火电机组低压省煤器节能效果的定量解析

吴 文，石奇光，曾大海

（上海电力学院 能源与机械工程学院，上海 200090）

0 概 述

低压省煤器是一种有效的节能设备，已在火电机组中得到广泛应用。低压省煤器是通过降低锅炉的排烟温度，回收烟气中的余热，加热汽轮机回热系统的凝结水，达到节能的目的。

在我国有关省煤器的文献中，就有徐永康，林万超等关于低压省煤器节能技术［1，2］方面的论述，并定量分析了低压省煤器的节能效果。任彦等［3］通过实际的电厂测量计算，验证了低压省煤器也是节能的。张红方等［4］通过等效焓降法，定量计算了330 MW机组应用低压省煤器后的省煤量。火力发电厂由三大热力系统组成，即为锅炉热力系统、管道热力系统和汽轮发电机组热力系统。机组的热经济性与三大系统的节能运行息息相关。然而，对于低压省煤器的节能效果对三大热力系统产生的影响，有关这方面的研究文献仍不多见。

现以某300MW机组为例，定量分析低压省煤器对锅炉热效率、管道热效率和汽轮发电机组效率的影响。全面分析低压省煤器的节能效果，所得结论在推广应用低压省煤器及完善节能理论上均有实际意义。

1 低压省煤器连接系统

低压省煤器一般安装在锅炉空预器之后，除尘器之前，有串联和并联两种布置方式［2］。并联连接是指部分凝结水进入低压省煤器吸收烟气余热，与汽轮机的低压加热器并联（或多台并联）。串联连接是指低压省煤器串联在2台低压加热器之间，凝结水全部或部分进入其中加热。

锅炉的排烟温度高，会增大排烟损失，降低锅炉的热效率，而低压省煤器利用锅炉的烟气余热，加热凝结水，获得了节能效果。

发电煤耗b：

其中：ηb—锅炉热效率；

ηp—管道热效率；

ηe—汽轮发电机组效率；

q1—煤的低位发热量，kJ／kg。

如式（1）和式（2）所示，电厂热效率包括了锅炉热效率、管道热效率和汽轮发电机组效率。提高了电厂的热效率，机组的发电煤耗才会降低。分析低压省煤器对火电厂的热经济性影响，就应该分析低压省煤器对锅炉热力系统、管道热力系统和汽轮机热力系统各个效率的影响。

根据热力发电厂的系统布置，低压省煤器处在锅炉热力系统边界内，其水侧连接于汽轮机热力系统，如图1所示。

图1 低压省煤器与热力系统的连接

2 低压省煤器的热经济性

以某315MW机组的原则性系统为例，定量分析低压省煤器对三大热力系统热经济性的影响。热力系统的布置，如图2所示。

图2 315MW机组原则性系统

该机组为亚临界一次中间再热300MW凝气式机组，系统中的低压省煤器采用了串联连接方式。

2.1 对锅炉热效率的影响

根据热力系统的布置，应用低压省煤器后，锅炉的热负荷Qb为：

锅炉正平衡效率为［6］：

式（4）中，Qcp为全厂热耗量。

锅炉热损失：

锅炉反平衡效率为：

式（5）中：Q1为排烟热损失，Q2为气体不完全燃烧热损失，Q3为固体不完全燃烧热损失，Q4为散热损失，Q5为其他热损失。排烟热损失所占的比重最大，而影响排烟热损失的主要因素就是排烟温度和烟气容积。排烟温度对锅炉热效率的影响曲线，如图3所示。排烟温度越高，热损失就越大，排烟温度提高15℃，锅炉热效率降低0.9%［7］。

图3 排烟温度对锅炉热效率影响［7］

从反平衡进行分析，火电厂在应用低压省煤器后，锅炉的排烟温度是降低的。当排烟热损失减少，在其他损失基本不变的前提下，锅炉热效率是提高的。通过正平衡分析，同样可发现，当应用低压省煤器后，锅炉负荷比未应用前多了一项Ddy（h0dy－hidny），即低压省煤器回收了锅炉烟气余热，提高了锅炉热效率。

2.2 对管道热效率的影响

在火力发电厂的热经济性计算中，通常取管道热效率为99%。事实上，火力发电厂管道热效率达不到该值。通过管道热效率正平衡和反平衡方法，分别分析低压省煤器对管道热效率的影响是必要的。反平衡算法［8］是从管道损失的角度去考虑，管道损失ΔQp一般分为：一是散热损失类，包括新蒸汽管道散热损失q1，再热蒸汽管道散热损失q2，给水管道散热损失q3；二是带热量工质泄露损失类，如系统汽侧和水侧带热量工质泄露热损失q4；三是辅助系统损失类，如厂用辅助蒸汽系统热损失q5和锅炉连续排污热损失q6。而在应用低压省煤器的机组中，如图2的系统布置中，还需要考虑低压省煤器冷段和热段管道的散热损失q7。

管道反平衡热效率为：

管道热损失：

管道正平衡热效率为：

机组在应用低压省煤器后，管道的散热损失多了一项q7，所以管道热效率是降低的。

2.3 对汽轮发电机组效率的影响

汽轮发电机组效率ηe包括汽机绝对内效率ηi和机电效率ηmg，当机电效率保持不变时，只需分析低压省煤器对绝对内效率的影响。

当汽轮机的汽耗量为D0时，其实际内功为Wi，kJ／h；绝对内效率ηi为［5］：

以汽轮机的进汽为1kg计，它的比内功ωi关系式：

式（12）中：ac—凝汽份额；aj—1至n号加热器抽汽份额；Δhci—每kg凝汽流的实际焓降，kJ／kg；Δhri—回热抽汽的实际焓降，kJ／kg。

当使用低压省煤器时，利用烟气余热加热汽轮机回热系统的凝结水，会排挤低压加热器的抽汽，增大机组凝汽流的流量，降低了汽轮发电机组的效率。

综上所述，使用低压省煤器后，锅炉的热效率会得到提高，管道热效率和汽轮发电机组效率均会下降。

现通过实例计算，验证低压省煤器对电厂三大热力系统及全厂热经济性的影响。

3 计算案例

某电厂锅炉为亚临界、一次中间再热、自然循环锅炉。汽轮机为单轴、双缸双排汽一次中间再热，高中压缸合缸反动凝气式。当机组负荷为315MW时，运行参数如表1所示。

表1 315MW机组参数

低压省煤器为串联布置，如图2所示。省煤器水侧的进口在6号低压加热器的水侧出口，被加热后的凝结水通往5号低压加热器的水侧进口。低压省煤器的设计参数：进口烟气温度为152℃，烟气焓为158.9kJ／kg，出口烟气温度为122.5℃，烟气焓为127.6kJ／kg，烟气质量流量为1331.4t／h；进口凝结水温度为105.2℃，焓值为442.1kJ／kg，出口水温为118.6℃，焓值为498.9kJ／kg，凝结水流量为733.74t／h。

3.1 节能效果分析

以反平衡方法计算管道热效率时，新蒸汽管道、冷热再热管道和主给水管道是从锅炉侧连接到汽机侧，由于距离较远，温度一般会降低1～2K。计算时，统一以1K温降为标准。在应用低压省煤器的机组中，管道是从汽机侧到锅炉侧，需要考虑散热损失。带热量工质的泄漏产生了热损失，近似认为蒸汽泄漏主要集中在主蒸汽管道和再热蒸汽管道两处，泄漏量为8.669 1t／h。厂用蒸汽量为5.779 4 t／h，返回水份额为零。回热加热器的运行参数，如表2所示。

表2 回热加热器参数 （kJ／kg）

根据热力发电厂原理［5］，参照表2各回热加热器的参数，在额定功率315MW的情况下，按照公式1～12可得到应用低压省煤器前后锅炉热效率ηb、管道热效率ηp、绝对内效率ηi、全厂效率ηcp和发电煤耗的变化值，如表3、表4所示。

表3 四种案例参数对比

对比案例一和案例二，考虑管道热效率后发电煤耗升高3.793g／（kW·h）。对比案例三和案例四，考虑管道热效率后发电煤耗升高4.357 7 g／（kW·h），发现管道热效率对发电煤耗影响很大，是不能忽略的。对比案例一和案例三，低压省煤器降低了发电煤耗3.139 7g／（kW·h）。对比案例二和案例四，在考虑管道热效率后，低压省煤器降低了发电煤耗2.574 9g／（kW·h），可看出低压省煤器具有明显的节能作用，如果忽略管道热效率，就会高估低压省煤器的节能效果。

表4 案例四管道各部分损失所占份额 （%）

表4是案例四中管道各项损失所占比例。可看出管道热效率比一般取的定值99%低了很多，在该案例中，管道热效率为97.568 0%，相差1.432%。另外，在各项热损失中，带热量工质泄漏的热损失和厂用汽热损失约占70%，所以，减少工质泄漏可有效提高管道热效率。

3.2 低压省煤器进水量的影响

定义的分流流量系数，是指进入低压省煤器的凝结水占6号低加加热器凝结水出水量的比例。以案例四为基础，可得到不同分流流量系数条件下的锅炉热效率、管道热效率、机组绝对内效率和全厂热效率的变化值，如表5和图4所示。

表5 各个热效率与分流流量系数的变化关系 （%）

分析计算结果可知，当分流流量系数从0升至1后，锅炉热效率由91%提高到92.721 0%，管道热效率由97.764 1%降至97.568 0%，机组绝对内效率由46.426 8%降至46.046 9%，全厂热效率从40.481 8%提升至40.827 8%。换算至电厂热经济性的运行成本上，无低压省煤器投入时的发电煤耗为303.840 4g／（kW·h），应用省煤器后的发电煤耗为 301.265 5g／（kW·h），发电煤耗降低了2.574 9g／（kW·h）。

图4 各个效率随分流流量系数的变化

由图4可知，随着分流流量系数的升高，回收的烟气余热也会增多，锅炉热效率是提高的，而机组绝对内效率和管道热效率都是降低的，但全厂热效率是增高的。这表明对低压省煤器节能效果的评价，必须依据电厂能量系统的作用原则进行全面系统的考察。

6 结 语

（1）在火电机组的热经济性计算中，应该考虑管道热效率的实际值。管道热效率取定值99%，会得到偏高的全厂热效率。从计算案例可知，管道热效率为97.568 0%，如果取定值99%，则全厂热效率将上升至0.599 2%，发电煤耗降低4.357 7g／（kW·h）。忽略管道热效率会高估低压省煤器的节能效果，在本算例中会高估至0.564 8g／（kW·h）。

（2）低压省煤器利用了锅炉的余热，会引起汽轮发电机组效率的降低，但是降低了锅炉热损失，提高了锅炉热效率。在算例中，烟气降低29.5℃，明显降低了烟气的排烟损失，锅炉热效率提高1.721 0%。

（3）低压省煤器具有显著的节能效果。在计算案例中，应用低压省煤器后，锅炉热效率上升1.721 0%，管道热效率降低0.196 1%，汽机绝对内效率降低0.379 9%，全厂热效率增加0.346 0%，全厂发电煤耗降低2.574 9g／（kW·h）。