。图4-11 换热面积随烟气温降变化曲线根据图4-10和图4-11可以看出：随着烟气温降的增加，各方案的对数温差都在下降，且替代高级抽汽的方案虽然热力学节能效果较好，但其传热温差相对较小且下降更快。其中在四个方案中，替代最高的第6级抽汽的方案4，其对数温差最小，且下降最快。当烟气温降达到41 (对应烟气温度假定为90)时，其对应的平均对数温差仅为15左右，接近工程极限。而根据公式(4-12)可知，

49、换热量一定(在此即为烟气温降一定)时，换热面积与对数温差成近似反比关系，因此从图3-9中可以很明显的看出替代最高的6级抽汽的方案4的换热面积最大且呈指数上升。4.1.4流体力学阻力功耗在烟气余热利用系统的设计中，由于在锅炉尾部烟道里布置了用于余热回收利用换热器，这势必会增加锅炉烟风系统中的烟风阻力，从而增加风机的功耗。引风机出力随烟气量的增大而增大，在本改造方案中，可认为烟气量不变。此外，引风机的出力还受到系统阻力的影响，系统阻力增加则引风机出力增加。由此可见，引风机电耗与烟气流量和系统阻力成正比例关系。通过烟气余热利用换热器的烟气流量计算如下： （4-13）其中，D为通过烟气余热利用换热器的

50、烟气流量（）；为锅炉总烟气体积流量（N）；为烟气余热利用系统入口烟气温度(本文方案中均取131)。尾部烟道中增设低温省煤器，会使烟风阻力增大，使用螺旋翅片管工况下，其欧拉准则方程与尾部烟道流速、管型、管束布置等方式有关。在工程设计阶段可以根据下列公式作为参考25，并在实际工程中根据初运行数据给予修正26，27，28当时， （4-14）当17Re3时 （4-15）然后根据下列公式计算出由于增设受热面而增加的烟风阻力： （4-16）式中，为纵向管排数。根据以上分析，可以得出各方案下烟风阻力随烟气温度降低的变化曲线，如图3-10所示。从公式(4-13)至(4-16)及图4-11中可以看出：随着烟气温

51、降的增加，各方案的烟风阻力都在上升。其中替代最高的第6级抽汽的方案4，其烟风阻力最高，且上升最快。当烟气温降达到40 (对应烟气温度为90)时其换热器产生的烟风阻力可达1512Pa，为方案1 (573pa)的近三倍、方案4 (359pa)的近5倍。图4-12 换热器烟风阻力随烟气温降变化曲线最后根据通过烟气余热利用换热器的烟气流量、增加的烟风阻力及引风机的效率来确定引风机增加的轴功： （4-17）式中：为增加烟气余热利用换热器后引风机耗功增量；为引风机效率(%)。图4-13 风机增加功耗变化曲线当烟气流量和引风机电耗不变时，风机电耗增加必和换热器烟风阻力成近似线性关系；从增加烟气余热利用换热器

52、后引风机耗功增量随烟气温度降低的变化曲线(图4-13)也可以看出：风机电耗增加曲线与换热器烟风阻力曲线趋势几乎完全一致。4.1.5综合煤耗讨论由热力学分析可知增加烟气余热利用换热器后的理论节煤量和锅炉烟气温降的关系曲线(图4-9)，但在实际运行中，由于在锅炉尾部烟道中加入了换热器，增加了锅炉烟风系统中的烟风阻力，继而增加了风机的功耗，这又会抵消部分各方案的节能效果，带来的附加煤耗如图4-14所示。图4-14 风机功耗增加带来的附加煤耗变化因此，将图4-10和图4-14进行综合将得到各方案的实际标煤耗降低曲线，如图4-15所示。图4-15 各余热利用方案的实际煤耗降低曲线综合图(4-9)至图(4-15)可以看出：(1)随着烟气温降的增加，各余热利用方案的理论节煤量、由于烟风阻力带来的附加煤耗以及实际节煤量都呈上升趋势；(2)在相同的烟气温降条件下，替代高级抽汽的余热利用方案，其理论节煤量、烟风阻力带来的附加煤耗以及实际节煤量都较大；(3)对于替代第6级抽汽的方案4而言：当其烟气温降较大时，由于其对数温差较低(图4-10)、换热面积较大(图4-11)；其占据烟道的长度也更长，由此带来烟风阻力(图4-12)和风机功耗(图4-13)的急剧上升，并进一步导致其风机额外耗功带来的附加煤耗急剧上升(图4-14)。因此方案4的实际节煤