应用复合相变换热器技术烟气余热回收工程项目可行性研究报告.doc
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1、目 录一、项目简介41.1 锅炉及排烟温度现状41.2 降低排烟温度的节能开发和创新内容51.3复合相变换热器的工作原理71.4复合相变换热器技术与热管换热器技术的差异比较81.5 复合相变换热器技术与低压省煤器技术的差异比较101.6 复合相变换热器技术与传统换热器技术在壁温设计的差异比较101.7 复合相变换热器技术主要特点12二、项目建议书编制依据132.1 项目背景分析132.2 项目实施的必要性及目的132.3 目前锅炉的主要技术经济指标132.4 项目编制的基本原则132.5 项目建议书编制依据14三、余热回收方案设计163.1 余热回收方案163.2 余热回收设计计算参数163.
2、3 余热热源采集量计算173.4 等效标煤量173.5 增加电耗计算173.6 工程内容和工程量183.7 项目实施进度安排193.8节能方案综合评估19四、系统控制技术224.1 相变换热器的可控性224.2 壁温技术原理234.3 控制系统描述234.4 控制的I/O清单244.4 PLC控制系统244.5 控制的主要设备25五、工程影响因素及解决措施265.1 烟气阻力和空气阻力问题265.2 加热风系统热平衡问题285.3 加热排烟系统防堵防积灰问题295.4 加热排烟系统防磨、防问题315.5 相变换热器的外形尺寸与模块化安装问题325.6 相变换热器设备寿命问题325.7 对电除尘
3、器的影响325.8 对脱硫系统的影响3354一、项目简介1.1、锅炉及排烟温度现状国电榆次热电有限公司由国电华北集团公司控股建设。项目注册资本金为总投资的20,本工程实际投资总额和资本金的差额由投资方向银行贷款解决。厂址位于榆次市区正南约5km处修文镇的榆次区规划工业基地内,榆长公路由西北向东南在厂区东侧约100150m处通过,南同蒲铁路在厂区西北约6001000m处由东北向西南方向通过,交通运输比较便利。电厂规划为安装4300MW级机组,本期工程建设规模为660MW,安装2330MW直接空冷燃煤供热机组。锅炉型号为DG1164/17.5-型,由东方锅炉(集团)股份有限公司生产。锅炉最大连续蒸
4、发量为1164t/h,锅炉(BMCR)燃煤量为146.44t/h(设计煤种),161.69t/h(校核煤种),133.82t/h(校核煤种),制粉系统形式为双进双出钢球磨正压冷一次风机直吹式制粉系统,每台炉配置三台磨煤机。空气预热器型式为三分仓容克式空气预热器,除尘器型式为静电除尘器。锅炉负荷类型为带基本负荷,并考虑40%100BMCR范围调峰。现锅炉排烟温度按照经典的控制酸露腐蚀条件的设计规范设计,计算排烟温度已经留有设备保护的余地。目前设计条件下的排烟温度高于酸露点温度的15-18度,实际上排烟温度的计算方面也因为招标对经济指标要求而存在潜在的上升空间。以国内300MW机组的实际运行的负荷
5、、排烟温度状况,几乎没有一家能够按照设计指标运行。造成排烟温度升高的原因是多方面的。随着运行时间的延长,排烟温度因空预器设备的末端腐蚀而局部积灰、系统阻力增加、过量空气系数增加、排烟温度升高;空气预热器漏风、夏季空气温度升高、煤种变化也使得锅炉远离校核煤种等因素都会引发排烟温度升高;同时,在燃烧中锅炉热态空气动力场偏心产生排烟双侧风差尘差,也会使排烟温度或高或低。排烟温度高的一侧能量浪费,排烟温度低的一侧腐蚀严重。排烟温度高于该炉型正常燃料酸露点以上的部分,在目前的传统锅炉设计和改造中,设计规范是无法利用这部分低温热源的。从原锅炉工艺设计方面来讲,由于受传统设计理念的影响,如果设计排烟温度12
6、8时(若进口风温20),其空预器冷风进口端的换热器壁温大约84.8,则低于计算酸露点95。如进一步降低锅炉的排烟温度并保证目前空预器的管壁温度不低于烟气露点,采用传统技术是无法做到的。随着企业间竞争的加剧,节能减排及节约成本要求将被日益提高到议事日程上了。进一步降低排烟温度,在21世纪初一种新型的设计理念诞生了,由此形成了一种成熟技术可以应用到低温余热回收,已经形成了耗能企业降耗的最重要技术措施之一。1.2、降低排烟温度的节能开发和创新内容有多种方法可以降低排烟热损失。从运行方面来讲,燃用设计煤种或适宜实际运行的煤种,保持稳定、适当的锅炉出力,保证锅炉燃烧良好,防止冒黑烟,定期除灰、保持受热面
7、清洁,降低过量空气系数、减少漏风,都可以有效地降低排烟损失。然而,由于目前公司运行管理良好,从锅炉的运行、检修、试验、检测等管理方面已无更大的节能空间。只有采取具备新节能技术的硬件才能进一步突破节能瓶颈。一般来说,要利用锅炉尾部烟气热量(低温余热),提高锅炉效率和节能目的,势必要降低锅炉尾部烟气温度。如果安装于锅炉尾部的换热器受热面的最低壁温低于烟气的酸露点,将发生严重的酸露腐蚀和堵灰(见图1),影响锅炉安全运行。传统设计的换热器为避免发生低温腐蚀,其壁温与排烟温度成倍数关系。如果酸露点为65,为保证不发生低温腐蚀和堵灰,换热器壁温必须高于65,则排烟温度要高于135。所以,为了保证锅炉安全运
8、行,排烟温度不能设计得很低。图1:排烟温度变低时,在空气预热器进口端逐步产生腐蚀复合相变换热器技术与装置(FXH)是一种用于低温排烟热源回收的装置。它的的研发和应用成功,为低温余热利用带来了革命性突破。它灵活的使用了气化液化相变的强化换热技术,在换热器管内让传热工质处于相变工作。其技术核心和创新在于换热器壁温整体可控可调。在充分发挥相变潜热的热传导的优势下,灵活配置换热器的不同部分,一方面满足最低壁温高于烟气酸露点的要求;另一方面充分发挥相变传热的高效性,使壁温与排烟温度维持较小的温差。在保证受热面不结露的前提下降低排烟温度。“最大幅度” 有效地进行降温节能、提高热效率和防腐能力。该装置创新了
9、热力学、传热学、自动控制以及现代计算等设计技术,成功地解决了锅炉低温排烟温度难以降低的世界性难题,是中低温热源利用上的一次世界性突破。复合相变换热器曾经被列入国家级产学研工程,是一种拥有自主知识产权、原创性的全新系列换热技术。,由中科院院士和工程院院士参加的专家组所做的国家级鉴定文件这样描述过: “它不同于热管技术,经查新,该技术在将壁面温度作为一个锅炉基本设计参数方面,未见类似报道,是相关设计理念上的一次创新”。复合相变换热器技术的研究与装置的研制是成功的,尤其在避免烟气低温腐蚀的前提下,提高锅炉热效率方面,该技术为国内外首创,处于国际领先水平。” 该装置荣获过国家经贸委颁发的“九五国家技术
10、创新优秀项目奖”并同时被授予“国家重点新产品”证书。复合相变换热器节能技术的问世已经过去了许多年。但是,该技术独特的先进性仍然为目前的其他节能技术所不可替代,在许多关键性的技术指标方面继续保持“国内外领先”的强大优势。1.3复合相变换热器的工作原理复合相变换热器中的“相变段”是整个技术得以实施的核心部件之一。它将原热管换热器中相互独立的部分,通过优化设计构造成一个相互关联的结构化的整体,充分利用气(化)液(化)间“两相同向流动”、“汽液相变换热”,“工质自然循环”,将气化潜热与液化潜热交替进行,在2243kJ / kg高效率的热量级的高性能的传热。在换热平均温差20度时,与传统的烟气横掠列管换
11、热的气气换热器的 20 kJ / kg20 换热能力相比,具有102以上的量级性的传热特性。复合相变换热器是在多根并联的密闭管排束构件内利用软化水相变潜热传递热量,在热管下端面加热,水吸收热量汽化为饱和蒸汽,在一定的压差下上升到热管上端面,向外届放出热量,并凝结成液体,饱和水经汽水分离器回到受热段,并再次汽化,往复循环,完成了把热量从高端传向低端的单向导热。复合相变换热器是在多根并联的密闭管排束构件上的金属壁面整体温度分布均匀、与烟气温度保持“较小梯度温降(温差1020)”,并具备“独立于被加热工质温度”的特殊功能。复合相变换热器是在多根并联的密闭管排束构件外侧放热段,加热了进入空气预热器末级
12、入口的冷风温度,提高了进入空预器的高壁温门槛,从而保证该设备免受低温腐蚀。在多根并联的密闭管排束构件外侧吸热段,将排烟温度与酸露点间的低温烟气余热热量进行吸收而使后续除尘器等免遭低温腐蚀,从而客观上节约了燃料和减少了污染物的排放。复合相变换热器通过“相变段”换热流量的调节,实现对整个设备可能出现的不同最低壁面温度的闭环控制,保证面对燃料种类如煤质等变动引发酸露点变化后,对壁温同步可控可调。在保证设备安全运行的前提下,实现最大幅度回收烟气余热的节能目标。当降温幅度达到30度时,每蒸吨锅炉,每年可平均节煤12-15吨标准煤,在保证锅炉安全运行的前提下,使锅炉热效率稳定提高0.5 %-1.0 %,发
13、电煤耗减少4-5g/Kwhr,同时相应减少了热污染和燃烧废气的排放量,减少CO2排放量40-55吨,具有良好的社会、环境和经济效益。复合相变换热器的工作原理见图2图2:相变换热器进行余热回收与传导示意图上下换热器通过气水分离装置连通,饱和蒸汽和饱和水在密闭系统内自然循环。下部换热器吸收锅炉尾部烟气余热,形成饱和蒸汽,上部换热器放热,饱和蒸汽相变成饱和水。由中央控制单元PLC集中控制,使上换热器冷却速率与下换热器吸热速率平衡,饱和蒸汽与饱和水自然循环达到平衡,壁温在1.75倍大气压力下保持115恒定不变。调整冷却速率与吸热速率平衡点,即可在一定范围内调整壁温。对比项复合相变换热器热管换热器相变原
14、理相同,模块化结构不同复合相变换热器是在多根并联的密闭管排束构件内利用软化水相变潜热传递热量,在热管下端面加热,水吸收热量汽化为饱和蒸汽,在一定的压差下上升到热管上端面,向外届放出热量,并凝结成液体,饱和水经汽水分离器回到受热段,并再次汽化,往复循环,完成了把热量从高端传向低端的单向导热。见图1-1。热管是在数百根相对独立的密闭单根构件内利用软化水相变潜热传递热量,在热管下端加热,水吸收热量汽化为饱和蒸汽,在微小的压差下上升到热管上端,向外届放出热量,并凝结成液体,饱和水沿管壁回到受热段,并再次汽化,往复循环,完成了把热量从高端传向低端的单向导热。见图1-2。高传热性能高传热效率相同,工作压力
15、范围不同,因此可靠性不同复合相变换热器是由并联的多根联通的管排束具备高传热性能高传热效率的传热组件,在密闭的常压以上的压力范围内(0.10.2Pa),工质软化水相变潜热传递热量。由于在正压下工作,可及时排放不凝气体,克服了热管真空逐渐老化以至失效的致命点,在保留热管换热器具有的高效传热的同时,即使因泄露及时自控补水,传热也不会失效,从而大大延长了设备的使用寿命。如按照操作规程进行,几乎没有运行维护成本。热管是由一组各独立的单管组成的高传热性能高传热效率的传热元件,在密闭真空管壳内(X10-4Pa),工质软化水相变潜热传递热量。由于热管各单管生产过程中的制造差异,容易产生不凝气体,只要其中部分热
16、管的不凝气超出许可极限,热管换热器整体换热效率就会下降,传热效率急剧下降,加之真空泄漏无法补救,热管换热器必将容易失效。热管因使用长时间后而失效,热管的替换和更新费用巨大。防止露点腐蚀原理一样,但壁温可控能力不一样通过调整复合相变换热器热端冷凝速率,即连续调节吸收热端热量的冷却风量(如连续调节风或水旁路系统开度),使得复合相变换热器并联的所有管壁内工质的饱和水压力得到改变,从而影响了饱和水温度,以及和其平衡的壁温。随着煤种中硫份和水份的变化,排烟露点是变化的,连续调节吸收热端热量的冷却风量,将使壁温始终动态跟踪在酸露点之上,排烟温度可以降到很低,仅高于露点温度0-5。通过调整热管数量或热管冷热
17、端的传热面积比,使热管壁温一次性设计在某一露点以上。但随着煤种中硫份和水份的变化,排烟露点是变化的,一次性设计的露点如高于实际酸露点,则排烟热损失增大;一次性设计的露点如低于实际酸露点,则很容易发生腐蚀。为避免酸露腐蚀的壁温出现,排烟温度必须高于露点温度的一倍以上,不能降太低。1.4复合相变换热器技术与热管换热器技术的差异比较1.5 复合相变换热器技术与低压省煤器技术的差异比较相变换热器低压省煤器最低壁面温度能够保证最低壁面温度与排烟温度的温差15;即当排烟温度降至120时,最低壁面温度可以控制在105,保证了受热面安全。最低壁面温度可根据锅炉负荷和燃料变化进行调整,调整范围为设计值的7;在相
18、同的排烟温度情况下,复合相变换热器的最低壁面温度比低压省煤器的最低壁面温度高近2030,因而设备更安全。复合相变换热器壁面温度的可调节范围更大。控制 简单,只需通过调节进水流量即可。当排烟温度132时,最低壁面温度只能控制在90以下;在壁面温度确定后,尽管可 以实现可控可调,但受到进、出水温的限制,调节幅度有限;由于实际运行中监测点较多,控制复杂,安全余量小,可能会带来隐患。排烟温度1、进口烟气温度可以在17910变化时,而保持排烟温度不变;排烟温度在允许的条件下可降至115。2、在保证受热面不受低温腐蚀的情况下,复合相变换热器的可将排烟温度降到更低。1、排烟温度最低只能降低到132。受热面及
19、烟气阻力为了保证设备安全运行,相变换热器维持较高的壁面温度;在烟气温降相同的情况下,设备受热面积与设备的 表面温度成反比。尽管受热面比其它换热器大,但经过优化设计,能够保证烟气压降380Pa。受热面小以壁面温度低为代价;烟气压降大,一旦发生堵灰则更加明显。节能效益最大烟气温降幅度73;用户可根据设备投用后的情况逐步找到最佳温度,使设备的投资效益最大化。当排烟温度降低至115时,复合相变换热器的节能效益更显著。1、设备能够调整的进口和出口烟温变化范围小,排烟温度和最低壁面温度之间始终是一对矛盾。1.6 复合相变换热器技术与传统换热器技术在壁温设计的差异比较常规的空气预热器的传统壁温设计是基于气气
20、热交换的平均温度作为壁温。为保证最低壁温不至于低于酸露点,设计的排烟温度要保证壁温在酸露点之上。现行锅炉设计下的空预器最低壁面温度曲线在气气交换温度中间(见图3蓝线)。由此可见,现行的空气预热器壁温是随着气气交换的各自温度变化而变化。图3:现行锅炉设计下的空预器最低壁面温度曲线在气气交换温度中间(蓝线)复合相变换热器和常规的空气预热器的传统壁温设计理念不同,也和一般热管换热器以及其他节能技术不同,该技术首次提出将换热器最低金属壁面温度定义为“第一设计要素”的理念,以及首次提出将对产生烟气低温结露和腐蚀具有关键性影响的最低壁面温度置于“可控可调状态”的创新概念。复合相变换热器的最低壁面温度曲线在
21、气气交换温度中间,其壁温不随着气气交换的各自温度变化而变化。(见图4中阴影部分的蓝线壁温的直线)。由此可见,该技术的核心在于改变了一般换热器壁面温度分布的“函数”因变量特征,并在设计中使其不变的金属壁温始终保持在酸露点以上,在避免出现低温结露和腐蚀的同时,为大幅度回收烟气低温余热提供了可能。图4:复合相变换热器本体的壁面温度不随气气换热的各自温度变化,壁温为阴影部分的蓝线1.7 复合相变换热器技术主要特点作为一种涉及“设计原理”变更,高效可靠的原创性节能技术,复合相变换热技术有如下主要特点:(1)能够在锅炉的设计和改造中,大幅度降低烟气的排放温度,使大量中低温热能被有效回收,产生十分可观的经济
22、效益;(2)在降低排烟温度的同时,保持金属受热面壁面温度始终高于酸露点,从根本上避免了结露腐蚀和由此发生的堵灰,大幅度降低设备的维护成本;(3)保证换热器金属受热面最低壁面温度处于可控可调状态,使复合相变换热器具有相当幅度的调节能力,使排烟温度和壁面温度保持相对稳定,并能适应锅炉的燃料品种以及负荷的变化;(4)在保留热管换热器具有高效传热特性的同时,通过适时排放不凝气体有效解决相变换热器可能出现的老化问题,大大延长设备的使用寿命。二、项目建议书编制依据2.1、项目背景分析锅炉的排烟温度还较高,还有利用的空间,可提高锅炉的热效率。由于锅炉传统设计排烟温度目前还普遍偏高,排烟损失相对偏大,直接影响
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