1、概述

    对于火力发电厂的热力系统而言, 可以采用提高蒸汽参数以提高锅炉效率,提高汽轮机相对内效率和降低排气参数以提高汽轮机的效率的方式来提高整个系统的效率。但是钢材的耐高温性能限制了锅炉蒸汽温度的提高, 环境温度又限制了排汽参数的下降, 因此, 设法提高高温烟气的利用效率是电厂节能的重点环节。排烟损失是锅炉运行中最重要的一项热损失,我国火力发电厂的很多锅炉排烟温度都超过设计值较多。为了减少排烟损失, 降低排烟温度, 节约能源, 提高电厂的经济性, 可在锅炉尾部增加安装低压省煤器。低压省煤器内部流过的介质是凝结水泵供出的低压凝结水, 凝结水在低压省煤器内吸收排烟热量, 降低排烟温度, 自身被加热、升高温度后再返回汽轮机低压加热器系统, 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。低压省煤器将节省部分汽轮机的回热抽汽, 在汽轮机进汽量不变的情况下, 节省的抽汽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, 可获得更多的发电量。

2、实例分析

    黑龙江某电厂150 t/ h 煤粉炉自投产以来, 实际运行平均排烟温度185℃ , 排烟热损失达8% ~8.5% 。为充分利用排烟余热, 节约能源, 提高电厂的经济性, 拟定在锅炉尾部烟道设计安装低压省煤器, 用以降低锅炉的排烟温度。

2.1、低压省煤器设备参数的确定

低压省煤器与热力系统的联接方式如图1 所示, 汽轮机为N25- 35- V 型。
 
图1 热力联接方式

2.1.1进出水温度及壁厚

    对于干燥的省煤器管壁面, 在一定的烟气流速的冲刷下不易积灰, 但如果管壁温度低于烟气露点, 壁面结露沾附飞灰, 容易产生低温腐蚀。为了充分利用排烟余热, 较大幅度降低锅炉排烟温度,同时为了使低压省煤器受热面不至于太大, 低压省煤器可以设计在低温腐蚀下运行, 但要保证腐蚀速度在可以接受的范围内。根据低温腐蚀的机理和腐蚀与壁温的关系, 使金属年腐蚀速度 0.2 mm, 要求低压省煤器的管壁温度t 应在下述范围之内: tld + 25℃ < t < 105℃, 其中t ld 为烟气的水露点温度。锅炉烟气中水的压力为8.73 kPa, 相应的水露点温度为43.2℃ , 因此要求68.2 ℃ < t< 105 ℃ 。即低压省煤器管道壁温不能高于105℃, 也不能低于68℃ 。在这种条件下, 管子虽然不能避开酸露点, 但可以避开水蒸气露点附近的最大腐蚀速度区, 延长管子使用寿命。由于低压省煤器水侧放热系数远远大于烟气侧, 其冷端的金属壁温近似等于进口水温, 因此低压省煤器的进水温度不能低于68℃ 。

    为了减少热系统中加装低压省煤器后增加的水阻, 低压省煤器的联结方式采用并联系统。因为低压省煤器绕过1 个或数个低压加热器所减少的水阻力, 应能部分补偿低压省煤器增加的水阻。汽轮机额定负荷运行时, 热系统中加热器出口水温分别为th = 45℃ , t 1= 68℃ , t 2= 99℃ , t3= 104.81℃ , t 4= 120℃ , t 5= 165℃ , 根据低压省煤器要求的进出水温度范围( 68 ℃ < t < 105 ℃ ) ,低压省煤器进水应从1 号低压加热器出口引出, 从2 号低压加热器出口并入热系统, 如图1 中虚线所示, 且要求出口水温td1> t 2, 选择出口水温为100℃ [ 2] 。

2.1.2 低压省煤器的管道壁厚

低压省煤器布置在锅炉空气预热器后部的竖井烟道中, 进口烟温182 ℃ , 进口水温68℃ , 出口水温100℃ , 受布置空间的限制, 经过热力计算,低压省煤器设计受热面的各项参数如表1 所示。

表1􀀁 低压省煤器设计受热面的参数汇总
 
􀀁 􀀁
    低压省煤器选用外径为32 mm 的管子, 承受的最大压力不超过0.6 MPa ( 凝结水泵出口水压) ,经过强度计算, 最小需要壁厚0.598 11 mm, 从制造工艺考虑应选用3 mm 的壁厚, 可保证低压省煤器有10 年左右的耐腐蚀寿命。烟气流经低压省煤器的阻力及凝结水流经低压省煤器及其连接管道阻力, 从计算结果可知并不大, 锅炉引风机及凝结水泵的压头有一定的余量,足以克服增加的阻力, 不会影响设备及系统的正常运行。

2.2 经济性分析

2.2.1 热经济性分析

    排烟余热经低压省煤器回收利用于热力系统,是一个标准的外部纯热量进入系统的问题, 用等效热降进行经济分析较为方便[ 3] 。N25- 35- V 型汽轮机在额定状态下, 新蒸汽参数P0 = 3.43 MPa, t 0 = 435 ℃, 新蒸汽焓I0 =3 292 kJ/ kg, 蒸汽流量D = 110 t/ h。根据计算得到表2。

   表2 各级抽汽等效热降   kJ/ kg
 
    新蒸汽等效热降H = 854.78 kJ/ kg, 抽汽效率 , 加热器散热等损失很小, 可以忽略不计。流经低压省煤器的凝结水量D = 60 t / h, 相当于新蒸汽份额的54.55% 。此凝结水流经低压省煤器吸收余热后,使整个系统获得的实际做功收益增加了△H = 22.55kJ/ kg。

2.2.2 技术经济性分析

低压省煤器使全厂热经济性相对提高:


加装低压省煤器后, 锅炉全年可节约能量△B为

 
式中􀀁 N ——机组额定容量, kW;
􀀁     n ——机组容量年利用小时, 取4 000 h;
􀀁     b —— 发电标准煤耗率, 取469.58 g/ kW▪h。
经过计算得到△B= 1 206.9 ( t/ a)
年节能价值
V= P▪△B ( 元)
式中P 为标准煤单价, 元/ t。
电厂近4 年的标准煤价分别是180 元/ t, 190元/ t, 210 元/ t, 290 元/ t, 煤炭价格增长幅度分别为5.6%, 10.5% , 38%, 并且在近期内仍在大幅度上涨。由于国家发改委建议电煤价格涨幅不应超过8%, 本文在经济分析时, 标准煤的价格以290元/ t 为基数, 按照每年增长8%计算。

2.3 经济性评价
    由于对低压省煤器的投资发生在安装施工当年, 而节能获得的收益在其运行寿命期各年, 故可选用指标——净现值NPV、动态投资回收期以及内部收益率IRR 作为经济评价指标。
 
式中􀀁 V ——现金流入额;
􀀁 􀀁  I —— 现金流出额;
􀀁 􀀁  K ——投资支出;
􀀁 􀀁  ic ——资金基准收益率, 取ic= 0.1;
􀀁 􀀁  n —— 低压省煤器运行寿命, 取n= 8 a。
低压省煤器及连接热系统的管道总重量约为15 t , 价值约38.5 万元, 安装费用约4 万元, 总投资42.5 万元, 使用年限为8 年。运行4 年时需进行大修, 检修费用约8􀀂5 万元, 同时因停用半年,收益减半。加装低压省煤器后运行成本( 凝结水泵及引风机的耗电量增加以及运行人员配置增加) 每年增加3.8 万元。对低压省煤器设备进行经济计算得到表3。

表3􀀁 折现值计算表( 基准收益率ic= 10%) 万元

  
    经过以上的经济分析表明, 对低压省煤器的投资在1 年半左右就可以回收成本, 总收益达到了160 万左右, 内部收益率远远高于基准收益率, 投资收益显著。

3、 小结

    低压省煤器设计在低温腐蚀条件下运行, 工质压力低、腐蚀速度慢、安全运行有保障, 并且系统简单, 不破坏接入的抽汽回热系统原结构, 施工方便, 运行操作和维护简单, 运行费用较低, 投资少, 回收期短。只增加少量的凝结水泵、引风机的耗电量。