1000MW燃煤机组锅炉排烟节能减排新技术的研究和应用

1000MW燃煤机组锅炉排烟节能减排新技术的研究和应用

赵贤立1，王利敏2，李延伟2

(1.上海羲蓝节能环保科技有限责任公司,上海201100；2. 国家电投集团河南电力有限公司沁阳发电分公司,河南焦作454150;)

Technical Research And Application On 1000MW Coal-Fired-Unit Boiler Flue Gas Energy Saving and Emission Reduction

ZhaoXianli1，WangLiming2，LiYanWei2

(1.Shanghai Xiland ESEP Co.Ltd.,shanghai201100; 2.QinYang Branch, State Power Investment Group Henan Power Co.Ltd,jiaozuo454150)

ABSTRACT: In order to meet the design requirements of energy saving and emission reduction and high efficiency and wide load reduction of power supply coal consumption for 2x1000MW units of Qinyang Power Generation Co., Ltd. of the State Power Investment Group, this paper starts with improving the thermal energy grade of waste heat from boiler exhaust gas, and puts forward a new energy saving and emission reduction technology suitable for boiler exhaust gas system on the premise of ensuring the safe operation of boiler air pre-heater. This system, utilizing low pressure condensate water and low temperature economizer, can improve the thermal grade of boiler flue gas, which is conducive to improving the coal-saving benefit of waste heat recovery of flue gas, preventing low temperature corrosion of flue gas and improving the operation safety of air pre-heater. After the unit is put into operation, the new technology system runs steadily, achieves the desired design purpose, and achieves satisfactory energy saving and emission reduction effect.

Key Words: Boiler Flue Gas, Flue Gas Waste Heat Recovery, Energy Saving and Emission Reduction, Low Temperature Flue Gas Corrosion.

摘要：为满足国家电投集团沁阳发电有限责任公司2x1000MW机组节能减排﹑高效宽负荷降低供电煤耗的设计需要,本文从提高锅炉排烟余热的热能品位着手,在保证锅炉空气预热器安全运行的前提下,提出了适合于锅炉排烟系统的节能减排新技术,利用汽轮机低压凝结水与低温省煤器配合共同提高锅炉排烟的热能品位，即有利于提高烟气余热回收的节煤效益﹑又有利于防止烟气低温腐蚀，提高空气预热器的运行安全性。机组投运后，这一新技术系统运行稳定，达到了设计预期目的，取得了用户满意的节能减排效果。

关键词：锅炉排烟﹑烟气余热回收﹑节能减排﹑烟气低温腐蚀。

0 引言

国家电投集团河南沁阳发电分公司2x1000MW机组在立项之初就定位于高效宽负荷的先进性和高效率，尤其对锅炉烟气余热的深度利用提出了很高要求，原则上锅炉排烟的余热要充分利用将烟气温度降低到75℃。从理论上分析，由于烟气温度降低到75℃时的热能品位很低，节能效果事倍功半，同时还会因为烟气温度过低引发烟气低温腐蚀。针对锅炉排烟余热的热能品位较低这一客观因素，作者提出了借用暖风器系统，综合利用汽轮机低压凝结水的低温热源和锅炉排烟的低温热源提高锅炉排烟的热能品位，从而提高烟气余热回收利用的价值，达到有效降低机组供电煤耗的目的。从运行结果看，这一锅炉排烟节能减排新技术系统运行稳定，有效地将锅炉空气预热器二次风进风温度提高了40℃左右，将锅炉排烟温度提高了20℃左右，降低机组供电煤耗的效果达到了3克/kWh。

1 概述

国家电投集团河南焦作沁阳发电分公司2x1000MW燃煤火电机组的各主要设备﹑主要系统在保证安全可靠的前提下，格外要求经济性好，效率高。

锅炉由东方锅炉厂供货，设计指标先进，在THA工况的锅炉排烟温度达到114℃，处于国内外技术先进水平。锅炉各工况下的排烟温度设计数值见表1。

表1   锅炉各负荷工况下排烟温度设计值

从表1数据可见，锅炉排烟温度相当低，烟气低温腐蚀的风险比较大，尤其低负荷冬季运行工况，要格外注意烟气低温腐蚀。

结合锅炉排烟温度比较低﹑河南地处中原北方，冬季比较寒冷的气候特点，综合考虑项目设计要求提高效率的总要求，我们在多年锅炉烟气余热回收利用技术实践经验的基础上提出了锅炉排烟节能新技术：部分利用汽轮机低压凝结水作为锅炉暖风器热源，与低温省煤器配合共同提高锅炉排烟的热能品位，即有利于提高烟气余热回收的节煤效益﹑又有利于防止烟气低温腐蚀，提高空气预热器的运行安全性[1][2]。

2 电站锅炉烟气余热回收节能减排技术现状

燃煤电站锅炉的排烟温度一般在120℃～140℃,自2009年4月上海外高桥第三发电厂1000MW机组将锅炉排烟温度通过烟气余热回收将其再降低到90℃左右进入脱硫塔的技术改造获得成功后，在最近10年的时间里，锅炉烟气余热回收利用降低机组供电煤耗的节能技术实践层出不穷，节能效果也各有不同，简单来说主要有一级低温省煤器系统和两极串联低温省煤器系统。

一级低温省煤器烟气余热回收利用节能减排技术系统是一种最简单的应用也比较广的系统。上海某电厂300MW机组采用这一系统进行了节能技术改造，在电气除尘器烟气进口的4个水平烟道上安装了4台低温省煤器，低温省煤器水侧引入汽轮机第二级低加出口的凝结水，加热后返回第三级低加进口，实际运行数据见表2所列。

表2 上海某电厂300MW机组低温省煤器运行数

从表2可见，低温省煤器系统由4台并联设置的烟气余热回收低温省煤器组成，烟气温度由进口的140℃左右降低到了出口的95℃左右，低温省煤器管侧流动的是来自汽轮机第2级低加出口的凝结水，通过换热将凝结水由进口的79℃加热到出口的109℃，加热后的凝结水返回到第3级低加入口再汇入汽轮机热力系统。

两级串联低温省煤器烟气余热回收利用节能减排技术系统是一种比较复杂而应用实例也较少的一种系统，上海某电厂1000MW机组采用这一系统进行了节能技术改造，由4台并联设置的烟气余热回收低温省煤器形成第一级低温省煤器，布置在电气除尘器烟气进口；由两台并联布置的低温省煤器形成第二级低温省煤器，布置在脱硫塔烟气进口。这两极低温省煤器再串联运行组成一个完整的烟气余热回收利用系统 。实际运行数据见表3所列。

表3  上海某电厂300MW机组低温省煤器运行数

从表3可见，烟气温度由第一级进口的120℃左右降低到了出口的106℃左右﹑再由第二级低温省煤器降低到出口100℃，低温省煤器管侧流动的是来自汽轮机第7级低加出口的凝结水，通过换热将凝结水由第二级进口的84℃加热到出口的88℃﹑再由第一级低温省煤器加热到95℃，加热后的凝结水返回到第6级低加入口再汇入汽轮机热力系统。

这两种系统都是通过烟气余热回收减少汽轮机低加抽汽量来实现降低机组供电煤耗的目的。经性能考核试验证明，这种烟气余热回收利用的节煤效果基本上可以降低机组供电煤耗1～2g/kWh。当然还有多种烟气余热回收节能减排系统被研发并获得成功运行，本文不再一一叙述。

3 电站锅炉排烟节能减排新技术热力系统

在讨论电站锅炉排烟节能减排新技术之前，首先分析一下电站锅炉排烟的技术特点：

从表1所列数据可见，本项目锅炉排烟的温度比较低，尤其是低负荷运行工况，例如40%THA工况，锅炉排烟温度只有100℃。

当机组在冬季运行,如果环境温度到-5℃,机组负荷40%THA，此时烟气余热有效回收将锅炉排烟温度再降低到80℃，所回收的烟气余热也不足以将锅炉一次风和二次风加热到锅炉设计要求的进风温度，所以要考虑综合利用汽轮机低温热源和锅炉排烟余热回收的低温热源[3]。

锅炉排烟节能减排新技术热力系统见图1所示[4]。

图1 锅炉排烟节能减排新技术热力系统图和设计参数

从图1可见,锅炉排烟节能新技术由两极低温省煤器系统组成,第一级低温省煤器系统由一级低温省煤器前段和后端串联组成,分别布置于引风机的进口和出口烟道里;在第一级低温省煤器,烟气温度由140℃降低到95℃,凝结水由70℃提高到120℃返回6号低加进口。第二级低温省煤器系统由二级低温省煤器和二次风暖风器组成，二级低温省煤器布置于脱硫塔进口的水平烟道里，二次风暖风器布置于送风机出口至锅炉空气预热器二次风进口之间的风道里；在第二级低温省煤器系统,烟气温度由95℃降低到75℃进入脱硫塔,凝结水由65℃提高到80℃进入二次风暖风器，在二次风暖风器里，凝结水温度由80℃降低到53℃返回9号低加进口，二次风由25℃提高到70℃进入空气预热器。

图1所示热力系统节能减排新技术的设计思路主要在于下面4点：

第1：将锅炉排烟温度由118℃提高到140℃，提高烟气余热的热能品位，从而有效提高烟气余热回收利用的节煤效果，据汽轮机厂家计算，这一设计数据可以降低机组供电煤耗3g/kWh以上。提高节能效果的原因之一在于进入第二级低温省煤器的凝结水65℃，来自于9号低加出口，从暖风器出口的凝结水53℃，返回9号低加进口，这样增加了9号低加的加热抽汽流量，而9号低加的抽汽热能品位很低。由于暖风器的作用使得第一级低温省煤器进口烟气温度升高﹑出口水温相应提高，加热后的凝结水进入6号低加，这样减少了6号低加的抽汽流量。热能品位的变化数据见表4所列。 

表4 热能品位变化数据表

第2：第二级低温省煤器的凝结水设计进水温度65℃，从暖风器出来的凝结水温度53℃返回9号低加的进口，这部分凝结水将12℃的低温热量用于提高第一级低温省煤器回收的烟气余热的品位和数量，实现第1个设计思路；

第3：第二级低温省煤器系统内的二次风暖风器将二次风温度由25℃提高到70℃进入锅炉空气预热器，使得锅炉空气预热器的冷端运行金属壁温高于100℃，完全避免了空气预热器的冷端低温腐蚀，提高了锅炉运行的安全性;

第4: 第二级低温省煤器出口烟气温度低于80℃进入脱硫塔,能有效减少脱硫塔水耗量,有效降低脱硫塔内烟气脱硫的饱和工作温度,从而有效减少脱硫后的烟气水蒸汽含量,有利于一定幅度的减弱烟囱烟气冒白烟现象。

上述4点设计思路的亮点在于提高锅炉排烟温度到140℃，容易引起误解的是锅炉效率会否降低，如果导致锅炉效率降低，节能将适得其反，有可能提高供电煤耗。

锅炉效率的计算有正平衡法和反平衡法两种方法。

正平衡法锅炉效率的计算就是计算锅炉有效吸热量和输入热量之比值,锅炉有效吸热量就是指锅炉进水加热﹑汽化﹑过热﹑再热的所有吸热量,输入锅炉的热量指煤种发热量和空气带进的热量之和。锅炉排烟余热回收利用不影响锅炉的有效吸热量，不影响煤种的发热量，但由于加热进炉二次风影响到了空气带进炉膛的热量，由于燃煤量难以计量，所以一般不用正平衡法计算锅炉效率。

反平衡法计算锅炉效率，计算公式如下：

η反=100-q2-q3-q4-q5-q6                                 (1)

q2=(Ipy-αI0k)(100-q4)/Qr                                (2)

式中：η反为反平衡法计算锅炉效率； q2为锅炉排烟热损失；q3化学不完全燃烧热损失；q4机械不完全燃烧热损失；q5炉墙散热热损失；q6其他热损失；

Ipy排烟热焓；α为过量空气系数；I0k为进炉空气热焓； Qr为锅炉输入热量。

公式（1）中，等式右边只有锅炉排烟热损失q2一项有所变化，q2的变化从公式（2）可见，主要是排烟热焓Ipy和进炉空气热焓I0k的变化，从表1和图3所列数据可见，锅炉排烟温度由118℃提高到了140℃，提高了22℃，二次风进风温度由25℃提高到了70℃，提高了45℃，如果进行完整的热力计算，就会发现这两个数据都变大了，但(Ipy-αI0k)项变化不大，略有减小，再考虑Qr在前面的分析中也是略有变大，所以q2锅炉排烟热损失的变化不大，略有减小。所以反平衡法计算的锅炉效率会略有提高，山东某电厂锅炉技术改造的性能试验结果也证明了上述分析结果正确性。

4 运行实践

图1所示锅炉排烟节能减排新技术热力系统应用于国家电投沁阳发电有限责任公司2x1000MW机组，投运于2018年底，系统运行参数DCS画面截图见图2。

图2 锅炉排烟节能减排新技术运行参数DCS截图

从图2可见，机组运行负荷508.6MW,接近50%THA工况；二次风暖风器进风温度9℃左右，基本属于冬季工况，二次风暖风器出风温度63℃左右，暖风器温升54℃左右；第一级低温省煤器烟气进/出口温度分别为：120/85℃，凝结水进/出口温度分别为：76/112℃；

第二级低温省煤器烟气进/出口温度分别为：85/77℃，凝结水进/出口温度分别为：66/81℃；第二级低温省煤器系统凝结水进口温度66℃左右，26℃左右返回汽轮机低压凝结水系统。

从图2所示运行数据可见,基本达到了系统设计之初确定的4点设计要求。由于机组运行负荷较低，环境温度也较低，所以从汽轮机低压凝结水系统输出到锅炉进风的低温热量比设计数值大了很多，由于这部分热量来自于汽轮机第9级低加，相对热能品位很低，通过暖风器将热量转移给锅炉进风使得锅炉排烟温度升高，第一级低温省煤器回收的烟气余热减少了汽轮机第6级低加的蒸汽消耗量，所以节能效果得到了有效提高。

5 结论

（1）本文提出的锅炉排烟节能减排新技术有效提高了锅炉排烟的热能品位，从而有效提高了锅炉烟气余热回收的节能效果，将一般情况下烟气余热回收降低机组供电煤耗的效果由1～2g/kWh提高到了3g/kWh以上；

（2）由于空气预热器的进口风温和出口烟气温度同时提高，从而将锅炉空气预热器的冷端金属壁温由70℃左右提高到了100℃左右，有效避免了烟气低温腐蚀，提高了锅炉运行的安全性；

（3）第二级低温省煤器出口烟气温度77℃进入脱硫塔,有效减少脱硫塔水耗量,有效降低脱硫塔内烟气脱硫的饱和工作温度,从而有效减少了脱硫后的烟气水蒸汽含量,有利于一定幅度的减轻烟囱烟气冒白烟现象。

参考文献

[1]  赵之军，冯伟忠，张岭，等。电站锅炉排烟余热回收的理论分析与工程实践【J】.动力工程学报，2009，29（11）：994-997，1012.

[2]  赵之军，朱其远，严宏强，等．论电站锅炉排烟温度的自动控制［Ｊ］．动力工程，2002，22（5）：1949-1953，1948．

[3]  赵贤立.一种双循环锅炉排烟余热回收加热进炉风设备及方法:中国，105351915B[P],2018-03-27.

[4]  尹金亮，李三民，陈宝星，赵贤立，等。烟气余热回收加热进炉风新技术研究[J]. 热机技术，2016，132(3):22-32,22.

作者简介：

赵贤立(1985-),男，工程师，MBA学历，从事低温省煤器及烟气余热回收等技术研究及软件工程应用.