燃气轮机余热锅炉的优化设计研究（703所）

1、燃气轮机余热锅炉的优 化 设 计 研 究主讲人 陈 明 研究员(第七O三研究所)2006年10月15日 本报告在总结七三研究所燃机余热锅炉的优化设计研究经验和设计特点基础上，对燃机余热锅炉优化设计技术进行深入剖析 第七O三研究所余热锅炉及其附属产品简介余热锅炉蒸汽参数的优化 余热锅炉型式的优化 余热锅炉热工参数的优化研究 余热锅炉受热面设计的优化研究 余热锅炉锅筒直径设计的优化研究 余热锅炉优化设计的核心技术采用小管径 结束语 主要内容余热锅炉的作用和地位： 一. 第七O三研究所余热锅炉简介 余热锅炉是联合循环电站不可或缺的设备，无论是发电，还是供热或蒸汽回注，它都必不可少。由于低温换热，相对

2、同一蒸汽产量，其烟气流量大，金属耗量多，结构庞大，造价相对较高，故在联合循环电站中，其地位仅次于燃气轮机，高于蒸汽轮机 从1980年开始，第七O三研究所先后承担了31个燃机电厂22种型号70多台（套）燃气轮机余热锅炉及旁路烟道系统的设计、制造、供货以及技术和工程总承包 余热锅炉重要大事记: 七O三研究所余热锅炉主要业绩： 一. 第七O三研究所余热锅炉简介七0三所是国内唯一的大型舰船主动力研究所，自1980年开始，即跟踪国际科学前沿，大力开展燃气蒸汽联合循环的科学研究 1982年自行设计研制成功我国首套舰用燃机联合循环电站;1990年为深圳南山热电公司研制成功我国首批3台PG5361燃机余热锅炉

3、;2001年向苏丹出口4套燃蒸联合循环余热锅炉，这是我国历史上首次出口燃机余热锅炉;2002年向济钢提供2套余热锅炉,这是我国余热锅炉在钢铁行业低热值煤气燃机联合循环中首次应用；之后又为钢铁行业提供10余台余热锅炉，为国家循环经济发展做出贡献一.第七O三研究所余热锅炉简介深圳南山热电一期工程苏丹吉利燃机电厂余热锅炉济钢一期燃机电厂余热锅炉新疆克拉玛依项目余热锅炉台州椒江项目余热锅炉苏丹喀土穆炼油厂联合循环自备电站 三通挡板阀是国内唯一替代进口的产品。用户的运行经验比较表明，设备性能完全达到或超过了国外同类产品的水平，而其价格远低于国外进口产品，三通挡板阀的大型化方面也处于世界领先水平 第七O三

4、研究所三通挡板阀简介印尼项目旁路烟道系统深圳福华德电力燃机配套的DB901三通挡板阀 （液压）二.余热锅炉蒸汽参数的优化名 称单压无再热循环双压无再热循环双压有再热循环蒸汽轮机功率/MW 全 部4040606060主蒸汽压力/ MPa4.135.646.618.269.98主蒸汽温度/538538538538538再热蒸汽压力/MPa2.062.75再热蒸汽温度/538二次蒸汽压力/MPa0.550.550.550.55二次蒸汽温度/比过热器前的燃气温度低11305 倘若燃气轮机的排气温度t4568，主蒸汽温度应比排气温度低30GE公司推荐的单压和双压循环系统蒸汽参数规范 我国国内联合循环蒸汽

5、参数一般由电力设计院选定，其选择往往以汽轮机蒸汽参数为依据;由于汽轮机多采用常规火电汽轮机，故余热锅炉蒸汽参数多为、450;国外进口余热锅炉蒸汽参数、480，与GE公司推荐的蒸汽参数相差甚远 二.余热锅炉蒸汽参数的优化计算表明，采用双压蒸汽参数的电厂总循环效率比采用单压要提高2%以上，有利于提高电厂经济效益和缩短电厂投资回收周期。七0三所在国内率先采用汽轮机双进汽MS6001B燃机三压余热锅炉，产品先后应用于克拉玛依电厂和济钢二期工程 二.余热锅炉蒸汽参数的优化二.余热锅炉蒸汽参数的优化双压燃机余热锅炉与三压余热锅炉性能比较表 序号名称单位济钢一期工程(2001年发电)济钢二期工程(2005年

6、发电)克拉玛依电厂(2004年发电)1燃机型号/PG6561B-LPG6561B-LPG6581B2环境温度1515153燃机燃料/高炉、焦炉混合煤气高炉、焦炉混合煤气天然气4燃机出口烟温5255335515燃机烟气重量流量t/h526586529.26锅炉进口烟温5225305487锅炉烟气容积流量KNm3/h4274494148高压过热蒸汽压力MPa3.826.874.19高压过热蒸汽温度45010468105201010高压过热蒸汽产量t/h7069.867.811低压过热蒸汽压力MPa/0.590.56二.余热锅炉蒸汽参数的优化双压燃机余热锅炉与三压余热锅炉性能比较表 序号名称单位济钢

7、一期工程(2001年发电)济钢二期工程(2005年发电)克拉玛依电厂(2004年发电)12低压过热蒸汽温度/230102501013低压过热蒸汽产量t/h/13.09.014除氧锅炉出口压力MPa0.20.20.215除氧锅炉蒸汽产量t/h101.81.416锅炉排污率%11117给水温度10510510218冷凝水温度/353519凝水加热器出口水温/959220锅炉排烟温炉余热利用率%73.6782.3982.6222蒸汽轮机发电量kw1800021300并蒸汽母管克拉玛依电厂Q414/548-67.8(9)(1.4)-4.1(0.56)(0.2)/520(250

8、)(133) 余热锅炉t-Q图二.余热锅炉蒸汽参数的优化二.余热锅炉蒸汽参数的优化济钢二期工程Q449/530-69.8(13)(1.8)-6.87(0.59)(0.2)/468(230)(133) 余热锅炉t-Q图 通过以上对比可以看出，余热锅炉经过优化后得到的发电量提高了313kw，锅炉余热利用率提高了8.72%，取得了非常好的经济效益，今后余热锅炉都将会向三压锅炉方向发展 二.余热锅炉蒸汽参数的优化燃机余热锅炉的型式有三种：以西欧为代表的强制循环锅炉;以美国为代表的一般自然循环锅炉;七0三所自行开发研制的小管径自然循环锅炉 二.余热锅炉型式的优化二.余热锅炉型式的优化 双压强制循环余热锅

9、炉1-过热器 2-中（高）压蒸发管束 3-省煤器 4-低压锅炉强制循环锅炉主要特点: 受热面可灵活布置 采用小管径，传热好，重量轻，尺寸小，结构紧凑 常布置于立式烟道，烟囱与锅炉合二而一，省地，占地面积小； 锅炉容水量小，启动快，机动性好，适于启停频繁的调峰电站； 必须装设高温锅水强制循环泵，可靠性差，电耗大，提高电厂运行成本 必须采用小弯头，必要时尚需设置节流孔圈，制造工艺复杂 锅炉进口烟道至少有一个90大转弯，结构庞大，烟气阻力较大 对锅炉自动控制要求较高 锅炉重心较高，稳性较差，不利抗风抗震 二.余热锅炉型式的优化二.余热锅炉型式的优化 双压自然循环余热锅炉1-过热器 2-中（高）压锅炉

10、本体 3-省煤器 4-低压锅炉 二.余热锅炉型式的优化自然循环锅炉主要特点: 蒸发受热面为立式水管，常布置于卧式水平烟道应用最多，锅炉型式成熟，工作可靠，运行使用经验丰富不必装设工作可靠性较差的高温锅水强制循环泵结构简单，制造容易锅炉容水量大，适应负荷变化能力强对锅炉自动控制要求相对较低采用大管径受热面时，重量尺寸指标较差，占地面积较大锅炉烟道节省一个90转弯，烟气阻力较小锅炉重心低，稳性好，抗风抗震性强。二.余热锅炉型式的优化七0三所自行开发研制的小管径自然循环锅炉1-过热器 2-中（高）压锅炉本体 3-省煤器 4-低压锅炉管束 二.余热锅炉型式的优化七O三研究所小管径自然循环余热锅炉主要特

11、点:在舰船锅炉军工技术基础上自行设计研制成功类似于船舶锅炉紧凑布置的结构型式，是七O三所余热锅炉的独有特征 因采用小管径，而具有强制循环锅炉传热好、重量轻、尺寸小和启动快等优点又因采用自然循环，而具有不设强制循环泵、可靠性与制造性良好等优点 三.余热锅炉热工参数的优化锅炉窄点温差的优化研究 锅炉窄点温差又称节点温差，是锅炉烟气与汽水介质之间的最小温差，通常指蒸发器出口处烟温与锅筒饱和温度之间的温差此温差的大小是表明锅炉余热利用率大小的指标之一,温差愈小，锅炉余热利用率愈高，但需要的蒸发器受热面也愈大 一般以712为宜通常高压锅炉取较小值，低压锅炉取较大值燃机燃用天然气时取较小值，燃用轻油时次之

12、，燃用重油时取较大值。 三.余热锅炉热工参数的优化2.省煤器欠温的优化研究 省煤器欠温又称接近点温差，指锅筒饱和温度与省煤器出口水温之间的温差省煤器欠温的大小表明锅炉余热利用率大小。欠温愈小，锅炉余热利用率愈高，但需要的省煤器受热面也愈大 一般以510为宜 大型燃机余热锅炉常将省煤器设计成可分式，即在省煤器与锅筒之间设置增压阀,既可提高省煤器出口水温，增加省煤器吸热量，又可避免省煤器内给水沸腾，提高省煤器工作寿命 三.余热锅炉热工参数的优化3.锅炉蒸汽产量的优化研究 在蒸汽参数、锅炉窄点温差和省煤器欠温等热工参数优化确定之后，可根据过热器与蒸发器两大部件的热平衡方程，优化确定锅炉蒸汽产量: 三

13、.余热锅炉热工参数的优化在锅炉蒸汽产量优化确定之后，即可确定排烟温度锅炉窄点温差和省煤器欠温愈小，锅炉排烟温度也愈低。由锅炉热平衡方程可求锅炉排烟温度： 4.锅炉排烟温度的优化研究 三.余热锅炉热工参数的优化5.受热面烟速及介质流速的优化研究 各受热面烟速一般按1219m/s选取。过热器较高，蒸发器次之，省煤器再次之，低压锅炉及其后的受热面较低。烟速愈高，烟气阻力愈大，受热面就愈小，但燃机功率耗损也愈多过热器蒸汽流速可按1225m/s选取 省煤器水速，向上流动或水平流动可按选取，向下流动则按1m/s选取 沸腾式省煤器向下流动水速应达到1m/s以上 强制循环蒸发器管内锅水质量流速按防止管内汽水分

14、层的最小质量流速优化设计，一般向上或水平流动取为250300kg/m2s，向下流动取为550600 kg/m2s 四.余热锅炉受热面设计的优化1.扩展受热面的应用 扩展受热面又称肋片，是翅片、圈片、鳍片的统称，有方形、圆形、齿形、星形、针形之分，又有直立、螺旋之别此类受热面具有传热好、重量轻、尺寸小的特点，已广为应用，大有取代传统的光管受热面之趋势 螺旋翅片管是扩展受热面中应用最多、最广泛的一种受热面型式，也是七0三所燃机余热锅炉采用的主要传热元件四.余热锅炉受热面设计的优化2. 螺旋翅片管的应用研究 吸引同一热量，螺旋翅片管与传统的光管受热面相比：管排数比为1：3重量比为2：3尺寸比为1：2

15、烟气阻力比为2：3管内介质阻力比为1：3 四.余热锅炉受热面设计的优化3. 螺旋翅片管的设计优化主要结构参数为： 翅片管高度h，翅片节距s，翅片厚度，管径d将翅片高度h和节距s作为衡量翅化程度大小的标志翅片高度h愈高，节距s愈小，则翅化程度愈大 在同样的烟气介质、烟气温度和烟气速度下，管径愈小，翅片高度愈高，节距愈密，则传热效果愈佳 翅片厚度的大小对传热系数影响不大 提高翅片高度h，降低翅片节距s，传热系数下降而受热面迅速上升，使传热量增加，传热效果提高 四.余热锅炉受热面设计的优化3. 螺旋翅片管的设计优化序号管子规格翅片高度mm翅片节距mm翅片厚度mm天然气重油天然气轻油重油天然气重油15

16、13.516-2216-223445560.8111.3238316-1916-193445560.8111.3332313-1613-163445560.8111.34252.510-1310-133445560.8111.3螺旋翅片管的常用结构尺寸四.余热锅炉受热面设计的优化4. 螺旋翅片管的传热计算传热计算按前苏联锅炉机组热力计算标准方法（1973年）中，烟气横向冲刷环状肋片管子计算公式进行 污染系数对传热计算的影响很大，它取决于燃机燃用燃料、受热面结构特性、烟速及烟气冲刷情况 污染系数国外推荐值： 燃机燃用天然气,22h/kcal)； 燃机燃用轻油，22h/kcal) 四.余热锅炉受热

17、面设计的优化4. 螺旋翅片管的传热计算污染系数国内推荐值： 燃机燃用天然气，22h/kcal)； 燃机燃用轻油，22h/kcal)； 燃机燃用重油，22h/kcal)。上述为蒸发受热面数据，过热器取更低值，省煤器及其以后的低温受热面取更高值 五.余热锅炉炉锅筒直径设计的优化锅筒蒸汽压力P（MPa）蒸汽容积负荷允许值Rvm3/m3h蒸汽自蒸发表面逸出速度允许值Wnm/s2.75(28kgf/cm2)18500.360.333.92(40kgf/cm2)170017500.320.345.89(60kgf/cm2)140014500.240.267.85(80kgf/cm2)120012500.2

18、00.22蒸汽容积负荷及自蒸发表面逸出速度允许值 六.余热锅炉优化设计的核心技术 采用小管径 蒸汽压力不高时采用小管径水循环同样安全可靠 小管径，通常指的是383、323、或的管径 对锅炉蒸汽压力的锅炉，由于汽水两相介质比重差较大，只要给水品质满足要求，并且锅炉具有一定的水循环高度，采用小管径水循环同样安全可靠。燃机余热锅炉过热蒸汽压力一般不高于，最高烟气温度也仅略高于600，加之自然循环锅炉高度远高于船舶锅炉，故采用小管径的燃机自然循环余热锅炉，其水循环条件要比船舶锅炉优越得多 六.余热锅炉优化设计的核心技术 采用小管径 有利于重量尺寸指标的优化 小管径的传热效果优于大管径。翅片高度h16m

19、m为相对有效翅片高度，而翅片高度h19mm的受热面则为低效受热面，因为此时的导热系数降低，这就使得小管径螺旋翅片管的全部受热面，均属于高效率受热面 采用小管径的主要效果是使锅炉的重量减轻，尺寸减小。根据船舶锅炉设计资料介绍，当管径为时重量为100，管径383时重量为67，管径323时重量为50，管径时重量为33 强制循环锅炉相比一般自然循环锅炉，之所以重量尺寸指标优异，正是由于采用小管径之故 六.余热锅炉优化设计的核心技术 采用小管径 有利于蒸汽产量和余热利用率的优化 管径小，传热元件传热优良，较容易通过增加受热面布置，取得较高的经济性指标。小管径燃机余热锅炉，蒸发器窄点温差小，省煤器接近点温

20、差小，锅炉排烟温度低，故锅炉蒸汽产量大，余热利用率高。运行实践表明，采用小管径设计的燃机余热锅炉，蒸汽产量比较容易达到并超过合同规定值。六.余热锅炉优化设计的核心技术 采用小管径 有利于锅炉启动性能的优化 小管径的锅炉，其容水量小，锅水、金属和保温材料等的热惯性都较小，加之小管径热应力小，热膨胀性能良好，锅炉启动速度快，机动性能优越 。国内目前对燃机余热锅炉规定的启动速度为： 冷态（以下）：40min 热态（2Mpa以下）：20min 相应地，小管径燃机余热锅炉的启动速度为： 冷态（以下）：25min 热态（2Mpa以下）：10min 六.余热锅炉优化设计的核心技术 采用小管径 有利于烟气阻力

21、的优化 烟气阻力的大小对燃机发电功率的高低具有相当的影响。一般烟气阻力每提高100mmH2O，燃机发电功率下降。烟气阻力取决于烟气速度和管排数等因素。在同样烟气速度下，烟气阻力与管排数成正比。由于小管径传热优良，每排管束受热面吸热量大幅增加，使各大部件的管排数，比国内外其他燃机余热锅炉的管排数明显减少。六.余热锅炉优化设计的核心技术 采用小管径 有利于蒸汽阻力的优化 蒸汽阻力的大小对蒸汽产量的高低有较大的影响。蒸汽阻力愈小，在同样额定出口过热蒸汽压力之下，锅筒的蒸汽压力就愈低，锅筒的饱和温度也愈小。此时，在同样的烟温下，窄点温差增大，传热温压增高，蒸发器的传热量随之增加，从而使锅炉蒸汽产量提高;蒸汽阻力取决于蒸汽速度、蒸汽比重和沿程阻力系数。在同样蒸汽速度之下，蒸汽阻力与沿程阻力系数成正比; 在相同蒸汽速度下,小管径过热器的总流通截面小，其流程数大为