浅谈燃气-蒸汽联合循环余热锅炉设计要点

余 热 锅 炉2 0 1 0 3 浅谈燃气一蒸汽联合循环余热锅炉设计要点 杭州锅炉集团股份有限公司诸贵 阳 近几 年随着国家能源政策的调整和节能 减排政策的逐步落实以及“ 西气东输” 工程的 实施 ， 燃气一蒸汽联合循环( 以下简称联合循 环) 发电因具有发 电效 率高、 排放污染小 、 调 峰能力强等优点在我国得到了迅速的发展。 但是， 到 目前为止在我们 国家设计 和制 造包括使用联合循环 电站 中余热锅炉 ( 以下 所称余热锅炉都是指联合循环 电站 中的余热 锅炉) 设备 的厂家一般都是从生产和使用常 规带燃烧 的 电站锅炉厂 家中产生的。然而 ， 根据燃气轮机 的运行特点 ， 余热锅炉设备 与 常规 电站锅炉设备还是存在一定的区别 ， 如 常规电站锅炉设备的启动和运行都是 围绕锅 炉 自身的固有特性而进行 的， 而余热锅炉设 备则是随着燃气 轮机运行 而运行 的被动设 备， 也就是说余热锅炉的启动和运行都必须 满足燃气轮机的运行 条件 ， 所 以在进行余热 锅炉设计时应充分考 虑到这一特点 ， 使余热 锅炉能适应燃气轮机 的运行特性， 两者达到 一 个最佳 的匹配。为 了能进一步了解应用于 余热锅炉设备的设计技术， 下面就简单的论 述一下燃气轮机运行时与余热锅炉有关的主 要特点和余热锅炉的设计要点。图 1 为某一 余热锅炉的锅炉总图。 图 1 余 热锅 炉的锅 炉总 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 余 热 锅 炉2 0 1 0 3 l 燃气轮机运行时的主要特点 1 燃气轮机的排气( 烟气) 量大， 排气温 度相对较低， 且含有大量余热。 2 燃气轮机排气背压的高低直接影 响 其输出功率。 3 燃气轮机具 有频繁 、 快速 的启停 功 能。 4 燃气轮机 的排气 中含有大量排气 温 度下的过量空气 ， 适合用作助燃。 2 余热锅炉的设计要点 2 1 余热锅炉的换热元件 根据对流传热公式 ： Q=K A T H， 说 明 在一定 的条件下需要传递一定 的热量( Q ) ， 在相同的传热系数 ( K ) 时 ， 当传热温差( T ) 越小 ， 则需要的传热面积( H ) 越大。 根据燃气轮机排气温度低 的特点 ， 余热 锅炉的受热面管子需要采用带扩展受热面的 鳍 片 形式来扩大传热 面积 ， 通常采用 以下两种方 式： 一种是在基本管外表面垂直于管子轴线 方向加焊矩形钢片而制成的鳍片管( 见图 2 ) ； 另一种是采用高频焊将带钢连续焊于基 本管上绕制而成 的螺旋 鳍片管 ( 见 图 3 、 图 4 ) ， 由于制造上的便利， 目 前余热锅炉的受热 面都采用螺旋鳍片管结构。螺旋鳍片管又可 分为不开齿( 见 图 3 ) 和开齿( 见图 4 ) 两种 ， 开 齿螺旋鳍片管 由于顶端开 口， 改善 了钢带的 绕制条件 ， 能进一步增加鳍片的高度 ， 还能加 强气流冲刷鳍片时的扰动， 强化传热。 对于螺旋 鳍片 管 的形式 ( 开齿 和不 开 齿) 、 鳍片的高度、 节距 的选择和确定 ， 应根据 燃气轮机的排气成分、 排气温度和余热锅炉 传热部件中介质的温度、 介质的特性( 汽、 汽 水混合物、 水) 及鳍片的材质等 因素来决定。 如燃气轮机 的排气成分为含灰气 流( 由燃气 轮机燃用的燃料决定) ， 则应选用不开齿 、 较 大节距的螺旋鳍片管 ， 若排气成份为洁净气 I ； -T - ( 1 _-一 鳍片 图 2 图 3 1 、 、 l I ： 。 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 1 0 3 3 鳝片 流， 则应选用开齿、 较小节距 的螺旋鳍片管。 螺旋鳍片管鳍片高度的选择 ( 系指相 同 厚度的鳍片) 首先应 满足机械加工 ( 绕制) 的 要求 ， 当基本管的直径小 、 曲率大时 ， 绕 制的 鳍片高度低一些 ； 当基本管的直径大、 曲率小 时 ， 绕制的鳍 片高度可高一些。其次应根据 传热条件来确定， 如余热锅炉的高温过热器 ( 再热器) 一般布置在烟气温度最高的锅炉入 口处 ， 其管子和鳍片的材料一般都采用合金 钢 ， 由于合金钢的导热系数较小( 相对碳钢) ， 且管内流动 的蒸汽对 管壁的冷却较差 ( 相对 汽水混合物或水) ， 则鳍片管的鳍片高度应选 用得低一些 ， 特别指出， 对于布置在烟温较低 区域的低压过热器来说 ， 虽然其管子 和鳍片 材料都采用 了碳钢 ， 但应考虑到蒸 汽对管壁 放热系数较小 ( 对管壁 的冷却较差 ) 的因素 ， 对鳍片管的鳍片高度也应选用得低一些 ； 对 余热锅炉 的蒸发器、 省煤器等部件因鳍片管 的工作温度不高 ， 管 内流动的介质对 管壁的 冷却较好 ， 管子和鳍片的材料一般都 采用碳 钢 ， 所以鳍片管的鳍片高度可 以选用得高一 些 。总之 ， 对鳍片管鳍片高低 的确定 ， 首先应 满足绕制工艺 的要求 ， 其次应保证其材料在 相应 的工作条件下安全的使用 ， 同时还应保 证烟气与鳍 片端部、 鳍片端部与鳍片根部有 一 个合理的工作温差， 使其达到最佳的传热 效果。 2 2 余热锅炉的设计特性 根据燃气轮机的排气流量、 温度来 确定 图 4 余热锅炉 的蒸汽流量 、 温度 、 压力 和排烟温 度 ， 需要考虑以下几个方面的问题。 ( 1 ) 热端温差 ： 它是指进入余热锅炉过热 器( 再热器 ) 的烟气进 口温度与过热( 再热) 蒸 汽出口温度之间的差值。 当一定温度的烟气进入余热锅炉的过热 器( 再热器) ， 为了提高蒸汽的做功能力 ， 在过 热器( 再热器) 及蒸汽轮机工作时材料的使用 温度允许的条件下 ， 希望能有更 高的蒸汽温 度。这样余热锅炉就存在着一个合理选择热 端温差的问题 ， 它的大小直接影响余热锅炉 的造价和受热面的布置。若余热锅炉的其他 工作参数和工作条件都不变， 仅提高蒸汽温 度( 减小 热端温 差 ) ， 当热端 温差 小于 2 5 时， 则余热锅炉的受热面材料和造价将会急 剧增加。因此 ， 过小的热端温差是不经济的， 一 般热端温差的选择不小于 2 5 。 ( 2 ) 节点温差 ： 它是指沿烟气流动方 向蒸 发器出口烟气温度与锅筒压力下蒸发器内介 质的饱和温度之间的差值 。 为了获得最大 的热量回收和得到最大的 锅炉蒸发量 ， 理论上应该使节点温差尽可能 小 ， 然而， 由于对数传热温差 的影 响， 过份地 减小节点温差会使其传热面积迅 速的增加 ， 所以一般节点温差的选择不小于 1 O 。 ( 3 ) 接近点温差 ： 它是指锅筒压力下的饱 和温度与进入锅筒前省煤器 出口水温之间的 差值。 要获得锅炉的最大蒸发量 ， 应该将省煤 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 余 热 锅 炉2 0 1 0 3 器设计成沸腾式省煤器， 但从结构上应保证 所产生的蒸汽能顺利地排 出。当燃气轮机作 为调峰机组降负荷运行时， 则随着燃气轮机 负荷的降低， 余热锅炉中省煤器的沸腾度会 加大 ， 为了保证省煤器能安全地运行 ， 现有的 余热锅炉都将省煤器设计成非沸腾式的省煤 器 ， 这样就需要确定一个合适的接近点温差 ， 太大的接近点温差将会降低余热锅炉的蒸发 量 ， 太小的接近点温差可能会使燃气轮机在 变负荷运行时导致省煤器沸腾 ， 影响省煤器 的正常工作 ， 所 以接近点温差应根据余热锅 炉的具体结构并通过设计计算来确定 。有时 在没有燃气轮机低负荷的排气参数时， 也可 根据经验来确定： 当余热锅炉为正常负荷时 ， 并且省煤器受热面内最后一个流程的水流方 向为向上或水平流动时 ， 一般接近点温差不 小于 5 1 2 。当余 热锅炉为正常负荷时 ， 并 且 省煤器受热面内最后一个流程的水流方向为 向下流动时， 则接近点温差应不小 于 2 o ， 此时的水流速度应该在 ( 12 ) m s的范 围 内。 ( 4 ) 排烟温度： 它是指烟气离开余热锅炉 最后一级受热面进入烟囱前的烟气温度 。 在其它条件相 同的情况下， 余 热锅炉工 作压力的高低将直接影响锅炉的排烟温度， 余热锅炉工作压力高则排烟温度也高。所 以 当余热锅炉的过热器出 口工作压力 确定后 ， 在保证过热器正常工作 的前提下， 应该使蒸 汽流过过热器 的流动阻力达到最小 ， 降低蒸 发受热面的工作压力 ， 得到最大的锅炉蒸发 量 ， 以获得最大的热量回收， 降低排烟温度。 另外， 余热锅炉还可以通过布置多个压 力等级的受热面， 如中压锅炉、 低压锅炉、 除 氧锅炉、 给水预加热器等来进一步回收烟气 中的热量。在设计时 ， 应根据烟气温度和工 质温度的传热特性， 将各个受热面穿插布置 在合适的烟温区间， 保证各个受热面有一个 合理的工作温差， 最大程度地回收烟气中的 热量， 降低余热锅炉的排烟温度， 提高余热锅 炉的效率。 值得指出 ， 余热锅炉排烟温度的确定应 充分考虑烟气成分中的含硫量、 水露点等因 素， 过低的排烟温度将会对余热锅炉尾部低 温受热面造成腐蚀， 除非采取必要的措施， 如 低温受热面采用耐腐蚀钢 ； 采用热水再循环 来提高给水温度； 低温受热面分级独立设计 ， 通过设计计算， 把容易受到损坏的部分单独 设计成一组受热面并设置旁路 ， 当该部分受 热面受到损坏时可将其隔离 ( 旁路 ) 而不影响 主体的继续运行 。 ( 5 ) 排气背压： 它是指烟气离开燃气轮机 时对燃气轮机产生 的压力 。 在燃气一蒸汽联合循环中， 余热锅炉 中 的烟气流动是靠燃气轮机的排气压力来推动 的， 对余热锅炉来讲 ， 燃气轮机就象台鼓风 机将热烟气送人余 热锅炉， 余 热锅炉处于正 压状态下运行。然而根据燃气轮机的运行特 点 ， 燃气轮机背压的大小将会直接影 响燃气 轮机的输 出功率。曾有资料统计过 ， 燃气轮 机的背压超过 3 4 0 0 P a时， 每增大 I O 0 0 P a背 压 ， 燃气轮机 的功率将下 降 0 8 C 1 。所 以 在进行余热锅炉设计时应充分考虑联合循环 的整体效率， 并通过技术经济的比较来确定 流经余热锅炉的烟气流速和余热锅炉的热端 温差及节点温差 ， 使烟气通过余热锅炉时阻 力保持在一个合理 的范围内， 以求得联合循 环的整体效率最大化 。 上面已经提到， 为了使过热蒸汽温度更 高和得到更大 的锅炉蒸发量， 这都需要大量 增加余热锅炉的受热面积。在相同的烟气流 速条件下， 余热锅炉的受热面积布置得越多 则锅炉的烟气阻力将会越大 ， 特别是余热锅 炉的热端温差和节点温差 ， 当该温差小到一 定数值时 ， 将会 出现增加大量的受热面积却 只得到很小收获的情况， 甚至该收获还抵不 过燃气轮机由于背压的提高而造成的功率损 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉2 0 1 0 3 5 失 ， 所 以在锅炉设计时应避免这种情况 出现 。 2 3 余热锅炉适应燃气轮机快速启 动的措 施 在一般的电站锅炉 中， 锅炉 的启 动是根 据锅炉的固有特性进行 的， 锅炉的工作压力 越高 ， 则启动的时间就越长 ， 其主要原因是受 到锅筒上下壁温差 的限制。在冷态启动时 ， 蒸发器( 水冷壁 ) 内的循环水受热后有部分饱 和蒸汽产生而形成汽水混合物 ， 进入锅筒后 饱和蒸汽停 留在锅筒上部 的汽空间 ， 热水则 回到了锅筒下部 的水空 间， 由于锅筒 的水容 积较大 ， 大量未参与循环 的水的温度较低 ， 尽 管有部分通过循环 的热水来混合加热 ， 由于 这一部分 的水量相对较少 ， 水 的温度上升还 是 比较慢。这样就形成在锅筒上部的汽空问 为相应压力下蒸汽 的饱和温度 ， 下部 的水空 间为温度较低 的水的温度 ， 上下将产生一个 壁温差。锅炉的工 作压力越 高， 正常运行时 介质的饱和温度也越高 ， 锅炉 的启动速度越 快就会使锅筒上下的壁温差越大 ， 该壁温差 越大 ， 锅筒产生的热应力就越大 ， 严重时会导 致锅筒发生翘曲变形 。所 以一般 电站锅炉的 启动时间都较长 ， 在启动时都会严格控制锅 筒内的升温升压速度 ， 将锅简上下 的壁温差 控制在不超 过 5 0 的范 围内。如一 台出 口 压力为 9 8 1 MP a的 4 1 0 T H 电站锅 炉 ， 它的 冷态启动时间大概需要 5 6个小时。 在燃气一蒸汽联合循环电站中， 余热锅 炉的启 动要根据燃 气轮机 的启 动要求来进 行 ， 一般要求余热锅炉应具有冷态启 动时能 在 4 56 o分 钟就达 到满 负荷 的启 动特性 。 这样快 的启 动速度 ， 需要对余 热锅炉中制约 锅炉快速启动的一些部件采取必要 的技术措 施 ， 使其能适应快速启动 的要求。从上 面可 以看出， 制约余 热锅炉快速启动的主要部件 是锅筒， 为了使厚壁 的锅筒能适 应快速启 动 的要求 ， 目前采取的技术措施是在锅筒 内加 装一层内胆( 如图5 、 图 6 ) ， 使得余热锅炉在 整个启动过程中把锅筒内温度比较低的水不 与厚壁锅筒的内壁直接接触 ， 用 内胆将它们 隔开， 并将通过循环后温度较高的汽水混合 物 由锅筒的下部进入锅筒 ， 沿着锅筒 内壁和 内胆之间形成的通道均匀地向上流动 ， 在锅 筒正常水位线以上约 2 6 0 m m处( 图 5 ) 的汽空 间或在锅筒的顶 部 ( 图 6 ) 向下进入锅筒 ， 均 匀地加热锅筒 的筒壁 ， 有效地控制余热锅炉 在整个启动过程中锅筒上下的壁温差， 使余 热锅炉能快速地升温升压， 满足快速启动 的 要求 。 值得指出， 对控制锅筒上下壁温差， 汽水 混合物从锅筒顶部进入锅筒比从锅筒上半部 进入锅筒效果更好 ， 但是汽水混合物从锅筒 顶部进入锅筒所需要的循环动力更 大， 所 以 这种方式适合强制循环锅炉。对于 自然循环 锅炉在设置锅筒 内汽水混合物出口位置的高 低时 ， 应考虑到锅炉处于低负荷运行且锅 筒 水位正好处 于低低水 位时 的锅 炉水 循环状 况 ， 应通过水循环计算来确定具体 的位置 ， 确 保锅炉水循环的安全。 对于适应频繁快速启动的余热锅炉其它 部件的设计措施 ： ( 1 ) 过热器 ： 过热器应设计成可疏水型的 过热器 ， 使余热锅炉能在快速启动前就把过 热器管内的沉积物排除干净 ， 启动时保持受 热面管 内畅通 。 ( 2 ) 减温器 ： 减温器应设计成反应灵敏 的 喷水减温器或喷饱和蒸汽的减温器 ， 喷饱和 蒸汽 的减温器一般用在减温幅度较小的余热 锅炉中。 ( 3 ) 烟道保温 ： 烟道的保温材料应采用软 质的保温材料( 如硅酸铝纤维制品等) ， 并在 受到烟气冲刷的保温材料表面用金属材料覆 盖保护， 以适应燃气轮机运行时排气的震动 和余热锅炉启动时受到的燃气轮机排气的热 冲击 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 余 热 锅 炉2 0 1 0 3 汽水混合 物入 口 图 5 2 4 余热锅炉的补燃 目前 国内在运行的余热锅炉多为非补燃 的余热锅炉 ， 根据燃气轮机的运行特点 ， 它的 排气中还含有 大量未参加燃烧 的过量空气 ( 大约过量空气系数为( 58 ) ) ， 它在大气