关于燃气蒸汽联合循环余热锅炉技术研究的现状及技术进展的探讨

关于燃气蒸汽联合循环余热锅炉技术研究的现状及技术进展的探讨

刘浩

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     摘要：燃气一蒸汽联合循环技术发展迅速，余热锅炉处于燃气轮机和蒸汽轮机之间，是燃气一蒸汽联合循环电站的三大主要设备之一。论述了国内外关于余热锅炉在受热面布置、烟气流动特性、热力参数优化、快速启停和变工况运行等方面的研宛现状，并指出了其中的不足。对联合循环余热锅炉的研究开发和优化设计有一定的参考意义。

Abstract: with the rapid development of gas-steam combined cycle technology, waste heat boiler is located between gas turbine and steam turbine.

        关键词：燃气-蒸汽联合循环；余热锅炉；技术研究

        前言：作为燃气-蒸汽联合循环电站的三大主要设备之一，余热锅炉（HRSG）处于燃气轮机和蒸汽轮机之间，是系统整体优化和各主要子系统匹配的一个关键所在，起着承上启下的作用。它的结构、性能以及参数都极大的影响到系统中其它设备乃至整个系统的性能。因此，为全面提高燃气一蒸汽联合循环的技术水平，实现系统的优化设计，深入研究余热锅炉就显得尤为重要。

        1. 燃气-蒸汽联合循环余热锅炉技术研究

        1.1 烟气流动特性的研究，燃气轮机排气流量大，速度快，是完全发展的紊流，温度场和速度场极不均匀；而且燃气轮机排气口与锅炉受热面的结构尺寸相差很大，由于受场地及费用限制，过渡段不可能太长。这就会引起余热锅炉中流动和传热不均匀，还会带来振动、磨损、膨胀等结构破坏问题。对余热锅炉烟气流动特性和进口段结构优化进行研究就变得非常重要。对余热锅炉中烟气流动特性的研究主要两种途径：一是采用CFD软件（包括通用软件和自编程序），对烟气流动进行数值模拟，可得到直观的速度场、温度场和压力场分布，并进行分析与优化；二是搭建模化实验台，对烟气流动特性进行冷态空气动力场实验。

        1.2 螺旋鳍片管性能研究，燃气轮机排气中温大流量的热力特性决定了联合循环余热锅炉传热的特殊性，即主要依靠对流换热，辐射基本可以忽略不计，而且余热锅炉中烟气与汽水介质间的换热温压比常规锅炉要低许多。为强化烟气与工质之间的对流换热，同时减小余热锅炉烟气侧的压损系数，使余热锅炉布置紧凑、节省钢材，在余热锅炉受热面中必须大量采用螺旋鳍片管替代光管。一般，螺旋鳍片管束约占余热锅炉总重的40％左右。

        1.3 快速启停特性研究，启停迅速、调峰性能好是联合循环电站的主要优势之一。燃气轮机冷态启动不超过20min；为使整套联合循环机组适应快速启停的要求，尤其是目前大型联合循环装置更多采用一拖一、单轴及无旁通烟道的布置的情况下，更要求余热锅炉具有良好的快速启动特性余热锅炉快速启停的研究，主要反映在锅筒、螺旋鳍片管束、烟道挡板等结构设计和控制及运行的模式上。余热锅炉蒸汽热力参数偏低，且在启动中升负荷和升压过程很快，大量汽水会涌入锅筒。因此余热锅炉的锅筒应具有更大的容量 同样为适应启动中锅筒水位的较大变化，汽水分离装置多采用水下孔板型式。螺旋鳍片管束采用小管径，管壁薄，热惰性小 余热锅炉中烟道和挡板的具体结构细节，也应尽量减小热惯性，适应快速启停的要求。

        1.4 变工况运行特性研究，由于目前联合循环电站多用于调峰运行，燃气轮机负荷总在不断变动；又常运行在温度变化范围很大（-20"C ~45℃）的大气环境中。燃气轮机排气温度和流量会随着负荷和时间变化而发生很大的变化。受其影响，余热锅炉热力特性也会随之变动，这就要求余热锅炉具有较好的变工况运行特性。

        2关于热力参数优化研究

        2.1 汽水系统的布置方式，燃气一蒸汽联合循环余热锅炉的供汽参数主要有单压、双压、三压几种，其中双压和三压又分为再热和不再热。具体采用何种汽水系统，主要取决于与之相配的燃气轮机形式、参数及用户的需要。

        2.2 窄点温差、接近点温差选择，所谓窄点温差是指蒸发器入口处烟气温度与蒸发器中工质的饱和温度之差，即蒸发器中烟气与工质热交换的最小温差点；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温度之差，合理的窄点温差是设计余热锅炉的关键因素之一。

        2.3 烟气侧阻力的选择，余热锅炉烟气侧阻力是指燃气轮机的排气背压与余热锅炉排烟背压之间的压力降，主要通过影响燃气轮机的背压来影响整个系统的效率。

        2.4 排烟温度的选择，锅炉的余热利用率主要取决于它的排烟温度。由于燃气轮机排气温度较低，排烟温度对余热锅炉效率的影响较常规锅炉明显，所以应尽可能的降低排烟温度。

        3关于余热锅炉的现状及几个主要的型式

        开发研究新的节能技术成为各国研究能源利用技术的主要课题。根据管理节能、结构节能和技术节能的共性和差异，由自然科学的基础理论、要素技术，系统技术和管理技术构成了节能技术体系。展开了研究开发各种节能技术设备的活动，并研制出回收各类工艺过程余热的余热锅炉。余热锅炉按进入锅炉的介质特性，可分以下几种主要型 式：

        3.1 经过余热锅炉的废烟气不需要进一步处理的，如铜冶炼炉、铜精 炼炉，平炉、玻璃熔炉，燃气轮机、加热炉等后置的余热锅炉。

        3.2 经过余热锅炉的废烟气需要进一步处理的，其目的是把气温冷却到能适合下一道工艺的要求，如黄铁矿及闪速炼锌燃烧设备、残余酸热裂解设备等后置的余热锅炉。

        3.3 经过余热锅炉的度烟气要进一步处理，而且它的冷却应在给定 时间内完成的，这时，余热锅炉的作用是保证上一道工艺的稳定性和 防止进一步化学反应，如用于乙烯工艺设备裂解气冷却塔的余热锅炉。

        3.4 固体显热利用，如用于回收赤热的烧结矿、高炉和转炉炉渣、 炽热红焦、 高温压延钢材等余热的余热锅炉。

        3.5 城市垃圾及污泥处理，用于焚烧城市垃圾和城市下水污泥的余热锅炉。

        4余热锅炉的发展经历和技术经济性

        4.1 我国在50~60年代还没有研究和设计余热锅炉的专业队伍，主要是仿制一些余热锅炉。在70年代初发生世界性石油危机和各工业发达国家争相加快余热锅炉的开发时，我国也着手并开始实施发展余热锅炉的规划。并从1974~ 1980年，先后投资扩建余热锅炉研究和制造基地，现已具有一定的余热锅炉研制能力及雄厚的科研基础。至今已开发并制造了涉及一百多个品种用于冶金、化工，建材和轻纺等行业的余热锅炉。

        4.2 节能，江苏某电站自投运至今累计发电12600万kw.h，供汽166万t，合计节约标煤为31万t。消除污染保护环境，这为企业节约CO排放污染的罚款约350万元。投资可在4年左右偿还。低热值尾气余热锅炉的技术和经济指标，经对国内外同类产品的分析比较，从燃烧技术到锅炉技术参数和经济指标均接近国外，9O年代未期的水平。

        结束语：随着环保和节能意识的提高，以及燃气轮机技术的进步，燃气一蒸汽联合循环发电技术的研究越来越得到重视。作为联合循环中连接燃气循环和蒸汽循环的关键所在，国内外对余热锅炉进行了大量的研究，取得了一定的成果，促进了余热锅炉及联合循环技术的发展。但是，在烟气流动特性、热力参数优化等方面的研究还有待进一步深化。在研究余热锅炉的过程中，不应该只关注余热锅炉本身，而应该按照整个联合循环系统最优化的原则，全面考虑余热锅炉的各项参数及其与其它子系统参数的匹配问题。

        参考文献：

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        [2]赵剑云.潘维.池作和. 大型燃气轮机余热锅炉进口烟道速度均匀性研究{J}.热力发电，2004（08）

        [3]杨卫宏.赖亚新.萧泽强. 余热锅炉流场温度场数值计算{J}.中国有色金属学报，2000（10）

        [4]陈明.马云翔. 燃气轮机小管径自然循环余热锅炉{J}.热能动力工程，2003.