西门子V94.3A燃气轮机配套余热锅炉设计.pdf

2 0 0 6 年第 1 期 上 海 电力 西门子 V 9 4 3 A燃气轮机配套余热锅炉设计 郭琴琴 杨 震 刘忠楼 上海锅炉厂有 限公 司 上海2 0 0 2 4 5 摘要 华能上海石洞口燃机电厂燃气一蒸汽联合循环工程选用西门子 V9 4 3 A型燃气轮机 余热锅炉是国 内设计生产的第一台配该型号燃机的余热锅炉 由于机组整体性能由西门子保证 故余热锅炉的系统设计必 须考虑满足西门子提出的相关要求 介绍 了余热锅炉主要设备的结构特点 详细介绍了配 V9 4 3 A型燃机 的 余热锅炉设计技术数据 可为国内大型联合循环机组余热锅炉的设计提供参考 关蕾词 V9 4 3型燃气轮机 余热锅炉 联合循环 材料 中田分类号 TK 2 2 9 T M6 1 1 3 1 文献标识码 A 华能上海石洞 口燃机电厂 3 4 0 0 MW 燃气 一 蒸汽联合循环机组选用 S I E ME NS V9 4 3 A型 燃机 燃用天然气 余热锅炉为上海锅炉厂有 限公 司在引进 A L S T OM公司 6 B 9 H等级的联合循 环机组余热锅炉技术的基础上 进行的第一套 9 F 级余热锅炉设计 由 AL S T OM 澳大利亚分公 司 提供技术支持 l 设计参数与系统介绍 华能上海石洞 口燃机 电厂余热锅炉为三压再 热 卧式布置 无补燃 自然循环式 在性能保证 工况 环境温度 1 5 8 C 大气压力 1 0 1 6 3 k P a 相对湿度 7 9 下 余 热锅炉主要设 计和性 能参 数如下 燃机排气流量 6 6 5 1 7 k g s 燃机排气温度 5 8 7 7 o C 燃机排气成分 体积百分比 02 1 2 5 2 N2 7 4 1 9 C O 2 3 7 6 9 6 S02 0 H2 O 8 6 6 9 6 Ar 0 8 7 高压蒸汽流量 7 3 8 9 k g s 高压蒸汽温度 5 6 7 5 C 高压蒸汽绝压 1 3 0 8 MP a 再热蒸汽流量 8 7 7 4 k g s 再热蒸汽温度 5 5 1 5 C 再热蒸汽绝压 3 0 7 MP a 冷段再热蒸汽流量 7 2 3 4 k g s 冷段再热蒸汽温度 3 7 O 3 C 冷段再热蒸汽绝压 3 2 1 MP a 中压蒸汽流量 1 5 3 2 k g s 中压蒸汽温度 3 3 4 C 中压蒸汽绝压 3 3 6 MP a 低压蒸汽流量 1 3 1 4 k g s 低压蒸汽温度 2 4 0 7 C 低压蒸汽绝压 0 3 7 MP a 低压给水温度 3 2 7 C 锅炉效率 8 7 4 排烟温度 9 O C 烟气阻力 3 3 k P a 余热锅炉高压 中压 和低压系统分别 由省煤 器 蒸发器和过热器组成 高压过热蒸汽进入汽 机高压缸作功 中压过热蒸汽与汽机高压缸排汽 汇合后进入再热器 再热器出 口蒸汽进入汽机 中 压缸 低压过热蒸汽与汽机中压缸排汽一起进入 汽机低压缸 锅炉的低压给水由汽机凝结水泵供给 高 中 压给水由低压给水经二级低压给水加热器加热后 供给 锅炉采用 2台 1 0 0 容量的给水泵 高压给 水取 自给水泵出口 中压给水取 自给水泵中间抽 头 锅炉水循环采用 自然循环方式 高 中 低压 水循环系统各由汽包 下降管 蒸发管和上升管组 成 在性能保证工况下 高 中 低压水循环倍率 分别为 6 0 1 4 7 2 3 9 具有较大的安全裕度 高压过热蒸汽和再热蒸汽温度调节采用喷水 减温方式 各设置二级减温器 高压一级减 温器 位于高压过热器 1和高压 过热器 2之间 末级减 一 3一 维普资讯 上 海 电力 2 0 0 6 年第 1 期 温器位于出I 1 主蒸汽管道上 再热一级减温器位 于两级再热器之间 末级减温器位于再热器出 口 蒸汽管道上 高压过热蒸汽和再热蒸汽正常运行 工况下主要通过一级减温器减温 末级减温器主 要用于启动工况下的减温 低压过热蒸汽不设减 温器 余热锅炉配有低压给水再循环泵 系统 低压 给水旁路系统 启动旁路除氧器系统 高压省煤器 旁路系统和疏水排污系统等辅助汽水系统 低压给水再循环系统 用来提高低压给水加 热器的进口水温 防止受热面发生低 温腐蚀 低 压给水旁路 用来防止部分工况下 给水加热器出 口水温过高 发生汽化现象 启动旁路除氧器系统用于启动时满足给水品 质要求 高压省煤器旁路 系统用于防止高压省煤 器汽化和调节其烟气 出口温度 疏水排污系统用 于启停时锅炉的疏水 放水及正常运行 时的排污 t 等 受热面各部件根据性能设计需要间列布置 沿烟气流动方向的受热面布置见 图 1 由于 s I E ME Ns汽机采用 1 0 0 蒸汽旁路系 统 所以与常规设计不同 该联合循环机组不设旁 路烟囱 所有燃机排气经余 热锅炉后排 出 锅炉 烟气 系统主要 由进 口烟道 连接炉墙 过渡烟道 烟囱等组成 进 口烟道用于扩散燃机排气至余热锅炉入 口 截面上分布尽量均匀 连接炉墙用于组成受热 面 区域的烟道 余热锅炉 出 口烟气经过渡烟道引至 烟囱后排 出 鳘 过 热 器 肇 执 减 温 水 I 品 辋 一 l 4一 季lI垂 季 II垂 基 基 辇蠹 蓥 浆 减 温 水 高 压 蒸 发 器 由 压 过 热 器 2 主 要设备 与结构特点 2 1 受热面 余热锅炉所有受热面采用开 口螺旋鳍片管 错列布置 管束为 Ha r p型的管排结构 需合理 选择鳍 片管规 格 以保 证高换热效果和低 造价 基管除再热器采用外径 4 4 5 mm管外 其余受 热面采用外径 3 8 1 mm管 在烟气高温区采用 S A2 1 3 Tg l S A2 1 3 T 2 2管 材 在 低 温 区 采 用 S A2 1 0 A1 管材 鳍片厚度均为 1 mm 宽度均为 4 mm 高度分 1 6 mm和 1 3 mm 两种 节距随受热 面不同而变化 在烟气高温区鳍片材料采用不锈 钢 低温区采用碳 钢 设置了梳形 定位管夹对鳍 片管定位 防止发生震动和碰撞 2 2 受热面小集箱和汇合集箱 每排受热面管上下两端各布置一 只受热面小 集箱 每只集箱只与单排管屏相 连 可以减少小 集箱热应力 同时避免单集箱多排管设计 中蒸发 器后排较冷管可能发生的倒流现象 另外 与多 排管相比 管与集箱的焊接更为方便 焊接质量可 以得到充分保证 小集箱 外径采用 中 l 1 4 3 mm 和 4 8 8 9 mm 两种规格 对应于不同烟温区域的 受 热 面 分 别 采 用 S A2 1 3 P 9 1 S A2 1 3 P 2 2和 S A1 0 6 B材料 锅炉各部位汇合集箱设计采用柔性连接 以 吸收受热面管束 的热膨胀和热应力 采用多管道 引入引 出结构 使集箱壁 温分布更加均 匀合理 对应于 不 同的烟 气温 度 区域 分 别采 用 S A2 1 3 P 9 1 S A2 1 3 P 2 2 S A2 1 3 P 1 1和 S A1 0 6 B材料 辜ll摹 Il I I I蓁ll霉lI奏 lll霉 高 压 省 煤 器 5 低压蒸汽 图 1 汽水流程 图 低 压 蒸 发 器 至旁路除氧器 高压给水 给I l 给 水l I 水 加I l 加 热I l 热 器l l 器 1 l l 2 凝结水 路除氧 维普资讯 2 0 0 6 年第 1 期 上 海 电力 2 3汽包 高压汽包规 格 为 中 1 9 8 1 mm 内径 1 2 4 mm 最小壁厚 中压汽包为 中 1 3 7 2 mm 内径 2 5 mm 最小壁厚 低压汽包为 中 1 5 2 4 mm 内 径 X 1 2 mm 最小壁厚 高压汽包材料为 S A一 2 9 9 中 低压汽包为 S A一 5 1 6 Gr 7 0 高压汽包封头 为半球型 中 低压汽包为半椭球型 汽包 内部装 置与常规锅炉相似 高 中压汽包 内设 置旋风分 离器 低压汽包 由于压力低 汽水分离 比较容易 所以只采用简单的标准三通和波纹板干燥箱 由于启动时从燃机排出的急速大量热量会使 汽包内水发生膨胀现象 造成水位大幅波动 因此 设计汽包内部容积足够大 可以减少冷态启动中 可能产生的水面波动 高 中 低压汽包水位维持 时间分别可 以达到 3 3 8 1 1 1 6 mi n 汽包 内 部布置足够数量 的分离器 可以保证蒸汽品质 2 4 减温器 高压过热蒸汽和再热蒸汽各布置 2级喷水减 温器 高压过热蒸 汽减温水取 自高压给水 即给 水泵出口 再热蒸汽减温水取 自中压给水 即给水 泵中间抽头 高压蒸汽减温器和再热二级减温器 采用 S A2 1 3 P 9 1材 料 再 热 一级 减 温 器 采 用 S A2 1 3 P 2 2材料 2 5启 动除 氧器 出于 S I E ME NS燃机对启动时汽水品质的要 求 设置启动除氧器 启动除氧器在启动时负荷 低于 5 O 时投 运 以保证 给水 含氧 量小于等 于 7肛 g L 采用立式 一体化 式除氧器 除氧蒸 汽 由低压汽包供给 2 6烟道系统 烟道系统包括始于燃机膨胀节法兰处的进 口 烟道 组成受热面区域烟道的连接炉墙和受热面 区域出口至烟囱的过渡烟道 进 口烟道与连接炉 墙 由碳钢外护板 保温层和内护板组成 在厂内组 装 热段 的内护板材料为不锈钢 受热面区域 出 口至烟囱的过渡烟道采用不保温的碳钢罩壳 烟 道上布置适量的人孔 测量孔等 进 口烟道采用变角度设计 既可以满 足余热 锅炉受热面入 口处烟气分布尽可能均匀 的要求 又可以缩短入口烟道长度 节约成本 烟道内布置防震 隔板和烟气挡板 以合理分 配烟气 防止产生震动 保证较好的换热 余热锅炉采用冷 态炉墙结 构 内保 温方式 选取合适的保温材料和厚度 保证炉墙外部温度 最高不超过 5 O C 2 7 模块支撑结构 受热面采用模块化布置 共 1 5只模块 横 向 3列 纵 向 5 排 最重模块约为 1 6 0 t 模块支撑 方式采用钢架支撑悬 吊结构 模块 中受热面管屏 向下膨胀 高压过热器 再热器区域模块支撑 由其 上汇 合集箱上吊耳通过方形销轴直接悬于受压件支撑 钢梁上 销轴孔 的设计能满足热态时模块 向两侧 自由膨胀 其余模块的支撑由管屏上部小集箱通 过连接板和吊攀式 吊杆与支撑钢梁相焊 整个模 块的受力平衡由中间的销紧螺母进行调节 3 烟气侧和汽水侧温度 在性能保证工况下的烟气侧和汽水侧温度分 别如表 1和图 2所示 高 中 低压蒸发器节点温 差分别为 l O 1 2 1 O C 高 中 低压接近点温差分 别为 6 1 0 8 C 衰 1 性能保证 工况 下的烟气温度 设备 温度 c 设备 温度 高压过热器 1 5 8 8 5 7 5 低压过热器 2 5 2 2 4 8 再热 器 1 5 7 5 5 5 8 高压省煤器 3 2 4 8 2 4 4 高压过热器 2 5 5 8 5 3 O 中压省煤器 2 4 4 2 3 5 再热器 2 5 3 O 4 9 9 高压省煤器 4 2 3 5 2 2 8 高压过热器 3 4 9 9 4 5 6 高压省煤器 5 2 2 8 1 9 4 高压蒸发器 4 5 6 3 4 3 低压蒸发器 1 9 4 1 5 4 中压过热器 3 4 3 3 3 7 给水加热器 1 1 5 4 1 2 1 高压省煤器 1 3 3 7 3 2 1 给水加热器 2 1 2 6 9 O 高压省煤器 2 3 2 1 2 9 O 烟囱 9 0 中压蒸发器 2 9 0 2 5 2 娲 翠 压压压压 压压 压 压 压 压 压 水 水 蒸过省省 蒸 省 蒸 加 加 发热煤煤 发般 煤 发 热 热 器器器器 器 器 器 器 器 1 2 3 4 5 1 2 图 2 性能保证工况下的汽水侧温度 一 1 5一 压过热 器 热器 2 压过热 器 热器 压过热 器 维普资讯 上 海 电力 2 0 0 6 年第 1 期 4 调峰运行能力 为适应联合循环机组频繁启停和快速变负荷运 行的要求 余热锅炉的设计采取了以下设计特性 1 每一集箱只有单排管屏 2 无弯头的鳍片管 3 上集箱与汽包问用柔性管圈连接 4 集箱内不设隔板 5 高 温 区 采 用 高 蠕 变 强 度 材 料 P 9 1 T9 1 6 采用小直径集箱 可 以降低 6 O 的热应 力 7 过热器和再热器每个集箱都有多个管道 引入引出 使集箱壁温分布更加均匀 8 强化的疏水布置 可防止燃机吹扫时过 热器和再热器内部的冷凝水积留 余热锅炉允许启动次数如表 2 所示 同时可 以达到 2 5 1 0 0 的负荷条件和 1 5 MW mi n 的负荷变化率要求 衰 2 余热锅炉允许启动次数 启动方式 每年 次 寿命期 次 冷态启动 停机时间 7 2 h 5 1 2 5 温态启动 1 0 h 停机时 间 7 2 h 1 5 O 3 6 0 0 热态启动 停机时间 1 O h 2 0 0 5 0 0 0 极热态启动 停机时间 1 h 3 7 5 总计 3 5 8 8 8 0 0 5 结语 由于石洞 口燃机工程余热锅炉是上海锅炉厂 有限公司设计的第一 台大型余热锅炉 产品 同时 也是 国内第一 台配西门子 V 9 4 3 A燃机的余热锅 炉 在国内尚无可以借鉴 的经验 针对本工程的具 体特点 在设计 中重点考虑了以下事项 1 由于本工程燃机和汽机均为 S I E ME NS 产品 机组整体性能 由 S I E ME NS保证 所以余热 锅炉的系统设计必须考虑满足 S I E ME NS提出的 相关要求 如不设旁路烟囱 采用启动除氧器 过 热器 再热器疏水系统采用疏水器等 2 由于性 能考 核试 验是基于零 测试误差 测量结果不考虑测量误差 和仪表误差 的修正 因 此 余热锅炉的出力设计考虑了适 当的附加余量 同时 根据烟气温度和工质温度特性 对受热面的 流程和布置进行了优化设计 3 在材料选 用方 面 为适应联合循环机组 快速启停和变负荷运行的要求 虽然高压和再热 蒸汽 压 力 较 低 分 别 为 l 2 9 8 MP a和 2 9 7 MP a 但考虑到蒸汽温度较高 5 6 7 5 C 和 5 5 1 5 C 高温过热器和高温再热器的材料选用高蠕变 强度材料 T9 1 相应 的连接管道和主蒸汽管道选 用 P g l 材料 对低压蒸 发器 的出 口联 箱和上升 管 为避免管内的高速磨损 材料选用 P 1 1 4 为防止省煤器汽化 要求始终有 定的 接近点温差 为此 对高压省煤器和低压省煤器 分别设置了高压省煤器旁路和低压给水加热器旁 路 以保证所有负荷工况下不发生汽化现象 收稿 日期 2 0 0 5 1 2 3 0 作者简介 郭琴琴 1 9 7 4 一 女 山西人 工程师 从事锅炉性 能设计 0 2 1 6 4 3 0 2 3 9 1 x 8 3 7 5 扬 震 1 9 6 8 男 江 苏人 高 级工程 师 从 事锅 炉设 计 低 N O x排 放 0 2 1 6 4 3 0 2 3 9 1 8 3 2 7 刘忠楼 1 9 6 9 一 男 江苏人 高级 工程 师 从事 电站 锅 炉 余热锅炉设计与研 究 0 2 1 6 4 3 0 2 3 9 1 8 3 7 5 责任编辑 尹端士 De s i g n o f h e a t r e c o v e r y s t e a m g e n e r a t o r f i t t e d t o S i e me n s V9 4 3 A g a s t u r b i n e GUO Qi n q i n Y ANG Z h e n L儿 Zh o n g l o u S h a n g h a i B o i l e r W o r k s L t d S h a n g h a i 2 0 0 2 4 5 C h i n a A b s t r a c t Th e S i e me n s V9 4 3 A t y p e g a s t u r b i n e wa s s e l e c t e d b y t h e g a s s t e a m c o mb i n e d c y c l e p r o j e c t o f t h e S h i d o n g k o u Ga s Tu r b i n e P o we r P l a n t Th e l o c a l l y d e s i g n e d a n d ma n u f a c t u r e d h e a t r e c o v e r y s t e a m g e n e r a t o r i s t h e f i r s t o n e o f s u c h k i n d t h a t i s f i t t e d t o t h e a b o v e t y p e g a s t u r b i n e As t h e o v e r a l l p e r f o r ma n c e o f t h e g e n e r a t i n g u n i t i s t o b e g u a r a n t e e d b y S i e me n s t h e s y s t e m o f t h e h e a t r e c o v e r y s t e a m g e n e r a t o r mu s t b e d e s i g n e d t o me