补燃型双压自然循环燃机余热锅炉

1 0 余 热 锅 炉2 0 0 4 2 补燃型双压自然循环燃机余热锅炉 杭州锅炉集团 有限 公司 俞一大 1 引言 燃气一 蒸汽联合循环电站是目前国际上 发展最快的发电形式，由于燃气轮机具有体 积小，重量轻，功率大，自 动化程度高，操 作简单等优点， 所以采用燃气 一 蒸汽联合循 环电站发电更具有高效清洁、建设周期短、 操作运行方便，调峰能力强等优点。随着我 国石油、天然气的大量开发和我国经济的快 速发展，燃气 一 蒸汽联合循环发电的应用正 在与日 俱增， 对改善我国的电力供应和环境 保护具有重大意义。 当燃气轮机的排气温度不能满足产生数 量足够多和温度足够高的蒸汽时， 采用具有 补充燃烧的燃气轮机余热锅炉既可提高燃气 轮机排气的温度，也可提高余热锅炉的蒸汽 量；或当燃气轮机由于各种原因不是始终在 最大功率下工作，而又希望余热锅炉的蒸汽 产量为常量时，也可采用补充燃烧来控制蒸 汽量。下面简要介绍目 前已在我国西北某油 田投入运行的具有补燃装置的燃气轮机余热 锅炉，供参考。 2 余热锅炉设计 由于该用户处于我国西北部高原地区， 当地大气压低，燃气轮机一般只能在 7 0 的功率负荷下运行，燃气轮机的排气温度 低，不能满足余热锅炉产生中温中压蒸汽的 要求，为此我们在余热锅炉设计中采用了补 燃系统， 补燃燃料为天然气。 锅炉为双压补燃型自 然循环燃机余热锅 炉，型号为 B Q 1 0 4 6 0 02 0( 2 6 ) 一3 9 2 ( 0 2 ) 4 5 0 ，它与 T I T A N 1 3 0型燃气轮机相 匹配。锅炉采用室内布置，锅炉和烟气通道 均按地震烈度八度设防。锅炉为正压运行， 各区段烟道系统均能承受燃机正常运行的排 气压力及冲击力。余热锅炉外形图见图1 。 本锅炉适用于以天然气为燃料的燃气轮 机排气条件， 并配置了以天然气为设计燃料的 烟道式补燃装置， 以使锅炉达到发电所需的中 温中 压蒸汽参数。本锅炉整体布置及主要结 构采用国际上流行的模块式组合结构， 能适应 燃机快速启停的特性， 可确保联合循环发电机 组长期、 安全可靠、 高效清洁及经济运行。 2 1 燃机排气和锅炉进口 烟气条件 环境温度 一 2 O q C 年平均气压 7 1 2 9 k P a 燃机排气流量 1 3 3 5 4 4 k g h 燃机排气温度 3 9 1 q C 燃机燃料 天然气 燃机排气成分 ( V ) ： N 2 +A r 7 7 o 9 C O 2 2 3 9 H 2 O 4 8 0 o 2 1 5 7 2 S O 2 0 补燃燃料 天然气 天然气成分 ( V ) C H 4 9 9 2 0 C 2 H 6 0 2 9 C 3 H 8 0 0 1 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 0 4 2 N 2 S O 2 0 5 0 天然气低位发热值：3 3 8 3 9 k J m 3( 标) 天然气补燃量： 9 8 0 m 3( 标) h 2 5 0 0 7 2 0 1 5 0 7一 1 1 N - 7 1 3 0 0 0 7一 。 1 1 I I ! ， 1 _ ： I U l l厂 I l _ ： - _： ， 、 _ 7 0 0 0 l r - _ l r _ l ： ，一 l 角 气 清 音 量 I | l 、 l r I l l I V - I n 1 I 1 工 I 。 Jr J - 、 l ， 一 _ 一 2 3 3 4 7 (_ _一 -IJ栩 气 簟 ll 扑 量 I ： I 1 I ； i l l 0 广t1 l 1 、 l一 ： J l- J l 、 +_ 、 I 孙 是 天 甚 气 口 4 7 5 0 7 7 2 5 7 0 3 0 2 1 4 0 2 3 1 4 5 图 I B Q 1 0 4 6 0 0 2 0( 2 6 )一 3 9 2( 0 2 ) 4 5 0 补燃型燃机余热锅炉 2 2 余热锅炉设计参数 中压部分： 最大连续蒸发量 2 0 t h 额定蒸汽压力 3 9 2 M P a( 表压) 额定蒸汽温度 低压部分： 最大连续蒸发量 额定蒸汽压力 4 5 0 2 6 t h 0 2 M P a( 表压) 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 2 余 热 锅 炉2 0 0 4 2 额定蒸汽温度 1 3 2 8 q c( 饱和) 给水温度 1 0 4 q C 锅炉给水和炉水品质要求： 按 G B rn2 l 4 5 9 9 2 3 锅炉本体系统与结构 本锅炉为双压补燃型自 然循环燃气轮机 余热锅炉，主要由进口烟道、烟气挡板门、 中间烟道、烟道式补燃装置、 过渡烟道、锅 炉本体、出口烟道、主烟囱、烟道膨胀节、 钢架及护板、 平台扶梯等部件组成，锅炉本 体受热面采用标准单元模块式结构，由垂直 布置的错列开齿螺旋鳍片管和上下集箱组 成，以获得最佳的传热效果和最低的烟气压 降。 燃机排出的烟气通过进口 烟道进入烟气 挡板门，系统单循环时烟气通过挡板门上部 从旁通烟道对空排出；系统联合循环时，烟 气通过挡板门后进入烟道式补燃装置 ( 烟气 流向与流量大小可由烟气挡板门开度的控制 来实现) 。烟道式补燃装置采用天然气补燃， 利用燃机排气中的残余氧量作为补燃空气， 提高了燃机排气温度。经补燃后的高温烟气 再通过过渡烟道进入锅炉本体， 依次水平横 向冲刷高温过热器，低温过热器、中压蒸发 器、中压高温省煤器、低压蒸发器、中压低 温省煤器， 再经出口烟道由主烟囱排出。 锅炉中压给水经省煤器管排，由锅筒下 部进入锅筒。锅炉蒸发系统采用自然循环， 通过两根集中下降管进入各蒸发器管排， 蒸 发器根据其蒸发强度差异，以不同口径导管 引入锅筒。锅筒内设有二级分离装置以保证 蒸汽品质。饱和蒸汽由锅筒引出至过热器， 过热器由高温过热器和低温过热器组成，在 高温和低温过热器中间设置面式减温器，以 调节出口过热蒸汽的温度。 锅炉低压给水直接进入低压锅筒，经自 然循环加热后产生的蒸汽经分离后引出锅 筒， 用于锅炉给水除氧和对外供汽。 锅炉给水的调节和控制由中、低压给水 操纵台分别实现，并配置了相应的阀门。中 压给水操纵台按 3 台调节阀设置， 分有两路 出口，一路通至减温器，另一路通至中压省 煤器。低压给水由低压给水操纵台直接引至 低压锅筒。 为了适应燃机起动及负荷变化时产生的 锅炉水位波动和设置必须的汽水分离装置， 中压锅筒内径选用 1 5 0 0 m m ，两端配置椭 球封头及人孔装置。为了获得良好的蒸汽品 质， 锅筒内设置了旋风分离器和波形板分离 器组合的两级分离装置，即沿锅筒长度方向 布置有旋风分离器进行一级汽水分离， 在锅 筒内顶部设有波形板分离器进行二级汽水分 离。 低压锅筒内径为 l ( X )O m m ，两端配置 椭球形封头并设有人孔装置， 为满足锅炉正 常运行获得良好的蒸汽品质和适应燃机启动 及负荷变化时产生的锅筒水位波动，在锅筒 内设置了水下孔板分离装置和波形板分离器 组合的两级分离系统， 具体布置为沿锅筒长 度方向蒸发器上升管人口区域安装有水下孔 板进行一级汽水分离， 在锅筒顶部设有波形 板分离器进行二级汽水分离。 汽水分离后低 压蒸汽经低压主汽管引出。 此外中、低压锅筒内均设有给水管、 加 药管和连续排污管。锅筒上还设置有安全 阀、 双色水位计、水位平衡容器、电接点液 位计、 排气阀、压力表、 备用蒸汽管座、充 氮保护等管座以及用于超压报警器及联锁保 护装置等用途的各种管座。 过热器由高温过热器和低温过热器组 成， 高、低温过热器均错列布置，烟气依次 流过高温和低温管屏。工质流程是来自锅筒 的饱和蒸汽通过连接管进入低温过热器，低 温过热器出口的过热蒸汽经减温器减温后， 导入高温过热器，由过热器出口 集箱引出。 过热器各管屏下集箱布置有疏水连管，能彻 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 0 4 ， 2 1 3 底疏排积水。汽温调节采用面式减温形式。 过热器出口集箱设置有弹簧安全阀、排气 阀、压力表、温度计和热电偶插座等。此 外，还装有紧急排汽及反冲洗管路，紧急排 汽阀装有排汽消音器以减少噪声。 中压蒸发器由管屏、下降管和引出管组 成， 受热面采用开齿螺旋鳍片管，错列布 置。炉水通过集中下降管进入分配集箱由连 接管引至蒸发器各管屏下集箱，工质在管屏 内被烟气加热后汽水混合物经管屏上集箱由 连接管引入锅筒。蒸发器回路采用 自 然循环 形式， 在变负荷工况时，能保持水位稳定。 下分配集箱最低点布置有定期排污装置，能 彻底地疏排积水。 省煤器由高温省煤器和低温省煤器两段 管屏组成，受热面采用开齿螺旋鳍片管，错 列布置。来 自 给水操纵台的给水依次经过低 温省煤器和高温省煤器的各个管屏， 从锅筒 下部进入锅筒。省煤器各管屏集箱均设有疏 水管和放气管，以保证运行稳定。 低压蒸发器由管屏、下降管和引出管组 成， 受热面采用开齿螺旋鳍片管，错列布 置。炉水通过集中下降管进入分配集箱由连 接管引至蒸发器各管屏下集箱，工质在管屏 内被烟气加热后汽水混合物经管屏上集箱由 连接管引入锅筒。蒸发器整个回路采用自 然 循环形式，在变负荷工况时， 能保持水位稳 定， 下分配集箱最低点布置有定期排污装 置，能彻底地疏排积水。 锅筒本体钢架和护板由 H型钢和钢板 焊接而成，两侧共 1 0 根立柱，中间由横梁 支撑， 组成一整体构架，能承受燃机正常运 行工况下的排气压力及冲击力，构架按八度 地震烈度要求设防。 过渡烟道、出口 烟道及主烟囱均采用钢 制壳体，过渡烟道内侧装有不锈钢内衬板， 壳体与内衬之间夹装硅酸铝耐火纤维毡保 温。 主烟囱标高为2 5 m 。 烟气挡板门通向旁通烟囱和锅炉进口 烟 道侧均设有膨胀节，锅炉各部位热膨胀量由 膨胀节吸收，膨胀节采用先进的软性膨胀 节。这种膨胀节具有三向补偿和吸收热膨胀 推力的性能，具有吸收膨胀量大、噪声低、 隔震、结构简单和体轻等特点。 为了最大限度减少散热损失，避免壳体 直接与高温烟气接触并使其热膨胀量减少， 本锅炉采用内护板保温结构，即最内 层为不 锈钢内衬护板，内衬护板与护板之间置有硅 酸铝耐火纤维毡保温。 为了便于安装运行检修，在过渡烟道、 锅炉本体的过热器后、中压蒸发器中间、省 煤器前、低压蒸发器中间、顶部护板及出口 烟囱下部均布置有检查门。在过热器前、中 压蒸发器前后、低压蒸发器前后、中压低温 省煤器后布置有测量孔，以便在运行时检测 烟温、烟压。 旁通烟囱挡板门为无泄漏单板门形式， 液压驱动并可手动操作，配有两台密封风 机，一用一备。旁通烟囱挡板门上方设置有 烟气消音器， 用于燃机单循环时的烟气噪音 消除。 3 余热锅炉的补燃 由于燃机排气温度较低 ( 3 9 1 ) ，为了 产生中压参数的蒸汽，在余热锅炉中 设置了 烟道式补燃装置。 烟道式补燃装置为封闭式烟道燃烧器， 布置在锅炉受热面前部，采用天然气作为补 燃燃料，利用燃机排气中的残余氧量作为补 燃空气，提高进入锅炉的排气温度。 燃烧器主体由燃烧器喷口， 稳燃罩， 燃气 管道系统， 保温层， 燃烧器框架等组成。由于 燃气轮机排气的质量相当大， 气流速度相当 高， 补燃装置的点火和稳定燃烧有一定的难 度。我们采用了排管式烟道燃烧器， 在烟道 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 余 热 锅 炉2 0 0 4 2 的截面上等距离布置四排燃烧器， 每排燃烧 器上布置有 1 2 个主喷嘴单元， 喷嘴喷出的方 向与烟道内烟气流速方向一致， 每个主喷嘴 单元中央布置有旋流式稳燃叶轮和上下端护 罩， 用于稳定火焰， 相邻叶轮旋流方向相反。 补燃装置可根据锅炉对负荷的要求靠 P L C 控制与D C S 配合在设定的范围内对补燃量 实行自 动调节。补燃装置示意图见图2 。 燃 气 进 口 2 4 3 3 图2 补燃装置示意图 燃机余热锅炉的补燃是对加入的补充燃 面管子表面， 要求燃烧器设计采用较短的火 料进行燃烧， 燃烧所需的氧气来自于燃气轮 焰长度。 机的富氧排气，一般燃气轮机的排气含氧量 在1 2 1 8 ，由于燃气轮机的排气温度 较高，所以比较有利于补充燃料的燃烧，而 且比一般燃烧效率高。当余热锅炉需要较大 的补燃量时，为了使补充燃烧接近化学完全 燃烧，避免过高的烟气温度， 并在较大的蒸 汽流量范围内达到对过热蒸汽温度的控制， 可以对燃气轮机的富氧排气分两段进行补充 燃烧。在燃烧器的设计中要使燃气轮机的排 气人口处有一个较低的气流速度区， 使排气 速度均匀，以利于点火和稳定燃烧。另外， 由于燃机余热锅炉对火焰碰撞受热面和热偏 差比常用锅炉敏感，为了避免火焰碰到