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燃煤锅炉低温余热利用技术应用分析

更新时间：2020-12-03　点击量：962

0 引言

　　我国有80%左右的电能靠煤电产生，而燃煤产生的大量热能并未得到充分地利用。在当今“市场煤、计划电”的大背景下，随着煤价高企，发电企业亏损日益严重，如何充分利用煤炭燃烧产生的热能，提高热能的利用效率，为发电企业创造更多的价值来弥补部分利益上的损失显得十分重要。

　　在火力发电厂中，锅炉尾部烟气及锅炉连续排污水以及炉底排渣的热量可以通过各种技术进行充分利用，以提高全厂的热效率。在可以获得较好经济效益和环境效益的前提下利用这些热量就显得更为重要。锅炉的余热利用有很多种方式［1-4］，比如利用锅炉尾部烟道的烟气热量加热给水的省煤器、在尾部烟道中利用烟气热量加热参与炉膛燃烧空气的空气预热器、利用锅炉的连续排污水的热量加热给水的给水加热器，利用炉膛底部炉渣的热量加热参与锅炉燃烧的空气和给水，除了这些常规的利用方式外，还有利用锅炉连排水进行直接发电的装置以及深度利用锅炉尾部烟气热量的装置等。本文将详细介绍和分析目前技术较为成熟、性能较为可靠、针对汽水系统的废热和锅炉排烟系统的低温余热回收利用的技术及应用效果。

　　1 锅炉低温余热利用技术

　　1.1 锅炉汽水系统的余热利用技术

　　对火电厂锅炉汽水系统的余热利用主要集中在2 个方面：一是利用锅炉连排水所含的高品位热能做功，驱动发电机发电，剩余的水汽混合物则送至热水站，全部回收再利用，并生产出可供周围企业或居民使用的热水；二是连排水直接引入加热器加热给水，属于常规的热能利用，效率较低。

　　利用热水的热能驱动发电做功的原理已有相关文献介绍，本文主要介绍利用锅炉连排水依靠螺杆膨胀动力机，通过联轴器带动发电机发电的装置，其做功的机理及基本构造如图1 所示。做功后排出的水汽混合物可全部进入热水站加热水，向社会供热水或供暖。并且可以利用排污余热加热锅炉给水，减少炉内水在炉膛内所吸收的热量，提高燃料的利用效率。

　　螺杆膨胀动力机发电的机理是：首先用于做功的高温热污水进入机内螺杆齿槽A，继而推动螺杆转动，伴随螺杆转动，齿槽A 逐渐旋转至B、C、D，且容积逐渐变大，热水降压、降温膨胀做功。后由齿槽E 排出。做功输出的功率由主轴阳螺杆输出，也可以通过同步齿轮由阴螺杆输出，从而驱动发电机发电。螺杆膨胀发电机是目前可以适应过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相混合物、热液以及高盐分低品质流体的发电设备，可以很好地适应锅炉连排水不稳定的压力、温度和不均衡的流量，并能在部分负荷、变转速甚至较恶劣的工况下运行，可做到无人值守，节省人工成本。

　　1.2 锅炉排烟系统的余热利用技术

　　火电厂锅炉各项热损失中，排烟热损失大，一般占到了热量的5%～12%，甚至占到锅炉总热损失的80%或者更高。一般情况下，排烟温度每升高10℃，排烟热损失就会相应增加0.6%～1.0%，发电煤耗增加2g/（kW·h）左右。我国现役火电机组中，锅炉排烟温度一般在125～150 ℃（燃烧褐煤的锅炉在170 ℃左右）［7-8］。排烟温度偏高是一个普遍存在的现象，也由此造成巨大的热量损失。回收这部分余热主要依靠在排烟系统中安装烟气冷却器，通过水及空气等导热介质将热能传导至锅炉的给水系统和进气系统用于加热助燃空气、凝结水或生产、生活用热水，以达到节能的目的。由于烟气冷却后可能会导致SO2等酸性腐蚀气体结露腐蚀烟囱或其他管壁，在实际应用过程中需要格外注意。

　　烟气深度冷却器源于欧美地区，可以较大程度地降低烟气温度，在丹麦成功完成了燃煤锅炉排烟温度由190℃降低到90℃的实践，节能效果明显。

　　当温度较高的烟气通过冷却器时，与冷却器内翅片管束中的水进行热量交换，水吸收余热后温度上升，从而降低烟气的温度。在具体设计时，要根据需要，如锅炉排烟的温度、所燃用煤种的酸露点温度、烟气的除尘方式、脱硫系统和烟道与烟囱的布置等因素，来确定冷却器的布置形式和安放位置。由于实际运行工况与设计排烟温度可能存在较大的差距，新建工程在设计阶段就应预留下安装冷却器及相关系统器件的位置。冷却器分高低温布置在除尘器前后的示意如图2 所示［9］。

　　图2 所示的布置方式将冷却器按高温段和低温段分开布置，高温段布置于除尘器之前的烟道，低温段布置于除尘器之后的烟道。采用此种布置方式的特点是，可以先由除尘器之前的冷却装置将烟气温度降低到120℃左右，这样可以提高后侧除尘器的工作效率，增强除尘效果，并能降低除尘器的能耗，对于布袋除尘器来说还可以延长布袋的使用寿命，防止其被高温损坏；除尘器之后的冷却装置则将烟气温度进一步降低，充分利用其中的热能。这种布置方式适合于：（1）除尘器进气温度在130～150℃或更高，烟气温度过高对除尘效率、布袋使用寿命造成影响的新建工程。（2）除尘器进气温度在130~150℃或更高，且增压风机有400 Pa 左右裕量的改造工程。（3）烟气温度在130℃左右，在除尘器后部加装高低温段整合为一的冷却器空间不足，且增压风机有400 Pa 左右裕量的改造工程。

　　除上述布置方式以外，还可以将冷却装置的高温段和低温段合一或分别布置在除尘器之后，要视具体情况、具体需求来选择，这样方能达到热量回收效果，节约能源和成本。

　　2 相关技术的应用实例

　　2.1 汽水系统的余热利用实例

　　某2×200MW 机组采用了螺杆膨胀动力机利用锅炉连排水热能驱动发电，并且发电做功后余热再次全部回收送入热水收集水箱，生产热水供给电厂附近的市区及其周边用户使用，实现污水*，有利于环境保护和能源资源的高效利用，符合循环经济的发展理念。

　　该厂所用锅炉是东方汽轮机厂生产的DG-670/13.7-8 型超高压、中间再热、单汽包自然循环固态排渣锅炉，额定蒸发量为670 t/h，2 台锅炉的设计连续排污流量约为12 t/h，实际运行流量为8～10 t/h。

　　电厂初的连排水利用方式是将连排水排入连排扩容器，扩容后的蒸汽进入除氧器回收，连排扩容器内的疏水经过定排扩容器排入地沟。改造后，通过加装螺杆膨胀动力机驱动发电机发电。初期试验采用1台锅炉，通过调节锅炉顶部汽包排污阀门开度到达设计流量时，螺杆膨胀动力机驱动的发电机组发电功率可达200 kW。运行实践表明，机组运行安全可靠，没有出现影响汽轮发电机组安全运行的重大问题，且实现了无人值守，基本无需维护。后又对另外1 台机组的锅炉进行了加装螺杆膨胀动力发电机的改造。在2 台锅炉正常的排污流量情况下，螺杆膨胀动力发电装置可以达到300 kW 的满负荷额定容量运行，且运行正常。

　　节能减排效益测算条件：按螺杆膨胀动力发电机组2 台锅炉正常运行情况下，连排水可发电300 kW计算，螺杆动力机自身消耗1.1kW，锅炉年运行小时数为6 500 h，上网电价按0.35 元/（kW·h）计算。2 台200 MW 机组采用螺杆动力发电机对锅炉连排水进行回收利用，全年可增加发电量（300-1.1）×6 500 =194.285 万kW·h，可获得发电收入68.0 万元，并且还可向社会提供热水，又进一步增加了节能效益。按机组的发电煤耗率为320 g/（kW·h）计算，年可节省标准煤621.71 t。若按每吨煤燃烧要排放CO2 1.98 t计算，年可减少CO2排放1 231 t。利用发电后的锅炉连排水还可以生产出大量生产、生活用热水，使周边成本高、污染重的小锅炉逐步关停，进一步减少了污染物的排放，环境效益进一步扩展，成效会更加明显。

　　2.2 排烟系统的余热利用实例

　　某电厂300MW 机组采用烟气深度冷却器进行了技术改造：在增压风机之后到脱硫塔之前的烟道增加烟气冷却装置，把给水从6 号低压加热器前通过管道引入烟气冷却装置，加热后再回到5 号低压加热器，这样可以使排烟温度由152℃降低到108℃，低压给水从83.8℃加热到103.7℃。改造需加装的主要设备包括烟气冷却器等相关装置、控制系统、阀门和管道，节能技改投资额约为640 万元，改造用时约45 d［9］。

　　节能减排及经济效益测算的条件为：（1）按实施改造后的机组使排烟温度降低44℃时，可使机组的发电煤耗降低约4 g/（kW·h）；（2）300 MW 机组发电设备年利用小时数为4500h；（3）标准煤价为800 元/t。

　　增加排烟系统的烟气深度冷却器可实现年节约标准煤5 400 t，年节约燃料购置费432 万元，设备改造的投资不到2 a 可收回。若按每吨煤燃烧排放CO21.98 t 计算，年可减少CO2排放10 692 t。经济效益和环境效益明显。

　　3 前景展望

　　我国2010 年全年火力发电量33 301.3亿kW·h［10］，粗略估计燃煤发电30 000 亿kW·h。以加装烟气深度冷却器为例，排烟温度平均每降低10 ℃，可减少发电煤耗2 g/（kW·h）左右，按实际应用时降低温度20℃可减少发电煤耗约4g/（kW·h），全年燃煤可节约标准煤1 200 万t；若按每吨煤燃烧要排放CO2 1.98 t 计算，全年可减少CO2排放2 376 万t；按标准煤价为800 元/t 计算，全年可节省资金190 亿元，经济和减排效益极为可观。如果同时还采取其他节能措施，经济和环保效果将更为明显。

　　虽然这类热能回收再利用技术有诸多优点，但目前还少有发电企业大规模使用这项技术，一方面受场地、资金、设备技术条件的制约，机组改造有难度；另一方面新建机组效率较原有机组有所提高，在收回成本之前发电企业无意再投资加装余热深度利用装置，并且有些燃煤机组所用燃料不适于过低降低排烟温度，否则会造成烟道尾部设备的腐蚀，影响机组的正常运行。国家发展和改革委员会提出“十二五”期间要采取措施促进节能减排工作，其中第五点提到“大力发展循环经济，提高资源产出效率”。编制和实施循环经济发展规划和重点领域专项规划，深化循环经济典型示范试点，推广循环经济典型示范和典型模式，组织实施循环经济“十百千”示范工程（循环经济工程、百家示范城镇、千家示范企业），实现循环经济发展由试点到示范推广的转变。相信这些节能减排及经济效果明显的技术会大范围推广。

　　4 结语

　　通过对锅炉低温余热技术和实际应用案例的分析看出，对锅炉余热进行利用可以产生可观的经济效益和环境效益。近年来，我国面临的节能减排压力越来越大，作为耗能大户的各发电集团公司及其所属电厂如何积极推广应用新技术，提高电厂的综合节能减排水平，既是电厂本身降低消耗、减少亏损、提高效益的自身追求，又是切实履行企业应尽的社会责任的需要。余热利用这项节能技术是科技创新在火电厂节能减排、增加企业效益的具体体现，为提高能源利用效率减轻发电企业亏损拓展出了一条的可靠途径.

全自动野外地温监测系统/冻土地温自动监测系统

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TD-016C型地源热泵能耗监控测温系统

产品关键词：地源热泵测温，地埋管测温，浅层地温在线监测系统，分布式地温监测系统

此款系统专门为地源热泵生产企业，新能源技术安装公司，地热井钻探公司以及节能环保产业等单位设计，通过连接我司单总线地热电缆，以及单通道或多通道485接口采集器，可对接到贵司单位的软件系统。欢迎各类单位以及经销商详询！此款设备支持贴牌，具体价格按量定制。

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统【产品介绍】

地源热泵空调系统利用土壤作为埋地管换热器的热源或热汇,对建筑物进行供热和供冷.在埋地管换热器设计中,土壤的导热系数是很重要的参数.而对地温进行长期可靠的监测显得特别重要。在现场实测土壤导热系数时测试时间要足够长,测试时工况稳定后的流体进出口及不同深度的温度会影响测试结果的准确性。因此地埋测温电缆的设计显得尤其重点。较传统的测温电缆设计方法，单总线测温电缆因为接线方便、精度高且不受环境影响、性价比高等优点，目前已广泛应用于地埋管及地源热泵系统进行地温监测，因可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

采集服务器通过总线将现场与温度采集模块相连，温度采集模块通过单总线将各温度传感器采集到的数据发到总线上。每个采集模块可以连接内置1-60个温度传感器的测温电缆相连。本方案可以对大型试验场进行温度实时监测，支持180口井或测温电缆及1500点以上的观测井温度在线监测。

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统：

1. 地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析

2. U型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究

3. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究

4. 地源热泵地埋管的传热性能实验研究

5. 地源热泵地埋管换热器传热研究

6. 埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究，埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究。

竖直地埋管地源热泵温度测量系统，主要是一套*基于现场总线和数字传感器技术的在线监测及分析系统。它能有对地源热泵换热井进行实时温度监测并保存数据，为优化地源热泵设计、探讨地源热泵的可持续运行具有参考价值。

二、RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统本系统的重要特点：

１．结构简单，一根总线可以挂接1-60根传感器，总线采用三线制，所有的传感器就灯泡一样，可以直接挂在总线上．

２．总线距离长．采用强驱动模块，普通线，可以轻松测量500米深井.

３．的深井土壤检测传感器，防护等级达到ＩＰ６８，可耐压力高达5Mpa.

４．定制的防水抗拉电缆，增强了系统的稳定性和可靠特点总结：高性价格比，根据不同的需求，比你想象的*．

针对U型管口径小的问题，本系统是传统铂电阻测温系统理想的替代品. 可应用于：

１.地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析

2.U型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究

3. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究

4. 地源热泵地埋管的传热性能实验研究

5. 地源热泵地埋管换热器传热研究

6. 埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究。

本系统技术参数：支持传感器：18B20高精度深井水温数字传感器，测井深：1000米，传感器耐压能力：5Mpa ,配置设备：远距离温度采集模块＋测井电缆＋传感器，

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统系统功能：

1、温度在线监测

2、报警功能

3、数据存储

4、定时保存设置

5、历史数据报表打印

6、历史曲线查询等功能。

【技术参数】

1、温度测量范围：-10℃ ～ +100℃

2、温度精度：正负0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采样点数：小于128

5、巡检周期：小于3s（可设置）

6、传输技术： RS485、RF(射频技术)、GPRS

7、测点线长：小于350米

8、供电方式： AC220V /内置锂电池可供电1-3年

9、工作温度： -30℃ ～ +80℃

10、工作湿度：小于90%RH

11、电缆防护等级：IP66

使用注意事项：

防水感温电缆经测试与检测，具备一定的防水和耐水压能力，使用时，请按以下方法操作与使用：
1．使用时，建议将感温电缆置于U形管内以方便后期维护。
若置与U形管外，请小心操作，做好电缆防护，防止在安装过程中电缆被划伤，以保持电缆的耐水压能力和使用寿命。
2. 电缆中不锈钢体为传感器所在位置，因温度为缓慢变化量，正常使用时，请等待测物热平衡后再进行测量。
3. 电缆采用三线制总线方式，红色为电源正，建议电源为3-5V DC，黑色为电源负，兰色为信号线。请严格按照此说明接线操作。
4. 系统理论上支持180个节点，实际使用应该限制在150个节点以内。
5.系统具备一定的纠错能力，但总线不能短路。
6. 系统供电，当总线距离在200米以内，则可以采用DC9V给现场模块供电，当距离在500米之内，可以采用DC12V给系统供电。

【北京鸿鸥成运仪器设备有限公司提供定制各个领域用的测温线缆产品介绍】

由北京鸿鸥成运仪器设备有限公司推出的地源热泵温度场测控系统，硬件采取*ARM技术；上位机软件使用编程语言技术设计，富有人性、直观明了；测温传感器直接封装在电缆内部，根据客户距离进行封装。目前该系统广泛应用于地源热泵地埋管、地源热泵温度场检测、地源热泵地埋换热井、地源热泵竖井及地源热泵温度场系统进行地温监测，本系统的可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

地源热泵诊断中土壤温度的监测方法：
　　为了实现地源热泵系统的诊断，必须首先制定保证系统正常运行的合理的标准。在系统的设计阶段，地下土壤温度的初始值是一个重要的依据参数，它也是在系统运行过程中可能产生变化的参数。如果在一个或几个空调采暖周期（一般一个空调采暖周期为1年）后，系统的取热和放热严重不平衡，则这个初始温度会有较大的变化，将会大大降低系统的运行效率。所以设计选用土壤温度变化曲线作为诊断系统是否正常的标准。
　　首先对地源热泵系统所控制的建筑物进行全年动态能耗分析，即输入建筑物的条件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、围护结构材料和房间功能等条件，计算出该区域全年供暖、制冷的负荷，我们根据该负荷，选择合适的系统配置，即地埋管数量以及必要的辅助冷热源，并动态模拟计算地源热泵植筋加固系统运行过程中土壤温度的变化情况，得到初始土壤温度标准曲线。采用满足土壤温度基本平衡要求的运行方案运行，同时系统实时监测土壤温度变化情况，即依靠埋置在地下的测温传感器监测土壤的温度，并且将测得的温度传递给地源热泵系统。

浅层地温能监测系统概况：

地源热泵空调系统利用土壤作为埋地管换热器的热源或热汇，对建筑物进行供热和供冷，在埋地管换热器设计中，土壤的导热系数是很重要的参数，而对地温进行长期可靠的监测显得特别重要。在现场实测土壤导热系数时测试时间要足够长，测试时工况稳定后的流体进出口及不同深度的温度会影响测试结果的准确性。因此地源热泵地埋测温电缆的设计显得尤其重点。较传统的地源热泵测温电缆设计方法，北京鸿鸥成运仪器设备有限公司研发的数字总线式测温电缆因为接线方便、精度高且不受环境影响、性价比高等优点，目前已广泛应用于地埋管及地源热泵系统进行地温监测，因可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

为方便研究土壤、水质等环境对空调换热井能效等方面的可靠研究或温度测量，目前地源热泵地埋管测温电缆对于地埋换热井，有口径小，深度较深等特点的测温方式,如果测量地下120米的地源热泵井，要放12路线PT100传感器。12根测温线缆若平均放置，即10米放一个探头，则所需线材要1500米，在井上需配置一个至少12通道的巡检仪，若需接入电脑进行温度实时记录，该巡检仪要有RS232或RS485功能,根据以上成本估计，这口井进行地热测温至少成本在8000元，虽然选择高精度的PT100可提高系统的测温精度，但对模拟量数据采集，提供精度的有效办法是提供仪器的AD转换器的位数，即提供巡检仪的测量精度，若能够在长距离测温的条件下进行多点测温，能够做到0.5度的精度，则是非常不容易。针对这一需求，北京鸿鸥成运仪器设备有限公司推出“数字总线式地源热泵地埋管测温电缆”及相应系统。矿井深部地温监测，地源热泵温度监测研究，地源热泵温度测量系统，浅层地热测温系统。

地源热泵数字总线测温线缆与传统测温电缆对比分析：
传统的温度检测以热敏电阻、PT100或PT1000作为温度敏感元件，因其是模拟量，要对温度进行采集，若需较高精度，需要选择12位或以上的AD转换及信号处理电路，近距离时，其精度及可靠性受环境影响不大，但当大于30米距离传输时，宜采用三线制测方式，并需定期对温度进行校正。当进行多点采集时，需每个测温点放置一根电缆，因电阻作为模拟量及相互之间的干扰，其温度测量的准确度、系统的精度差，会受环境及时间的影响较大。模块量传感器在工作过程中都是以模拟信号的形式存在，而检测的环境往往存在电场、磁场等不确定因素，这些因素会对电信号产生较大的干扰，从而影响传感器实际的测量精度和系统的稳定性，每年需要进行校准，因而它们的使用有很大的局限性。

北京鸿鸥成运仪器设备有限公司研发的总线式数字温度传感器，具有防水、防腐蚀、抗拉、耐磨的特性，总线式数字温度传感器采用测温芯片作为感应元件，感应元件位于传感器头部，传感器的精度和稳定性决定于美国进口测温芯片的特性及精度级别，无需校正，因数据传输采用总线方式，总线电缆或传感器外径可做得很小，直径不大于12mm,且线路长短不会对传感器精度造成任何影响。这是传统热电阻测温系统*的优势。所以数字总线式测温电缆是地源热泵地埋管管测温、地温能深井和地层温度监测理想的设备。数字总线式数据传感器本身自带12位高精度数据转换器和现场总线管理器，直接将温度数据转换成适合远距离传输的数字信号，而每个传感器本身都有唯的识别ID，所以很多传感器可以直接挂接在总线上，从而实现一根电缆检测很多温度点的功能。

地源热泵大数据监控平台建设

一、系统介绍

1、建设自动监测监测平台，可监测大楼内室内温度；热泵机组空调侧和地源侧温度、

压力、流量；系统空调侧和地源侧温度、压力、流量；热泵机组和水泵的电压、电流、功率、

电量等参数；地温场的变化等，实现热泵机组运行情况 24 小时实时监测，异常情况预

警，做到真正的无人值守。可对热泵系统的长期运行稳定性、系统对地温场的影响以及能效

比等进行综合的科学评价，为进一步示范推广与系统优化的工作提供数据指导依据。

具体测量要求如下：

1）各热泵机组实时运行情况；

2）室内温度监测数据及变化曲线；

3）室外环境温度数据及变化曲线；

4）机房内空调侧出回水温度、压力、流量等监测数据及变化曲线；

5）机房内地埋管侧出回水温度、压力、流量等监测数据及变化曲线；

6）机房内用电设备的电流、电压、功率、电能等监测数据及变化曲线；

7）地温场内不同深度的地温监测数据及变化曲线；

8）能耗综合分析、系统 COP 分析以及系统节能量的评价分析。

2、自动监测平台建成以后可以对已经安装自动监测设备的地热井实施自动监测的数据分

析展示，可实现地热井和回灌井的水位、水温、流量实施传输分析，并可实现数据异常情况预

警，做到实时监管，有地热井运行的稳定性。

1）开采水量及回水水量的流量监测及变化曲线；

2）开采水温及回水水温的温度监测及变化曲线；

3）开采井井内水位监测及变化曲线；

燃煤锅炉低温余热利用技术应用分析

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