燃气蒸汽联合循环余热锅炉概述

2001年5月

锅　炉　制　造

BOILER　MANUFACTURING

No2

May.2001

文章编号:CN23-1249(2001)02-0012-04

燃气———蒸汽联合循环余热锅炉概述

杨伟良,徐栋梅,吕震宇,宋占启

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司,黑龙江　哈尔滨　150046)

摘　要:简述了联合循环发电机组的发展状况。对联合循环余热锅炉从其工作原理,设计关键点的控制,汽水系统、结构特点等四个方面进行了较详细的论述。对联合循环余热锅炉的研究开发,优化设计有一定的参考意义。

关键词:燃气———蒸汽联合循环;余热锅炉;单压系统;多压系统;旁通烟囱;螺旋鳍片管中图分类号:TK229　　　文献标识码:A

Gas-steamCombinedCycleHeatRecoveryBoilerIntroduction

YANGWei-Liang,XUDong-mei,LUZhen-yu,SONGZhan-qi

(HarbinBoilerCo,Ltd.,Harbin150046,China)

Abstract:ThedevelopingsituatsonofGas-steamcombinedcyclesisintroduced.someitemsofheatre2coveryboilersarediscuessed,suchasprinciple.criticalpointsofthedesign,steamandwatersystem.theconstructioncharacteristics.it′susefulforheatrecoiryboilerdevelopinganddesigning.

Keywords:Gas-steamcombindcycles;heatrecoveryboiler;single-pressulesystem;multiple-pres2sulesystem;bypassduct;spiralfinnedtube

加设再热器。

0　引　言

燃气轮机排气的温度较高,利用排气的余热,作为蒸汽循环的热源或补充热源,组成燃气———蒸汽联合循环,可以达到较高的热效率。

燃汽———蒸汽联合循环发电装置的以其高效、低污染,建设周期短等优点,受到了世界各国的青睐。我国自90年代起,先后引进了多家外国公司的联合循环机组,也与国外公司合作,生产制造了中、小功率的联合循环发电机组。本文仅就在燃气———蒸汽联合循环发电机组中,对燃气及蒸汽两个发电环节起着承上启下作用的余热锅炉,作一些简要介绍。

1　联合循环余热锅炉的基本原理

通常,联合循环余热锅炉由省煤器、蒸发器、过热器组成,但在多数余热锅炉中,还有除氧器蒸发器和冷凝水加热器。当有再热循环时,还可以

　　收稿日期:2001-01-05

1-余热锅炉;2-除氧器;31凝汽器;4-蒸汽轮机;5-发电机;6-高亚过热器;7-高压蒸发器;8-高压

省煤器;9-除氧器蒸发器;10-冷凝水加热器;11-汽包

图1　单压强制循环余热锅炉的汽水系统

　作者简介:杨伟良(1969-),男,山东淄博人,工程师。1991年毕业于哈尔滨工业大学,从事锅炉性能设计和总体布置工作。

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第2期　　　　　　　　　　　　　　杨伟良,等:燃气———蒸汽联合循环余热锅炉・13・

规律。为了减少投资费用,窄点温差应取得大些;

如图1所示,为单位立式强制循环余热锅炉的汽水系统。来自凝冷器的冷凝水经冷凝水加热器加热后进入除氧器,进行热力除氧。除氧器热源来自余热锅炉的除氧器加热器。除氧器中的水,经除氧后,由给水泵送入省煤器,在省煤器中,给水完成预热的任务,使给水温度升高到接近于饱和温度的水平,送入蒸发器。在蒸发器中,进一步对其加热使其由饱和水、相变后变为饱和蒸汽,再进入过热器中进行过热,使之由饱和蒸汽变为过热蒸汽后,送入汽轮机进行做功。

为了提高余热锅炉的热效率,窄点温差应取得小些。从图4曲线的斜率中可以看出。当窄点温差

)小时,由于余热锅取得比基准点值(△trd=10℃

炉传热面积的增加幅度较大,锅炉的总投资费用就会增大很多。但当△trd取得比基准点值大小,总投资费用和单位热回收费用的减小程度即要缓一些。综合以上2点所述,窄点温差在联合循环热锅炉的设计中起着重要作用,通常取窄点温差为10～30℃。

2　几个性能关键点的控制

211　热端温差△trd

热端温差是指过热器出口汽温与过热器入口烟温之间的温差。在图2中;△trd=Q1-t5,降低热端温差,可以得到较高的过热度,从而提高过热蒸汽品质。但降低热端温差,同时也会使过热器的对数平均温差降低,也就是说增大了过热器的传热面积,加大了金属耗量。大量计算表明,当热端温差选择在30℃-60℃范围内时,是比较合理的。

图3　设计工况下,F、Qpy,D随△trd的变化关系(本图中相对值都是以窄点温差△trd选定为10℃为基础比较的)

图2　在单压汽水系统余热锅炉中传热量

Q与燃气温度及汽水温度t的关系

212　窄点温差

窄点温是指余热锅炉中蒸发器入口处燃气的温度,与蒸发器中饱和水温度的差值。在图2中△trd=Q2-t3。显然窄点温差是不允许等于零的,否则余热锅炉的传热面积将增为无穷大,这完全是不现实的。图3和图4给出了随窄点温差△trd的变化,在设计工况下,余热锅炉的相对总传热面积F、相对排烟温度Qpy、相对蒸发量D、相对总投资费用以及相对单位热回收费用的变化

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图4　设计工况下总投资费用和单位热回收费用随

△trd的变化关系

・14・锅　炉　制　造　　　　　　　　　　　　　　　　　总第180期

213　接近点温差△tjid(即增大燃气轮机背压),会降低燃气轮机的功率

接近点温差是指余热锅炉中省煤器出口的水

温与相应压力下饱和水温之间的差值。在图2中,△tjid=tj-t2。图5中给出了在设计工况下,当节点温度选定后,余热锅炉的相对总传热面积A,随接近点温差△tjid而变化的关系。由图5可知:当接近点温差增大时,余热锅炉的总传热面积会增加。这是由于省煤器的对数平均温差虽然有所增大,致使其传热面积有所减小,但蒸发器的对数平均温差却会减小很多,致使蒸发器的传热面积增大甚多的缘故。当然,此时过热器的传热面积是保持不变的。结果是余热锅炉的总传热面积要增大。也就是说,当窄点温差△trd选定后,减小接近点温差有利于减小余热锅炉的总传热面积和投资费用。但是,对于结构已定的余热锅炉,当进入的燃气温度,随机组负荷的减小或降低时,接近点温差也会随之减小,显然,如果设计时接近点温差取得过小,或者未予考虑,那么,在部分负荷工况下,省煤器内就会发生部分给水蒸发汽化的问题,这会导致部分省煤器管壁过热现象,甚至出现故障。因而,在设计余热锅炉时,通常取接近点温差为5～20℃。

及效率。一般来说,燃气轮机的背压每提高1%,机组的功率会下降015%-018%左右。因此,应综合考虑整个燃气———蒸气联合循环的总体功率及效率,合理选择余热锅炉燃气侧阻力,一般余热锅炉燃气侧阻力在1137～2145kPa左右。

图6　计设工况下△p对A的影响关系

215　余热锅炉的排烟温度

余热锅炉的排烟温度与所选用的蒸汽循环型式,窄点温差,以及燃料的含硫量有密切关系。当

窄点温差选得较小时,余热锅炉的排烟温度就能降低,而当采用双压或三压循环系统时,余热锅炉的排烟温度,要比单压系统降低很多。但是,为了防止余热锅炉尾部管来发生低温硫腐蚀,。一般认为:余热锅炉的排烟温度应比硫酸露点温度高10℃左右。当燃烧无硫燃料时,则以不在尾部管束上凝结水滴为原则,即余热锅炉的排烟温度应比水的零点温度高10℃左右。目前,联合循环余热锅炉的排烟温度一般控制在110℃-130℃之间,最后可设计为80℃-90℃。

图5　设计工况下△tjid对F的影响关系

3　联合循环余热锅炉的汽水系统

目前燃气———蒸汽联合循环余热锅炉的供汽参数可分为单压,双压和三压几种。蒸汽可以再热或不进行再热。归纳采用有单压系统,双压系统,双压再热系统,三压系统,三压再热系统等五大类汽水系统。具体选择哪种汽水系统,主要取决于燃气轮机在额定工况下的排气流量及排气温度。当燃气轮机的排气流量大于120kg/s以及进入余热锅炉的燃气温度高于510℃时,通常,可以采用双压(高压和低压)或三压(高压、中压和低压)的汽水系统;当燃气温度高于538℃后,则可

214　余热锅炉燃气侧阻力

余热锅炉燃气侧阻力,是指燃气轮机的排气背压,同余热锅炉的排烟背压之间的压力降。图

6中给出了余热锅炉的总传热面积,随燃气侧阻力变化的关系,由图中可知,余热锅炉的总传热面积会随燃气侧阻力的增大而减小,其原因是,加大燃气的流速(当然流阻损失会随之增大),可以增大燃气对蒸气侧的对流换热系数,从而降低余热锅炉的传热面积。但增大余热锅炉燃气侧阻力

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第2期　　　　　　　　　　　　　　杨伟良,等:燃气———蒸汽联合循环余热锅炉・15・

以采用有再热循环的汽水系统;当燃气温高于593℃时,则可以考虑采用三压有再热循环的汽

会引起烟道和受热面的振动及磨损。燃气的偏流还会引起传热不均及烟道档板因热应力作用而变

形等。因此应对余热锅炉的入口烟道进行模化设计,以确保燃气流动的均匀性,降低噪声和振动。

③大量采用螺旋鳍片管束。在联合循环余热锅炉中,由于烟气侧与工质、侧的传热温差很小,最小时仅有10℃左右,为了达到足够的传热量,就需要增大传热面积,因此大量采用具有扩展受热面的螺旋鳍片管。

④采用大直径锅筒,适应快速启动,在低压和中压条件下,水和蒸汽的比容差别大,因此在启动过程中蒸发器内一旦有蒸汽产生,就会有大量的水从蒸发器中被排挤出来,因此汽包必须能够容纳下这些被排出的水量,即汽包的总容积取决于启动时间的长短,而联合循环余热锅炉,要求有快速启动的特性,因此应采用大尺寸锅筒。

水系统。系统的蒸汽循环采用单压还是多压,还取决于电站设备的投资费用,燃料价格、燃料品种、电站负荷性质及运行维护费用等多个因素。

根据蒸发系统的循环方式,联合循环余热锅炉,可以分为强制循环方式和自然循环方式。

强制循环余热锅炉,锅炉总体呈垂直布置,烟气自下而上流经水平布置的各段受热面管束。其蒸发系统靠循环泵的压头动力形成流动。强制循环余热锅炉的主要优点是:①余热锅炉的竖直高度不会为了满足水循环的要求而设计得很高,因而占地面积小。②由于有循环泵的辅助作用故启动速度快、灵活性高。③适宜采用较小的“窄点温差”,有利于提高余热锅炉的当量热效率。④对于省煤器出口携带水蒸汽的可能性不太敏感。

自然循环余热锅炉,锅炉总体呈卧式布置,烟气水平方向流经垂直布置的各段受热面管束。其蒸发系统工质靠下降管和上升管的冷水比重差形成流动。自然循环余热锅炉的主要优点是:不需要设置循环泵,运行可靠,操作容易,厂用电耗率低。

5　结　论

设计联合循环余热锅炉时,人们追求的目标是:①尽量提高余热锅炉的当量热效率。②燃气侧的压力损失低以防燃气轮机的功率和效率的降低。③必须防止换热管束的低温腐蚀。④具有适应快速启动的特性。⑤具有良好的经济性即尽量降低受热面的金属重量。但实际上以上各目标是很难同时满足的,有些还是相互矛盾的,但它们之间必定存在着一种对立的统一,即一定存在着一个性能最佳点。如何达到这个最佳点,这还需要我们在今后的工作中,不断摸索和总结。

参考文献

[1]　陈福湘,陈志良1燃气———蒸汽联合循环综述[A]1机电部发电设备行业科技情报网119941

[2]　焦树建1整体煤气化燃气———蒸汽联合循环

4　主要结构特点

①为了保证余热锅炉故障或检修时,燃气轮

机也能正常地工作(即进行简单循环),在大多数联合循环装置中都设置了旁通烟囱,使燃气轮机的排气可以不经过余热锅炉而直接排出。相应的也要设置烟道换向档板,烟气消音器等专用设备。

②入口烟道进行模化选型。与普通的蒸汽锅炉相比,由于燃气轮机排向余热锅炉的燃气流量与所产蒸汽流量(重量)之比值要大得多(普通锅炉中为1-112而后者为4-10),因此,余热锅炉中燃气的流速比较高,气流的滞流速度大。这就

〔M〕1北京:中国电力出版社,19961

(编　辑:董力宏)

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