（轮机工程专业论文）蒸汽发生器热力设计与系统动态过程仿真.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 捅要 燃气轮机化学回热循环是一种新型先进循环方式，而蒸汽发生器是保 证化学回热循环能够实现的重要部件。本文针对化学回热循环工作特点， 开展蒸汽发生器的设计与性能仿真研究工作。 论文详细叙述了蒸汽发生器的系统组成及各部件作用原理。根据所选 燃烧室工作参数及化学回热器工艺要求，进行蒸汽量计算；根据热力计算 结果确定蒸汽发生器各节点热力学参数；按照管壳式换热器设计方法，计 算得到补给水预热器、饱和器的总传热系数、传热面积、管长、管程、壳 程等换热器特征值；按压力容器设计方法进行了闪蒸室设计计算。 论文另一项工作是蒸汽发生器的性能仿真研究。对于管壳式换热器， 论文从传热方程出发建立仿真数学模型，分别应用解析解、整段线性化、 分段线性化的简化方法得到动态过程传递函数，并进行详细的仿真计算， 得到一些有价值的结论。仿真的终值结果与稳态热平衡计算结果相同，证 明论文推导的传递函数能够描述管壳式换热器的动态响应过程。 第一级闪蒸室产生蒸汽的品质是衡量蒸汽发生器系统性能的重要指 标。论文通过对蒸汽发生器系统工作过程进行了详细分析，确定工作中可 能对蒸汽产量产生重要影响的扰动量。根据热平衡理论建立闪蒸室动态过 程的仿真模型，应用整段线性化的简化方法得到闪蒸室产生蒸汽量与补给 水流量、饱和器加热量的传递函数。按燃烧室稳定工作情况简化蒸汽发生 器边界条件，建立了蒸汽发生器系统仿真结构图，进行系统动态过程的仿 真计算。 论文工作结果表明，设计的蒸汽发生器能够满足燃气轮机化学回热循 环和排气余热利用要求，同时还可兼顾海水蒸发生产淡水的需要。这种采 用两级闪蒸室结构的蒸汽发生器在船舶动力装餐的余热利用领域具有非 常广阔的应用前景。 关键词：燃气轮机；化学回热循环：蒸汽发生器；闪蒸i 动态过程；仿真 哈尔滨1 ：样火学硕士学位论文 ；i i i i ；i i ；i i i i ；i i i ；i i i i ；i i i ；i ；i ；i ；i ；i i i ；i i i i ；i i ， a b s t r a c t c r g t i san e wa d v a n c e dc y c l ef o r g & st u r b i n e t h es t e a m g e n e r a t o ri sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tt ot h isc y c le t h et h e s js c o n t r a p o s e sw i t hc r g tc h a r a c t e r i s t i t s ，w o r m n gf o rs t e a mg e n e r a t o r d e s jg na n dp e c u l i c r it ys i m u l a t j o n t h et h e m sp a r t i c u l a rr e c o u n t sc o m p o s i n go fs t e a mg e n e r a t o ra n d e v e r yp a r t s f u n c t i o n c a l c u l a t es t e a mf ll t xo fc h e m i c a lr e c o v e r e q u i p m e n tb yc o m b u s t o rp a r a m e t e r sa n dt h en e e d so ff u l ed i s a s s e m b l e a s c e r t a i n e v e r yp o i n t s t h e r m o d y n a m ic p a r a m e t e r s t h r o u g h t h e r m o d y n a j i 】i c sc a l e u l a t i n g w a r m u pa n dh e a t e rd e s i g n1 i k ea p i p e s h e 1h e a tt r a n s f e ro r g a n i z a t i o n w ec a ng e te v e r ye q u i p m e n t t r a n s f e r e i g e n v a l o e s l i k el o n g t h ，t r a n s f e r a r e a ，t r a n s f e r c o e f f ic i e n ta n ds oo n e x c e p tt h e s ew ea l s od e s i g nf l a s hr e c i p i e n t a sap r e s s u r et e e i p i e n t a n o t h e rw o r ko ft h ed i s s e r t a t i o ni ：t h e s t e a mg e n e r a t o r p e c u l i c r i t ys i m u l a t i o n t op i p e s h e 1h e a t r a n s f e ro r g a n i z a t i o n ， t h ed is s e r t a t i o n b u i l d si t sm a t h s i m u l a t jo nm o d e lf r o mh e a t t r a n s f e re q u a t i o n d e d u c et r a n s f e rf u n c t i o nb yd i f f e r e n tm e a s u r e a sa n a ly t i c a l r e s u l t ，c o m p l e t e n e s sl i n e a r i z a t i o nr e s u l t p a r t l i n e a r i z a t io nr e s u l t t h e nc a l c u l a t ea p p l yt h e s et r a n s f e rf u n c t i o n g e ts o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n t h et e r m in a lr e s u l tg e tf r o me m u l a t 。r c a l c u a t ei st h es a m ea sr e s u l tb yt h e r m o d y n a m i ce q u a t i o n t h e s e p r o v et h a tt h et r a n s f e rf u n c t i o nw ed e d u c ec a nd e s c r i b et h et r e n d s o fp i p e s h e l1h e a tt r a n s f e ro r g a n i z a t i 0 1 1 t h eq u a l i t yo f s t e a mg e n e r a t e df r o mt h ef i r s tf l a s hr e e i p i e n t l st h em a ing u i d e1i n ef o rs t e a mg e n e r a t o r t h et h e s i sm a k e s s u r e t h ee l g e n v a l u et o c h a n g es t e a mm a s st h r o u g hp r o c e s s a n a l y z i n g b u i l dm a t he m u l a t o rm o d e lo ff a s hr e c i p i e n tt h r o u g ht h e r m o d y n a m j c s e q u a t l o n ，g e tt r a n s f e rf u n c t i o nb e t w e e ns t e a mf l u xa n ds u p p l yw a t e r f lu xo fh e a tf r o mh e a t e r m a k es u r eb o u n d a r yc o n d it i o n sb yc o m b u s t o r 哈尔滨工程人学硕十学位论文 i ；高；i i i i i i i i ；i 暑；矗；i ；i i i i ；i i i i i ；i i i i 奄i 墨罱；f g o i n g ，b u l dt h ee m u l a t o re o n f i g u r a ：i o nw it he v e r yp a r t s t r a n s f e r f u n c t i o n d o i n gs t e a mg e n e r a t o rs i l l u l a t i o l l t h ew o r ko fd is s e r t a t i o ni n d i c a j e st h a tt h cs t e a mg e n e r a t o rw e d e s i g nc a ns a t i s f vw i t hc h e m ic a lr e s o v e rc i r c l ea n dr e s id u a lh e a t u s i n g a n di tc a na l s of i tt h en e e do s e a w a t e rd e s a l t t h et w osr a g e f l a s hs t e a mg e n e r a t o rh a sv e r ye x p e n s i v ef o r e g r o u n di nr e s i d u a l h e a tu s i n gf i e l do fm a r in ee n g i n e k e yw o r d s ：g a st u r b i n e ：c r g t ：s t e a mg e n e r a t o r ：m u l t s t a g ef l a s h t r e n d s ：s i m n l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：短孝j ( 量 曰 期：口年多月河日 哈尔滨上稃大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 舰船燃气轮机有着一系列诱人的优点，上个世纪6 0 年代世界各海军 大国就制定了舰船动力全燃化的动力政策。但舰船燃气轮机也有其明显的 缺点，这就是额定工况点效率不高，特别是部分负荷工况时效率太低，所 以世界各国纷纷进行燃气轮机复杂循环技术研究，如燃蒸联合循环、问冷 回热循环等。燃蒸联合循环可以达到很高的热效率，低工况的经济性也很 好，但由于这种装置的热惯性大、系统复杂、尺寸重量都很大，从而影响 了在舰船上的应用。问冷回热循环具有较高的热效率，低工况的经济性也 较好，获得了各国海军的青睐，已经装舰的设备由于换热器尺寸太大，目 前正在进行小型化研究。但随着燃气初温的提高，压气机压比越来越大， 可回收的热量也越来越少，为了提高余热利用率，有时不得不采用两级甚 至更多级的中间冷却。 化学回热是一种新的先进循环方式，它利用燃机排气的低端余热产生 水蒸汽，利用高端余热加热水蒸汽和柴油的混和气，使柴油在催化剂的作 用下一部分( 燃料总量的1 0 2 0 ) 裂解为氢气和二氧化碳，一部分裂解 为气态中涮产物，其余柴油被预蒸发变成气态燃料。这些裂解后的气态燃 料混合物不但可以很方便地与空气进行预混燃烧，而且其中的氢气还能起 到强化燃烧的作用，提高燃机低工况下的燃烧效率。同时，由于裂解后的 气态燃料混合气在进入主燃区之前可以与一次空气进行充分预混，有更多 的空气参与燃烧，主燃区范围扩大，燃烧核心区的温度降低，相应的n o x 生成量也随之大幅度降低。另外，由于燃料已经完全气化，可以消除碳颗 粒的形成，解决冒黑烟的问题，也降低了对火焰筒的热辐射，还可以改善 燃烧室出口温度场的品质。总之，舰船燃气轮机化学回热循环是一种非常 有前景的研究方向，它不但回热度不受压气机压比的限制，显著提高装置 的循环效率，而且还可以大幅度降低污染物的排放量。许多研究者已报道 该循环的热效率可以达到4 8 以上，n o x 排放量降到1 0p p m 以下。 哈尔滨r 稚犬学坝士学位论文 化学回热循环试验装置中一个重要部件就是利用低端余热产生循环 所需蒸汽的蒸汽发生装置。为便于进行物理阻垢，蒸汽发生器采用两级闪 蒸室结构设计。来自自来水缓冲水箱的补给水经蒸汽预热器预热，然后利 用燃气低端余热将预热后的补给水加热至饱和水；饱和水进入闪蒸室经第 一级闪蒸产生饱和蒸汽，饱和蒸汽不经冷却直接供给化学回热器；剩余的 饱和水经第二级闪蒸室产生常压饱和蒸汽用来进行补给水预热。从前面所 述的工作原理可以看出，蒸汽发生器是一个复杂的换热设备，具有换热设 备的一切主要特征。另外，化学回热循环中的蒸汽发生器与燃机联合工作， 因此还应根据燃机工作特点对蒸汽发生器提出特殊要求【2 1 ： 1 、为满足燃烧室压力要求，蒸汽发生器采用高压闪蒸技术。 2 、燃气与补给水的换热主要依靠对流换热，因此进入换热器的燃气即要 有较高的流速以提高对流换热系数，又要避免流速过高使燃气排气流 动阻力损失过大影响燃机工作性能。 3 、整个系统应具有较低的热惯性，在燃机工况变化时蒸汽发生器能够迅 速作岛响应，保证产生蒸汽的品质。 4 、蒸汽热力参数的稳定性。蒸汽发生器提供的蒸汽参数不会较大幅度地 偏离各负荷工况下的设定值。 5 、在技术经济条件合理的情况下，尽可能多的回收热能，提高余热利用 效率。 综上所述，化学回热循环是一种具有广阔应用前景的先进循环方式， 而蒸汽发生器是保证化学回热循坏能够实现的重要部件。本文针对化学回 热循环特点同时兼顾海水蒸发技术进行蒸汽发生器设计及性能仿真，这些 工作对于化学回热循环总体性能的研究及高压闪蒸技术的研究有重要意 义。 1 2 蒸汽发生器技术研究现状 随着燃气轮机技术的日益成熟和人类对环保质量要求的提高，燃气一 蒸汽联合循环越来越受到关注。程式双流体循环方案、燃蒸联合循环以及 化学回热循环是蒸汽在燃机循环中应用的典型范例。这些循环在实现过程 中部需要有利用燃气余热的蒸汽发生装置，因此蒸汽发生器设计技术一直 哈尔滨1 程火学硕士学位论文 是伴随燃蒸联合循环技术研究的关键技术。利用发动机余热产生蒸汽的方 法包括余热锅炉产生蒸汽及闪蒸技术。 1 2 1 余热锅炉 传统上燃蒸联合循环中的蒸汽由余热锅炉产生。余热锅炉是由省煤 器、蒸发器、过热器、以及集箱和锅筒等换热管簇和容器等组成。利用燃 气余热在省煤器中对锅炉给水完成预热任务，使锅炉给水温度升高到接近 饱和水水平：在蒸发器中给水相变成饱和蒸汽；在过热器中饱和蒸汽被加 热升温成为过热蒸汽供给所需发备。燃机余热锅炉按蒸发器水循环方式可 分为强制循环锅炉和自然循环锅炉两种。强制循环锅炉需要设置强制循环 泵，工作可靠性和制造工艺性较差，自然循环锅炉则在重量尺寸指标和启 动性能指标上稍微逊色。从世界各国采用的锅炉型式来看，西欧多为强制 循环锅炉，美国多为自然循环锅炉。最新的趋势表明，自然循环的余热锅 炉有可能是燃气一蒸汽联合循环中更为可取的一种技术方案。小管径自然 循环锅炉由于采用自然循环工作可靠性、制造工艺性好，又因采用小管径 兼顾了尺寸小、重量轻的优点在船用锅炉、工业锅炉，以及各种领域的余 热锅炉中，小管径自然循环锅炉得到广泛应用。另外随着世界各国对余热 锅炉技术进行着多方面的研究与探讨，余热锅炉技术正迅速发展。目前， 余热锅炉的高压循环蒸汽压力已从4 5 m p a 提高到7 1 2 m p a ，主蒸汽温 度达5 4 0 一5 5 0 ，出现了带再热循环的更复杂的蒸汽系统。 1 9 8 6 年前后，我国陆续引进了十多套燃气一蒸汽联合循环机组，国 内制造厂开始参与余热锅炉部件的制造。九十年代初杭州锅炉厂自行开发 了国内第一台配套2 3 m w 燃机的余热锅炉，迈出了我国燃机余热锅炉国产 化的第一步。紧接着，开发了多种压力等级、不同水循环方式以及适应不 同燃料燃机的余热锅炉。经过几年的运行考验，取得了宝贵的经验。特别 是2 0 0 0 年白行开发并已成功运行的配m s 9 0 0 1 系列( e 级) 燃机的余热锅炉， 实现了大型燃机余热锅炉的国产化目标，追赶世界先进水平。 圉内燃机余热锅炉技术方面己从最简单的单压系统发展到双压、三压 系统，锅炉可自带除氧蒸发器，给水加热器，实现了锅炉压力的多级化； 锅炉水循环方式，在自然循环卧式锅炉的基础上又开发了强制循环立式锅 哈尔滨工程大学硕七学位论文 炉，已设计制造了三压卧式自然循环和三压立式强制循环余热锅炉；燃机 燃料方面，丌发了适应燃轻油、天然气、重油、原油等燃料的燃机余热锅 炉，适应不同燃料的燃机联合循环的要求；燃机容量适应范围也在不断扩 大，从最初研制的8 t h ，2 7 5 m p a 燃机余热锅炉起，到配m $ 5 0 0 0 、m s 6 0 0 0 系列及配w h 2 5 1 8 1l 型燃机的中压、次高压余热锅炉，2 0 0 0 年又设计开发 了p g 9 1 7 1 e 型燃机的新型立式双压和三压余热锅炉。 1 2 2 闪蒸技术 与传统的余热锅炉工作原理不同，另一种方法就是采用闪急蒸馏的 方法产生蒸汽，俗称闪蒸技术。这种方法是将补给水加热到一定温度后引 入压力低于补给水温度对应饱和压力的容器( 闪蒸室) 内，由于补给水在 闪蒸室内突然处于过热状态，瞬间蒸发产生蒸汽。闪蒸技术具有低能耗、 便于防垢等优点，因此自诞生之曰起闪蒸技术主要应用于脱盐技术领域。 。1 2 0 0 2 年发布的世界脱盐装置统计报告( 1 7 号) 报道，以海水为水源 的脱盐淡化装置，多级闪蒸技术保持了其6 6 3 的高占有率。目前，多级 闪蒸装置单机容量已达6 0 0 0 0 m 3 d 级，由欧洲公司设计1 9 9 5 建成的a d u b h a b i 的t a w e e l a hb 站的世界上单机容量最大多级闪蒸脱盐装置达5 7 5 0 0 m a d a y 。在国内，天津海水淡化研究所、上海7 0 4 所、华北电力大学也分 别设计开发了多级闪蒸海水淡化装置。 综上所述，余热锅炉与闪蒸技术都是利用燃机余热产生蒸汽的有效方 法。余热锅炉是产生循环用蒸汽的主要措施，而闪蒸技术主要应用于海水 蒸发蒸汽压力低、温度低，尚无法满足联合循环工质的要求。但是，闪蒸 技术即能够利用余热又具有低能耗、便于阻垢的优点，特别适合于船舶上 应用。因此，高温、高压闪蒸蒸汽发生器，可以集海水淡化装置与蒸汽发 生器于一体，是一种非常有前景的船用蒸汽发生装置。目前，美国、英国、 俄罗斯等海军大国都在进行高压海水直接蒸发技术的研究。 哈尔滨上= 程大学硕士学位论文 1 3 本文主要研究内容 蒸汽发生器的工作性能及产生蒸汽品质是影响化学回热循环的重要 因素。根据测蒸技术工作原理，蒸汽发生器出预热器、饱和器、闪蒸室及 补给水冷却器等部件组成。蒸汽发生器在工作过程中受燃烧室工作参数、 化学回热器工作参数、燃气余热温度等边界条件限制。因此在论文研究过 程中首先根据选定型号燃机的工作参数，结合化学回热器工作特点，应用 热平衡理论确定蒸汽发生器各部件热力学参数。并根据热力计算结果确定 蒸汽发生器各部件结构参数。 本文工作的另一项主要内容是蒸汽发生器工作过程的仿真计算。根据 本文研究的蒸汽发生器工作特点，建立其仿真数学模型；按照建立的仿真 模型进行蒸汽发生器总体性能的仿真计算。各章节内容安排如下： 第1 章绪论 第2 章蒸汽发生器设计 第3 章 管壳式换热器动态过程建模与仿真计算 第4 章多级闪蒸系统动态过程仿真 结论 哈尔滨l 一程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章蒸汽发生器设计 蒸汽发生器由补给水预热器、饱和器、闪蒸室及浓缩水冷却器组成。 其中预热器是补给水与低压蒸汽换热设各，回收剩余蒸汽热能，采用管壳 式换热器结构；饱和器将预热后的补给水加热到饱和水水平以供给闪蒸 室，饱和器是补给水与低温燃气的换热设备，其工作参数受闪蒸室工作参 数及燃机低端排气温度限制；在蒸汽发生器中闪蒸室采用两级闪蒸结构， 第一级闪蒸室产生的蒸汽供给化学回热器，第二级闪蒸室产生的蒸汽供预 热嚣换热，闪蒸室的工作参数主要受化学回热器限制。 由此可见，在化学回热试验台中，蒸汽发生器各部件工作参数受燃烧 室工作参数、化学回热器工作参数及排气余热等多方面边界条件限制。本 章将根据选定型号燃机确定燃气温度的边界条件，分析化学回热器工作过 程确定产生蒸汽量，根据闪蒸热平衡计算结果确定补给水流量。最后，根 据热力计算结果确定蒸汽发生器各部件几何尺寸，为蒸汽发生器总体性能 仿真提供条件。 2 2 蒸汽量计算 蒸汽发生器产生的蒸汽经化学回热器与燃料混合发生催化裂化反应， 反应后的混合物供入燃烧室参与燃机循环。因此，进行蒸汽量计算前必须 先根据燃烧室工作参数确定化学回热器的工作参数，然后根据化学回热器 中燃料裂解要求确定参与反应的蒸汽量。 在化学回热循环试验台中，采用g t 2 5 0 0 0 舰用燃机的1 1 6 扇形燃烧 室，空气流量为5 5 k g s ，空气压力为2 2 m p a ，燃烧室入口温度5 0 0 。c ， 燃烧室出口温度为1 2 5 0 。c ，燃油流量4 0 0 k g h ，排气温度在5 0 0 。c 附近可 调。为保证化学回热器的产物能够f i a 燃烧室，化学回热器工作压力应高 于燃烧室压力，化学回热器工作压力取2 5 m p a ，进口燃气温度取5 0 0 。c 。 6 哈尔滨【程大学硕士学位论文 化学吲热器采用板式反应器设计结构，油汽混合汽流程装填化学催化 剂，另一流程走燃气；在油汽掺混器中柴油雾化后和蒸汽混合，油汽混合 汽在加热的条件下经催化剂作用裂解成氢气、一氧化碳和二氧化碳混合 气，其中一氧化碳的体积含量约为1 0 2 0 。在化学回热器中蒸汽有两 个作用，一方面是提供化学反应所必须的蒸汽，另一方面是为防止化学回 热器碳结焦而提供的过量蒸汽。因此在蒸汽量的计算中，首先根据反应热 平衡原理确定化学反应所必须的蒸汽量，然后通过选取适当的蒸汽过量系 数确定全部所需蒸汽量。 在氧化碳的体积百分比为0 的情况下，柴油化学回热过程的反应方 程为： c 1 0 h 1 9 + 2 0 h 2 0 = 1 0 c 0 2 + 2 9 5 h 2 + q ( 2 - 1 ) 柴油的热值为4 2 7 0 0 k j k g ，h 2 的热值为1 2 0 9 1 3 k j k g ，c o 的热值为 1 0 1 0 6 4 3 k j k g 。假定柴油量为1 摩尔则裂解后产物总化学热为： q = 2 9 5 x 2 1 0 3 1 2 0 9 1 3 = 7 1 3 38 6 7 k j 折算成柴油当量燃烧热值为： 啦导= 罴器蚓s z ：肌肌s 。 沼z ， 从计算结果可以看出裂解燃料当量燃烧热值为比柴油的燃烧热值提 高了2 0 2 ，在同样供热量的情况下，燃油消耗量可减少1 6 ，8 。将裂解 燃料引入燃烧室，为保证燃烧室出口温度达到1 2 5 0 。c 尚需满足燃烧室热 平衡条件： g 。( 砖一噬) + ( c 一1 ) 瓯，( 三一磁，) = q , ，r q ” ( 2 3 ) 式中，g 。为空气质量流量，按选取燃烧室工作参数取5 5 k g s ；g 。，、 g 。，分别为燃料裂解所需蒸汽质量流量和供入燃烧室燃料质量流量，由化 学平衡式可知两者存在如下关系： g 。= 2 5 9 q ( 2 - 4 ) h ：、h ；分别为组分中不考虑蒸汽的燃气出口比焓及空气进口比焓；磕为 1 2 5 0 。c t n a 比焓；，为进口蒸汽比焓；c 为化学回热器中蒸汽过量系 哈尔滨】j 科人学硕士学位论文 数；q ”为裂解燃料当量热值。 可以看出( 2 - 3 ) 式中存在两个独立变量蒸汽过量系数c 及燃料质量 流量( 或理论蒸汽量) 无法求解。为使方程能够求解我们根据化学回热器 中燃料裂解条件选定蒸汽过量系数为1 8 5 。由此求的所需燃料量为 3 3 2 8 ( 空气) + 2 8 1 ( 蒸汽) k g h = 3 6 0 9 k g h ，参加化学反应需要的理论蒸汽量 为9 3 4 7 3 k g h ，没有参与化学反应的蒸汽量为7 9 5 2 7 k g h ，化学回热器中 总的蒸汽供汽量为1 7 3 0 k g h 。 按此蒸汽配比计算化学回热器中，由化学反应产生的吸热量为 8 6 4 4 4 k w ，由没有参与化学反应的蒸汽产生的吸热量为o 4 8 6 0 k w k ，流 量61 k g s 的燃气放热量为7 3 2 k w k ，则由化学反应与蒸汽吸热产生的燃 气温降为1 2 6 5 。如果化学回热器燃气进口温度为4 8 0 ，则燃气出口 温度为3 5 3 5 。 在一氧化碳的体积百分比为1 0 的情况下，柴油化学回热过程的反应 方程为： c 1 0 h 1 9 + 1 6 4 h 2 0 = 6 4 c 0 2 + 2 5 9 h 2 + 3 6 c o + q ( 2 - 5 ) 按( 2 - 2 ) 式计算，此时裂解燃料的柴油当量燃烧热值为5 2 3 8 8 6 k j k g ， 比柴油的燃烧热值提高了2 2 7 ，在同样供热量的情况下，燃油消耗量减 少1 8 ，5 ，燃烧室出口温度达到1 2 5 0 时需要的供油量为3 2 6 0 ( 空 气) + 3 2 ( 蒸汽) k g h = 3 5 8 k g h ，蒸汽理论供汽流量为柴油质量流量的2 1 2 4 倍，即参加化学反应需要的理论蒸汽量为7 6 0 4 k g h ，如果按1 7 3 0 k g h 蒸 汽供汽量计算，蒸汽过量系数为2 2 7 5 ，将有9 6 9 6 k g h 的蒸汽没有参与化 学反应。由化学反应产生的吸热量为9 6 3 5 k w ，由没有参与化学反应的蒸 汽产生的吸热量为o 5 9 2 5 k w k ，流量6 1 k g s 的燃气放热量为7 3 2 k w k ， 则由化学反应与蒸汽吸热产生的燃气温降为1 4 3 2 。如果化学回热器燃 气进口温度为4 9 5 ，则燃气出口温度为3 5 1 8 。 在一氧化碳的体积百分比为2 0 的情况下，柴油化学回热过程的反应 方程为： c 1 0 h 1 9 + 1 3 4 7 h 2 0 = 3 4 7 c 0 2 + 2 2 9 7 h 2 + 6 5 3 c o + q ( 2 6 ) 此时裂解燃料的柴油当量燃烧热值为5 3 2 5 6 1 k j k g ，比柴油的燃烧热 值提高了2 4 7 ，在同样供热量的情况下，燃油消耗量减少了1 9 8 ，燃 烧室出口温度达到1 2 5 0 时需要的柴油供油量为3 2 0 7 ( 空气) + 3 6 o f 蒸 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 汽) k g h = 3 5 67 k g h ，蒸汽理论供汽流量为柴油质量流量的1 7 4 4 3 倍，即参 加化学反应需要的理论蒸汽量为6 2 2 2 k g h ，如果按1 7 3 0 k g h 蒸汽供汽量 计算，蒸汽过量系数为2 7 8 0 ，将有1 1 0 7 8 k g h 的蒸汽没有参与化学反应。 由化学反应产生的吸热量为1 0 4 5 。9 3 k w ，由没有参与化学反应的蒸汽产生 的吸热量为o 6 7 7 0 k w k ，流量6 1 k g s 的燃气放热量为7 3 2 k w k ，则由 化学反应与蒸汽吸热产生的燃气温降为1 5 7 4 c 。如果化学回热器燃气进 口温度为5 1 0 ，则燃气出口温度为3 5 2 6 。 在一氧化碳的体积百分比为3 3 9 的情况下，柴油化学回热过程的反 应方程为： c 1 0 h 1 9 + 1 0 h 2 0 = 1 9 5 h 2 + 1 0 c o + q ( 2 - 7 ) 此时裂解燃料的柴油当量燃烧热值为5 4 2 8 3 ，5 k j k g ，比柴油的燃烧热 值提高了2 7 1 3 ，在同样供热量的情况下，燃油消耗量减少2 1 ，3 4 ，燃 烧室出口温度达到1 2 5 0 时需要的供油量为3 1 4 6 ( 空气) + 3 9 7 ( 蒸 汽) k g h = 3 5 4 3 k g h ，蒸汽理论供汽流量为柴油质量流量的1 2 9 5 倍，即参 加化学反应需要的理论蒸汽量为4 5 8 8 k g h ，如果按1 7 3 0 k g h 蒸汽供汽量 计算，蒸汽过量系数为3 7 7 0 7 ，将有1 2 7 1 2 k g h 的蒸汽没有参与化学反应。 由化学反应产生的吸热量为1 1 4 0 0 k w ，由没有参与化学反应的蒸汽产生 的吸热量为o 7 7 6 8 k w k ，流量6 ，l k g s 的燃气放热量为7 3 2 k w k ，则由 化学反应与蒸汽吸热产生的燃气温降为1 7 4 2 。如果化学回热器燃气进 口温度为5 2 5 ，则燃气出口温度为3 5 0 8 。 本节根据燃烧室热平衡方程及化学回热器热平衡方程进行工作参数 计算，计算了c o 体积百分比为0 、1 0 、2 0 、3 3 9 四种工况下化学 回热器热平衡情况。从计算结果可以看出，随着c o 体积百分比增加裂解 燃料的当量热值单调递增，燃烧室工作所需燃料量随c o 体积百分比浓度 递减，裂解器燃料裂解所需蒸汽量随燃料量减少而减少。因此，相同蒸汽 量情况下c o 体积百分比为0 对应蒸汽过量系数最小情况取1 8 4 ，此情况 r ：1 7 2 n 对应的水碳比即：= 未蒜25 5 7 3 6 09 ，式中g 。为进入化学回热 q 。 1 2 0 1 3 9 “一 器中蒸汽总质量：q 。为燃料中所含碳组分质量。按转烃蒸汽转化制氢工 艺要求，为防止反应室碳结焦水碳比应大于4 6 。可见所选取的蒸汽过量 系数完全满足燃料裂解工艺要求【。另外，化学回热器出口燃气温度决定 ；坚垒- 滨i 程i 大。学硕士学位避2 。l i；i ；i ；i ；i ；i ；i ；i ； 。 蒸汽发生器中饱和器进口燃气初温，因此在进行蒸汽量计算时同时进行化 学回热器传热平衡计算，饱和器进口燃气初温计算结果为3 5 0 c 左右。 综上所述，化学回热器进口的燃气初温应在4 8 0 - 5 3 0 。c 之问可调，从 化学回热器排出的燃气温度在3 5 0 左右；化学回热器的供油量在 3 5 4 3 6 1 k g h 之问，由蒸汽发生器提供的1 7 3 0 k g h 左右的蒸汽量可以满足 化学反应工艺的要求；为满足向燃烧室提供气态裂解燃料的压力要求，化 学回热器中管程的工作压力应不低于2 5 m p m 化学回热器最大吸热量为 17 0 32 k w 。 补 2 3 蒸汽发生器设计 蒸汽发生器由补给水预热器、饱和器、第一级j 、 j 蒸式、第二_ 级闪蒸室 及浓缩水冷却器组成，其流程示意图如下图所示： 常压饱和蒸汽 冷凝水进1 2 燃气2 5 l f l p a 饱和蒸汽 浓缩水 图2 1 蒸汽发生器流程图 从2 1 所示的流程图可以看出，补给水经预热器经预热器与第二级闪 蒸室产生的常压饱和蒸汽换热，预热至一定温度进入饱和器；在饱和器内 补给水与燃气轮机低端燃气换热，辛卜给水被加热至饱和水水平；饱和水进 入第一级闪蒸室，闪蒸产生当地压力l f 的饱和蒸汽供给化学回热器；剩余 的饱和水进入第二二级闪蒸室，闪蒸产生的常压饱和蒸汽用于补给水预热器 换热，浓缩水进入浓缩水冷却器。 本文研究的蒸汽发生器主要是为了生产化学回热用蒸汽。浓缩水冷却 器是考虑提供舰船生活用水需要，其工作参数及性能对蒸汽发生器整体性 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 能没有影 内 因此本文研究的内容中不包括浓缩水冷却器。 通过上面对蒸汽发生器系统组成的叙述可以看出，蒸汽发生器出补给 水预热器、饱和器两个换热设备和通过控制压力产生蒸汽的两级闪蒸室组 成。本节根据上一节计算的蒸汽量要求及化学回热器出口燃气温度等边界 条件，进行热力计算确定各部件工作参数，并根掘热力计算结果确定各设 备几何特征尺寸。 23 1 蒸汽发生器热力计算 本节首先从计算的蒸汽量出发确定确定补给水流量及供水压力。由闪 蒸室内的能量平衡可以得到： g h p ，= g 。+ g 。，厅；： ( 2 8 ) 式中，g 为补给水质量流量；g ；为闪蒸产生的蒸汽质量流量；g 。为 闪蒸产生的饱和水质量流量；酲为闪蒸室进口饱和水比焓； 二，为闪蒸室 产生的饱和蒸汽比焓：h ：，为阕蒸室产生的饱和水比焓。 根据2 2 节中化学回热器的传热计算可知化学回热器出i c l 即饱和器进 口燃气温度应在3 5 0 。c 左右，通过调节化学回热器进口燃气温度可使出口 燃气温度控制在3 5 0 。c 。设计过程中认为饱和器进口燃气温度为3 5 0 。 由水蒸气热力性质表查褥1 6 m p a 饱和水温度为3 4 7 3 e 。可见饱和器进 口燃气温度水平可以将1 6 m p a 的补给水加热至饱和水温度，为减少闪蒸室 容积补给水供水压力取1 6 m p a 。此压力条件下对应饱和水比焓h ：为 1 6 4 9 6 7 k j k g 。 根据2 2 节蒸汽量计算可知化学回热器工作所需蒸汽量为1 7 3 t h ， 考虑测蒸室熟损失及换热设备换热效率影响，闪蒸室产生的蒸汽量应略大 于上述蒸汽量。设计中应用先按照所需蒸汽量进行蒸汽发生器系统热力计 算确定各节点温度，然后根据确定的节点温度值及饱和器内燃气换热量计 算能够加热的最大补给水流量，按照最大补给水流量确定换热设备及闪蒸 哈尔滨工程大学硕士学何论文 室几何特征尺寸。 化学网热汽所需蒸汽压力为2 5 m p a ，因此闪蒸室工作压力应为 2 5 m p a 。此握力条件下对应的饱和水及饱和蒸汽比焓分别为9 6 1 9 8 k j k g 和2 8 0 2 0 4 k j k g 。又根据质量守恒原理有： g = g 。+ g 。， ( 2 - g ) 式中蒸汽质量流量g 。取1 7 2 f f h 。因此在方程( 2 - 8 ) 中仅存在一个独立变 量方程封闭。解得补给水流量g = 4 6 3 t h 。 当化学回热器没有工作时，从化学回热器出来的质量流量为j 6 k g s 的3 5 0 。c 燃气进入饱和器，当燃气温降2 5 0 。c 时可将4 6 3 t h 的水从9 5 。c 加热到温度为3 4 7 ，3 6 ( 1 6 m p a ) 的饱和水，因此饱和器进口温度可以设 计为9 5 。 当化学回热器工作之后，从化学回热器出来的质量流量为6 1 k g s 的 3 5 0 燃气进入蒸汽发生器的管壳式换热器，当燃气温降2 5 0 。c 时可将 5 2 6 t h 的水从9 5 。| c 加热到温度为3 4 7 3 6 ( 1 6 m p a ) 的饱和水，1 6 m p a 的饱和水在第一级测蒸器中闪蒸到2 5 m p a 可产生1 9 6 5 t h 的饱和蒸汽。 通过上述计算可以确定第一级闪蒸室及饱和器工作的热力参数。第一 级闪蒸室产生的蒸汽量为1 9 6 5 t h ，工作压力2 5 m p a ；饱和器进口燃气 温度3 5 04 c ，出口燃气温度1 0 0 。c ；饱和器进口补给水温度9 5 ，出口饱 和水温度为3 4 7 3 6 ；补给水流量为5 2 6 t h 。 根据饱和器和第一级闪蒸室热力参数计算结果第二级闪蒸室进口饱 和水流量为： g 2 = g 。= g g 。= 5 2 6 1 9 6 5 = 3 ，2 9 5 t h 第二级闪蒸室工作压力为1 m p a ，此压力条件下对应的饱和水比焓及饱和 蒸汽比焓分别为7 6 2 6 8 k j k g 和2 7 7 7 1 2 k j k g 。将上述条件代入( 2 - 8 ) 式进行热平衡计算可以求解，第二级闪蒸室产生的常压蒸汽量为 0 7 9 3 t h ，常压饱和水产量为2 5 0 2l h 。 第二级闪蒸室的工作压力为常压，经第二级闪蒸后产生的常压蒸汽量 为o 7 9 3 t h 。在化学回热循环试验台中第二级闪蒸产生的饱和蒸汽没有其 它用途，可以全部用来加热补给水。补给水出口温度l ，控制在9 5 ，入 r _ i 温度z ，为2 0 。c ，设定常压饱和蒸汽经预热器换热后温度降为2 j ，进 行补给水预热器的热平衡计算： 喻尔滨工程大学硕士学位论文 g ( 矗：。一 ：) = g ，：( a ：。一二。，) ( 2 - 1 0 ) 式中，g 、g ，分别为进入补给水预热器的补给水流量及蒸汽流量； 形。、 ：为补给水在预热器出口口和进口口温度下的比焓； 瓦。、砣。 为常压饱和蒸汽在预热器进口及出口比焓。 根据前面计算可知补给水流量为5 2 6 t h ，补给水进e l 温度为2 0 ， 比焓瓦为9 8 8 7 k j k g ，出口比焓 二。为4 1 3 8 7 k j k g 。常压饱和蒸汽进口温 度为1 0 0 ，比焓自：。为2 6 7 4 9 5 k j k g ，出口温度为2 5 ，比焓瓦。为 4 1 7 4 4 k j k g 。将上述条件代入( 2 1 0 ) 式计算得到所需饱和蒸汽质量流量 为0 6 4 5 t h ，温度为1 0 0 。可以看出，第二级闪蒸室产生的0 7 9 3 t h 的 常压饱和蒸汽量完全能够满足补给水预热器的换热要求，在考虑换热效率 的情况下仍然可以通过调整第二级闪蒸室压力，从而调整饱和蒸汽热量以 使预热器出口补给水温度满足饱和器进口工作参数要求。 以上根据热平衡计算结果得到了设计工况蒸汽发生器系统各部件工 作参数。补给水流量为5 2 6 t h ，补给水压力为1 6 m p a ；预热器进口补给 水温度为2 0 。c ，出口温度为9 5 ，出口冷凝水温度为2 5 ；饱和器进口 燃气温度为3 5 0 ，出口燃气温度为1 0 0 ，出口饱和水温度为3 4 7 3 6 ； 第一级闪蒸室工作压力为2 5 m p a ，产生蒸汽量为】9 6 5 t h ；第二级闪蒸 室工作压力为1 m p a ，产生饱和蒸汽量为0 7 9 3 t h 。这些工作参数的确定 为蒸汽发生器系统各部件的设计提供了必要条件，下一节将根据热力计算 的结果进行各部件的结构设计。 2 3 2 管壳式换热器设计。1 蒸汽发生器系统中的补给水预热器及饱和器部属于换热设备，设计中 采用管壳式换热器结构。本节根据上一节确定的工作参数，按管壳式换热 器设计方法进行补给水预热器及饱和器的结构设计。 管壳式换热器的设计内容包括，传热面积计算、壳体型式、管程数、 管径、管长、折流板型式的确定等方面内容。本节以补给水预热器为例， 叙述管壳式换热器的设计过程，并给出补给水预热器及饱和器的设计结 果。 哈尔滨i ：程人学硕十学位论文 1 传热面积计算 管壳式换热器管内属于对流换热流动过程，根据对流换热传热方程 有：4 l ，= g ( k 。，瓦) ( 2 - 1 0 ) 式中，口为总传热系数，污垢热阻、传热效率都计入总传热系数内；a 是 对流换热面积：咒为平均换热温差，计算时取算术平均温羞。 l = 半 ( 2 1 1 ) 从上式可见，平均换热温差可由最大温差与最小换热温差求得。 0 6 4 5 t h 的常压饱和蒸汽释放的汽化潜热可以使5 2 6 t h 的水升温5 8 8 ，预热器出口补给水温度为9 5 ，则预热器内最大换热温差为6 3 8 。c 。 最小换热温差为5 。将上述值代入( 2 - 1 1 ) 式求得平均换热温差近似为 3 4 4 ，取平均换热温差3 0 。 总传热系数口的值可根据经验选取。用于海水蒸发的钛合金换热管 束，总传热系数口值可取为2 3 0 0 w m 2 。 将上述确定的各项值代入( 2 - 1 0 ) 式中即可求得管壳式换热器中总换 热面积为： a：塑延塑：526x1000 x(41387-9987)：665m2 融疋 2 3 0 0 3 0 x 3 6 2 结构设计 选取钛合金管材，管材规格为矿1 8 x o 6 r a m ，设定管内冷流体流动速 度为0 1 n s 。由质量守恒方程有： g = 三n 蒯细 式中p = 1 0 0 0 k g m 3 ，u = 0 i r n s ，d ，= 1 6 8 m m ，g = 5 2 6 t h 。解得换热 器内管数r l 为6 6 根。 传热面积a = h 耐，解得换热器内管长，= i 9r n 。取管长2 m ，换热 面积a = 6 9 7 m 2 。其他结构参数可根据管壳式换热器设计手册选取。最终 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 设计结果如下： 表1 补给水预热器设计结果 序号名称设计值 单位 。 l