鍋爐尾部煙道低溫省煤器節能分析

1.低溫省煤器系統概述

排煙損失是鍋爐運行中最重要的一項熱損失，一般約為5%--12%，占鍋爐熱損失的60%--70%，影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度，一般情況下，排煙溫度每增加10℃，排煙熱損失增加0.6%--1%，相應多耗煤1.2%--2.4%。若以燃用熱值2000KJ/KG煤的410t/h高壓鍋爐為例，則每年多消耗近萬噸動力力煤，我國火力發電廠的很多鍋爐排煙溫度都超過設計值,約比設計值高20—50℃。所以，降低排煙溫度對于節約燃料和降低污染具有重要的實際意義，實踐中以降低排煙溫度為目的的鍋爐技術改造較多。但由于大多數電廠尾部煙道空間太小，防磨、防腐要求較高，引風機的壓頭裕量不大等實際情況。為了降低排煙溫度，減少排煙損失，提高電廠的運行經濟性，可考慮在煙道上加裝低溫省煤器。低溫省煤器的具體方案為：凝結水在低溫省煤器內吸收排煙熱量，降低排煙溫度，自身被加熱、升高溫度后再返回汽輪機低壓加熱器系統，代替部分低壓加熱器的作用。在發電量不變的情況下，可節約機組的能耗。同時，由于進入脫硫塔的煙溫下降，還可以節約脫硫工藝水的消耗量。

2.國內外低溫省煤器目前的應用情況及安裝位置

2.1低溫省煤器目前在國內外的應用情況

低溫省煤器能提高機組效率、節約能源。目前在國內也已有電廠進行了低溫省煤器的安裝和改造工作。

山東某發電廠，兩臺容量100MW發電機組所配鍋爐是武漢鍋爐廠設計制造的WGZ410/100—10型燃煤鍋爐，由于燃用煤種含硫量較高，且鍋爐尾部受熱面積灰、腐蝕和漏風嚴重，鍋爐排煙溫度高達170℃，為了降低排煙溫度，提高機組的運行經濟性，在尾部加裝了低溫省煤器。低溫省煤器系統布置圖如下：

山東某電廠低溫省煤器系統連接圖

國外低溫省煤器技術較早就得到了應用。在蘇聯為了減少排煙損失而改裝鍋爐機組時，在鍋爐對流豎井的下部裝設低溫省煤器供加熱熱網水之用。德國Schwarze Pumpe電廠2×800MW褐煤發電機組在靜電除塵器和煙氣脫硫塔之間加裝了煙氣冷卻器，利用煙氣加熱鍋爐凝結水，其原理同低溫省煤器一致。德國科隆Nideraussem1000MW級褐煤發電機組采用分隔煙道系統充分降低排煙溫度，把低溫省煤器加裝在空氣預熱器的旁通煙道中，在煙氣熱量足夠的前提下引入部分煙氣到旁通煙道內加熱鍋爐給水。日本的常陸那珂電廠采用了水媒方式的管式GGH。煙氣放熱段的GGH布置在電氣除塵器上游，煙氣被循環水冷卻后進入低溫除塵器（煙氣溫度在90～100℃左右），煙氣加熱段的GGH布置在煙囪入口，由循環水加熱煙氣。煙氣放熱段的GGH的原理和低溫省煤器一樣。

低溫省煤器盡管在國內和國外已經有運用業績，但上述的例子中我們發現，在德國鍋爐排煙溫度較高，均達到170℃左右（這些鍋爐燃用的是褐煤），而加裝低溫省煤器后排煙溫度下降到100℃左右。日本的情況是鍋爐設計排煙溫度不高（125℃左右），經過低溫省煤器后煙氣溫度可降低到85℃左右。

2.2低溫省煤器安裝位置

由于低溫省煤器的傳熱溫差低，因此換熱面積大，占地空間也較大，所以在加裝低溫省煤器時，需合理考慮其在鍋爐現場的布置位置。

2.2.1低溫省煤器布置在除塵器的進口

日本的不少大型火電廠，如常陸那珂電廠（1000MW）和Tomato-Atsuma電廠（700MW）等都有類似的布置。管式的GGH煙氣放熱段布置在空預器和除塵器之間。管式GGH將煙氣溫度降低到90℃左右，除塵器的飛灰比電阻可從1012Ω-cm下降到1010Ω-cm，這樣可提高電氣除塵器的運行收塵效率。低溫省煤器布置在除塵器的進口，除塵器下游的煙氣體積流量降低了約5％，因此其煙道、引風機、增壓風機等的容量也可相應減少，降低了運行廠用電。據計算，每臺機組節約引風機和增壓風機廠用電共約500kW。需要指出的是除塵器和風機的選型仍應該考慮125℃低溫省煤器未投運時的情況，

這種布置方式最大的風險是腐蝕。因為經過低溫煙氣換熱器后的煙氣溫度已經在酸露點以下，除塵器、煙道、引風機、增壓風機均存在腐蝕的風險。根據日本的有關技術資料，未經除塵器收塵的煙氣中含有較多的堿性顆粒，可中和煙氣中凝結的硫酸微滴，低溫除塵器及其下游的設備并“不需要進行特別的防腐考慮”，而且日本的不少大機組運行低溫除塵器也有良好的業績，因此，這種布置方式應該是可行的。但是，對所謂的“不需要進行特別的防腐考慮”還有一些疑慮：（1）是不是僅僅依靠煙氣中的堿性灰顆粒就能中和大部分SO2，而大大降低溫煙氣的腐蝕性？中和反應的徹底程度肯定與燃煤的特性有關（如含硫量，含灰量，灰分中堿性物質如CaO。K2O的數量等），是不是還與別的因素有關？（2）對于低溫電氣除塵器與常規除塵器的區別還需要進一步研究。根據我們目前掌握的資料，為了防止低溫除塵器灰斗中的灰板結，其灰斗的加熱面積要大于普通除塵器。由于缺乏更多的資料，如果采用這種布置方式需要進行大量資料的收集研究工作。（3）對于除塵器下游的煙道和風機設備，由于煙氣中的灰已經基本被除去，此時還應該充分考慮相應的防腐措施。（4）隨著煙氣溫度的降低，煙灰的電氣抗阻值下降。此時ESP的除塵性能上升，但是在捶打集塵極板時，附在電極處的煙塵會飛散，使ESP出口粉塵濃度短時上升（比通常的出口濃度要高約50mg/m3左右）。

2.2.2低溫省煤器布置在脫硫吸收塔的進口

德國一些燃燒褐煤的鍋爐將低溫省煤器布置在吸收塔入口。低溫省煤器將煙氣溫度從160℃降低到100℃后進入吸收塔，被煙氣加熱的凝結水再加熱冷二次風。

這種方式的低溫省煤器實際上起到管式GGH加熱器中煙氣冷卻的作用。煙氣經過除塵器后，低溫省煤器處于低塵區工作，因此飛灰對管壁的磨損程度將大大減輕。由于煙氣中的堿性顆粒幾乎被除塵器捕捉，其出口煙氣帶有酸腐蝕性。但是由于其布置位置在除塵器、引風機、增壓風機之后，煙氣并不會對這些設備造成腐蝕，因而避免了腐蝕的危險。因為吸收塔內本來就是個酸性環境，煙氣離開吸收塔時溫度約為45℃。塔內進行了防腐處理。這種布置方式只要考慮對低溫省煤器的低溫段材料和低溫省煤器與吸收塔之間的煙道進行防腐。

采用這種布置方式的缺點是無法利用煙氣溫度降低帶來的提高電氣除塵器運行效率、減少引風機和增壓風機功率的好處；其次，其布置位置遠離主機，用于降低煙氣溫度的凝結水管道也較長，凝結水泵需克服的管道阻力及電耗也更高。

3.低壓省煤器節能理論及計算

一般認為，把煙氣余熱輸入回熱系統中會排擠部分抽汽，導致熱力循環效率降低；并且，排擠的部分抽汽會增加凝汽器的排汽使汽輪機真空有所降低。這兩點對于低壓省煤器節能的疑問必須加以澄清。理論上，增設低壓省煤器后，大量煙氣余熱進入回熱系統，這是在沒有增加鍋爐燃料量的前提下，獲得的額外熱量，它以一定的效率轉變為電功。這個新增功量要遠大于排擠抽汽和汽機真空微降所引起的功量損失，所以機組經濟性無例外都是提高的。

3．1 發電煤耗節省量計算

采用等效熱降法進行熱經濟性分析。將低壓省煤器回收的排煙余熱作為純熱量輸入系統，而鍋爐產生1kg新汽的能耗不變。在這個前提下，熱系統所有排擠抽汽所增發的功率，都將使汽輪機的效率提高。

相應1kg汽輪機新汽，其全部做功量稱新汽等效焓降（記為H），所有排擠抽汽所增發的功量（記為ΔH）稱等效焓降增量，計算如下：

H = 3600/（ηjd×d）                   (kJ/kg)

ΔH=β[（hd2-h4）η5+∑(τj·ηj)]          (kJ/kg)

式中 d—機組汽耗率，kg/kwh；

ηjd—汽輪機機電效率；

β—低省流量系數；

hd2—低壓省煤器出水比焓，kJ/kg；

h4—除氧器進水比焓，kJ/kg；

τj—所繞過的各低加工質焓升，kJ/kg；

ηj—所繞過的各低加抽汽效率。

熱耗率降低δq按下式計算：

δq=ΔH·q/(H+ΔH)                (kJ/kwh)

式中 q—機組熱耗率，kJ/kwh;

發電標煤耗節省量δbs按下式計算：

δbs=δq/(ηp·ηb·29300)        (kg/kwh)

式中ηp、ηb——鍋爐效率、管道效率；

以已投運的某200MW火電機組低壓省煤器系統為例進行節能量計算，結果列于表1。由表1可見，低壓省煤器降低排煙溫度28℃，可節省標準煤3.05g/kwh。

表1低壓省煤器主要指標計算結果(某國產200MW機組)

這里指出，低壓省煤器盡管降低了排煙溫度，但并未改變鍋爐效率。鍋爐的排煙溫度仍然定義于空氣預熱器出口。

3．2 汽輪機真空影響計算

對于濕冷機組，汽輪機背壓增量dpc與冷凝量增量dDc關系借助凝汽器的變工況計算，亦可按下式估算：

dpc=2.059×dDc/Dc            (kPa)

dDc=∑Dj- dD0               （t/h）

式中 Dc—凝汽器冷凝量，t/h，

dD0—由增設低省引起的汽輪機新汽量減少值，t/h，可由δbs計算得到。

∑Dj—低省各排擠抽抵達凝汽器的總量，t/h。其中第J級的排擠量按下式計算：

Dj=3.6·γj·G·τj/qj         ( t/h)

式中 G—低省的過水流量，kg/s

γj—排擠系數，指第J級排擠抽汽抵凝汽器的份額，按文獻[1]計算。

其余符號，意義同前。

表2列出了汽輪機真空計算主要結果。

表2汽輪機真空影響計算結果（某國產200MW級組）

由表可知，各排擠抽抵達凝汽器的總量14.12t/h,低省節省新汽量5.64t/h,冷凝量凈增量8.48t/h,由此引起汽輪機背壓升高0.0404kPa。此時汽輪機排汽比焓升高值為0.457kJ/kg，僅占新汽等效焓降的0.037%。根據以上分析，排擠抽汽對汽輪機真空以及對汽輪機做功的影響完全可以忽略。

4.某工程低溫省煤器的初步方案

低溫省煤器的結構形式如下

省煤器結構設計中需考慮的問題 :

1、管徑的選擇

2、縱向節距和橫向節距（煙氣流速）的確定

3、管組高度的限制，檢修用空間高度的預留

4、省煤器中的凝結水流速

4.1機組主要設備參數

4.2低溫省煤器主要設備參數

4.3低溫省煤器調試運行參數

由以上實例可以看出，投資回收期為1.41年，可使用壽命為10年，則低溫省煤器具有非常積極的意義。

5.加裝低溫省煤器需要考慮的問題

5．1 煙道省煤器的低溫腐蝕

選用合適的耐腐蝕材料。針對工程的應用情況，選擇合適的、性價比比較高的材料是非常重要的。目前可供考慮采用的材料主要有：不銹鋼材料、耐腐蝕的低合金碳鋼、復合鋼管及碳鋼表面搪瓷處理等。

5.2 換熱面管的積灰

低溫省煤器的換熱面管采用高頻焊翅片管,與普通光管相比，翅片管傳熱性好，因此可減小低溫省煤器的外形尺寸和管排數，減少煙氣流動阻力。

但是高頻焊翅片管易于積灰。其積灰的程度與煤灰特性及煙氣流速有關。因此在設計時可適當提高煙速(對于除塵器前布置的低溫省煤器，煙氣流速推薦10 m／s左右，對于除塵器后布置的低溫省煤器，煙氣流速推薦15 m／s左右)。選擇合適間距的翅片管以減少省煤器管壁積灰。在低溫省煤器管排間將設置蒸汽吹灰器。對于低溫省煤器在布置上必須考慮可拆卸的形式，并在低溫省煤器上設置水清洗系統，利用機組停運期間進行水清洗。

5.3 煙道的防腐

由于煙氣運行溫度較低，需要對低溫省煤器后的煙道考慮防腐措施，初步考慮采用耐硫酸碳鋼，對煙道的造價會提高約20%。

6 低溫省煤器的特點分析

6.1  排煙溫度方案比較

主要比較了傳統的高壓省煤器改造和增設低壓省煤器的兩種技術方案。與高壓省煤器改造相比，低壓省煤器在電廠節能減排方面有其獨到的優點：

（1）可以實現排煙溫度的大幅度降低。按照電廠的不同需求，可降低排煙溫度30℃～35℃，甚至更多。而改造高壓省煤器，則根本無法做到這一點。這個優點對于需上脫硫系統的鍋爐（排煙溫度有最高限制），是十分珍貴的。

（2）對于鍋爐燃燒和傳熱不會產生任何不利影響。由于低壓省煤器布置于鍋爐的最后一級受熱面（下級空預器）的后面，因此，它的傳熱行為對于鍋爐的一切受熱面的傳熱均不發生影響。因此既不會降低入爐熱風溫度而影響鍋爐燃燒，也不會使空氣預熱器的傳熱量減少，從而反彈排煙溫度的降低效果。

（3）具有獨特的煤種和季節適應性。鍋爐的低壓省煤器出口煙溫可以根據不同季節和煤質（主要是含硫量）進行調節，以實現節能和防腐蝕的綜合要求。這也是高壓省煤器改造所不具備的。例如為貴州QG電廠670t/h鍋爐設計的低壓省煤器，設計將排煙溫度從160℃降低到135℃。后運行中排煙溫不正常升高到180℃，低壓省煤器靠自身的煙溫調節功能，仍然將排煙溫度輕松降低到135℃。

（4）設計低壓省煤器也可以同時解決汽輪機熱力系統的某些缺陷。例如山西ST電廠#4機（200MW），大修前除氧器的主凝結水進水溫度高出設計值很多，造成了除氧器的排擠抽汽。為此，只得部分開啟#4低加旁路，使汽輪機熱耗增加。加裝低壓省煤器后，低省出口的水溫為120℃，低于主凝結水溫度34℃，與主凝結水匯合后，使除氧器進水溫度基本恢復設計值，從而消除了回熱系統的缺陷，保證了除氧效果。

（5）采用低壓省煤器系統，可以充分利用鍋爐本體以外的場地空間布置受熱面，因而空間寬綽、便于檢修。

當然，由于低壓省煤器所吸收余熱的利用能級相對較低，因此其單位排煙溫降的節能量不及高壓省煤器改造。如果電廠只需少量降低排煙溫度、而鍋爐又無燃燒穩定性的擔憂或其它限制時，改造高壓省煤器也不失為較好的方案。

6.2  低溫省煤器的優點：

1、可降低排煙溫度30~70℃?？色@得顯著的節能經濟效益。

2、大大降低脫硫系統的水耗。加裝低壓省煤器后，可取消脫硫系統的噴水降溫裝置或事故（噴淋）降溫裝置，實現脫硫系統的深度節能。

3、增設低壓省煤器，可減少抽汽量，降低煤耗。

 4、具有良好的煤種和季節適應性。

5、具有良好的負荷適應性。

6、可以充分利用鍋爐本體以外的場地空間，布置所需要的受熱面，并留有足夠的檢修空間，檢修方便。

7、本技術把鍋爐的余熱利用與汽輪機的低加系統巧妙地結合起來，對于鍋爐燃燒和傳熱不會產生任何不利影響。

8、對于拆除GGH的脫硫改造工程，在吸收塔入口處加裝低溫省煤（GGH的阻力比低溫省煤器高300-400Pa），不僅解決了去掉GGH后煙氣對脫硫系統的不利影響，而且降低排煙溫度，提高鍋爐效率。

9、由于本系統屬靜態設備，無動力裝置，所以系統本身能耗極低。