燃气轮机余热锅炉的特点及设计

0 余 热 锅 炉2 ( 10 1 4 燃气轮机余热锅炉的特点及设计 杭州市锅炉压力容器检验研究所寿立刚 1 前言 燃气 一蒸汽联合循环发电是燃气轮机发 电和排出的中温烟气被余热锅炉吸收产生过 热蒸汽再供汽轮机发电二者的组合 联合循 环发电具有 以下优点 ： ( J )系统 热效率高 ， 其联台 循环 效率 可高达 4 2 一6 0 ，大 大 高于燃 煤 电站 机 组( 仅 为 2 7 一3 5 ) 。 ( 2 )启动 、停机、调整负荷较容 易，燃气轮 机可在 1 O分钟 内启 动发电 ，联合 循环 系统 可在二小时 内达到满负荷 ( 3 )列环境污染 程度较低。( 4 )联合循环机组单位功率初投 资低 ，建设 周期 短 ，占地 面积 小，耗 水量 少 正是由于其独特的优点 ，燃气 一蒸汽联 合循环电站在欧美经济发达 国家得到了广泛 的应用。我国 自八十年代 1 进燃气 一蒸汽鞋 合循环机组 来，也得到 了迅速 的发展 ，并 实现 了国产化 ，这 为解 决我 国 电力供需 矛 盾 尤其是峰问电量问题开辟 r一条新的道 路 余热锅炉是燃气 一蒸汽联合循环机组的 关键设备 ，其 发电 量约 占机组 总 发电量 的 】 3，所 余 热锅炉性 能的优劣 将直接 关系 到联合循环 发电系统的效率和运行安全 ，这 就要求余热锅炉必须根据燃汽轮机的排气特 性和运行特性来设计制造。 2 燃机糸热锅炉 的布置形式 2 1 燃机余热锅炉的基本组成 燃机余热锅炉一般由烟道和本体二大块 组成 ，与一般余热锅炉不同，燃机余热锅炉 在燃机和余热锅炉之间设 置 厂烟气 旁通姻道 和烟气调 门其 目的在于 ： ( 】 )隔离燃机系统和蒸汽系统 当锅炉 无需供汽或供汽量 减少时 ，可通过旁通烟道 和烟气调节门停止锅 炉运行或降低锅炉运行 负荷 ，而燃机单独运行 ，使系统运行 灵活 ( 2 )为余 热锅炉启动肘创造条件和运行 时防 止锅炉千烧。通常燃机在短时间内可从 冷态进人满负荷，为避免产生的大量 中温烟 气在短时间内直接冲刷余热锅炉而产生诸如 锅炉受热面管子壁温升高过快而产生急剧膨 胀变形 、汽包上下壁温差上升过快而引起温 度应力 、省煤器工质汽化等 问题 ，可控制烟 气调节门的丌度使进入锅炉 的烟气量逐渐加 大。同时，对 由于异常情况造成锅炉给水中 断时，可避免锅炉长时问于烧 ( 3 )在锅炉安装 和检修期 间，燃机仍可 正常运行 。 2 2 燃气轮机余 热锅 炉受热面的布置特点 余热锅炉受热面是 对流传热为主的对 流受热面 ，主要 由错 列的螺旋鳍 片管组成。 沿烟气 流 向，受 热面通 常依 次布 置为过 热 器、蒸发器 、省煤器和低压蒸发器。 3 燃机 余热锅炉的形式和水循环方式 燃机余热锅炉根据其蒸发受热面的循环 方式分 自然循环和强制循环两种 在西 欧国 家，强制循环相对应 用的多 ，而在美国则 多采用 自然循环方式 图 1 、图 2是典型 的 自然循环和强制循环余热锅炉布置型式。 3 1 强制循环余热锅炉特点 3 1 1 受热 面布置 比较 自由 ，蒸发 器布置 时可与过 热器 、省煤器一样，根据不同结构 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 1 4 图 1 -j 熬 循 燃 机奈 热锅 炉 图 2强制 循 环 燃 机亲 热锅 炉 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 1 4 要求直立 、倾斜或水平 布置 ，因此受热面易 组成大型组件 ，减少工地安装工作量。 3 1 2 锅水强 制循环受 热面多 采用较 小盲 径管 子绕 制 螺旋 鳍 片，如 帕8 、怊2管 子， 但受热面支撑板数量较多 ，重量较大= 3 1 3 锅炉 常为立式 布置 ，受 热面水平 市 置较 为常 见，烟囱与锅炉一体 ，场地 占用面 积较小 ，重心较高。稳定性 、抗震性较差。 3 l 4 锅 炉水容量 小，启停 速度侠 ，对 燃 机负荷适应性强 3 l 5 必须 有高温 锅水循环 泵，该泵的 工 作 可靠性要求较高。 3 J 6 燃料 适应 范 围广 ，换 热 面可 清洗 ， 特 别适用于燃用劣质重油场合 。 3 2 自然循环余热锅炉特点 3 2 1 多为卧式 布置 ，蒸 发受热 面为立式 布置 ，场 地占用面积 较大 ，锅炉重 心较低， 稳定性、可靠性较好 。 3 2 2 锅炉 结构 比较 成熟 ，结构 简单 ，运 行时安全可靠 3 2 3 锅炉水容量大 ，负荷适应能力强。 3 2 4 锅水 自然 循环 ，受热 面常 采用较大 直径管子绕制螺旋鳍片，如 帖 l 管子 ，受热 面支撑结构件轻巧 。 上述两种循环方式各有利弊，在实际工 程设计 中 ，常将 两种 循环 方式结 合起来 使 用 ，如蒸发受热采用 自然循环而省煤器采用 强制循环 。锅炉采用何种循环方式 ，除 比较 两种循环方式的特点外，最终 还得综合考虑 以下因素 ：制造成本与安 装费用 ，锅炉与机 组的负荷 、与汽轮机组是否 匹配，燃气轮机 采用何种燃料及烟气的流动方向等 。 4 联合循环热力系统和余热锅炉参数选择 燃气轮 机排 气量 大而烟 温 不高 ( 般 4 5 0 5 5 0 C) ，余热锅 炉作 为联合 循环一 部 分 ，其主蒸 汽设计参数( 蒸 汽流量 、压力 、 温度 )与燃气轮机排 气条件密 切卡 臼 关，余热 锅炉的主汽温度最高值设定是低于锅炉人 口 烟温减 2 5 下一联 合循 环发展 初期 ，余 热锅炉往往采取 单压形式 ，其参数设计也应 尽 与蒸汽轮机参数相匹配。但随着人们对 循环热效率 的重 视进而要求最大限度地 回收 热量时 多压余热锅炉逐渐替代单压余热锅 炉。这时 ，余热锅炉设计参数不再是完全被 动地取决于燃气轮机和蒸汽轮机，而是根据 系统优选锅炉 参数后 ，再选定甚至特殊设计 汽轮机，以求获得最经济的总体热效率。 杭州 锅炉厂 1 9 9 5年设计 的 b T 8双联 燃 机三压余热 锅炉 ，为 获取系 统最 佳的热 效 率，采用 r二种不同压力 等级 的过热蒸汽发 电，蒸汽轮机的参数选配就基于余热锅炉的 参数 系统投运后，余热锅炉的排烟温度仅 为 I 3 0 以下 ，整 体联 合 循环 的 效率 高 达 4 9 2 而广东某厂同样 的 F T 8燃机加进 口 余热 锅炉 ，由于采用单压余热锅炉 ( 配单 压 蒸轮机 )技 术 ，其联 合循 环的 发 电效 率 为 4 6 5 。二者余热回收经济教益之 比可想而 知 表 l为无锡 F T 8双联燃机系统 与余热锅 炉、燃汽轮机的主要能数。可见，要想取得 较 高的联合循环效率 ，余热锅炉就应尽可能 多地 回收热量，在锅炉参数选取时应尽量考 虑不 同压力等级 的蒸汽供汽轮机发电。 由于燃机具有烟气量大，烟气 温度低的 特点 ，其烟气 温度与余热锅炉主蒸 汽温度的 温差不大，如何使燃气轮机的排烟热量最经 济地被锅炉工质吸收就成 r对余热锅炉的参 数选取的首要条件 。通过对单 压和多压余热 锅炉的温度曲线 比较可 以看出，在多压余热 锅炉中通过 不同压 力等级 的受 热面交替 布 置 ，可使系统中工质 ( 蒸汽或水)的温升曲 线与燃机排烟温度的温降曲线大致接近 ，而 单压余热锅炉无法达到。这说明，只有在不 同压力等级 的燕汽被利用时，余热锅炉才能 最蜀济地回收热量 ，即联合循环 热效率能最 大限度地提 高 因此设计余热锅 炉应尽量考 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 奈 热 锅 炉2 0 0I 4 1 3 表 1 F璐双联燃机主参 排气流量 k g h 排气温度0 c 数( I S O下) 5 9 7 6 0 O 4 中压蒸发量 5 9 2 t h 低压蒸发量 l I t h 余热锅炉主参数 中压蒸汽温度 4 3 5 低压蒸汽温度 2 3 00 c 中压蒸汽压力 3 4 3 MP a 低压蒸汽压力 O 8 8 MP a 功 率 】 5 (x k w 汽轮机主参数 中压进汽温度 4 3 O 0 c 低压进汽温度 2 2 5 0 c 中压进气压力 3 0 NP a j低压通气压力0 8 2 6 M P a 联合循 环热效率4 9 2 虑多种蒸汽的用途，如上 述，可采用多进 口 的汽机。图 3和图4表示多压和单压余热锅 蹦 7 5 31 r、 c 4 l 6 l 5 卑 I I， lIj 8 2 7 高 压 3 1 7 3 0 3 2 3 1 k 1 7 2 4 k p 矗压 l爰 量 1 3 2 6 8 中压 2 8 8 压名 羹3 2 1 6 中压 l 费量 炉的温度 曲线 罔 5表示 ，在燃机排气一定 时 同压力级别 F余热锅炉 回收的热量 。 2 0 7 2 0 1 毒 压名 麓 量2 1 4 2 中压 省 擞量 1 8 4 1 7 8 1 4 2 高 压省 擞羹1 1 8 3 f 7 0 、 1 4 5 低压 过 垫 量 1 I 2一 量 压 l 爰 量 1 O a 碧土 烟气 阻力1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 P P o 3 6 1 6 2 3 3 0 2 5 9 3 2 4 1 3 9 5 5 1 1 2 2 0 1 8 2 1 9 9 图3多压余热锅炉的温度 曲线 由锅 炉热平衡可知 ，燃机余热锅炉蒸发 量可由下式求 出： D ( i“ g r i g s ) +p( i 一i g s ) ： =WV ( I 一r) 式中：i fr 口一过热蒸汽 出口培 一 锅 炉给水焙 p锅炉排污率 j 一锅炉饱和水焓 一 保热系数 I 一锅炉进 口烟培 I 一锅炉排 烟焙 v一余热锅 炉烟气流量 D c 6 O。 c 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 4 奈 热 锅 炉2 0 01 4 r、 7 、 、l ! I I I 至 一 酬 壤 应 寸 搏暮 墓 发罩 省虞嚣 目4蕈 奈热锅 的温度曲线 燃 机捧 烟量 3 5 3 7 K g s 5 3 1 C 1 0 4 等 回收系统 回收的热量 由上式可知，当燃机 排气条件 一定时 ， 锅炉的蒸 汽产量 随着主 汽压力 的提 高而 下 降 当受 到条件限制无法 采用多压 系统时 ， 由图 6可知所生产的蒸汽压力宜选择为 可 能利用的最低压力 ，因为这能达到最大 的蒸 汽产 量和最大的热 收率 由此 可见 ，余热锅炉合理的形式选取和 参数选取，对系统的经济性和热效率起着至 关 重要 的作用 ，设计中应引起足够 的重视。 一 酬 L 蠼 机 烟量 3 5 2 8 K e t s 5 25 6 C 蒸 汽压 力 K P e I 咖 O 2 0 0 0孙 4 0 0 o 闺6 蒸汽压力与产汽量的关 系 5 燃机余热锅炉 的设计特点 燃机余热 锅炉既是一 种新型余热 锅炉， 又是一种特殊电站锅炉。虽然该类余 热锅炉 同样供发电用的过热蒸汽 ，但其热力特性和 结构特点有着很大差异，表 2 、表 3列举两 种锅炉的比较 表 2 燃机余热锅炉与常规锅炉运行参数的比较 序号 名 称 燃机余热锅炉 常规电站锅 炉 l 烟 气重 量 蒸汽重量 3 1 0 l 1 2 2 J 空气预热 不需要 采用 3 1 最高烟温o c 4 5 0 5 5 0 1 6 5 0 4 f 出口烟气含氧量 7一 l 6 3 4 5 燃烧空气 不可控制 控制 窄 卉靠漏 蒸发器或 省煤器 出口 7 传热 面结构 鳍 片管 光管 加的弱帖蚰0 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 o1 4 1 5 表 3 燃机余热锅炉与常规锅炉传热特性的比较 名 称 燃机 余热 锅炉 常规电站锅炉 温压 4 0一】 】 O 2 0 O 一9 0 0 烟气流速 m s 1 22 0 l O 传热系数 w tn 2 3 24 3 5 06 4 5 1 燃机烟气特性 由上表可知，进人燃 机余热 锅炉 的烟气 量极大，3 6 MW 燃 机排 气量一 般 在 3 8 X 1 0 4 4 01 0 4 Il l ( 标 ) h 9 E系 列燃机排姻 量 1 1 0l O 4 m 3( 标 ) h左 右，9 F型 则 更大 ， 且炉内烟气 流速极 高，气流紊流大 。当烟气 流经锅炉时 会产生诸如烟道震动 、受热膨 胀 ，烟道 隔热层的震动及磨损 ，烟道挡板的 高温膨胀 、热应力 ，受热面 的膨胀 、震动及 烟气偏 流等 问题 ，进 而产 生烟 道受 热而 变 形，甚至疲劳破坏 这就要求设计时作一些 特殊 考虑 ，保证锅炉的安全性和寿命 如设 计烟道时 ，为 防止高速紊流烟气对烟道的不 利影 响，可 以通过烟道模化试验对气流流场 进行分析 ，通过加装导流装置或防震装置来 防止气 流偏 流和烟 道 震动 ；对 烟道受 热膨 胀，在设计时可对膨胀 中心给以固定，允许 烟道定 向膨胀 ，同时通过加装柔性膨胀 节来 吸收膨胀量 ；对受热面的震动可采 取加 装固 定装置如 防震板等等结构方式。 5 2 窄 点 和 欠 温 窄点和欠温在燃机余热锅炉的设 计中有 着特别重要 的意义。由于燃 机排气量 极大 窄点和欠温即使只有几度的变化，对 锅炉 的 经济性都有不可忽视的影响 窄点温度是指 烟气离开锅炉蒸发器时的烟气温度 和该 蒸发 器压力下的饱和温度之差值 ，欠温是指 工质 的饱和 温度 与其人 口水温( 省 煤器 出 口水 温)的差值 在设计时通过对窄点和欠温确 定 ，可求得锅炉的蒸发量。一般来说 ，小 的 窄点和欠温能提高锅炉蒸发量，但是 降低 窄 点和欠温往往需要增加 受热面。这将导致余 热锅炉造价和烟气侧压降的增加 ，同时欠温 过小时 ，在燃机 降负荷运行和启动期 间易出 现省煤器沸腾 ( 对燃机余热锅炉 ，省煤器多 设计成非 沸腾式 ) 在工程上，窄点 和欠温 选择 应综台锅炉成本和热回收的 因素 ，一般 窄点 取 l !一】 5 ，欠温 准荐 值为 79 。 笔者通 过对不 同类型余热锅炉 的比较 ，结台 余 锅 炉的设计和运行情况，认为窄点值选 取 为 9 一】 ，欠温值 56 更 为合适 。 此时余热利用多，经济性指标先进。 5 3 工 质 流 速 一 般在设计燃机余热锅炉时 ，过热蒸汽 流速在 1 22 5 m s 范围内选取，非沸腾式 省 煤器 向上 流动或 水平流 动的 工质速 度可 按 0 3一O 8 rn s 选取 ，向下 流动工质速度可 按 0 7 1 m s选取对 于沸腾式省煤器 向下流 动工质速度应不低于 1 rn s 。 强制循环锅炉循环水速按防止汽水分 层 的 最 小 流 速 设 计， 一般 取 2 8 03 2 0 k gm s 5 4传 热 兀 什 螺旋鳍片管是燃 机余热锅炉采用的主要 传热元件 ，通常其传 热面积是光管传热面的 5 一 l 0 倍 ，它具有传 热好 、重量轻 、尺 小 的特点 。螺旋鳍片管是 用一定厚度和高度的 钢带 以螺旋轨迹用高频焊或钎焊焊在光管外 壁而成 其主要结 构参数为鳍片高度 h ，鳍 片节距 s 及 管径 d 。提 高鳍片高度 h ，降低 鳍片节距 S ，传热系数下降 而受热面迅速 上 升。 由于受热面增加 的影 响占主要因素，其 传热量增加 ，传热效 果提高 针对不同燃 机 特性 ，不同燃料种类 ，鳍片的结 构参数是有 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 6 余 热 锅 炉2 o o 1 4 所区别的 ，对燃用重 油的燃机轮机，其排 气 成分中 S O2 较多 ，灰分较多，受热 面易受 污 染 ，一般 鳍片节距选取较大 ，而对于燃 用轻 油及天燃气的燃机 ，其排气相对清洁，鳍 片 节距可Nx ,- 取小一些：表 4列举 了常用螺旋 鳍片管的结构尺寸。 表 4 常用螺旋鳍片管的结构尺寸 ( rtl F I1 ) 鳍片 高度 l 鳍片节距 鳍片厚度 序号 管子规格 天然气 轻油 重油 天然气 轻油 重油 天然气 轻油 重油 l 帖l X 3 l 32 2 1 3 2 2 45 56 0 81 2 1 1 3 2 帕8X 3 1 31 9 1 31 45 56 0 8 一1 2 1 一1 3 3 把2 X 3 1 3 1 6 i 1 3 一l d 4 5 5 6 O 8 一l 2 1 一l 3 5 5 燃机负荷变化特性 5 5 1 对省煤器欠温的影响 燃机运行 时，经 常会处于 变负荷工况 对常规锅炉来说，其省煤器出口水温是随锅 炉出力 减少 而下降 的 但对 于燃 机泉热 锅 炉，当负荷降到一定值时，燃机排气量发排 气温度 较 其 1 0 0 负 荷 时有 较大 辅度 的 下 降。一般来说 ，省煤 器灾温与烟气流量变化 关系不是 很大 +而烟 温的变 化对 其影响 较 大 ，当烟温 下降 时由 于前面 热面 吸热时 减 少 ，而省煤器吸热量增加 ，使省煤器欠温下 降较快 ，从而引