大型燃煤机组深度余热优化利用系统节能分析，张晨旭.docx

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1、 国内图书分类号： TM621.4 国际图书分类号： 621.1 学校代码 ： 10079 密级：公幵 硕士学位论文 大型燃煤机组深度余热优化利用系统 节能分析 硕 士 研 究 生 ： 张晨旭 导师 ：杨勇平教授 申 请 学 位：工学硕士 专 业 领 域：热能工程 培 养 方 式 ： 全曰制 所在学院 ：能源动力与机械工程学院 答辩日期： 2015 年 3 月 授 予 学 位单位：华北电力大学 Classified Index: TM621.4 U.D.C: 621.1 Thesis for the Master Degree Energy-saving Performance Analysi

2、s of the in-depth Optimized Waste Heat Utilization System for Large-scale Coal-fired Units Candidate： Zhang Chenxu Supervisor： Prof. Yang Yongping School： School of Energy, Power and Mechanical Engineering Date of Defence： March, 2015 Degree-Conferring-Institution： North China Electric Power Univers

3、ity 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大型燃煤机组深度余热优化利用系统节能分 析，是本人在导师指导下 ,在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。 据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工 作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 作者签名 ： 敗 处 曰期： /年 i 月 /扣 大型燃煤机组深度余热优化利用系统节能分析系本人在华北电力大学攻读硕士学位期 间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究 内容

4、不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关丁 “ 保存、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅，学校可以为存在馆际合作 关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。本人授权华北电力大学，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以上相应方框内打 V) ： 保密 ，在 年解密后适用本授权书 不保密 KL/ 作者签名： VLlk 日期： 丨 |年 3 月 |20 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 摘 要 随着

5、近年来能源价格的不断攀升以及节能减排政策性要求的日益严格，不 断提高电站效率、降低机组供电煤耗、减少对外排放成为今后我国大力发展火 力发电的重点。 火力发电在长期发展的过程中，节能降耗的措施很多，但利用锅炉尾部烟 气余热加热汽机侧回热系统中的凝结水是一种简便易行且节能收益较好的方 案。本文应用热力学、传热学及流体力学的相关理论，搭建了低温烟气余热回 收节能分析模型。并 从系统安全性及稳定性的角度出发，对常规余热利用系统 应用于实际运行电站时烟气侧及水侧连接方式、换热器管型及管材优选情况进 行了综合对比分析，确定经济性及投资成本均较合理的节能改造方案。然后以 某 1000MW 燃煤机组实际运行数

6、据为例，对常规余热利用系统的节能收益进行 计算，并结合常规余热利用系统的综合换热曲线，分析常规系统在实际降低排 烟温度的过程中存在的节能局限性。 在进一步的工作中，本文立足于常规余热利用系统的节能约束，综合考虑 机炉两侧传热传质过程存在的 能级不匹配 现象。从 温度对口、梯级利用 的角度，提出 一 种将汽机侧回热加热过程、炉侧空气预热过程及余热回收过程 相结合的深度余热优化利用系统。该系统从节能本质出发，创造性的提出将炉 侧与汽机侧的吸热和放热过程充分交叉融合，通过机炉之间烟气、蒸汽、给水 和空气等多工质传热过程间的充分集成，提高了引入汽机侧回热系统中的烟气 能级品位，进而提高机组的热功转换效

7、率。本文从机组的热力性能、节能本质 及技术经济性等方面，对深度余热优化利用系统的合理性进行深入剖析。 本文的研究结果，为实现我国大型燃煤发电机组优化设计和高效运行奠定 了科学理论基础，为机组全工况节 能降耗运行提供了关键技术保障。 关键词 ：燃煤电站；综合优化；余热利用；热力学分析；技术经济性 Abstract In recent years, as a consequence of the rapidly increasing energy price and more and more stringent energy-saving and emission reduction polic

8、ies, corresponding measures are taken by the majority of the coal-fired plants in China, including improving the power plant efficiency, reducing the unit standard coal consumption rate as well as C 2 emissions. During the development period of coal-fired power plants, plenty of energy-saving method

9、s are available. Among them, utilizing the flue gas waste heat at the boiler rear area to heat the condensed water in the regenerative system is recognized as a simple but efficient scheme. In this paper, a low-temperature flue gas waste heat recycling analytic model was constructed based on the rel

10、evant theories on equivalent enthalpy drop, heat transfer and fluid flow characteristics. Subsequently, from the perspective of system safety and stability, assuming that the conventional waste heat utilization system is applied to the active power plant, its connecting modes in the flue gas side an

11、d steam-water cycle side, heat transfer tube type and material are analyzed to determine the reasonable retrofitting scheme. Combined with the actual operation data of a 1000 MW coal-fired power unit, the energy-saving benefit of the conventional waste heat utilization system is firstly calculated,

12、and its drawbacks in reducing the exhausted flue gas temperature are analyzed afterwards based on the comprehensive heat exchanging curves. Based on the above completed work and the energy-saving constraints of the conventional waste heat utilization system， with consideration of the “energy grade m

13、ismatch issue which is common during the heat and mass transfer processes in the boiler and turbine side， an in_depth optimized waste heat utilization system is proposed which combines three heating processes comprehensively, including the regenerative heating process in the turbine side, the air pr

14、eheating process in the boiler side and the waste heat utilization process. Essentially speaking, the proposed system creatively combines the heat release and absorption processes in the boiler and turbine side together, by integrating the heat transfer process of various working mediums such as flu

15、e gas, steam, feeding water and the air? energy grade of the flue gas introduced into the turbine side is improved significantly, which can further enhance the heat to work conversion efficiency of the power unit. Moreover, thermodynamic, exergetic and techno-economic analysis are conducted to deepl

16、y explore the energy-saving characteristics of the proposed system. The research result of this paper can lay a firm foundation for the optimization design and efficient operation of the large-scale coal-fired units in China, and it provides key technical support for further reducing the unit energy

17、 consumption rate under various working conditions. Keywords ： coal-fired power plant; comprehensive optimization; waste heat utilization; thermodynamic analysis; techno-economic performance 目录 W . I Abstract . II 第 1 章绪论 . 1 1.1 大型燃煤电站锅炉烟气余热利用研究的背景和意义 . 1 1.1.1 锅炉尾部烟气余热回收的意义 . 1 1.1.2 烟气余热利用技术概述 .

18、2 1.2 论文主要研究内容 . 3 第 2 章大型燃煤电站锅炉烟气余热利用节能潜力 . 4 2.1 低温烟气余热资源热力学评价指标 . 4 2.1.1 热平衡分析法 . 4 2.1.2 分析法 . 5 2.1.3 能级及能级平衡分析 . 5 2.2 低温烟气余热资源 . 6 2.2.1 烟气余热资源的定义与评价 . 6 2.2.2 低温烟气的腐蚀特性 .v. 6 2.3 低温烟气余热利用热力学分析模型 . 8 2.3.1 烟气焓计算 . 8 2.3.2 换热量计算 . 9 2.3_3 节能收益分析 . 9 2.4 工质流动特性分析模型 . 10 2.4.1 烟气侧阻力分析 . 10 2.4.

19、2 凝结水侧阻力分析 . 11 2.5 4 . 11 第 3 章常规余热利用系统优化设计及热力性能分析 . 13 3.案例机组概况 . 13 3.2 常规余热利用系统节能优势 . 14 3.3 常规佘热利用系统优化设计 . 15 3.3.1 烟气侧连接方式选取 . 15 3.3.2 水侧连接方式选取 . 17 3_3.3 管型选择 . 19 3.3.4 受热面管材优选 . 20 3.4 常规余热利用系统节能收益分析 . 20 3.5 触 . 22 第 4 章深度余热优化利用系统设计及节能分析 . 24 4.1 深度余热优化利用系统提出 . 24 4.1.1 机炉两侧低温区耦合潜力 . 24 4

20、.1.2 深度余热优化利用系统流程介绍 . 25 4.2 深度余热优化利用系统热力性能分析 . 27 4.3 深度余热优化利用系统节能潜力分析 . 28 4.3.1 回热系统各级抽汽量与做功量变化分析 . 28 4.3.2 分析 . 30 4.4 技术经济性分析 . 32 4.4.1 设备初投资 . : . 32 4.4.2 经济性指标分析 . 33 4.5 34 第 5 章结论与展望 . 36 #魏 . 38 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 . 42 硕士学位论文科研项目背景 . 43 St M . 44 第 1 章 绪 论 1.1 大型燃煤电站锅炉烟气余热利用研究的背景和意义 1.1

21、.1 锅炉尾部烟气余热回收的意义 目前，中国已是世界上最大的电力生产与消费大国。截至 2013 年底，中国内 地电力总装机容量为 7.9 亿千瓦，发电量为 3.95 万亿度。其中，火电机组的装机容 量约占总装机容量的 63.4%左右，其发电量约为 74%。近些年，随着太阳能、风能 等可再生能源的大范围开发利用，燃煤发电在发电行业中的份额有所降低。但由于 我国现有装机容量己达 8 亿千瓦，且每年至少新增 2 千万千瓦。在可以 预见的未来， 燃煤发电作为我国电力能源供应的根本保障地位不会发生变化 1义 随着近年来能源价格的不断攀升以及节能减排政策性要求的日益严格，不断提 高电站效率、降低机组供电煤

22、耗成为今后我国大力发展火电的重点。据 2013 中国 能源统计年鉴 3显示 :2013年，我国大型火力发电机组在发电过程中所排放的 S02 约占排放总量的 40%， N0X实际排放量约占排放总量的 37%。此外，据相关资料统 计，从 2004 年到 2013 年，大型燃煤电站的煤耗下降约55g/kWh， 同比每年可节约 2.17 亿吨左右的标煤燃烧量，相当于 每一年实际二氧化碳的排放量可降低 5.4 亿吨 左右；燃煤发电过程中 NOx 排放强度下降约 1.65g/kWh， 同比每年 NOx 排放量减 少约 795 万吨。通过以上数据可以看出，进一步降低机组供电煤耗对我国节能减排 事业意义重大。

23、 火力发电在长期发展的过程中，节能降耗措施很多，但大多可归为三类： 提 高蒸汽初参数，增加机组容量。现阶段，机组装机容量已达 1000MW 等级，初参数 为 25 30Mpa, 600C 左右， 一 次中间再热， 20C 冷却水温，机组的净效率己经可 以达到 43%以上。在可预见的未来，参数很有可能将进一步提高到 30 35Mpa, 700C 以上，机组的理论净效率将进一步提高到 46%以上 44。 降低系统对外的排 放损失，如锅炉尾部排烟余热的回收、热电联产技术的引入以及汽机侧循环水热能 的再利用等7_12。 提高热力系统完善程度、研发高性能热力设备。如汽机侧回热 系统、一次中间再热系统的完

24、善优化以及二次中间再热技术的研发等 13_15。 在众多节能降耗的方案中，充分合理的利用锅炉尾部烟气余热、减少排烟热损 失是比较常用的一种方式。现阶段，燃煤机组锅 炉热效率普遍维持在 90 95%之间， 而在所有锅炉热损失中，排烟热损失所占的比重最高，占总损失的 50%以上。倘若 按照电站设计排烟温度估算（目前投产中的电站设计烟气排放温度通常处于 130160C)， 对锅炉尾部低品位余热资源进行全部回收，则年可节约标煤达 0.7 亿 吨左右。倘若对锅炉尾部排烟余热回收量按一半计算， 一 年尚可降低燃煤量约 0.36 亿吨：在假定煤炭的实际价格为每吨 750 元左右的基础上，每年通过节约燃料，就

25、 可以减少约 235 亿元的花销；此外，合理减少锅炉尾部 烟气余热的浪费，有助于降 低燃煤电站对周围环境的 热污染 ；对尾部烟气中 C02的减排也有积极影响。因 而，对锅炉尾部排烟余热进行回收利用具有节能、节水、降耗等综合作用，对我国 节能减排战略意义深远。 1.1.2 烟气余热利用技术概述 鉴于现阶段电站炉侧设计排烟温度只有 130 160C， 烟气的能级品位较差。因 此，可采用的烟气热能回收方案主要有四种： (1) 加热回热系统中的低压凝结水 通常在炉侧空气预热器出口烟道上增设一级烟水换热器，俗称低温省煤器。利 用低温烟气加热回热系统中的 6#或 7#低压凝结水，排挤部分汽机侧低级别回热抽

26、 汽，进而增加汽轮发电机组热功转换效率。在我国，华北电力大学、清华大学等高 等院校均较早的开展了对在锅炉尾部烟道增设低温省煤器方案的热力性能研宄工 作 |1W91， 并成功的在浙能六横发电厂、上海漕泾电站、上海 外三 电站等燃煤机 组上投运试验 2(W2。在国外，利用汽轮机回热系统中的低压凝结水来降低锅炉尾部 排烟的相关余热利用实例也己得到广泛应用 231。如德国黑泵电站将降低烟气温度的 换热设备安装在空预器之后，利用回热系统中的凝结水 来与温度较低的烟气进行温 差传热，提高凝结水温度的同时，降低锅炉排烟热损失。据相关数据表明，该方案 节能收益明显。 (2) 预热一二次风，提高空气预热器入口风

27、温 24_271 通过在锅炉尾部入口风道上增设一级空气预热子系统，该系统在降低大型燃煤 机组锅炉尾部烟气温度的同时，提升空预器入口风温。相比于暖风器利用低压抽汽 加热空气的这种方案，该系统的优势在于主要利用排烟废热预热空气，减少甚至取 消暖风器中的辅助蒸汽用量，进而间接的增加了在汽缸中膨胀做功的蒸汽量，提高 汽轮发电机组热功转换效率；此外，由于空预器进口风温有 所升高，使得进入炉膛 燃烧的热风温度也相应的升高，这样有助于进一步提高锅炉热效率。 (3) 干燥褐煤，降低系统能耗损失 28_31 褐煤含水量较高，通常在 60%以上。利用烟气余热，对褐煤煤质进行脱水处理 后，其含水量可显著减少，进而使

28、其最终燃烧释放的热量增多。此外，对褐煤进行 脱水处理也有助于褐煤的运输存储。据相关材料显示，利用烟气烘干后的褐煤含水 量可降低 45%以上；如若将褐煤干燥技术应用于某 300MW 机组上，整个发电过程 中锅炉热效率可升高 1%以上，风机的实际运行电耗可 减少 30%左右，同时，制粉 系统的能耗也将显著降低。 (4) 加热采暖热网水，更好地实现能级匹配 13233 * 针对冬季需要采暖的地区，可利用烟气余热加热热网水，该方案类似于加热回 热系统中的低温凝结水方案，但考虑到热网补水对水温的需求更低，因此需要更进 一步的提高相应换热单元的防腐性能。 综上所述，在多种回收烟气余热的方案中，加热汽轮机回

29、热系统中的低温凝结 水是最直接，同时也是节能收益较明显的一种。所以本文着重研究火力发电机组低丨 温烟气余热回收与汽机侧回热系统之间的耦合匹配关系。 1.2 论文主要研究内容 本文以大型燃煤机组为研宂对象，围绕着节能降耗的政策性要求，对常规余热 利用系统进行热力学分析。同时结合能量梯级利用原理对常规系统的节能特性展开 剖析。并基于节能降耗的相关理论，提出一种新型深度余热优化利用系统，该系统 基于炉侧空气吸热过程和余热回收过程、汽轮机回热过程的能量品位变化规律，创 造性的提出将炉侧与汽机侧的吸热和放热过程充分交叉融合，通过机炉之间烟气、 蒸汽、给水和空气等多工质传热过程间的充分集成，更好地实现炉侧

30、空气预热过程、 烟气余热回收利用过程及汽机侧回热加热过程间的能量梯级利用。并以某典型百 万 千瓦超超临界燃煤电站的实际数据为例，分析优化系统的传热特性和节能收益。具 体工作包括以下方面内容： (1) 概要地介绍针对燃煤电站节能改造常用的基础理论，同时分析归纳了燃 煤电站锅炉尾部烟气的能级特性。并根据低温烟气的能级特性，详细介绍低温烟气 余热利用过程的热力性能计算模型和流体特性分析模型； (2) 详细地介绍了某 000MW 燃煤机组的实际运行参数，并结合其实际运行 特点，从烟气侧连接方式、汽水侧连接参数优选、换热管材确定等方面探究最适合 电站节能改造的常规余热利用方案。并结合热力学相关理论，对应

31、用于案例机组的 常规余热利用方案节能效果进行计算，分析其节能约束条件特性。 (3) 深入分析常规余热利用系统的节能限制，然后从合理用能的角度出发， 提出一种集成旁路烟道技术的深度余热优化利用系统。并从节能收益、热力学节能 潜力、技术经济性分析等方面对优化系统的合理性进行论证。 第 2 章大型燃煤电站锅炉烟气余热利用节能潜力 , 火力发电机组的主要任务是将燃料的化学能，通过燃烧、传递、转化等过程， 转变为电能输出。这个过程涉及到的动力设备包括锅炉、汽轮机、发电机等。通过 在合理范围内最大程度的利用炉侧尾部排烟热能，进而更好地提高能源利用效果， 达到节能减排的终极目标。但在余热回收的过程中要充分考

32、虑新增换热设备对锅炉 乃至整个热力系统安全性、经济性的影响。 2.1 低温烟气余热资源热力学评价指标 我们在对低温烟气佘热资源加以回收利用的过程中，既要尽可能实现最佳余热 回收效果，减少不同程度的能量损失：也要探寻在回收利用烟气余热时，所需要遵 守的一些基本原则。随着节能理论研究的不断深入，对节能方案进行热力学分析， 确定相应的节能方案是否合理非常重要。由于热力学第一定律存在的理论局限 性， 使得热力学第一定律仅能从能量守恒的角度对节能方案开展初略评价，无法涉及节 能的内在本质。因此以热力学第一定律为基础，辅助以热力学第二定律及能级品位 评价也成为对热力系统进行综合评价的必然趋势。 2. U

33、热平衡分析法 热力学第一定律的理论核心是能量在转移和转变时，能量在 数量 上的守恒 关系。对特定的热力系统而言，热力学第一定律侧重于分析进、出口能量在数量上 的平衡匹配关系。其用意是分析热力系统用能方面的完善程度，并以此作出数量方 面的简单评价，进而对能量损耗情况作出分析与判断，对热力系统的节能潜力作出 评估。热力学第一定律方法简单实用，应用广泛，是对大型燃煤发电系统进行综合 评价的首选 34 35。 热平衡分析法是以热力学第一定律为基础的，其评价指标是热效率。在对指定 设备进行热平衡分析时，就是要根据实际情况，获得进、出口各股物流的焓值及流 量，并结合热平衡的相关理论进行校核计算，最终获得相

34、应的综合评价指标，具体 热效率计算方法是设备有效利用热与输入系统总热量的比值 热平衡分析法仅能单纯的通过不同种类能量在 数量 上的关系，进而判断分 析整个系统在能量利用方面的完善程度，但却无法进一步探宄能量在传递过 程中品 位变化及具体利用过程损耗情况。因此，它的评价指标是片面的。 2.1.2 舰分析法 热力学第二定律在形式上是对热力学第一定律的完善与补充，但在本质上却清 晰指明了能量转移的方向、条件和限制 37。能量转换能力的差异体现了能量自身可 利用价值的不同，也就是能量品位的差异。以能量转换程度作为一种衡量尺度，可 将不同品位的能量分为 可完全转换 、 部分转换 、 不可转换 兰类。 火

35、用概念的引入，从本质上提供了一个对热力系统完善匹配程度进行评估的热力 性能指标，其中的匹 配主要指不同类型、不同品位能量在量与质上的关系。在此基 础上发展起来的的灿平衡分析法，是一种综合考虑热力学第一定律和热力学第二定 律的理论分析方法 38,39。就应用于分折实际工程案例而言，将能量 质 与 量 关联起来的姻分析法，显然优于单纯考虑能量 量 关系的热平衡分析法。由前述 分析可知，姻分析法不但可以分析整个热力系统的能流情况，而且可以通过对火用效 率、 损失等评价指标的分析，探寻能量系统在热力性能完善程度方面的薄弱环节， 并针对主要的薄弱环节，进行系统内部的优化改造。进而对整个热力系统的节能降

36、耗目标提出更为科学、理论性更强的指导方向。 2.1.3 能级及能级平衡分析 烟分析法是从能量传递、转变过程本身对整个热力过程进行综合评估。这种分 析方法虽然在很大程度上提高了对整个能量系统评估时结论的精准性及可靠性，并 能够对热力系统完善程度提出可改性建议，但姻分析法本身也是存在理论局限性 的，即该方法无法针对热力系统用能和耗能的匹配关系给出直观、量化的分析结论。 这里所说的直观、量化的结论指的是供能与用能双方在能量品位上的匹配度数据。 为了更直观评判能量品质的高低，本文在 概念的基础上，更进一步的引入了能级 的概念 3能级具体含义指的是物质所具有的总能量中有效能的比重，在实际分析 过程中，经

37、常用符号 Q 来代表能级，具体计算公式如下： Q E (2-1) 对于高品位能量而言，其能级为 1;对于低品位能量而言，其能级为 0,对于 中品位能量而言，其能级介于两者之间。 对于温度不发生变化的热源来说，假使热源的恒定温度设为 T， 整个换热过程 所传递的热量设为 Q， 则这个恒温热源所具有的能级可通过下式获得： Q Q % (2-2) 通过对式 （ 2-2)的分析可知，热源温度越高，其能级也就越高，但在合理利用 不同品位能量的过程中，除了要选择品位适宜的能量外，还要选取质量、温度适宜 的载体接受热量 |4()1 能级或质量的不合适均会造成能量传递过程中的浪费。当提供 能量的 供能 侧与接

38、收能量的 用能 侧之间能级相差很大时，整个系统的倾效 率就会较低。 从能级的观点入手，结合能量梯级利用及灿平衡的相关理论，以合理用能和降 低能量浪费作为高效用能的指导理念。通过计算研究灿效率、能量平衡系数等评价 指标的合理性，进而为判断供能与用能双方的能级匹配程度，为能量系统的优化设 计提供一定的技术依据。 2.2 低温烟气余热资源 2.2.1 烟气余热资源的定义与评价 在锅炉侧 ，一 次风携带煤粉进入炉膛燃烧，将燃料的化学能转变为 1300C左右 的烟气热能，并将这部分热能通过辐射、对流等方式传递给水冷壁、过热器等受热 面中的锅炉给水，进而获得所需参数的蒸汽。放热后的烟气流经锅炉尾部受热面与

39、 来 fl 环境中的冷空气进行热量交换，将冷空气加热到一定温度后形成排烟。 余热资源指的是 以实际周围环境为参照，载热体所能释放散传递的总热能 118。 以实际载热体的平均温度为评价指标 .可将载热体所具有的余热资源划分为 三个不同的温区：高温余热、中温余热及低温余热。对于实际温度不同的余热资源， 其在实际热质传递过程中所释放的能量也是有很大区别的。 2.2.2 低温烟气的腐蚀特性 通常情况下，锅炉空气预热器出口的烟气温度（即排烟温度 ） 在 130 160C， 如果将这部分能量按前面所述方式划分的话，应该归于余热回收价值不高的低温余 热资源。但鉴于火电机组排放的烟气流量相当之大，虽然单 位质量烟气可回收的热 能不高，但若考虑到烟气总排放量的话，其可利用的烟气热能还是很可观的。因此， 对大型燃煤发电机组尾部烟气