转载–锅炉烟气作为回热系统的经济性分析与实施效果

朱小令 原西安热工研究院研究员

［摘要］扼要阐述相关理论与知识点。理论结合实践，分析与判断利用锅炉侧烟气作为回热系统，或者作为机组回热系统的一部分，利用汽轮机侧部分凝结水与锅炉侧烟气进行热交换，以及锅炉余热利用，汽轮机组的经济性变化。运用数学思想：大于“＞0”、等于“＝0”、小于“＜0”判断问题的基本方法，对采用四种不同方式回热系统经济性进行逻辑分析，得出基本结论，并应用实践案例进行对比分析，提出意见与建议。参考文献是重要理论根据。

关键词：回热系统 锅炉烟气 热交换 排挤抽汽 冷源损失

0. 概述

热力学是18世纪末期发展起来的理论，主要研究功与热之间的能量转化。是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用（包括能量传递和转换）的学科[1]。

汽轮机组采用回热系统，主要有两个目的：其一，减少汽轮机作功乏汽排往大气的热量，减少冷源损失。其二，提高进入锅炉的给水温度，减小传热的温差。

以热力学理论为基础，研究火力发电厂汽轮机的抽汽回热系统，表明：汽轮机采用抽汽回热系统，抽汽流量为主蒸汽流量D 的35%左右，可以将热耗率HR 降低15%及以上。[2~4]

分析判断利用锅炉烟气作为回热系统，加热锅炉的给水，或者利用汽轮机侧回热系统的部分水与锅炉侧烟气进行热交换，是否可以大幅度地提高机组经济性，或者亦可以达到采用汽轮机抽汽回热系统相同的经济性效果，机组经济性又会如何变化。分析与判断问题过程中，运用数学逻辑分析基本方法。

外部余热引入热力系统时，在正平衡计算中自然反映了它的作功，而依据相关理论，常规热平衡计算，凝汽式机组的冷端热损失通常占50%以上，是燃煤机组的主要热损失[5]。该余热利用排挤汽轮机抽汽产生的冷源损失也自然反映在冷源损失的计算中。如果把余热利用视为循环加入热量的一部分，循环效率ηt 是降低的，如果把余热视为废热利用，则循环效率ηt 就表现为提高。

1． 内部与外部工质和热量区别

火电厂的热力设备和系统，无论是发生热量和工质的损失，还是工质和热量利用于系统，都将影响装置的经济性。通常工质损失的同时总伴随着有热量损失，比如热力设备和管道的散热，排污以及汽、水渗漏和取样等就属工质和热量损失。工质和热量利用于回热系统，包括来自循环内部(简称内部)的工质和热量，以及循环外部(简称外部)的工质和热量。比如轴封漏汽，抽气器排汽，除氧器排汽的利用以及给水在泵内的焓升等均属于内部热量和工质的利用。而外来蒸汽或热水，如：连排扩容蒸汽，发电机冷却热量以及锅炉排烟余热等的利用都属于外部热量工质利用于系统。应当指出，内、外热量的利用，从热力学角度来讲，它们对装置热经济性的影响有原则性区别[2~4]。

内部热量利用，使循环作功增加△H，其装置效率：

式中：H-单位质量新蒸汽实际作功，即新蒸汽等效热降kJ/kg；△H-热量回收利用作功kJ/kg；Q-循环的吸热量kJ/kg；

由此可知，任何内部热量的利用，都使装置效率得以提高，因为内部损失热量再次回收利用，终将提高循环吸热的利用程度，提高热变功的份额，故而装置效率总是提高的。

而外部热量的利用，若以热力学原理分析，这时除循环作功增加△H外，循环吸热量也将增加△Q，即外部被利用的热量△Q也是循环吸热的一部分。故装置效率：

因为外部热的品位一般低于新蒸汽能级，被排挤的汽轮机抽汽热变功的程度较低，热的大部分将变为冷源损耗，从而大大增加了循环的冷源损失。故外部热量的利用都使装置效率降低。

2.相关基本知识点

在分析热经济性问题时，通常采用循环效率ηt ，有时也采用汽轮机装置的热耗率HR或发电煤耗率b 表达经济性的变化。所有这些对经济性的分析都无妨碍，主要是它们之间的相互关系。

2.1 热耗率与效率的关系

式中：HR -热耗率 kJ/kWh；D -工质质量流量kg/h；Δq -单位质量蒸汽流量的吸热量kJ/kg；N -汽轮发电机输出功率kW；ηt -蒸汽动力循环的热效率；ηoi -汽轮机相对内效率；ηg – 电机效率；ηm -机械效率。

式(2-1)表示了机组功率N、流量D、单位质量蒸汽流量的吸热量Δq、相关效率η、热耗率HR之间的关系。在实际过程中，机组发电机效率ηg和机械效率ηm设计与实际值已很高，且实施设备改进前、后变化非常小，故可以认为是常数“A”。

式中：ηri-汽轮机绝对内效率

2.2 功率、流量、压力、通流面积之间的关系

依据[6、8]相关理论，式(2-3)反映功率N、流量G、压力P、通流面积F之间的关系，是判断汽轮机内部是否存在异常和通流部分流量以及作功能力大小的重要理论基础和依据。

式中：P-工质压力MPa；G-工质容积流量m3/kg；N-功率kW；F-工质流过通道的面积m2。

2.3 机组发电煤耗率

为直观地反映机组经济性能，公式（2-4）给出b发电煤耗率与热耗率HR关系。若假设锅炉效率ηb取92%，管道效率ηp取99%，得到1g/kWh发电煤耗率b等于热耗率HR 除以26.7 kJ/kWh。

式中：b-发电煤耗率g/kWh；ηb-锅炉效率；ηp– 管道效率。

3.利用锅炉烟气作为回热系统

亦是一种回热过程，应用相关理论，机组相同功率N和初终参数，相同锅炉最终给水温度，假设分别采用四种不同回热方式，分析与判断机组经济性变化量大小：

（1）汽轮机有无穷级抽汽，在对应的回热系统各加热器中逐级加热锅炉给水；

（2）依据汽轮机结构，经理论计算，设计最佳抽汽口和对应加热器数量，构成回热系统逐级加热锅炉给水；

（3）汽轮机不设计抽汽口和加热器，把加热凝结水和给水的热交换器全部布置在锅炉侧，加热锅炉给水，完全由烟气与水进行热交换完成；

（4）作为回热系统的一部分，汽轮机侧回热系统中的部分主给水、凝结水与设计在锅炉侧的热交换器中与烟气进行热交换，完成加热锅炉给水。

应用 “＝0”、“＞0”、“＜0”方法，依据相关原理，对以上假设的四种回热系统经济性进行分析，可以得到以下结论：

1）以采用方式（2）机组收益变化量等于“＝0”为基准；

2）方式（1）与方式（2）对比，则收益变化量大于方式（2），结果为“＞0”；

3）方式（3）与方式（2）对比，则收益变化量小于方式（2），结果为“＜0”；

4）方式（4）收益介于方式（2）~（3）之间，方式（4）收益变化量小于（2），收益变化量亦小于“＜0”。

汽轮机组的初、终参数，回热系统一旦确定后，热耗率HR是确定的。若把汽轮机抽汽回热系统的加热水容器全部布置于锅炉侧，即汽轮机无抽汽流量。运用（2-1）、(2-2)式，分析汽轮机热耗率HR的变化是“＝0”，还是“＞0”或者“＜0”。

汽轮机组初、终参数相同，相同的锅炉给水温度，发出相同的功率N。

1）假设，汽轮机侧不设计抽汽回热系统，将进入锅炉的给水温度，提高到有汽轮机抽汽回热系统相同的温度，完全由锅炉侧的烟气完成。运用（2-1）、(2-2)式，有回热系统汽轮机作功乏汽排往冷端系统的热量大幅度减小，汽轮机绝对内效率ηri恒大于完全由锅炉侧烟气完成加热给水的汽轮机绝对内效率ηri。因此，有汽轮机侧回热系统的热耗率HR恒小于汽轮机侧无回热系统的热耗率HR。其结果汽轮机侧无回热系统的热耗率HR相对变化“＞0”，即汽轮机热耗率HR是增加的。

2）《流体力学》、《传热学》等相关理论阐明[6~7]，汽轮机侧采用回热系统，汽与水在表面式或者混合式加热器中进行热交换，具有：较高的热交换效率、热交换容器体积小、便于布置与维护、各级加热器疏水逐级自流，汽化潜热还可以得到充分利用等技术特点。

3）若汽轮机侧无汽水回热系统，而把提高锅炉给水温度热交换完全设计放入锅炉侧，由烟气与水在表面式热交换器中完成热交换，机组发出相同功率，汽耗率可能小于汽轮机侧有回热系统的机组（见表1），但汽轮机排汽无法收回的冷源损失，汽轮机组热耗率HR增加15%，而且也不具有汽轮机侧采用回热系统的其他技术优点。即使锅炉效率可以得到提高，也无法弥补冷源损失升高而造成热耗率HR上升15%的幅度。

4.利用部分主给水和凝结水流量与锅炉烟气进行热交换

旁路部分凝结水、主给水流量到锅炉烟道被烟气加热，就其本质而言，就如抽汽加热给水一样，亦是一种回热过程，仍然属于热力学理论范畴。其特点是，旁路部分的主给水、凝结水流量携带锅炉的热量，进入系统，而排挤了汽轮机的抽汽流量，汽轮机乏汽排往冷端系统的热量增大，冷源损失增加。

理论表明：排挤汽轮机的抽汽流量在汽轮机通流部分所增发的功率△N，不足以弥补冷源损失增加，汽轮机热耗率HR的提高。其结果，汽轮机热耗率HR变化量“＞0”，即汽轮机热耗率HR是增加的。

所以，相同功率下，评价投入与不投入旁路汽轮机侧回热系统部分水量到锅炉侧冷却烟气或被烟气加热系统的最终效果时，不能仅仅依据投入锅炉烟气回热系统后，机组主蒸汽流量相对减小，从而得出投入后，机组经济性大幅度提高的结论（见表1）。

运用相关理论知识点，综合的分析与判断，特别是分析与判断汽轮机低压缸排汽流量的变化。当然，机组热力性能试验结果相对比较是方法之一，但是由于性能试验有诸多的不确定性，特别是流量测量与计算的确定。亦可以采用另一种方法，应用公式（2-3）比较投入或者不投入，两个工况主要参数和通流部分各个监视段压力相对变化，由于压力测量比较简单，且相对准确，二者相对比较，既可以分析与判断出汽轮机通流部分的状态，亦可以分析与判断机组性能试验结果是否符合基本理论（见表1）。

例如：某N600-24.2/566/566纯凝汽式汽轮机组，实施改造后，机组相同功率，投入与不投入汽轮机侧与锅炉侧烟气热交换系统，性能试验 告部分主要数据，见表1。

主要实施改造有：

1）增加中温高压省煤器系统。3号高加入口部分给水，旁路1~3号高加部分给水，至锅炉“中温高压省煤器”，被“中温高压省煤器”加热后，出水与1号高加出水混合，再进入锅炉省煤器。

2）增加中温低压省煤器系统。7号低加部分凝结水出水，旁路5~6号低加，与8号低加部分出水混合，经“中省凝结水增压泵”至“中温低压省煤器”被加热后，出水与5号低加出水混合，进入除氧器。

3）抽汽经过二次风暖风器。汽轮机3段抽汽经过“热二次风暖风器”，然后再进入3号高加汽侧。

4）“广义回热”凝结水系统。部分8号低加水侧出口凝结水，一部分与2）中（7号低加部分凝结水出水）混合，经“中省凝结水增压泵”至中温低压省煤器系统，另一部分经过“一、二次风暖风器”，再经“凝结水增压泵”，进入8号低加水侧入口。

表1中两个工况，相对比较显示，机组功率、初终参数、锅炉给水温度基本相同，而系统投入后，主蒸汽流量D、调节级压力P分别下降－1.86%、－2.18%，但汽轮机各监视段压力P相对变化呈逐段上涨趋势。其中，汽轮机低压缸第6监视段汽压力P相对增涨+6.0%。根据（2-3）式，表明被排挤的抽汽份额不断增加，低压缸排汽流量D增大，冷源损失必然增加。而且排汽流量D增大，亦将导致低压缸效率下降。

实施上述改造措施之后，对比试验的方案、计算方法等由三方共同商定。对比试验由项目改造承担方负责组织和开展试验，包括提供试验仪器仪表、数据的测量和记录，试验样品的采集和制备等。

改造项目原预期煤耗下降－5g/kWh。对比相同工况下，系统投入与切除试验结果，热耗率HR二者之差为下降－23.85 kJ/kWh，折合发电煤耗率b下降－0.89g/kWh。

5.余热利用

火电厂热循环的外部存在各种余热，如锅炉的排烟热量、冷却发电机的热量、冷油器带走的热量等，均属热力循环外部余热。

外部余热引入热力系统时，在正平衡计算中自然反映了它的作功，而依据热力学第一定律，在反平衡计算中，该余热利用排挤汽轮机抽汽产生的冷源损失也自然反映在冷源损失的计算中。这时，如果把余热利用视为循环加入热量的一部分，由于余热一般属于低能级热量，可转变为功的部分不大，其份额比原循环小，大部分变成了冷源损失，因而冷源损失相对增大，由此求得的循环效率ηt 是降低的。如果把余热视为废热利用，只计它的作功，而不计循环热量的增加，即只计作功收益而不计热量支出，则这时循环效率ηt就表现为提高。

以增加低压省煤器系统，利用锅炉排烟余热为例。

从某个低压加热器引出部分或者全部凝结水，送往锅炉尾部的低压省煤器。凝结水在低压省煤器内吸收排烟热量，降低锅炉排烟温度，而凝结水自身却被加热，升高温度后再返回低压加热器系统。这样的低压省煤器，其系统并联在加热器迥路中，形成汽轮机侧回热系统的一个组成部分，其功能是代替了部分加热器的作用。低压省煤器将排挤部分汽轮机的回热抽汽，汽轮机乏汽排汽量增大，冷源损失必然增加。系统所获得的收益应为：凝结水从冷却锅炉排烟所获得的热量，排挤部分汽轮机的回热抽汽量所做的功，而得到的收益是与冷源损失增加的差值。