1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.1热电厂节能的意义及课题研究背景

随着我国经济的日益发展以及国民生活水平的提高，人们对能源的需求量日益增加，尤其以电力为基础的各项工作的开展更是离不开电厂电力的供应。资料显示，我国发电装机总容量与年发电量自上世纪90年代后期跃居世界第二以来，已多年保持世界第二的水平。从1949年新中国成立以来，全国发电装机容量跨过1亿千瓦大关用了38年时间，从1亿千瓦翻番到2亿千瓦用了7年多一点的时间，从3亿千瓦到4亿千瓦用了4年多一点的时间，从4亿千瓦到5亿千瓦历时不到19个月，从5亿千瓦到6亿千瓦仅用了不到12个月，现在全国电力装机容量已经突破6.3亿千瓦。尽管我国电力工业发展快速，电力市场发展前景广阔诱人，但电力工业在快速发展中也暴露出了一系列的问题 ^[1]，如电源建设与电网建设不协调，发电能耗过高，发电污染排放严重等。一句话，就是我国电力工业”高投入、高消耗、高排放、难循环、低效率”的问题仍比较严重。为适应电力市场的快速发展和竞价上网，提高热力设备的运行效率、挖掘节能潜力已成为各电厂日益重视的课题。

在电厂中，锅炉排烟温度过高即锅炉余热问题一直是困扰着人们的一个难题 ^[2]。锅炉余热是电厂生产过程中由燃料燃烧及热能换热设备、用能设备和化学反应设备中产生而未被用尽的能量资源,造成了电力用煤的浪费，而且其数量极其可观。据统计，在火力发电厂中，锅炉的排烟热损失占锅炉总热损失的70%-80%。排烟温度每上升10℃-15℃ ,锅炉效率就下降1%，标准煤耗上升3-4g/（kW*h），从而造成了电力用煤的巨大浪费 ^[3]。且排烟温度严重超温时往往会影响到预热器的安全运行，造成锅炉的事故停炉，增加检修及停机次数，影响发电机组的安全经济运行。所以，降低排烟温度对于节能降耗、提高锅炉的安全可靠性都具有重要的实际意义^[4].

1.2热电厂

1.2.1热电厂生产工艺摘要

电厂的生产过程实质上是将一次能源（燃料的化学能）转化为二次能源（电能）的能量转化过程。分为三个阶段：第一阶段是在锅炉中燃烧的化学能转换为蒸汽的热能；第二阶段是蒸汽的热能通过汽轮机转换为机械能；第三阶段是机械能通过发电机转换为电能。

一、输煤工序

主要分为两个环节，卸煤和上煤，通过自动卸煤机把车皮上的煤直接卸到料仓，经过粗破和细破，再由称重给煤机送进锅炉。需要注意的是，破碎的标准是粒径达到10毫米以下为合格。

二、化水工序

这和化学实验需使用的去离子水基本属于同一原理，就是使用不同功效的吸附物质去掉一次水中需过滤掉的物质，将原水通过物理作用转化成供给锅炉及化工生产品质合格的除盐水，减轻机、炉热力设备的腐蚀结垢，确保长周期安全经济运行。热电化水车间现有7套阴阳床，采用股份碳化冷却水和部分地下水作为原水，经过高效纤维过滤器、阴阳床、混床，除去水中的悬浮物，钙、镁、钠等阳离子，氯根、硫酸根、碳酸根、硅酸根等阴离子，出水即为一级除盐水。

三、锅炉工序

主要任务是生产蒸汽，集团现有两种锅炉，一种是煤粉炉；一种是循环流化床锅炉。因节能、污染程度低等因素，目前行业应用较多为循环流化床锅炉。以循环流化床锅炉为例，工艺过程简单地说就是煤炭燃烧后的热量加热循环水，产生蒸汽，在一定的压力下，形成过热蒸汽，蒸汽可直接进入生产系统或者进入汽轮机发电。

从上面的流程看，生产蒸汽的过程就出现了几个重要指标：煤炭燃烧的效率、锅炉热交换效率和软水循环效率等，在以上问题行业内都已经有很好的解决方案。

四、汽机工序

主要是供热、发电、供暖三项任务。供热的原理是将锅炉产汽按用户需要，通过汽轮机抽汽、背压排汽和减温减压器等设备向用户提供所需参数的蒸汽；发电的原理是利用锅炉产汽，通过汽轮机将热能转换成机械能，带动发电机（将机械能转换成电能）发电；供暖的原理是通过机组低真空运行，用凝结器代替加热器，利用机组排汽余热作为热源将供暖循环水加热。

主要有两个重要设备。一是汽轮机，具有一定压力和温度的蒸汽通入喷嘴后，流速增加，其热能转换成动能。从喷嘴流出的具有较高流速的蒸汽，进入叶片流道，给叶片以冲动力，产生了使叶轮旋转的力矩，带动主轴旋转，输出机械功，动能转变成机械能。二是发电机，发电机的转子与汽轮机的转子同轴，当汽轮机的转子高速旋转时，发电机转子也同时在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。

1.2.2锅炉排烟温度升高的原因分类及主要措施 ^[5]

在理论分析与总结现场经验的基础上, 对排烟温度升高的原因进行了分类(见图1 )。由图1 可见, 排烟温度升高的原因分为真实升高的原因和虚假升高的原因2 大类, 所谓真实升高的原因是指客观上确实使排烟温度升高的原因; 虚假升高的原因是指表面上排烟温度比设计值高, 但客观上并非如此。真实升高的原因又可分为2 类, 一类是可通过运行、检修、管理和结构改造可以消除的原因, 而另一类是不易消除的, 如折算水分和冷空气的温度是很难左右了的。

降低排烟温度的主要技术途径（1）、采用吹灰器提高受热面传热效率（2）、内螺纹管空预器技术（3）、前置式热管空气预热器（4）、省煤器采用扩展表面增强换热量（5）、管内螺旋线圈强化传热技术（6）、省煤器技术

1.3热管与热管换热器

1.3.1热管的工作原理 ^[6-9]

热管为一密封容器(图2) , 内部装有毛细多孔材料制成的管芯, 将管内空气抽空, 然后充入适当数量的工作流体(称为工质)并加以密封。管芯部分充满了工质液体, 其余空间是工质蒸汽。热管工作时一端加热, 称为蒸发段; 另一端冷却, 称为冷凝段; 根据应用的需要, 中间一段可以无热量交换, 称为绝热段。热量自蒸发段传人管内, 使管芯内的液体吸热蒸发, 此处的蒸汽压力略有增加, 蒸汽流向冷凝段, 在此处蒸汽凝结放出潜热, 热量通过管壁传到管外, 凝结的液体在管芯毛细力的作用下, 经过管芯回到蒸发段。如此循环不已, 热量由热管的一端传到另一端。由于蒸发和凝结是很强的传热过程, 是在很小的温差下完成的, 传热系数极高, 因此, 热管具有在小温差下传递大热流的特点, 被称为超导热元件。

对于普通热管^[10] , 其液体一蒸汽循环的主要动力是毛细材料与液体相互作用所产生的毛细力。在重力场情况下, 由于热管所处的方位不同, 液体的体积力所起的作用也有所不同。当热管水平放置时, 液体的体积力在轴向的分力为零; 当热管倾斜而加热端在下时, 体积力起辅助液体回流的作用; 而当加热端在上时,液体体积力在轴向的分力起阻碍液体回流的作用。为了保证液体一蒸汽的循环, 毛细力△P c。一定克服液体的流动阻力△P_L, 蒸汽的流动阻力△P v, 和体积力△P g。(可以为零, 或为正,或为负值)之和, 即△P c。= △P _L △P v士△P g。否则液体就不能回流到蒸发段, 使蒸发段液体干涸而发生过热。因此, 热管虽是一种极好的传热元件, 但它的传热能力也受到一定的限制,这种限制完全受流动过程的控制, 达到这一极限值时传热量无法再增加, 称为热管的工作极限。

1.3.2热管换热器简介^[11]

热管换热器较其他型式换热器具有下列优点：传热效率高，压力损失小，工作可靠，结构紧凑，冷热流体不混杂，维修费少等等。常见的静止型热管换热器有：（1）热管空气预热器（气#8212;气式热管换热器）；（2）热管给水预热器（气#8212;液式热管换热器）；（3）热管锅炉。此外还有其它类型的热管换热器，如回转型及移动层型热管换热器正在研制开发中，主要是针对含尘多，易粘结，甚至具有腐蚀性的中、低温排气为传热对象而考虑的。

热管空气预热器利用锅炉或加热炉排烟余热^[12-13]，预热进入炉膛的助燃空气，以达到提高燃烧效率，节约能源，减轻环境污染的目的，同时对炉体保养也有好处。为改善传热，在热管蒸发段和冷凝段都要加装翅片。

热管给水预热器（又称省煤器）利用排烟余热加热给水，也起到提高效率、节约能源和改善炉体保养的效果。采用热管给水预热器或空气预热器要防止腐蚀，包括酸露点的低温腐蚀，所以氧气排出温度应教酸露点温度高，此外还有水侧除垢，气侧清灰等问题也要很好解决 。

1.4省煤器

传统意义上的省煤器（英文名称Economizer）就是锅炉尾部烟道中，将锅炉给水加热成汽包压力下的饱和水的受热面，由于它吸收的是比较低温的烟气，降低了烟气的排烟温度，节省了能源，提高了效率，所以称之为省煤器。

1.4.1省煤器的分类

传统意义的省煤器分类有多种方式，可按如下几种方式分类：

1、按给水被加热的程度：可分为非沸腾式和沸腾式两种。

2、按制造材料分：有铸铁和钢管省煤器两种。非沸腾式省煤器多采用铸铁制成的，但也有用钢管制成的，而沸腾式省煤器只能用钢管制成。铸铁省煤器多应用于压力≤2.5MPa的锅炉。如压力超过2.5MPa时，应当采用钢管制成的省煤器。

3、按装置的形式分：有立式及卧室两种。

4、按排烟与给水的相对流向分：有顺流式、逆流式和混合式三种。

1.4.2省煤器的作用^[14]

1、吸收低温烟气的热量，降低排烟温度，减少排烟损失，节省燃料。

2、由于给水进入汽包之前先在省煤器加热，因此减少了给水在受热面的吸热，可以用省煤器来代替部分造价较高的蒸发受热面。

3、给水温度提高了，进入汽包就会减少壁温差，热应力相应的减少，延长汽包使用寿命。

省煤器主要给循环增加一个回热过程。提高吸热平均温度。从而增加循环效率，在锅炉（汽包锅炉）的启动过程中，由于其汽水管道的循环没有建立，即锅炉给水处于停滞状态，此时省煤器内的水处于不流动的状态，随着锅炉燃烧的加强，烟气温度的提高，省煤器内的水容易产生汽化，使省煤器的局部处于超温状态。为了避免这个情况的出现，从汽包的集中下水管再接一管道到省煤器的入口，作为再循环管道，使省煤器内的水处于流动状态，避免其汽化。

1.4.3省煤器余热利用机理 ^[15-16]

锅炉排烟余热的利用属于外部热量利用系统。外部热量的利用, 若按热力学原理分析, 除循环做功增加外, 循环吸热量也增加, 故此时装置效率。由于外部余热的品位一般低于新蒸汽能级, 热变功的程度较低, 大部分将变成冷源损失, 因此装置效率降低了。若按余热利用原理处理, 余热不利用就废弃了, 利用一点就回收一点。即只计做功收益, 不计热量支出。此时装置效率总是提高的。这种提高完全不同于热力学的提高。但它有利于推动节能, 鼓励利用余热。

1.4.4省煤器的设计参数^[17-20]

表1 是某电厂加装的省煤器的具体设计参数。

名称	管径#215;壁厚	肋片尺寸 厚#215;高#215;节距	横纵向节距	横纵向排数	受热面积	省煤器总管数	蛇形管长度	弯头数	蛇形管材重量	省煤器管总重	管束高度
单位	mm	mm	mm	排	m 2	根	m	个	t	t	mm
设计值	38#215;4	1.3#215;14#215;10	160/57	30/20	2975.4	118	5700	1062	19.10	30.70	1083

为了保证加装省煤器后能达到预期的效果, 减少改造同时对设备带来的危害。必须进行引风机风量、压头的校核计算及低压省煤器的热力计算, 经过经济技术比较确定省煤器的设计参数。 表1 是某电厂加装的省煤器的具体设计参数。

1.4.5加装省煤器的注意事项^[21]

1) 螺旋肋片管的积灰

螺旋肋片管积灰与否与煤灰特性及烟气流速有关。由于烟道省煤器安装在电除尘器后, 尽管灰量少, 但灰很细, 有可能沉积在受热面上, 因此设计电除尘器时提高烟速( 10 m/ s 左右) 以防止省煤器管壁积灰。

2) 烟道省煤器磨损问题

随着烟速的提高, 受热面的磨损会随之加剧。但由于电除尘器出来的烟气含灰颗粒小, 磨损轻, 此外, 肋片管本身的抗磨性能强, 故不存在受热面的磨损问题。

3) 烟道省煤器的低温腐蚀

采用有限腐蚀的省煤器系统。把省煤器置于壁温小于105℃ , 但高出烟气中水蒸汽饱和温度25℃ 区间。金属壁温在这个区间的腐蚀速度0. 2 mm/ a, 这个腐蚀速度是可以接受的。

4) 烟道省煤器的管内腐蚀

省煤器设计使用方式为两种, 分别为加热凝结水或加热热网补水。由于热网水的杂质含量较高, 可能造成管内金属腐蚀。考虑到管内管外腐蚀, 为使烟道省煤器至少能安全运行一个大修期以上,采用Ф38 mm #215;4 mm 的大管径厚壁管。

5) 低压省煤器的荷重

由于低压省煤器的荷重在设计时没有考虑, 且荷重增加很大, 混凝土梁经核算后强度不够, 故安装前需将原混凝土梁进行补强处理。

1.4.6加装省煤器的经济分析 ^[22-23]

排烟余热经低压省煤器回收利用于热系统,是一个标准的外部纯热量进系统的问题,用等效热降进行经济分析较为简便。N25-35-V型汽轮机在额定状态下,新蒸汽参数P₀=3.43M Pa , t₀= 435℃、新蒸汽焓i₀ = 3292KJ/Kg、蒸汽流量D=110t/h 、发电标准煤耗率b=469.57 g / KW#183;h 。

根据抽汽等效热降计算公式:

可计算出汽轮机各级抽汽等效热降（单位KJ/kg）：

新蒸汽毛等效热降 ，抽汽效率 ，，，，加热器散热等损失很小，新蒸汽净等效热降 H ≈ H。

流经低压省煤器的凝结水量Dd=60t/h,相对于新蒸汽份额的54.55%，此凝结水流经低压省煤器吸收余热后（焓值d=419.4），使整个系统获得的实际作功收益为：

低压省煤器使全厂热经济性相对提高：

锅炉加装低压省煤器后，全年可节约标准煤（n=4000h/年、Nd=25MW）： 标准煤按前三年平均单价280元/吨，节约标准煤折合人民币33.79万元。

1.4.7低压省煤器的研究现状

低压省煤器及扩展表面强化换热技术用于锅炉尾部受热面改造己成为国内成熟技术，现己成功应用于国内许多电厂的节能技术改造。在理论上也己发展到结构系统实现最优化设计的阶段^[24]。

西安交通大学的林万超教授^[25]，对低压省煤器系统的热经济性利用等效焓降理论进行了深入的分析，对不同形式的低压省煤器系统给出了相应的计算公式，提出了梯度开发、多级利用的概念，是我国最早研究低压省煤器系统的学者之一。

东北电力学院的周振起教授^[26]，利用锅炉排烟余热实现节能的方法，以电厂中机组增装低压省煤器为例，利用等效烙降原理进行热经济性分析，计算出其节能效果。

山东大学黄新元教授等^[27]，对于电站系统低压省煤器的优化设计及优化运行进行了深入的研究，提出了电站系统低压省煤器的优化设计的通用数学模型，其中重点是目标函数的拟定、变量分析、约束条件、模型解法、经济性分析等诸方面。

东南大学撒应禄教授^[28]，在国内首次较系统地提出了降低排烟温度不同方案比较的理论基础，把锅炉尾部烟道的省煤器、空气预热器以及磨煤机、燃烧系统作为一个有机联系的系统，考察其间各热力数据的关联。如传热、漏风、掺冷风等行为对排烟温度的降低和受热面的利用效果产生的作用。而且通过理论分析和计算，给出了各因素影响排烟温度的定量关系.这些原理对于电厂进行锅炉排烟温度治理方案的比选、论证具有一定的指导意义。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、课题要解决问题

了解热电厂的工艺过程。根据240吨/小时循环流化床锅炉的系统工艺参数，设计满足该锅炉除尘器出口烟气余热回收再利用要求的整体式相变省煤器。

二、课题拟采用的研究手段