烟气余热利用系统分析

1、摘要摘要燃煤电站锅炉烟气的回收利用是应对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造的要求的有效措施。本文详细阐述了热力学系统热力学分析的主要方法及其优缺点。同时，介绍了低温省煤器的三种主要的联结方式，并对某1000MW汽轮机组进行节能改造分析，设计了4种方案，进行热力学分析，结果表明：烟气温降越大，机组增加出功越多，节约供电煤耗越多；在相同温降下，方案4的机组增加出功和节约供电煤耗比其它三种方案要多，方案2的节能效果较差；烟气综合利用的效果不仅与锅炉侧烟气的温降有关，而且还与低温省煤器回路的布置形式有关；低温省煤器所替代的加热器等级越高，所获得的节能效果越明显。关键词：低温省煤器；烟气余热利用；热力学

2、节能分析IABSTRACTAbstractThe recovery and utilization of flue gas in coal-fired power station is an effective measure to meet the requirements of fully carrying out ultra-low emission and energy saving reform of coal-fired units. This paper elaborates the main methods and advantages and disadvantages of

3、 thermodynamic analysis of thermodynamic system. At the same time, the three main connection methods of low temperature economizer are introduced, and the energy saving transformation of a 1000MW steam turbine is analyzed. Four kinds of schemes are designed and analyzed thermodynamically. The result

4、s show that the temperature of the flue gas is higher The more energy saving effect of scheme 2 is worse than that of the other three schemes. The effect of comprehensive utilization of flue gas is not only the same as that of boiler Side of the flue gas temperature drop, but also with the low tempe

5、rature economizer circuit layout of the form; low temperature economizer replaced by the higher the level of the heater, the more obvious the energy saving effect.Keywords: low temperature economizer; flue gas waste heat utilization; energy analysis of thermodynamicsI目录目录摘要IAbstractI目录I第1章 绪论11.1 引言

6、11.2 电站锅炉烟气余热利用的研究现状11.3 高炉煤气锅炉烟气余热利用的研究现状41.4 研究内容及意义5第2章 锅炉烟气余热利用的理论基础72.1 热平衡法72.2 等效焓降法82.3 特殊函数法102.4 循环函数法102.5 矩阵法102.6 烟气余热利用节能潜力分析112.7 本章小结14第3章 低温省煤器联结方式的选择与优化153.1 引言153.2 串联联结方式163.2 并联联结方式163.3 跨级并联联结方式163.4 烟气余热利用系统部分问题的处理173.4.1 排烟温度对烟囱排烟能力的影响173.4.2 尾部烟道设备结构布置173.4.3 烟道阻力对引风机的影响183.

7、4.4 排烟温度对烟囱排烟能力的影响18第4章 烟气余热利用系统实例分析194.1 烟气综合利用系统设计与分析194.2 热力学节能分析224.3 综合煤耗分析244.4 本章小结26第5章 结论与展望27参考文献29致 谢32II中北大学2017届本科毕业论文第1章 绪论1.1 引言能源是人类文明发展的基石，直接影响着人类的生存状况。2016年7月，作为世界领先的石油和天然气企业BP公司，发布了第65版BP世界能源统计年鉴，报告显示2015年全球一次能源消费为131.473亿吨（油当量），相比2014年增长1 %左右，石油继续作为全球最大的消费能源，占总消费量的33 %；煤炭作为仅次于石油的

8、第二大消费能源，占总消费量的29 %1。改革开放以来我国经济的快速提升，带动了对能源需求的迅猛增长，能源事业的发展也取得质的飞跃。1目前，中国已经成为世界上最大的能源生产国和消费国，2015年中国能源消费量占全球能源消费量的23 %，占全球净增长的34 %，连续十五年保持全球最大能源增量市场的地位2。值得注意的是，2015年度全球一次能源消费仅增长了1.0 %，远低于近十年的平均值3。我国2015年一次能源消费相比2014年增长了0.9 %，但远低于“十二五”期间年均增长3.6 %的水平，其中煤炭消费总量出现了近十年来首次负增长3。这一现象是在日益严峻的能源和环境的双重压力下出现的必然结果。因

9、此，节能减排是我国面临的主要问题。在能源利用的过程中，作为一次能源的燃料会发生一系列的反应产生大量的热能，然而这部分热能不可能完全被利用，因此经过能量转换后剩余的热能成为余热资源。余热资源属于二次能源，其来源丰富，广泛存在于电站锅炉和工业设备中，如：电力行业的燃煤锅炉、燃气锅炉和汽轮机等；冶金行业的高炉、转炉和平炉等。余热资源按温度划分可以分为三种：高温余热，余热温度大于600；中温余热，余热温度介于230到600；低温余热，余热温度低于230。在锅炉的热损失中，烟气热损失所占的比重最大，因此烟气余热也是余热资源的重要组成。深入研究锅炉烟气余热利用，充分回收利用烟气中的余热资源，不仅具有巨大的

10、经济和社会效益，更有助于提高能源的高效利用，这对我国制定的节能减排战略具有重要意义。1.2 电站锅炉烟气余热利用的研究现状通常情况下，电站锅炉的设计排烟温度一般在120到140之间，因此电站锅炉烟气余热属于低温余热。火力发电行业消耗大量的能源，成为我国实施节能减排的重点领域，因此电站余热利用的研究相对较多，也较为成熟。根据烟气余热是否进入电站热力系统可以将其分为热力系统外部利用和热力系统内部利用两种。值得注意的是，热力系统外部利用不会对发电系统的全厂效率产生影响，而热力系统内部利用则提高了全厂效率，但无论热力系统外部利用还是热力系统内部，均提高了能源的总利用率。（1）余热发电采用有机朗肯循环发

11、电系统(见图1-1)利用烟气余热发电。电站锅炉烟气余热属于低温余热，因此利用其进行发电具有一定的限制条件。若要满足换热条件，必须要求换热器具有较大的换热面积和体积，这势必造成余热发电系统的成本投入较大，工程造价较高。此外，由于排烟温度较低，对工质也具有一定的要求，需要采用换热性好、来源丰富、对金属腐蚀性小、化学稳定性强、沸点低的工质4。因此，目前对于余热发电的研究重点在于选择有效的有机朗肯循环工质并对相关参数进行优化，减少能量损失，获得最佳的循环效率5-9。图1-1 有机朗肯循环（2）区域供暖与制冷通常电厂的多联产系统中用于供热和制冷的来源通常是采用汽轮机的低压抽汽，然而该方法由于抽取了一部分

12、低压蒸汽，造成机组的效率降低，使发电量下降。采用合适的方法可以使烟气余热完全替代低压抽汽来供热或制冷，减少低压蒸汽的抽汽量，提高机组的效率。冬季可以通过热交换器使烟气余热产生热水供暖或生活使用；夏季可以采用吸收式制冷的方式将烟气余热驱动制冷空调运行10。虽然采用烟气余热供热或制冷的方式可以充分利用烟气余热，显著提高能源综合利用率，但是该系统初始投资巨大，运行成本和维护成本均较高；并且由于区域冷热使用量波动较大，负荷的配比和稳定性很难保证。此外，由于热网水温度较低，换热器的低温腐蚀现象严重，因此其发展具有一定的局限性。11-12（3）预热入炉冷空气通过采用前置式空预器可以利用烟气余热加热入炉冷空

13、气，减少或取消从低压抽汽来预热冷空气，节省的低压抽汽可以继续继续做功，增大了机组的净出功。增加前置式空预器可以看作是增大了换热面积，可有效降低锅炉排烟温度，增大原空预器入口风温。不仅有利于改善低温腐蚀，保护原空预器安全，还可以增大入炉热风温度，提高锅炉的效率13。（4）干燥原煤我国电站所用的煤种复杂多变，部分采用褐煤作为主要燃料的电厂，由于褐煤中含水量较高，因此导致进入锅炉原煤仓准备进行煤粉制备的原煤水份过高，会造成磨煤机出力增大，并且增大了着火难度，着火温度增加，烟气容积增大，排烟损失加剧。国内目前有电厂采用烟气余热对原煤进行干燥，可以显著降低制粉系统功耗，并且可使300MW燃用褐煤的机组燃

14、煤量降低34%，风机电耗降低29.9%，锅炉效率提高约1.16%14。（5）海水淡化海水淡化是指将海水中的盐和水进行分离，目前常用的海水淡化方法主要有：蒸馏法，膜法以及化学法。其中蒸馏法是目前研究最多，也相对成熟的方法。根据水的蒸发所发生的位置可以将蒸馏法分为多级闪蒸和低温多效蒸发两种15。多级闪蒸海水淡化技术要求海水加热至110以上，因此耗能较大，不利于节能减排的进行，因此前景并不明朗。低温多效蒸发技术对温度的要求较低，在70即可进行，可以很好地利用余热进行海水淡化处理。靠近海边的电厂可以将烟气余热用于海水的低温多效蒸发，得到品质较高的蒸馏水，经过处理后的蒸馏水可以用作锅炉补充水，实现了水电

15、联产，不仅很好地利用了烟气余热资源，还生产出了质量可靠的淡水资源，使能源实现了综合利用。16（6）加热凝结水采用烟气余热代替低压加热器对汽轮机的凝结水进行加热，可以减少汽轮机抽汽，增加机组的净出功，一般通过在尾部加装低压省煤器来实现。上海外高桥电厂的三期1000MW超超临界机组上采用的“排烟热能回收系统”将排烟冷却至85，供电煤耗为282g/kWh，相比之前降低了2.71g/kWh，该记录成为世界上供电煤耗最低的记录17。1.3 高炉煤气锅炉烟气余热利用的研究现状钢铁行业作为高耗能行业一般设有自备电厂，钢铁行业能源消耗约占全国能源消耗的11%以上，其能源利用率也很大程度上影响着社会的发展，因此

16、在钢铁行业进行节能减排工作也至关重要。高炉炼铁过程中，将铁矿从炉顶加入高炉中，在高温下铁矿石发生还原反应，并伴有CO生成，这部分含有CO的气体称为高炉煤气18。高炉煤气产量大，但热值较低仅为3200kJ/m3到3800kJ/m3，不易着火，气源受高炉炉料和冶炼情况的影响较大，因此在利用过程中具有一定的困难，回收利用率较低。但如果将其直接排放，不仅会对环境造成污染也会造成资源的浪费。随着余热利用技术的不断进步，钢铁行业的余热资源回收率近年来显著提高，但是我国由于起步较晚余热回收率仅为30%左右，而世界上先进的钢铁工业技术其余热回收率可达50%以上。目前高炉煤气的利用中很大一部分是采用高炉煤气锅炉

17、进行发电或生产蒸汽，不仅可以有效避免高炉煤气对环境产生的污染，还可以节约能源，提高能源利用率。由于高炉煤气中可燃成分为CO，并伴有大量的N2和CO2，导致锅炉排烟流量大，相同负荷的情况下，是普通燃煤锅炉烟气流量的1.5倍以上，因此是丰富的余热资源19。与电站锅炉烟气余热利用方法类似，高炉煤气的余热利用也有多种：（1）预热高炉煤气由于高炉煤气来源分散，且波动性较大，因此可以采用热风炉烟道废气预热技术和高炉荒煤气余热预热技术，利用烟气余热对高炉煤气进行预热，有助于节能降耗20。其原理是将烟道废气引入管式换热器中与高炉煤气进行换热，以实现风温升高。（2）预热入炉空气通过烟气余热对入炉空气进行加热，可

18、以增加空气带入的显热，增大扩散速度，不仅有助于提高火焰温度，还能减小过量空气系数，降低排烟热损失。目前常采用的方法是“双预热”，即利用燃烧高炉煤气的锅炉所产生的烟气余热来预热入炉的高炉煤气和助燃空气，不仅可以有效利用烟气余热，提高能源的有效利用率，还能防止污染，有助于节能减排。21-22 （3）加热凝结水由于高炉煤气热值较低，因此燃烧高炉煤气的锅炉与燃煤锅炉具有一定差异，每燃烧1m3高炉煤气约需要0.8m3，数据显示，排烟每降低1，可以使入炉的空气升温323。因此，通过增加空预器受热面来降低烟气温度，利用烟气余热的方法受到锅炉结构、运行工况等多方面的限制。而通过加装低温省煤器可以对凝结水进行加

19、热，不仅可以减少甚至避免从汽轮机抽汽而造成的机组总出功减少的现象，提高系统总效率，还可以显著降低排烟温度，使烟气余热充分发挥作用24。1.4 研究内容及意义目前国内外中高温余热利用技术已逐渐趋于成熟并且大规模应用，但是对于低温烟气余热的利用尚需进行充分的研究。由于火力发电是能源消耗的大户，因此相比其他高耗能产业，火力发电的低温烟气余热利用技术相比其他行业较为领先。而作为占据我国工业总耗能15%的钢铁行业，其余热利用的潜力不容忽视，因此有必要借鉴发电行业低温烟气余热利用的方式，发展适用于高炉煤气锅炉烟气余热利用的方法。目前烟气余热利用最常用的方法是预热入炉空气和加装低温省煤器预热凝结水，因此本文

20、主要针对加装低温省煤器的烟气余热利用系统展开研究，主要研究内容如下：1、总结目前各行业烟气余热利用的主要方式，分析发展高炉煤气锅炉烟气余热利用的必要性；2、总结目前热力系统节能理论常用的方法，并对烟气余热利用节能潜力进行分析。3、采用常规热平衡法和等效焓降法，对低温省煤器联结方式进行热力学计算，分析不同联结方式下的优缺点，并根据计算结果进行分析，提出锅炉余热利用的最优方案。33第2章 锅炉烟气余热利用的理论基础工业领域热能的转化过程是一个复杂的过程，涉及到多种设备间的能量传递。因此需要热力学计算，对能量的转换过程中热力系统各部分参数进行确定。目前对热力系统进行热力学分析的方法有多种，主要包括：

21、热平衡法、等效焓降法、特征函数法、循环函数法以及矩阵法25。本章主要对目前常用的热力学分析方法进行介绍，并对烟气余热利用的潜力进行分析。2.1 热平衡法热平衡法是最基本的热力学系统分析方法，该方法主要依据热力学第一定律，分别将系统中的各个子系统进行分析，列出能量平衡方程式，即对n个加热器列出对应的n个热平衡式和1个功率方程，将各平衡方程式进行联立求解26。在烟气余热利用系统中，热平衡法将烟气余热利用系统对原有的汽水系统所产生的改变引入热平衡计算中，通过分析计算可以得到烟气余热利用系统的节能效果27。该方法基于热力学第一定律，不用事先对工况进行选定，具有较为广泛的适用范围，计算结果较为可靠。但是

22、该方法的计算过程较为繁琐，工作量较大，系统的任何变化都需要对整个汽水系统进行重新分析计算，因此通常情况下热平衡法多用于对其他算法进行验证。在采用热平衡法计算时，为便于方程组求解，一般从抽汽压力最高的加热器开始逐级计算，直到抽汽压力最低的加热器。具体计算步骤如下：（1）对系统的汽水参数进行搜集整理，根据热力学第一定律建立热平衡方程式；（2）计算各级抽汽量、凝气系数、新汽耗量以及汽轮机功率；（3）采用物质平衡或者功率方程对计算结果进行验证，判断计算数据的准确性；（4）计算系统各点汽水流量和各项热经济指标。采用烟气余热系统加热凝结水的流量：(2-1)式中：Dd加热凝结水流量(kg/h)；hout低温

23、省煤器出口凝结水焓值(凝结水流入回热系统管路接点处焓值，非定值)(kJ/kg)；hin低温省煤器进口凝结水焓值(凝结水流入余热利用系统处焓值，非定值)(kJ/kg)；汽轮机侧回热加热器凝结水流量：(2-2)式中：Ddj新系统回热加热器凝结水流量(kg/h)；Dc原系统回热加热器凝结水流量(kJ/kg)；将式（2-1）和式（2-2）带入原汽水系统的热力学平衡方程式中进行计算，即可求得加装烟气余热利用系统后机组的功率。通过燃煤量计算得到煤耗的变化：(2-3)式中：B燃用标煤量(t/h)；Pe0原系统发电功率(MW)；Pe1新系统发电功率(MW)；2.2 等效焓降法等效焓降法是基于热力学的热功转换原

24、理，根据设定的蒸汽参数和回热系统参数，将机组燃料供应量和新蒸汽流量设定为定值。并且假设整个热力系统中较小的变化不会影响所有的各级抽汽变化，只会对某几个级的抽汽产生局部的影响，系统由于利用了烟气余热加热凝结水，因此抽汽量减少，增加了发电机功率和汽轮机效率28。由于加装了低温省煤器，烟气在流经低温省煤器时发生换热，锅炉烟气余热利用系统所吸收的热量即烟气前后焓值的变化量。结合入炉燃料数据以及热力学相关知识可以分析计算得到排烟量和烟气组成，进而得到凝结水吸收的烟气热量29：(2-4)式中：Ddj凝结水吸收的热量 (kJ/h)；换热器换热效率；Iy烟气焓降(kJ/kg)；烟气余热利用系统加热凝结水量：(

25、2-5)式中：Dd加热凝结水流量(kg/h)；hout低温省煤器出口凝结水焓值 (kJ/kg)；hin低温省煤器进口凝结水焓值 (kJ/kg)；凝结水吸收利用的热量Qd（即回收利用的余热）可以减少部分抽汽，这部分抽汽得以继续在汽轮机中做功，因此机组的等效焓降量为：(2-6)式中：D0机组新蒸汽流量(kg/h)；pj余热利用系统的平均抽气效率，取决于余热所排挤的抽汽能级；机组1kg新蒸汽全部做功量与新蒸汽等效焓降相同：(2-7)式中：H新蒸汽等效焓降(kJ/kg)；jd汽轮机机电效率；d机组汽耗率(kg/(kWh)；机组每1kg新蒸汽对应的凝结水量为：(2-8)式中：D新蒸汽流量(kg/h)；由

26、于减少抽汽所增加的做功量与等效焓降的增量相同，也等于各级替代的抽汽量之和：(2-9)式中：i汽机侧第i级回热加热器抽汽效率；i汽机侧对应第i级回热加热器凝结水焓升(kJ/kg)；机组效率相对提高值：(2-10)式中：i汽机侧第i级回热加热器抽汽效率；i汽机侧对应第i级回热加热器凝结水焓升(kJ/kg)；机组热耗率降低值：(2-11)式中：q机组热耗率(kJ/kWh)；标准煤耗降低值：(2-10)式中：b锅炉效率；gd管道效率；q1标准煤的低位发热量(kJ/kg)2.3 特殊函数法特殊函数法是基于“工质实际做功能力原理”理论发展起来的热力系统分析理论，该方法由热力学基本定律的应用为基点，体现了热

27、力学基本定律在电站热力系统应用中的形式及普遍性。热力系统结构普遍具有较高的复杂性,而特殊函数法可以通过对热力系统进行分析，借助数学工具推导出热力系统节能分析方法，便于对热力系统进行热力学计算。2.4 循环函数法循环函数法将整个回热加热器系统人为地分为多个加热单元，因此通过计算各加热单元的进水系数就可以得到锅炉进水系数。可以将热力系统看作由主循环系统和辅助循环系统两部分组成，两者均会对性能指标产生影响，且各自的影响相互叠加。热力系统局部所发生的变化可以认为是在主循环系统的基础上加入了一个辅助循环，只要对辅助循环进行计算，即可得出性能指标所发生的变化，方便了对整个热力系统的计算。2.5 矩阵法随着

28、计算机的迅猛发展，采用计算机来解决工程应用中出现的问题，相比人力计算有着不可比拟的优势。通过观察发现，回热加热器的热平衡方程式是以抽汽量为自变量的线性代数方程，因此可以采用矩阵方程来对方程组进行表示，并通过矩阵的运算计算得到抽汽量，最后得出热力系统的各项性能指标。矩阵法可以较好地适用于通过计算机对热力系统进行分析处理，可以便捷地对回热系统的抽汽量进行计算，但是计算模型并未涉及到锅炉、汽机等其他设备，也并未在热力系统参数和经济性指标之间建立完善的数学关系，因此矩阵法中关于主循环与辅助循环的叠加性仅限于回热系统。2.6 烟气余热利用节能潜力分析当未加入余热回收利用系统时，第i级回热加热器的热平衡方

29、程式可以表示为：(2-11)当加装余热回收利用系统时，第i级回热加热器的热平衡方程式则表示为：(2-12)式中：Qd吸收的烟气余热量，kJ/h；h回热加热器效率；m质量流量，kg/h；h蒸汽的焓值，kJ/kg；凝结水的焓值，kJ/kg；疏水的焓值，kJ/kg；烟气用于加热凝结水的热量Qd可以根据烟气经过换热面前后所产生的焓降求得：(2-13)式中：烟气进口焓值，kJ/kg；烟气出口焓值，kJ/kg；my烟气流量，kg/h；假设加装烟气余热利用系统前后热力系统始终处于稳定工况，那么可以计算得到加入烟气余热利用系统后，第i级节省的抽汽量mi为：(2-14)这部分节省的抽汽量可以继续在汽轮机中做功，

30、则可以求出汽轮机做功的增量Pi为：(2-15)式中：单位为kW；为抽取点蒸汽焓kJ/kg；为汽轮机排汽的蒸汽焓，kJ/kg; 为机组的机械效率；为发电效率；通过热平衡法逐级对其他各级的回热加热器进行计算，可以得到总的汽轮机做功总增量，进而得到加装烟气余热利用系统后机组新的绝对发电效率：(2-16)新的标准煤耗率则通过下式计算得到：(2-17)式中：单位为g/(kWh)；为原发电功率，MW；为原机组热耗量，kJ/h; 为厂用电率；为管道效率；为锅炉效率。值得注意的是，利用锅炉的排烟余热加热凝结水，是属于“有约束”的热力系统，需要满足以下条件：（1）锅炉排烟温度相对稳定，因此低温省煤器的入口烟气温

31、度通常可以看作定值，而由于受到材料的限制，需要综合考虑低温省煤器出口烟温，避免出现低温腐蚀的现象；（2）由于该系统中主要是利用烟气余热加热凝结水，因此要保证烟气的最低温度高于低温省煤器的凝结水入口温度，此外还要保证烟气的最高温度高于低温省煤器凝结水出口温度；（3）当低温省煤器并联联结时，必须要保证余热利用系统加热凝结水的流量小于汽水系统凝结水的总流量。综合以上条件，可以列出限制条件的数学表达式如下：(2-18)式中：为排烟温度，；为原烟气排烟温度，；为余热回收换热器凝结水入口温度，; 为余热回收换热器凝结水出口温度，。根据等效焓降理论可知，等效焓降是指1kg抽气从某级抽汽扣返回汽轮机的真实做功

32、能力，反映出了汽轮机各抽汽口蒸汽所含的能量。对于非再热机组，等效焓降为：(2-19)式中：hj第j级低压加热器抽汽的抽汽焓；hc汽轮机的排汽焓；qr1kg抽汽在r级加热器中的放热量；Ar取疏水r或者凝结水焓差r，视加热器型式而定，如果j为汇集式加热器，则Ar均以r代之。如果j为疏水放流式加热器，则从j以下直到(包括)汇集式加热器用r代替Ar，而在汇集加热器以下，无论是汇集式加热器或者疏水放流式加热器，则一律以r代替Ar。对于再热机组，再热冷段到新蒸汽之间的任何排挤抽汽都会流经再热器进行吸热，因此其等效焓降为：(2-20)式中：hrh再热器进出口蒸汽的焓差。通过得到的等效焓降，可以求得该级的抽汽

33、效率：(2-21)理想情况下，锅炉新蒸汽等效焓降计算公式为：(2-22)(2-23)实际运行工况下，新蒸汽的等效焓降需要考虑轴封渗漏、加热器散热、抽气器汽耗以及泵耗等多种因素引起的损耗，因此实际情况下新蒸汽等效焓降计算公式为：(2-24)烟气余热热量替代抽汽来加热凝结水，第j级的等效焓降量则为：(2-25)其中，j为汽机侧第j级回热加热器的抽汽效率。热力循环效率为：(2-26)式中，Qc为冷源热损失，可以用来表征新蒸汽热功转变程度。2.7 本章小结本章主要对目前常用的热力学分析方法进行介绍，主要包括：热平衡法、等效焓降法、特征函数法、循环函数法以及矩阵法25，并对烟气余热利用的潜力进行分析可以

34、用来表征新蒸汽热功转变程度，得出以下结论：(1) 热平衡法基于热力学第一定律，具有较为广泛的适用范围，计算结果较为可靠。但是该方法的计算过程较为繁琐，工作量较大，系统的任何变化都需要对整个汽水系统进行重新分析计算，因此通常情况下热平衡法多用于对其他算法进行验证。(2) 等效焓降法是基于热力学的热功转换原理，假设整个热力系统中较小的变化不会影响所有的各级抽汽变化，只会对某几个级的抽汽产生局部的影响，系统由于利用了烟气余热加热凝结水，因此抽汽量减少，增加了发电机功率和汽轮机效率28。(3) 特殊函数法由热力学基本定律的应用为基点，体现了热力学基本定律在电站热力系统应用中的形式及普遍性； 循环函数法

35、将整个回热加热器系统人为地分为多个加热单元，因此通过计算各加热单元的进水系数就可以得到锅炉进水系数；矩阵法可以较好地适用于通过计算机对热力系统进行分析处理，可以便捷地对回热系统的抽汽量进行计算，但关于主循环与辅助循环的叠加性仅限于回热系统。第3章 低温省煤器联结方式的选择与优化3.1 引言我国很早就开始了对烟气余热进行利用的研究工作，并取得了较为显著的进展。通常在锅炉尾部加装低温省煤器系统来加热凝结水，凝结水进入低温省煤器中，外部被锅炉烟气冲刷，在凝结水加热升温的同时，锅炉排烟温度也降低，凝结水经过加热后返回抽汽回热系统中继续参与后续的机组运行。对于利用烟气余热加热汽轮机凝结水的系统，由于烟气

36、余热利用主要作用在汽轮机部位，因此也称为机侧烟气回热循环（turbine side regenerative cycle, TRC），整个热力系统如图3-1所示。由于低温省煤器的存在可以减少回热抽汽，这部分排挤的蒸汽可以反应到汽轮机中继续做功。当燃料消耗量一定时，发电功率会增大；而当发电功率不变时，燃料消耗量会降低。因此加装低温省煤器加热凝结水提高了机组总效率和能源的综合利用率。30-33图3-1 机侧烟气回热循环的热力系统低温省煤器系统在热力系统中的布置方式会影响整个系统的节能效果和运行的安全性及稳定性。从本质性出发，将余热系统集成到低压加热器部分的方式主要有串联和并联两种形式。考虑到运行成

37、本、回收利用效果、节能效率等多方面因素，低温省煤器可以分为串联、单级并联、跨级并联以及串并联混合方式。理论上低温省煤器可以与回热加热系统中任何一级相联结，但由于受两个条件的限制：烟气侧与水侧必须存在一定的对数换热温差；出口的凝结水温度要小于进口的烟气温度。因此，低温省煤器一般与较低级别的回热加热器相联结。本章主要针对低温省煤器的联结方式进行分析，对比研究低温省煤器不同的联结方式对整个热力系统的影响。3.2 串联联结方式串联联结方式如图3-2所示，第i级低压加热器出口的凝结水全部进入低温省煤器中，在低温省煤器中经过烟气余热加热后，再流入高一级的(i-1)级低压加热器入口。在串联联结中，低温省煤器

38、在第i级和第(i-1)级之间对凝结水进行加热，换热部分位于空预器之前。图3-2 串联联结方式3.2 并联联结方式并联联结方式如图3-3所示，其特点在于在第i级低压加热器处并联上低温省煤器，原本应完全进入第i级低压加热器的凝结水有一部分被分流进入低温省煤器进行加热。并联联结方式的优势在于增加的低温省煤器旁路是独立于整个汽水循环系统，对整个回路的影响小，且不用增加凝结水泵，虽然传热效果要比串联联结方式略差，但便于在原有回路的基础上进行升级改造。图3-3 并联联结方式3.3 跨级并联联结方式跨级并联联结方式如图3-4所示，其特点在于低温省煤器旁路与不止一级低压加热器并联。因此，跨级并联联结方式具有并

39、联联结方式的特点，但由于跨级较多，需克服流动阻力。传热效果需要根据具体设计方案以及相关的运行参数计算确定，并不一定比串联联结方式的传热效果差。图3-4 跨级并联联结方式3.4 烟气余热利用系统部分问题的处理3.4.1 排烟温度对烟囱排烟能力的影响采用高烟囱排放,利用大气扩散稀释能力,降低地面污染浓度的目的。假如将烟囱造得比较高,就可将燃烧产生的废气排放到地球大气圈对流层较高处,那些废气就会被帯到其它的地方,来减少对当地的废气污染。烟囱里面的高温气体的密度比周围环境中的空气的密度要小,产生压力差形成抽力,在大气压力作用下使高溫度气体一直上升到烟囱的顶部冒出来。此压力差即为烟囱的高度乘上四周的空气

40、和烟囱里面高温度气体的密度差。因此, 烟囱越高形成的压力差越大,所产生的抽力相对也就越大,送样才可很快地将炉内燃烧后产生的烟气排出来,使越来越多的新鲜空气更快地进入炉子里面。在考虑降低排烟温度来优化系统的同时需要综合考虑各个方面的因素。烟气的抬升主要取决于烟气的动量通量与浮力通量。在气象条件和近地层下垫面相同的条件下,假设风速和烟气流速不变,根据Holland公式，通过估算,当烟气出口温度降低50,烟气的抬升高度降低约为3.3m,因此案例中排烟温度的变化对烟国高度及排烟能力的影响可忽略不计。3.4.2 尾部烟道设备结构布置烟气余热利用装置垂直布置在分离式热管煤气加热器出口的烟道上,并采用螺旋翅

41、片管将外部烟气热量传递给凝结水。在相同换热量情况下,螺旋翅片管能有效减小换热器的尺寸和管排数量。经估算,三种方案中烟气换热面积约为360-720m2,参考市场改造工程及翅片管数据,烟气余热巧用装置沿烟气流向长为4m,截面尺寸为5m×6m,足达到换热效果且不影响在烟道内的加装布置。3.4.3 烟道阻力对引风机的影响在烟道尾部加装低压省煤器会増加烟道阻力,需要在加装前核算引风机出力裕量,为保证最大允许的阻力增加值在引风机裕量之内。方案一经计算余热回收前烟气侧阻力最大为284.39Pa,改造后阻力増加至650.45Pa,烟道増加的阻力在引风机出力裕度么内,完全可以满足锅炉的正常运行,不需要

42、额外添置风机。3.4.4 排烟温度对烟囱排烟能力的影响锅炉的动力燃料为高炉煤气,含硫量较少,尾部烟气中S化浓度低,几乎不存在尾部烟道材料的低温腐蚀,可忽略因腐蚀所带来的安全运行问题,也延长了余热利用系统的使巧寿命。同时,由于含尘量达到lOmg/m3,考虑到受热面的磨损和积灰结垢问题,将安装在垂直烟道低温省煤器管排设计成为膜式管排,与烟尘颗粒的沉降方向相反,烟气流动趋于层流,减少管排之间的烟气扰动,最大程度地减轻磨损。第4章 烟气余热利用系统实例分析4.1 烟气综合利用系统设计与分析本章针对某典型1000MW机组作为案例分析，对比研究低温省煤器不同的联结方式对整个热力系统的影响。机组配用SG-3

43、093/27.46-M533型超超临界压力直流锅炉，BMCR工况下燃用如表3-1所示的设计煤种时，锅炉实际入炉煤量为409.9t/h，锅炉热效率94.08% (以低位发热量计)，排烟温度129。表3-1 设计煤种参数序号项目代号单位设计煤种1收到基水分Mar%9.902收到基碳Car%57.503收到基氢Har%3.114收到基氮Nar%0.995收到基氧Oar%2.786收到基硫St，ar%2.00机组配备的汽轮机为N1000-26.25/600/600型超超临界压力中间再热凝汽式汽轮机,在VWO运行工况下,机组的相关参数如表3-2所示，在去除给水泵耗功后，该机组的最大功率为1093.241

44、MW，总热耗率为7411kJ/kg。该机组的热力系统简图见图3-5。如图所示，6#、7#和8#加热器从低压缸抽汽来加热主凝结水，如果能够将这部分加热凝结水的热量由低温省煤器来提供，则无疑会提高整个主蒸汽循环的出力，使得汽轮机的做功相对增加。本章所进行的热力计算采用的相关参数如表3-3所示。表3-2 机组相关参数序号项目代号单位设计煤种1初始压力P0MPa26.252初始温度t06003再热冷段压力PrhcMPa6.2924再热冷段温度trhc376.15再热热段压力PrhhMPa5.6546再热热段温度trhh6007再热器吸热量kJ/kg552.38排汽压力PcMPa0.005759机械效率

45、m/0.99510发电机效率g/0.99图3-5 汽轮机主循环系统示意图表3-3 热力计算相关参数序号012345678chi3462.13187.93109.33420.53213.93033.92848.22624.12791.62321.7hwi1323.81213.5979.9801.6666.0528.9361.4264.3148.3hdi1247.8996.8857.0552.3327.1表3-3 热力计算相关参数(续表)序号012345678cqi2138.31940.12112.52563.52567.92481.62486.82252.02343.32173.4i251.01

46、39.8191.0190.9223.8i110.3233.6178.3135.6137.1167.597.1116.0如果在低压加热器处加装低温省煤器，能够减少从汽轮机中的抽汽，增加机组的做功能力。根据前文中提到的关于低温省煤器的几种布置方式，本文设计了几种低温省煤器的布置方案，见图3-6图3-9。图3-6 与7#并联图3-7 与8#并联图3-8 与7#、8#跨级并联图3-9 在6#、7#之间串联 图3-6为所设计的方案1，低温省煤器与第7级加热器并联，从前一级流出的凝结水部分被分流到低温省煤器中，这一部分的吸热量由低温烟气提供，分流到低温省煤器中的凝结水吸收完热量后在第7级加热器出口处与主凝

47、结水汇合。图3-7为所设计的方案2，低温省煤器与第8级加热器并联。图3-8为所设计的方案3，低温省煤器与第7、8级加热器跨级并联。图3-8为所设计的方案4，低温省煤器串联在第6、7级加热器之间，主凝结水完全进入低温省煤器吸热后在返回汽轮机蒸汽循环系统。4.2 热力学节能分析对于一个具体的加热器，如图3-10所示，根据热力学第一定律可得：(4-1)在不采用低温省煤器回路进行加热时，则有：(4-2)式中：m加热凝结水的质量流量，下标w表示冷凝水，kg/h；h表示焓值(in和out为加热器的进出口)，kJ/kg；Q吸收的烟气余热热量，kJ/kg；w凝结水；d排水；e抽取的蒸汽；式(4-1)和(4-2

48、)中有单引号上标的表示存在利用低温省煤器的情况，无上标表示是单纯的汽轮机汽水循环系统，没有加装低温省煤器回路。图3-10 回热加热器质量与能量守恒示意图在稳态工况下，根据质量守恒定理，由式(4-2)可以得出如图3-11所示的抽汽量m随排烟温度变化趋势图。抽出的蒸汽所提供的热量由低温省煤器提供，则对应的在汽轮机中所增加的做功应与抽汽量m相符，即最大增加的做功P为：(4-3)式中，ri为汽轮机所抽蒸汽的低压缸内效率。图3-11 m随排烟温度变化示意图根据机组参数，电站的净出功为942.4MW；净效率为43.07%；输入燃料量为2321.7MW，则供电煤耗为：(4-4)式中：Pnet电站净出功，MW

49、； Etotal输入燃料量，MW；由于加装低温省煤器而增加的汽轮机的做功为P，则有：(4-5)由于加装低温省煤器而节省的供电煤耗为：(4-6)运用热力学第一定律和质量守恒定律对某加热器进行的热力学分析，可以得出各方案下净出功增加量P与节约的供电煤耗I随排烟温度变化的关系曲线如图3-12和图3-13所示。从图中可以看出，烟气温降越大，机组增加出功越多，节约供电煤耗越多。在相同温降下，方案4的机组增加出功和节约供电煤耗比其它三种方案要多，方案2的节能效果较差，原因在于方案4是对等级较高的6#和7#加热器进行替代，有效减少了对品质较高的蒸汽进行的抽汽，因此节能效果比较明显。同样的，方案1的节能效果要

50、好于方案2，方案3的节能效果介于方案1和2之间。图3-12 机组增加出功随排烟温度变化曲线图3-13 煤耗率降低值随排烟温度变化曲线因此，烟气综合利用的效果不仅与锅炉侧烟气的温降有关，而且还与低温省煤器回路的布置形式有关。从以上的分析可以看出，低温省煤器所替代的加热器等级越高，所获得的节能效果越明显。4.3 综合煤耗分析低温省煤器的安装虽然会因为替代了一部分低压缸抽汽而增加汽轮机的出力，但不可避免的会引起阻力的增加34-36，因此，需要对由于阻力增加而引起的风机功耗的增加与汽轮机出力增加之间的关系。图3-14为风机功耗引起煤耗率增加值随烟气温度增加曲线图。从图中可以看出，随着烟气温降增加，4种

51、方案的煤耗率增加值逐渐增大，其中方案4变化幅度明显，其它三种方案基本呈现象增加。因此，采用方案4时需要考虑合理的烟气温降。图3-14 风机功耗增加带来的煤耗率变化曲线因此，将低温省煤器替代部分低压抽汽所增加的汽轮机出力增加与由此引起的风机电耗增加综合起来分析，得到如图3-15所示的实际降低煤耗率随烟气温度变化曲线。从图中可以看出，加上风机电耗增加所引起的煤耗率的增加后，方案4所带来的节能效果仍然好于其它三种方案，但随着烟气降低温度幅度变大，实际降低标煤率越来越趋于平缓，即烟气温度的进一步下降对降低标煤率影响不大，此时，因考虑其它措施来进一步节能减排。图3-15 实际降低煤耗率4.4 本章小结本

52、章重点对某1000MW的汽轮机组加装低温省煤器回路的节能改造进行4种方案设计，并用热力学节能分析这4种方案，得出以下结论：(1) 烟气温降越大，机组增加出功越多，节约供电煤耗越多。在相同温降下，方案4的机组增加出功和节约供电煤耗比其它三种方案要多，方案2的节能效果较差，原因在于方案4是对等级较高的6#和7#加热器进行替代，有效减少了对品质较高的蒸汽进行的抽汽，因此节能效果比较明显。同样的，方案1的节能效果要好于方案2，方案3的节能效果介于方案1和2之间。(2) 烟气综合利用的效果不仅与锅炉侧烟气的温降有关，而且还与低温省煤器回路的布置形式有关；低温省煤器所替代的加热器等级越高，所获得的节能效果

53、越明显。(3) 考虑加装低温省煤器引起的风机电耗的增加，随着烟气温降增加，4种方案的煤耗率增加值逐渐增大，其中方案4变化幅度明显，其它三种方案基本呈现象增加。因此，采用方案4时需要考虑合理的烟气温降。(4) 加上风机电耗增加所引起的煤耗率的增加后，方案4所带来的节能效果仍然好于其它三种方案，但随着烟气降低温度幅度变大，实际降低标煤率越来越趋于平缓，即烟气温度的进一步下降对降低标煤率影响不大，此时，因考虑其它措施来进一步节能减排。第5章 结论与展望本文围绕燃煤电站锅炉烟气的综合利用，详细阐述了热力学系统的热力学分析方法，主要包括：热平衡法、等效焓降法、特征函数法、循环函数法以及矩阵法25。由于低

54、温省煤器的存在可以减少回热抽汽，这部分排挤的蒸汽可以反应到汽轮机中继续做功。当燃料消耗量一定时，发电功率会增大；而当发电功率不变时，燃料消耗量会降低。因此加装低温省煤器加热凝结水提高了机组总效率和能源的综合利用率30。本文详细介绍了低温省煤器的三种主要的联结方式，并综合分析了这三种主要联接方式的优缺点及适用条件。在此基础上，针对某1000MW汽轮机组进行节能改造分析，设计了4种方案，进行热力学数学建模，从理论上分析了4种方案进行节能改造的潜力，并定性的分析了这4种方案具体的优缺点。综上所述，全文的研究分析结果总结如下：1. 热平衡法基于热力学第一定律，具有较为广泛的适用范围，计算结果较为可靠。

55、但是该方法的计算过程较为繁琐，工作量较大，系统的任何变化都需要对整个汽水系统进行重新分析计算，因此通常情况下热平衡法多用于对其他算法进行验证。2. 等效焓降法是基于热力学的热功转换原理，假设整个热力系统中较小的变化不会影响所有的各级抽汽变化，只会对某几个级的抽汽产生局部的影响，系统由于利用了烟气余热加热凝结水，因此抽汽量减少，增加了发电机功率和汽轮机效率28。3. 特殊函数法由热力学基本定律的应用为基点，体现了热力学基本定律在电站热力系统应用中的形式及普遍性； 循环函数法将整个回热加热器系统人为地分为多个加热单元，因此通过计算各加热单元的进水系数就可以得到锅炉进水系数；矩阵法可以较好地适用于通过计算机对热力系统进行分析处理，可以便捷地对回热系统的抽汽量进行计算，但关于主循环与辅助循环的叠加性仅限于回热系统。4. 烟气温降越大，机组增加出功越多，节约供电煤耗越多。在相同温降下，方案4的机组增加出功和节约供电煤耗比其它三种方案要多，方案2的节能效果较差，原因在于方案4是对