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    隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源的需求量也持續(xù)增加。在能源結(jié)構(gòu)上我國以燃煤火電為主，年開采原煤有50%以上用于燃煤電廠的發(fā)電及工業(yè)配套熱電廠的供熱、供汽，電廠污染物排放也居各行之首。在未來20年甚至更長時(shí)間內(nèi)，我國仍將以燃煤為主，因此為了節(jié)約能源消耗、減少污染物排放，燃煤鍋爐進(jìn)行節(jié)能降耗改造勢在必行。
    針對(duì)75 t/h工業(yè)熱電站鍋爐供熱負(fù)荷需求增大的形勢，對(duì)文獻(xiàn)的研究發(fā)現(xiàn)：目前常用的供熱增容方式多為低真空供熱和抽汽供熱改造，前者會(huì)使排汽溫度升高，凝汽器冷卻管膨脹量、汽缸膨脹量發(fā)生變化，也將不同程度地影響到機(jī)組的安全運(yùn)行；后者需對(duì)汽輪機(jī)及全廠回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)改造，工作量很大。筆者提出在不對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行改造、也不影響汽輪機(jī)工況的前提下，利用原回?zé)岢槠�直接供熱，同時(shí)結(jié)合鍋爐省煤器改造及增設(shè)可控壁溫式換熱器的整體增容節(jié)能改造方案。改造工作量較小，安全可靠，節(jié)能效果明顯。
1、鍋爐概況
    某熱電有限責(zé)任公司共有4臺(tái)75 t／h次高壓自然循環(huán)煤粉鍋爐，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。鍋爐為單鍋筒自然循環(huán)煤粉爐，鋼制構(gòu)架，呈Ⅱ形布置。鍋爐采用前吊、后支方式，固態(tài)排渣，室內(nèi)布置，制粉系統(tǒng)采用中間倉儲(chǔ)式，乏氣送粉，直流式煤粉燃燒器分二層正四角布置。鍋爐采用平衡通風(fēng)，在每臺(tái)鍋爐煙道上安排有一臺(tái)布袋式除塵器。
    鍋爐尾部受熱面采用雙級(jí)布置，均擱置于尾部鋼架上。上、下省煤器管系由直徑為32 mm、壁厚為4mm的20G鋼管組成，管系平行于鍋爐前墻、錯(cuò)列布置�？諝忸A(yù)熱器為雙級(jí)布置。上級(jí)空氣預(yù)熱器管徑為40 mm，壁厚為1.5 mm;下級(jí)空氣預(yù)熱器管徑為51 mm，壁厚為2.5 mm，考慮到尾部受熱面的低溫腐蝕，最后一組管箱管徑為51mm，壁厚為2.5mm，單獨(dú)支承在尾部鋼架上，便于檢修和更換，富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
2、問題分析
    近年來，隨著燃煤市場的變化，運(yùn)行煤種與原設(shè)計(jì)煤種相比有較大的變化，其元素分析見表2。
    由表2可知：運(yùn)行煤種灰分較高、發(fā)熱值偏低。煤的灰分、水分及發(fā)熱值直接影響到煙氣量及煙氣特性，從而導(dǎo)致排煙溫度變化。煤的Qar越低，w(Mar)越多，則排煙溫度越高。計(jì)算表明：排煙溫度與4 187w(Mar)/Qnet.ar近似成線性關(guān)系，當(dāng)4187w(Mar)/Qnet.ar增加0.1，排煙溫度會(huì)升高0.6 K；w(Aar)增加會(huì)導(dǎo)致尾部受熱面積灰污染加重，傳熱系數(shù)降低，煙氣放熱量減少，從而使排煙溫度升高。
    由于制粉系統(tǒng)密封不佳、爐底水封失效、本體門孔漏風(fēng)等因素造成系統(tǒng)漏風(fēng)量增大，空氣預(yù)熱器前的煙道漏風(fēng)將使煙溫下降，傳熱溫差降低，使受熱面吸熱量下降，最終導(dǎo)致排煙溫度進(jìn)一步升高。綜合近年鍋爐運(yùn)行情況來看，其排煙溫度比設(shè)計(jì)值偏高，鍋爐平均負(fù)荷升高后排煙溫度偏高現(xiàn)象更加明顯，最高超過設(shè)計(jì)值達(dá)18 K，鍋爐熱效率較設(shè)計(jì)偏低約2%。
    另外，該電廠為工業(yè)區(qū)提供生產(chǎn)及供暖蒸汽，隨著園區(qū)生產(chǎn)用蒸汽量的增加及冬季供暖負(fù)荷的增加，鍋爐經(jīng)常處在滿負(fù)荷、甚至超負(fù)荷狀態(tài)。鍋爐超發(fā)導(dǎo)致排煙溫度升高、汽水管道阻力升高、汽輪機(jī)汽耗率升高，最終導(dǎo)致供熱能耗升高；而且鍋爐長期處于超發(fā)狀態(tài)也不利于其長周期安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
    鑒于上述情況，需要對(duì)鍋爐制粉系統(tǒng)及爐底水封進(jìn)行消缺檢修，同時(shí)對(duì)鍋爐本體進(jìn)行改造。
3、改造方案
    根據(jù)鍋爐節(jié)能降耗及供熱增容的需要，結(jié)合熱電廠運(yùn)行方式，采用將原抽汽回?zé)嵴羝�用于供熱增容，給水溫度降低則用增加省煤器傳熱溫差彌補(bǔ)。通過鍋爐尾部受熱面局部改造大幅提高省煤器吸熱量，排煙溫度因而也大幅下降。
3.1鍋爐給水管道改造
    通過對(duì)熱電廠熱力系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)：該電廠為母管制供水系統(tǒng)，2號(hào)高壓加熱器（簡稱高加）的加熱蒸汽源為供熱蒸汽，減少2號(hào)高加加熱蒸汽的用量即可達(dá)到供熱增容的目的。圖1為給水管道改造圖，對(duì)2號(hào)鍋爐給水管道按圖1進(jìn)行了旁路改造，關(guān)閉圖1中閥門1、打開閥組2，使2號(hào)鍋爐給水溫度降至126℃，同時(shí)也減少2號(hào)高加的入口水量。為保證2號(hào)高加出口水溫160℃，配合圖1中新增閥門的調(diào)整，可減少2號(hào)高加從供熱管道來的加熱蒸汽量，以此增加了對(duì)外的供熱量。改造不會(huì)對(duì)汽輪機(jī)產(chǎn)生影響，也不會(huì)影響未改造鍋爐的給水溫度，對(duì)電廠的循環(huán)效率不會(huì)產(chǎn)生影響。
3.2省煤器改造
    2號(hào)鍋爐給水系統(tǒng)經(jīng)過3.1節(jié)改造后，給水溫度由160℃降低到126℃，降幅達(dá)34 K，會(huì)造成鍋爐蒸發(fā)量下降，過熱蒸汽超溫。因?yàn)殄仩t給水溫度下降后，如果要維持鍋爐額定負(fù)荷，所需要的蒸發(fā)吸熱量加大，則要多燒煤，增加水冷壁的輻射吸熱，與此同時(shí)過熱器對(duì)流吸熱量也增加，但對(duì)流傳熱的增長率要比水冷壁的輻射傳熱增長率高，最終導(dǎo)致過熱汽超溫。為滿足給水溫度降低后鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求：一方面在不對(duì)爐膛水冷壁進(jìn)行改動(dòng)的前提下，需要增加尾部省煤器的傳熱面積；另一方面由于燃煤量加大，煙氣量加大，在增加受熱面的同時(shí)必須進(jìn)行防磨結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此新省煤器采用螺旋肋片管，在增加受熱面積的同時(shí)能有效地減少磨損。利用原布置省煤器空間，將原直徑32 mm、壁厚4 mm光管更換為直徑38 mm、壁厚4.5 mm的螺旋肋片管，肋片高度17 mm、肋片間距12.5 mm、肋片厚度1 mm，肋片能增加煙氣側(cè)管子的傳熱面積。改造后高溫省煤器受熱面積由原來的257m2增加至596 m2．低溫省煤器受熱面積由原來的308 mz增加至1 186m2．同時(shí)螺旋肋片對(duì)煙氣有“整流”和“導(dǎo)流”作用，使得煙氣速度趨于均勻，煙氣流對(duì)管子圓周面的沖刷比光管均勻，對(duì)降低管壁的磨損非常有利。煙氣流經(jīng)螺旋肋片時(shí)受黏性力作用，在肋片表面形成穩(wěn)定的附面層，還能降低灰粒對(duì)管壁金屬的沖擊能力。在沒有肋片的彎頭部分及受熱面管夾處加裝專門設(shè)計(jì)的防磨護(hù)套，將其完全保護(hù)，避免局部磨損，見圖2。該結(jié)構(gòu)已廣泛運(yùn)用于省煤器的改造，防磨效果顯著。
3.3增設(shè)可控壁溫式換熱器
    鍋爐尾部受熱面采用雙級(jí)布置，沿?zé)煔饬鞒套陨隙�下分別是高溫省煤器、高溫空氣預(yù)熱器、低溫省煤器和低溫空氣預(yù)熱器。由于空氣預(yù)熱器不久前剛更換過，這次不對(duì)其進(jìn)行改造。經(jīng)過上述改造，高溫空氣預(yù)熱器和低溫空氣預(yù)熱器的入口煙氣溫度降低，造成高溫空氣預(yù)熱器出口熱風(fēng)溫度（經(jīng)計(jì)算約270℃）偏低，將會(huì)影響燃燒的穩(wěn)定性。為穩(wěn)定燃燒必須提高熱風(fēng)溫度，在尾部增設(shè)可控壁溫式換熱器，見圖3。通過煙氣側(cè)換熱器吸收低溫?zé)煔庥酂�，被加熱的工質(zhì)在空氣側(cè)換熱器對(duì)冷空氣放熱，提高了空氣預(yù)熱器人口風(fēng)溫，在提高熱風(fēng)溫度的同時(shí)減輕了低溫腐蝕。
    可控壁溫式換熱器利用熱管原理，以“壁面溫度”作為換熱器最基本的設(shè)計(jì)參數(shù)，按不發(fā)生腐蝕原則設(shè)計(jì)，使壁面溫度高于煙氣酸露點(diǎn)溫度并維持足夠小的溫差，實(shí)現(xiàn)最大幅度節(jié)能目的。按文獻(xiàn)中煙氣酸露點(diǎn)計(jì)算公式得出運(yùn)行煤種酸露點(diǎn)溫度為90℃，確定了金屬最低壁溫為100℃。換熱器的系統(tǒng)布置和運(yùn)行方式使換熱器相變工作段的壁面溫度處于整體均勻、可調(diào)可控狀態(tài)，通過圖3中熱水旁路閥和循環(huán)泵精確控制煙氣側(cè)換熱器入口工質(zhì)溫度，使排煙溫度和壁面溫度保持相對(duì)穩(wěn)定，并能適應(yīng)鍋爐的運(yùn)行煤種以及負(fù)荷的變化。
3.4性能計(jì)算及分析
    根據(jù)運(yùn)行煤種和原受熱面結(jié)構(gòu)，以給水溫度160℃，按文獻(xiàn)進(jìn)行了熱力校核計(jì)算，使熱力計(jì)算程序能符合現(xiàn)在鍋爐的運(yùn)行工況。在此基礎(chǔ)上，以給水溫度為126℃進(jìn)行了鍋爐尾部受熱面改造的設(shè)計(jì)計(jì)算。最后按改造后的尾部受熱面結(jié)構(gòu)，以給水溫度恢復(fù)為160℃進(jìn)行校核。計(jì)算結(jié)果見表3。
    由表3可見：鍋爐經(jīng)過上述改造后在給水溫度126℃工況下，鍋爐熱效率提高了1.7%。在相同供電負(fù)荷下，經(jīng)計(jì)算有11.5 GJ/h用于加熱給水的熱量可用于供熱。改造后熱風(fēng)溫度為298.5℃，較改造前偏低30 K，主要是沒有改造空氣預(yù)熱器，按文獻(xiàn)推薦此熱風(fēng)溫度滿足現(xiàn)運(yùn)行煤種燃燒要求。在供熱負(fù)荷不高的情況下可恢復(fù)回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)，將鍋爐給水溫度恢復(fù)到160℃，這時(shí)熱風(fēng)溫度升高到312.4℃，省煤器出口水溫升高到262.2。C，鍋爐效率提高1%。
4、改造效果及經(jīng)濟(jì)效益
    以額定蒸發(fā)量為對(duì)照基準(zhǔn)，改造前、后主要參數(shù)對(duì)照見表4。
    由表3及表4可見：運(yùn)行數(shù)據(jù)（表4）與理論計(jì)算結(jié)果（表3）基本吻合，改造達(dá)到預(yù)期效果。2號(hào)鍋爐經(jīng)過改造，在給水溫度123.6℃時(shí)鍋爐效率提高了1. 9%，按照設(shè)計(jì)燃煤量12. 47 t/h、年運(yùn)行小時(shí)數(shù)5 000 h計(jì)算，可節(jié)約標(biāo)煤783 t/a。在額定負(fù)荷下，由于給水溫度降低，鍋爐每小時(shí)燃煤量增加0.6 t，增加標(biāo)煤消耗3 000 tla。在燃煤量增加及新增受熱面導(dǎo)致煙、風(fēng)側(cè)阻力增加，送風(fēng)機(jī)、吸風(fēng)機(jī)耗電量及換熱器循環(huán)泵耗電量增加的情況下，據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)每小時(shí)增加功耗26.5 kW，按熱電廠發(fā)電標(biāo)煤耗343.6 g/(kW-h)計(jì)算，增加標(biāo)煤消耗45.5 t/a；標(biāo)煤價(jià)格按800元／t計(jì)算，燃煤費(fèi)用增加175萬元la�；�?zé)嵯到y(tǒng)抽汽全部用于對(duì)外供熱，供熱增容11.5 GJ/h，供熱價(jià)格按60元/GJ計(jì)，供熱收入增加345萬元／a。這兩項(xiàng)相減，直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)170萬元／a。這次改造總計(jì)費(fèi)用340萬元，兩年可回收投資成本。
5、結(jié)語
    由上述分析可知：
    (1)通過原回?zé)岢槠�直接供熱，雖然降低了回?zé)嵯到y(tǒng)的加熱蒸汽量，降低了給水溫度，但是運(yùn)用此處抽汽直接供熱增加了機(jī)組的最大供熱量，也不影響汽輪機(jī)發(fā)電汽耗率，提高了機(jī)組熱電比，提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。
    (2)通過尾部省煤器增容改造和增加可控壁溫式換熱器，既加強(qiáng)了傳熱，大幅度降低排煙溫度，又穩(wěn)定了鍋爐蒸發(fā)量及熱風(fēng)溫度，大幅提高了鍋爐熱效率。
    (3)熱風(fēng)溫度較改造前偏低，但基本滿足鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求。今后可利用更換空氣預(yù)熱器機(jī)會(huì)進(jìn)行局部受熱面改造，提高熱風(fēng)溫度，優(yōu)化燃燒，進(jìn)一步提高鍋爐效率。
    (4)改造后鍋爐具備了長周期安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的條件，并增加供熱的能力。在熱負(fù)荷小的工況下可恢復(fù)使用回?zé)岢槠�加熱鍋爐給水，鍋爐增加受熱面后仍滿足安全運(yùn)行要求，而且鍋爐效率比改造前提高約1%。