简述电厂暖风器系统设计
本文结合我院设计的一个火电项目，探讨了暖风器系统的设计，从汽源的选择、疏水回收方式等方面进行分析，应用凝汽法详细计算了暖风器系统的热经济性。冷风加热方式的确定、汽源的选择及疏水回收方式都要根据每个工程的具体特点来确定，不能一概而论，希望本文能对有关设计人员进行暖风器系统的设计有所帮助。
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1前言
低温腐蚀和积灰严重影响锅炉的安全、经济运行，为了在冬季寒冷季节防止锅炉尾部烟道空气预热器的低温腐蚀，一般可以采用热风再循环和加装暖风器的方式来提高空预器的进风温度。热风再循环会增大空预器的换热面积增加锅炉制造成本，而且会增加送、一次风机的耗电量，增加厂用电率，因此现在大多数电厂采用在空预器前的冷风道上加装暖风器的方式，用汽机的低压抽汽来加热冷风，由于暖风器是利用汽机做过功的抽汽来加热，不耗用高品质的电能，较热风再循环有明显节能优势，因此得到日益广泛的应用。本文结合我院设计的一座350MW超临界机组，探讨一下暖风器系统设计中的一些需要注意的问题。
2 暖风器系统设计的优化
采用暖风器加热冷风，需要耗用汽机的抽汽，使其不能继续在汽缸中膨胀做工，势必会降低汽机的绝对内效率，理论上来讲选用不同段的抽汽对汽机绝对内效率的影响也是不相同的，因此汽源的选择是暖风器系统设计中的一项重要工作。暖风器的疏水既“干净”又含有热量，属于需要回收的工质，既可以回到凝汽器(或排气装置)，也可由疏水泵打入凝结水或者除氧器，不同的回收方式对汽机热效率的影响肯定也是不同的，因此有必要对暖风器系统的设计根据不同工程的特点进行优化。
2.1 工程概况
该工程锅炉为哈锅制造的超临界直流燃煤锅炉，BMCR工况下的锅炉蒸发量为1176t/h,锅炉效率为92.77%，一次风机进风量为461.4t/h，送风机进风量为1001.9 t/h，该风量除了满足锅炉燃烧需要外，还充分考虑了空预器的漏风。该工程汽机为哈汽制造的超临界直接空冷机组，给水回热加热系统为三高三低一除氧，采用全电泵。该工程地处新疆，是典型的温带大陆性气候，属严寒地区，冬季室外计算温度为-25℃，极端最低温度为-37℃。该工程根据煤质计算烟气的酸露点为101.5℃，空预器冷端平均壁面温度为68.3℃，根据DL/T5240-2010的第10.1.1条的规定，计算得到空预器允许的进风温度为-14℃，但锅炉厂允许空预器的进口风温为20℃，考虑到该工程所在地区极端温度可低至-37℃，选取较高的空预器允许进风温度更有利于防止低温腐蚀，因此本工程在下文暖风器和热风再循环的计算中将空预器允许进风温度定为20℃。
提高空预器进风温度主要有热风再循环加热和暖风器加热两种方式，热风再循环主要用于200MW及以下机组的管式空预器，如果用于回转式空预器的话，由于热风带灰，如果热风再循环率较高的话会给风道及风机叶轮带来较严重的磨损，因此一般规定热风再循环率不应超过8%。本工程在充分考虑送、一次风机温升的情况下，经计算送、一次风的热风再循环率将达到12%，已明显超过了8%的规定值，显然本工程不适合采用热风再循环。如果用暖风器加热，将会有效降低送、一次风机的电耗，降低厂用电率，如今暖风器加热冷风已是一项非常成熟的技术，因此本工程拟采用暖风器来加热冷风，以满足空预器防止低温腐蚀的要求。
2.2 暖风器汽源的选择
当用暖风器加热冷风时，需要耗用一定量的蒸汽，蒸汽一般从汽机的本体抽汽获得，从汽机热力系统的经济性来分析，耗用抽汽会降低机组的绝对内效率，增加发电热耗，但相对热风再循环来说，可以节省大量高品质的电能和防止对风道、叶轮的冲刷磨损。只有通过对热力系统的定量分析，我们才能获得煤耗数据，来进一步判断暖风器加热冷风是否节能。
2.2.1 抽汽加热暖风器对机组经济性的影响分析
加热暖风器的抽汽量一般在20～30t/h之间，采用汽机的非调整抽汽即可满足需要。抽汽是已经在汽缸内做了部分功的蒸汽，当用于加热暖风器后，就不能继续在缸体内膨胀做功，势必会降低汽机的绝对内效率，增大发电热耗。理论上讲，采用不同段的抽汽对汽机内效率的影响应当是不同的，根据凝汽法的理论，采取越靠近凝汽器或排汽装置的抽汽做汽源，其对汽机效率的影响也应越小，为了定量分析，我们以VWO工况(对应锅炉BMCR工况)为例，假定暖风器疏水回到热力系统的排汽装置中(疏水回到热力系统中，相对除盐水补水来说对机组的经济性是有益的)，本文采用凝汽法计算用不同段中、低压抽汽作为暖风器汽源时，各段抽汽对汽机绝对内效率的影响大小，计算结果如下表所示：
上表中的计算结果显示越靠近排气装置的抽汽，即抽汽的参数越低，其对机组发电热耗的影响也越小，因为抽汽参数越低，其在汽缸内做的功也越多，剩下的热量大多属于不能继续膨胀做功的“废热”，即使不用来供热，其热量的大部分也是被机组的冷却系统带走白白浪费，因此我们在选择暖风器的汽源时，应尽量选择参数较低的抽汽，用低品位的蒸汽来作为暖风器的汽源。
2.2.2 抽汽参数的选择
根据上节的结论，是不是抽汽参数最低的就是最合适的汽源呢?其实不然，汽源的选择还要考虑蒸汽流动和疏水的需要来综合判断。本工程汽机在不同负荷下中、低压抽汽段的参数如下表所示：
根据上节的结论，我们知道暖风器汽源的压力越低对机组的经济性影响越小，但我们还要考虑蒸汽流动阻力及一定压头余量，按常理暖风器汽源的压力一般最少也得在0.3MPa.a左右。该工程为企业自备电站，年利用小时数可达到7000小时以上，机组将长期运行在50%THA负荷以上，当机组在启动过程中负荷达到50%THA时，暖风器的汽源应由辅汽切换为本机供汽，从上表中可以看出，50%THA负荷时，汽机六段抽汽的压力在减去流动阻力0.054MPa后已显不足，且无余量，无法满足给暖风器安全供汽，如果疏水排入排气装置，还会影响机组的真空，看来六抽不适合做暖风器的汽源。再看看四段抽汽，四抽的压力在50%THA负荷时，过剩近0.2MPa,显得有点浪费。最后看看五抽的压力为0.274MPa,即使扣除流动阻力0.1087MPa,还有0.1653MPa,减去大气压后还有一定的余量，看来只有五抽的压力是最合适的，因此本工程选择五抽作为暖风器的汽源。
2.3 暖风器疏水回收方式的选择
当抽汽在暖风器中凝结放热后，就会凝结成疏水，疏水是“干净”的除盐水，其本身的温度也在150℃左右，如果能重新回到热力系统内，则不但节约了工质，而且还回收了热量。这样不但可以减少制备除盐水的成本，而且相对用除盐水补水来说还可在一定程度上提高热力系统的经济性。现在暖风器疏水的回收方式一般有两种，一种是经疏水泵增压后打入除氧器，另一种是直接自流入凝汽器或排汽装置，到底哪种疏水的回收方式更合理呢?下面同样用凝汽法进行计算分析，在VWO工况下，五抽至暖风器的流动阻力约0.1087MPa,蒸汽在暖风器内的压力为0.482MPa,疏水的饱和温度为150.46℃，疏水量和蒸汽消耗量一样为23.43t/h,假定此时不考虑抽汽对机组经济性的影响，单纯分析不同的疏水回收方式对热耗率的影响，计算结果表明，疏水回收到排汽装置比疏水回收到除氧器可降低热耗7.84 KJ/Kw.h，而且还能节约疏水泵的电能。为什么疏水回到排汽装置会更节能呢?主要是因为疏水温度为150.46℃，疏水焓为633.9KJ/kg,远高于排汽装置中的凝结水焓220 KJ/kg，暖风器的疏水回到排气装置的热井后，提升了凝结水的焓值，当较高温度的凝结水在流经低加时会排挤一部分抽汽做功，用来做功的抽汽就变多了，所以有利于热耗的降低。如果疏水回到除氧器，除氧器的给水焓为802.5 KJ/kg，大于暖风器的疏水焓，当暖风器疏水进入到除氧器，则会降低给水的温度，在给水流经高加时会消耗更多的抽汽来加热给水，则用来做功的抽汽就会将少，也就增加了发电热耗。从前面的数据可知，在大多数负荷下，暖风器的疏水无需使用疏水泵就可克服流动阻力，自行回流至排汽装置，可节约大量的高品质电能。因此在本工程中，暖风器的疏水回至排气装置是最合理的。
机组在启动时，采用低压辅汽作为暖风器的汽源，其压力在0.4MPa,完全可以满足疏水自流的需要。但在切换为本机供汽后，五抽的压力短时间内可能满足不了疏水自流的需要，因此本工程还是保留了疏水回收装置(含疏水泵)，用于低负荷时将疏水打至排汽装置，显然这样没有疏水自流至排汽装置经济，但为了满足机组安全运行的需要，最好如此设计。
2.4 暖风器加热与热风再循环的经济性比较
前面的2.1中我们已经排除了本工程采用再循环加热冷风的方案，尽管如此但并不影响我们对暖风器加热和热风再循环加热的经济性进行比较。本工程一次风机的额定功率为2000KW，送风机的额定功率为800KW,热风再循环率为12%，如果本工程采用热风再循环加热冷风的方式，在BMCR工况下，风机每小时多耗电为(2000+800)x0.12=336 kW.h,按空冷机组供电煤耗330g/ Kw.h计算，则每小时多耗煤336 x 0.330=110.9千克标煤。如果采用暖风器加热冷风的话，根据2.2.1节的数据，机组每小时多耗煤为0.19x389864(发电量)÷1000=74.1千克标煤，可见采用暖风器加热冷风比热风再循环加热冷风每小时可节煤110-74.1=35.9千克，如果启用暖风器疏水泵，则会增加煤耗为10 x 0.330=3.3千克标煤，即使考虑暖风器疏水泵的耗能，也要比热风再循环节能35.9-3.3=32.6千克标煤。因此本工程选择五段抽汽作为暖风器的汽源来加热冷风的设计方案是完全正确的，相对热风再循环不但降低了电厂的煤耗，而且避免了风道及叶轮的磨损。
3 总结
防止锅炉空预器的低温腐蚀，可以采用暖风器，也可以采用热风再循环的方式，，甚至二者可以相互辅助应用，具体选择哪种方式都要经过严密计算和科学分析。本文所介绍的暖风器加热冷风的技术是一项很成熟的技术，但加热汽源的选择和疏水回收方式应根据每个工程具体情况来确定，不能一概而论，但总地来说，汽源参数越低越经济，疏水回收方式要根据疏水参数来合理确定。总之暖风器系统的设计，首先要在保证机组安全稳定运行的前提下，再结合每个工程的具体特点，尽量提高整个热力系统的综合经济性。
参考文献：
[1]李勤道等. 热力发电厂热经济性计算分析[M]. 中国电力出版社. 2008
[2]杨旭中等. 火力发电厂设计技术规程[M]. 中国电力出版社. 2010