燃气——蒸汽联合循环余热锅炉的发展和研究

发表时间：2018-10-01T10:09:02.973Z 来源：《电力设备》2018年第16期 作者： 张伟

[导读] 摘要：在我国社会经济和科学技术协同发展背景下，我国也加大了对高效发电技术的研究，为有效提高循环效率，借助燃气-蒸汽联合循环机组发展出以发电为核心的多联产技术，其中尤其是我国西部大开发政策的实施，开展的“西气东输”工程，燃气-蒸汽联合循环因其自身所具备的热效率高、污染小、运行灵活等优势得到广泛的关注，我国也进一步加大了对余热锅炉性能和开发设计的研究，以实现燃气-蒸汽联合循环技术的全面提高。

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摘要：在我国社会经济和科学技术协同发展背景下，我国也加大了对高效发电技术的研究，为有效提高循环效率，借助燃气-蒸汽联合循环机组发展出以发电为核心的多联产技术，其中尤其是我国西部大开发政策的实施，开展的“西气东输”工程，燃气-蒸汽联合循环因其自身所具备的热效率高、污染小、运行灵活等优势得到广泛的关注，我国也进一步加大了对余热锅炉性能和开发设计的研究，以实现燃气-蒸汽联合循环技术的全面提高。

关键词：燃气-蒸汽联合；循环余热锅炉；发展 1余热锅炉的重要性

余热锅炉在具体结构上不同于传统常规锅炉，余热锅炉不存在燃烧设备，工作时烟道都为正压，锅炉入口烟气温度也不高，一般为650℃或更小。所以余热锅炉的传热温差较小，为满足工艺需求，强化传热效果，则多利用螺旋鳍片管。 在热力特性方面，余热锅炉也明显不同于传统常规锅炉，归纳为以下两点：

1）燃料先在燃气轮机内燃烧并做功，形成的高温烟气进入余热锅炉，余热锅炉逐级回收利用烟气中所含的热能，其主要为对流传热，而辐射传热因其非常小而可以忽略。

2）余热锅炉的烟气流量要比常规锅炉大很多，针对烟气与蒸汽的质量比，常规锅炉只为1~1.2，而余热锅炉的可达4~10，余热锅炉入口烟道处的烟气流动为完全紊流。

在联合循环系统中，余热锅炉所起的作用非常重要，可以有效回收利用中低温余热，但是起初很长一段时间，人们并没有注意到余热锅炉的重要性，而只是注重燃气轮机与汽轮机等部件的技术研究与发展。实践表明：余热锅炉作为燃气-蒸汽联合循环总能系统中的重要组成部分，是系统一体化与各子系统匹配优化的关键因素，而不是仅仅作为一个独立换热设备。因为余热锅炉上连燃气轮机，下接蒸汽轮机，其性能受两者的特性影响着，一是有燃气轮机排气制约着余热锅炉性能，二是余热锅炉特性又影响着蒸汽侧的热力特性。因此，余热锅炉在联合循环系统中起着承上启下的关键作用，直接影响着联合循环机组的整体热效率以及机组运行的安全性。联合循环的发电效率、单位造价等参数不仅与燃气轮机和蒸汽轮机有着很大关系，还受到余热锅炉技术水平的影响。如何提高余热锅炉的热力特性，深度回收利用烟气余热，已经是一个世界广泛关注的研究方向。 2联合循环余热锅炉的热力特性及影响因素

在正常工作时，余热锅炉有着大流量、小温差、低阻力等特征。余热锅炉的热交换是靠温差来进行的。当换热进行时，温差会逐渐减小，会直接增大对流换热的难度。当今主要采用螺旋翅片管来强化传热。例如：某锅炉厂的余热锅炉受热面管子采用螺旋鳍片管，鳍片为开齿型，底部连接，用高频焊接成型，最大的鳍片密度为每米256 片。能有效改善传热效率。同时锅炉受热面的过热器和再热器采用顺列布置，其余受热面采用错列布置，可以在规定的烟气压降范围内提供最优化的热交换，并提供了有效的清理空间。 要想使得余热锅炉的效率达到最佳效果，除了要提高自身的性能外，还能关注其他的一些影响因素。

（1）燃气轮机向余热锅炉排放的气体逐渐增多而且气体的温度也逐渐增大，这一方面有利于余热锅炉回收热量，提高效率，但同时也会增加烟气偏流和传热不均匀。

（2）合理选用节点温差。节点温差是蒸发器出口烟气温度与蒸发器内汽水温度之差。节点温差越小，能回收更多的热量，余热锅炉的效率就越高。但是，会增加锅炉换热面积进而将增加烟气流动的阻力，增加了燃气轮机排气的背压，减少了燃气轮机的出力，这将导致联合循环整体效率的下降。

（3）控制接近点温差。接近点温差是余热锅炉汽包压力对应的饱和温度与省煤器出口亦即汽包进水温度之间的差值。接近点温差过小，则在部分负荷条件下，接近点温差将减少为0，省煤器内部分水可能变成蒸汽，造成管壁过热，产生故障；接近点温差太大，省煤器所少吸收的热量势必转嫁给蒸发器，这将导致蒸发器换热面积的增加，而且这个增加量远大于省煤器面积的减少，总体来说换热面积增加，投资增加。

（4）合理控制余热锅炉的进气速度，可以提高换流热量、提高转换效率和提高燃气轮机的功率。 3燃气-蒸汽联合循环余热锅炉研究方向分析 3.1螺旋鳍片管设计及换热计算方法选取

联合循环余热锅炉的变温显热源和大流量的热力特性决定了其对流换热的特殊性。通常情况下，余热锅炉中烟气和汽水介质之间的换热温压比较低，为保障整体布置的紧凑性，并且减少钢材在其中的应用，就可以通过螺旋鳍片管的应用，增强余热锅炉的传热。针对螺旋鳍片管结构特性参数，在烟气介质、温度和速度相一致的情况下，螺旋鳍片管的管径越小，翅片也就越高，节点之间的距离越紧凑，所起到的传热效果也就越好。至于对联合循环余热锅炉螺旋鳍片管的换热计算方式，到现目前为止还没有相对成熟和规范的计算方法，我国对锅炉的热力进行计算，通常是选用借助国外研究成果，并在此基础上加以完善和应用，其中特别是对污染系数的修正，对这一方面进行优化又主要体现在三个方面。①结构参数，如：对翅片规格的优化；②汽轮机排污对换热计算可能造成的影响进行分析；③翅片管的换热与焊接方式之间存在的联系等。 3.2烟气的流动特性

因其中大流量工质，使得加大对联合循环余热锅炉烟气流动特性的研究十分的有必要。在当前对其进行研究主要是借助FLUENT流体计算软件展开，可以实现更加直观和具体的速度场、压力场分布，并且对其进行优化设计。又或者是借助冷态空气动力试验装置，对烟道形状特性进行校核。

3.3联合循环快速启动

为使得联合循环装置更好的适应快速启动，也就需要加大对循环布置的方式加以研究，在当前大多数的大型联合循环装置主要是运用一台燃气轮机和汽轮机相互运用一台发电机，还有就是对无旁路烟道进行应用。在结构设计方面，增大锅筒容量，避免汽水涌入；较大的水位量程设计，满足保护水位和报警水位的要求；小管径的螺旋鳍片管管径尽量要小、管壁较薄。 4 联合循环余热锅炉热力参数优化

对联合循环余热锅炉热力参数加以优化，最常使用的方法是构建数学模型，在该模型中，涉及到的内容有设计工况和对变工况进行建模，经过计算和比较之后选择更为科学合理的设计方案，并且保障整个系统具备好的热经济性。其中也涉及到一些关键的问题，具体是： ①对汽水系统的优化，通过对进入余热锅炉燃气温度确定单压、多压等是否存在再热，然后进行综合的经济比较，若是燃气轮机排烟烟气流量已经超过120kg/s，燃气温度也已经超过500℃，就可以选择运用双压或者是三压汽水系统；

②节点温差、排烟温度确定，当节点温差变小，余热锅炉的排气温度也会随之降低，余热锅炉的热效率就会获得提高，然而平度的传热温差也会相对减小，导致受热面积增加。因此，就需要结合成本及循环效益合理的选择节点温差、排烟温度；

③余热锅炉与蒸汽轮机之间的匹配，随着主蒸汽压力和温度的不断升高，进入到余热锅炉中的燃气温度及受热面控制着主蒸汽的参数，运用使得汽轮机做功量最大原则，可以有效对蒸汽参数匹配进行优化。 结论

随着燃气-蒸汽联合循环发电技术的不断完善，现在此项技术正越来越受到人们的欢迎。它具有较高的供电效率、投资费用低、占地面积小、运行可靠性较高，特别是调峰运行时能够快速启停，在带基本负荷时可用率较高。并且建设周期短，、环境污染小等众多优点。正是联合循环有如此之多的优点，特别是在天然气作为清洁能源得到全面开发之后，使得联合循环的能源瓶颈得到解决，在最近十年间燃气-蒸汽得到了飞速发展，可以预见，在此过程中联合循环余热锅炉定会得到长足有效的发展。 参考文献：

［1］樊天喜．燃气－蒸汽联合循环机组余热锅炉的化学清洗［J］．西北电力技术，2006，34（4）：11－12． ［2］吴亦三.燃气蒸汽联合循环系统与余热锅炉[J].余热锅炉，2001，（2）：25-32.