马娟，崔健，陈应虎

（1.银川能源学院，银川 750105；2.国能宁夏大坝发电有限责任公司，宁夏 吴忠 751600）

中国是能源消费大国，其中火电仍占据半壁江山。研究表明，锅炉排烟温度过高会使大型煤粉锅炉的热经济性严重降低，排烟温度每升高15 ℃左右，锅炉效率就下降1%左右[1]。实际生产中，锅炉排烟温度大部分都超标，加上烟气流量大，回收利用锅炉排烟余热能显著提高能源利用率，为火电行业节能减排起到重要作用，对建设资源节约型和环境友好型社会至关重要。

近几年，很多现役或新建的大型燃煤机组开展了烟气余热回收项目改造，回收利用电厂余热资源。但是，烟气余热利用系统在回收余热方面也面临烟气余热密度低、酸露点腐蚀、综合利用差、系统运行控制不够完善等问题[2]。同时，若排烟温度设置较高，则余热利用效果不好，而如果排烟温度设置过低，则可能导致受热面壁温低于酸露点，导致受热面上金属发生严重腐蚀，影响电厂安全[3]。基于现存问题，有必要设计更高效适用的烟气余热利用方案，以回收燃煤电厂余热资源。

1 锅炉尾部烟气余热利用方案设计

国内某660 MW 超临界燃煤发电机组采用一次中间再热、单轴、三缸四排汽、带有8 级回热的凝汽式汽轮机。该机组燃煤对应的烟气酸露点高达123 ℃，而金属壁温一般至少比酸露点高10 ℃时，受热面才能有效抵抗低温腐蚀。经锅炉排烟余热利用系统后，烟气温度明显会低于123 ℃，恰好低于烟气酸露点，低温腐蚀不可避免。为保证设计机组在设计年限内安全运行，选择具有优越耐硫酸露点腐蚀的高性价比钕钢作为换热器材料。

现代大型燃煤机组设计中，空预器进口烟温达370 ℃左右，而进口送风温度一般才20 ℃左右，换热温差非常大。在空预器内，烟气热容量比空气大，所以烟气温降较大，空气温升较小[4]。

1.1 系统设计方案

烟气余热利用系统由暖风器、省煤器（高压、低压两种）和空预器耦合而成，低压省煤器拥有旁路烟道，如图1 所示。当抽取部分烟气后，剩余烟气在空预器内的加热能力下降，即使在空预器进口空气温度提高较大时，空预器出口烟温也较低，因此将高、低压省煤器均设置在旁路烟道上。在引入暖风器的同时，部分烟气从空预器前直接引出，可以减少空预器内不可逆损失，实现烟气能量的梯级利用。回收的烟气余热既可加热凝结水，还可加热给水，因此该系统可最大幅度地提高机组热经济性。

图1 烟气余热利用系统设计方案

1.2 参数选择

因旁路烟道中流过的烟气温度从355.8 ℃降至90 ℃，温度跨度大，锅炉烟气余热利用系统热力参数选择应遵循温度对口、梯级利用的原则。烟气旁路中的换热器分为高、低压省煤器两部分，对应的冷凝水是以除氧器为界的高压给水和低压给水，冷凝水温度在高、低压省煤器间有明显跳跃，因此应注意选择合适的高压省煤器出口烟气温度，以保证一定的传热温差。考虑以上原则，锅炉烟气余热利用系统的主要初始热力参数设计如表1 所示。在本设计系统中，高、低压省煤器设置在旁路烟道中，均为烟气-水换热器，换热面采用H 形翅片管，管束顺列布置。暖风器的换热面选择螺旋翅片管，管束错列布置。

表1 系统的主要初始热力参数设计

2 效益分析

2.1 系统热经济性分析

烟气分流系数是采用旁路烟道的低压省煤器的重要设计参数，对系统投资及节煤量有重要影响。随着烟气分流系数的增加，空预器出口烟温及出口空气温度都减小，但旁路烟道内的烟气流量增大，当高压省煤器进口给水温度与流量均保持不变时，给水出口温度不断升高。随着烟气分流系数的增加，汽轮机侧节煤量逐渐增加，而锅炉侧煤耗量的增加值逐渐减小，厂用电折算煤耗量略有增加。此外，随着高压省煤器出口烟气温度的升高，锅炉侧煤耗增加量逐渐升高，同时低压省煤器吸热量增加，低压省煤器出口凝结水温度升高，排挤抽汽做功量增大，汽轮机侧节煤量升高[5]。最终，系统净节煤量随高压省煤器出口烟气温度的升高而降低。

随着暖风器出口空气温度的升高，汽轮机侧节能量逐渐降低，凝结水放热量增加，相应的低加抽汽量增加，汽轮机发电功率降低，但厂用电功耗逐渐升高。由于暖风器出口空气温度升高，进入空预器的气温升高，此时空预器出口气温也会升高，该部分折算的煤耗率增加。在三者共同作用下，机组的净节煤量随暖风器出口空气温度的升高而降低。

2.2 系统技术经济性分析

研究发现，多种因素均对换热器的换热面积有很大影响，而换热面积直接关系着系统投资和运行功耗，因此烟气分流系数、高压省煤器出口烟气温度以及暖风器出口空气温度对烟气余热利用系统的技术经济性有很大影响。随着系统烟气分流系数的增加，投资回收期先缩短后增长。暖风器出口温度越高，投资回收期越长，但暖风器出口空气温度直接影响空预器的运行，若暖风器出口空气温度过低，会加剧空预器的低温腐蚀。高压省煤器给水流量升高时，系统的投资回收期会先缩短后增长。随着低压省煤器凝结水流量的升高，系统投资回收期先缩短后增长。

2.3 优化结果分析

根据相关数学模型[6]，考虑换热器换热温度的约束条件，得到烟气余热利用系统优化的经济性指标，如表2 所示。优化结果表明，最优设计方案中，机组净节煤量为3.44 g/（kW·h），系统换热面积为49 800 m2，投资回收期为0.89 年。当然，由于换热面积增加较大，该方案适用于新建机组，但效益好，投资回收期短，值得推广应用。

表2 系统最佳方案的主要经济性指标

3 结论

在火电行业实际生产中，锅炉排烟温度大部分都超标，由于烟气流量大，锅炉排烟温度过高会使大型煤粉锅炉的热经济性严重降低，而回收利用锅炉排烟余热能显著提高能源利用率，实现节能减排[7-10]。本文结合具体案例，设计了660 MW 超临界机组锅炉排烟余热利用系统，分析了其热经济性与技术经济性，得到最优设计方案。研究表明，该方案适用于新建机组，但效益好，投资回收期短，值得推广应用。