3余热锅炉资料 - 图文

配联合循环的余热锅炉性能特点

1． 概述

在燃气一蒸汽联合循环中，余热锅炉是回收燃气轮机排气中的余热，产生蒸汽，推动蒸汽轮机发电的换热设备。余热锅炉的英文名称为 Heat Recovery Steam Generator，意为热回收蒸汽发生器，常用缩写HRSG来表示。我国习惯上称为“余热锅炉”。在燃气轮机内做功后排出的燃气，仍具有比较高的温度，一般在500℃一600℃左右，随着透平进口温度的不断提高，排气温度也越来越高。通过余热锅炉有效利用这部分气体的热能，可以大大提高整个装置的热效率。表1列出了一些发电用燃气轮机的排气温度及简单循环和联合循环的效率比较。

表1 一些发电用燃气轮机的排气温度及简单循环和联合循环的效率 型号 GE-5PA GE-6B GE-9E GE-9FA V94.2 V94.3A GT13E2 GT26 701F 进气温度 ℃ 953 1104 1124 1327 1105 1290 1235 1349 排气温度 ℃ 487 539 538 609 540 567 524 640 586 简单循环 功率MW 26.3 38.34 123.4 267 159 258 185.1 241 270 简单循环 效率％ 28.47 31.66 33.77 37.0 34.2 38.38 35.73 38.2 36.77 联合循环 功率MW 40.2 59.8 198.2 390.8 238 354 242.6 378 397.7 联合循环 效率％ 44.2 48.7 52.0 56.7 52.1 57.2 53.5 57.0 57.0

由表中数据可以看出，对简单循环的燃气轮机发电装置，加装余热锅炉和蒸汽轮机组成余热锅炉型的联合循环发电装置后，其总发电能力和净效率都大幅度提高。这是因为余热锅炉回收了燃气轮机排气的热量产生蒸汽，并在蒸汽轮机中作功发电，在不需要增加燃料量的情况下，使发电能力和净效率提高大约 50％。图1给出了一台F级燃气一蒸汽联合循环发电机组的热平衡示意图。

随着近几年燃气轮机透平进口温度的高温化和大容量化等形成的高效率化，余热利用式联合循环已成为联合循环发电的主流。在燃气轮机的排气中补加燃料燃烧的排气补燃式，在透平进口温度比较低的情况下（如800℃），排气的氧浓度高，可以比较容易的进行补充燃料燃烧。因此，可以使温度比较低的燃气轮机的排气提高到比较容易进行热回收的温度区域，以提高热效率。但是，近几年的燃气轮机为提高效率，减少冷却用的空气量，透平进口温度不断提高，所以，减少了排气中的残留氧浓度（氧浓度约为13％－15％）。由于燃气轮机单体热效率的提高和排气温度的上升，排气补燃式中燃料补充燃烧造成的热效率提高的效果减弱了。另外，增压流化床燃烧方式由于炉子成为压力容器，是一种耐压构造，所以，控制系统也比较复杂。给水加热式存在燃气轮机容量和汽轮机容量平衡的问题。总之，由于近几年燃气轮机入口温度的高温化使燃气轮机单独的热效率提高以及排气温度高温化等，在所有的联合循环发电方式中，余热利用式可以得到最高的热效率。而且，具有系统构成简单，运行性能好，建设费用低等许多优点，而成为近几年联合循环发电的主流。无补燃余热锅炉型的燃气一蒸汽联合循环主要优点是：①热功转换效率高。当燃用天然气并把燃气轮机的初温度提高到1200一1300℃后，联合循环很容易达到50％以上，目前最高已经超过58％，近期内有望达到60％；②结构简单，基本投资费用低，锅炉和厂房都比较小；③运行可靠性高；④起动快。

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图1 燃气－蒸汽联合循环发电机组的热平衡示意图

2． 余热锅炉的工作过程 2.1 联合循环的温熵图

联合循环的实质是把燃气轮机的布莱登循环和蒸汽轮机的朗肯循环叠置在一起，组合成为一个总的循环系统。图2所示为无补燃余热锅炉型的燃气一蒸汽联合循环系统示意图。图3为燃气一蒸汽联合循环的温嫡图。图中的1－2－3－4－1表示燃气轮机的循环过程，6－7－8－9－10－6表示蒸汽轮机的循环过程。在无补燃的余热锅炉型方案中，由燃气轮机排气的冷却过程4－5释放出来的热能，被用来加热蒸气循环中的给水，从工况点6起始升温，经历过程6－11－7－8－9，变为具有一定压力的过热蒸气。燃气轮机的排气在余热锅炉中冷却到T5后，经由烟囱排出。在该方案中蒸气的初温T9必然受到燃气轮机排气温度T4的限制，即T9

图2 无补燃余热锅炉型联合循环 图3 燃气－蒸汽联合循环温熵图

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图3也同时表示了有补燃的余热锅炉型方案和增压锅炉型方案的工作过程。在有补燃的余热锅炉型方案中，温度为T4的燃气轮机排气在进入其后的锅炉后，经过喷入的燃料补充燃烧加热到T12，进而被冷却降温到T5，由此释放出来的热能被用来加热给水，使之也经历过程6－11－7－8－9，变为压力和温度更高的过热蒸汽。在该方案中由于T12＞T4，因而蒸汽的初温T9可以高于T4（即蒸汽初温不受燃气轮机排气温T4的限制），而蒸汽量也可以大幅度地增加。显然，那时蒸汽轮机发出的功率可以大大增加，可以是燃气轮机功率的两倍以上。在增压锅炉型方案中，燃气轮机的燃烧室是与蒸汽循环中的增压锅炉合二为一的，因而由压气机送来的温度为T2的空气，首先在增压锅炉中被燃烧加热到T13，经放热过程13—3释放出来的热能被用来加热给水，使其经历过程11—7—8—9变成过热蒸汽，供蒸汽轮机使用。至于增压锅炉中的燃气在温度降低到T3后，将被送到燃气轮机中去膨胀作功。当然，燃气透平的排气在T4温度下被用来加热给水，使其沿过程线6—11升温。这就是三种燃气一蒸汽联合循环热力过程的大致工作情况。 2.2 余热锅炉的产汽过程

图4是一台自然循环余热锅炉的结构示意图，从图中可以看出余热锅炉的产汽过程。

图4 自然循环余热锅炉中的产汽过程

从燃气轮机出口的烟气，经烟道到余热锅炉入口，烟气流经过热器、蒸发器和省煤器，最后排入烟囱。排烟温度约为150～180℃，烟气温度从540℃降到排烟温度，所放出的热量用来使水变成蒸汽。进入余热锅炉的给水，其温度为105℃，先进入省煤器，水在省煤器内流动并吸收热量，使水温上升，水温升到略低于汽包压力下的饱和温度，就离开省煤器进入汽包．这种省煤器称为非沸腾式省煤器。经省煤器进入汽包的水与汽包内的饱和水混合后，沿汽包下方的下降管到蒸发器下联箱，然后进入蒸发器，在蒸发器内自下而上流动的水吸热开始汽化，通常是只有一部分水变成汽，所以在蒸发器管束内流动的是汽水混合物，从蒸发器流出的汽水混合物进入汽包．在汽包内装有汽水分离设备，可以把汽和水分开，水下落到汽包下部水空间，而蒸汽从汽包顶部引出，通往过热器。在过热器内蒸汽进一步吸收热量，使饱和蒸汽变成过热蒸汽。

2.3 Q－T图及“节点温差”和“接近点温差”（Q为换热量）

根据产汽过程的加热，蒸发和过热三个阶段，相对应就应该有三种受热面，即省煤器，蒸发器和过热器。如果只需要饱和蒸汽，而不需要过热蒸汽，可以不装过热器。图5给出了“单压汽水发生系统”的余热锅炉中燃气温度和汽水温度的变化关系。

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为了使燃气轮机的排气余热能够在余热锅炉中被充分利用，应力争尽可能地降低排气离开余热锅炉时的温度T5。实际上T5值是不可能降得很低的，因为在余热锅炉的设计中，我们总得保证锅炉给水的蒸发段的起始点7，与燃气侧之间有一定的温差，通常称为“节点温差”，图中用?tx表示。等于余热锅炉中蒸发器入口处燃气的温度Tg7与饱和水温度Ts之间的差值，即?tx＝Tg7－Ts。

在“单压汽水发生系统”的余热锅炉中，我们仅能把Tg5控制在160—200℃左右。为了进一步降低排气温度，力求充分利用燃气的余热，在设计余热锅炉时，则可以采用“双压汽水发生系统”，或“三压汽水发生系统”。那时，在余热锅炉中将产生两种或三种压力水平的过热蒸汽供蒸汽透平使用。在这种情况下，燃气轮机的排气温度和余热锅炉中给水和蒸汽的温度与换热量之间的变化关系就要复杂得多。这种措施有可能把余热锅炉的排气温度 Tg5降低到110—120℃的水平。对于燃烧含硫量极少的天然气机组来说，由

于不会发生低温硫腐蚀问题，温度Tg5则 图5 单压余热锅炉燃气与汽水温度变化关系 可以降低到80—85℃左右。但是多压汽水

系统方案的主要缺点是：锅炉、管道以及蒸汽轮机的基本投资费用会相应地增高。

接近点温差?Tw是指余热锅炉中省煤器出口的水温Tw7与相应压力下饱和水温Ts之间的差值，即?Tw＝Ts－Tw7。通常，设计余热锅炉时，总是使Tw7略低于Ts，这是由于尺寸已定的余热锅炉，当进入的燃气温度Tg4随着机组负荷的减小而降低时，接近点温差是会随之减小的。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发生过热现象，甚至出现故障。

3． 热锅炉的型式和分类 3.l 从烟气侧热源考虑

从烟气侧热源考虑，余热锅炉可分为 （1）无补燃的余热锅炉

这种余热锅炉单纯回收燃气轮机排气的热量，产生一定压力和温度的蒸汽。 （2）有补燃的余热锅炉

这种余热锅炉除了回收燃气轮机排气的热量以外，还加入一定量的燃料进行燃烧，使烟气温度升高，以增加蒸汽产量和／或提高蒸汽参数。在联合循环电厂中，无补燃的余热锅炉应用较多，除特殊情况外，一般来说，采用无补燃的余热锅炉的联合循环电厂的效率较高。 3.2 蒸发器中循环方式

按蒸发器中循环方式，余热锅炉可分为 （l）强制循环余热锅炉

图6所示的余热锅炉是强制循环余热锅炉。从汽包下部引出的水经一台循环水泵加压后分二路进入蒸发器I和蒸发器II，水在蒸发器内吸收烟气热量，部分水变成蒸汽，然后蒸发器内的汽水混合物经导管流入汽包。依靠循环水泵产生的动力使水循环，这种余热锅炉称为“强制循环余热锅炉”。强制循环余热锅炉的各受热面组件的管子通常是水平布置的，受热面之间是沿高度方向布置，可节省地面的面积，并使出口处的烟囱高度缩短。但在运行中需

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要循环泵，使运行复杂，增加维修费用。

图6 强制循环余热锅炉 图7 立式布置的自然循环余热锅炉

（2）自然循环余热锅炉

自然循环余热锅炉可以是卧式布置的，也可以是立式布置的。图4所示是卧式布置的自然循环余热锅炉。在卧式布置的自然循环余热锅炉中，全部受热面组件的管子是垂直布置的，汽包下部有下降管与蒸发器的下联箱相连。有的余热锅炉，下降管位于烟道外面，不吸收烟气的热量。直立管束吸收烟气的热量。管束内水因吸收烟气热量就有部分水变成蒸汽，由于蒸汽的密度比水的密度要小得多，所以直立管束内汽和水混合物的平均密度要小于下降管中水的密度，两者密度差形成了水的循环。也就是说：下降管内的水比较重，向下流动，直立管束内的汽水混合物比较轻，向上流动，形成连续产汽过程。此时进入蒸发器的水不是靠循环水泵的动力，而是靠流体的密度差而流动，这种余热锅炉称为“自然循环余热锅炉”。省去了循环水泵，使运行和维修简单。

图7所示是立式布置的自然循环锅炉。与强制循环的区别在于用一个带高压喷射器的启动泵取代强制循环泵，在连续运行时，依靠省煤器中的水通过喷射器注入，通过流动稳定性。这种型式的余热锅炉更适合于带基本负荷的机组，并且蒸汽压力低于12.5MPa，高于这个压力时建议采用强制循环或直流锅炉。 3.3 蒸汽压力等级

从余热锅炉产生的蒸汽压力等级来考虑，余热锅炉可分为： （l）单压级余热锅炉

余热锅炉只生产一种压力的蒸汽供汽轮机一发电机机组。 （2）双压或多压级余热锅炉

余热锅炉能生产两种不同压力或多种不同压力的蒸汽供汽轮机一发电机机组。双压或多压级余热锅炉能从燃气轮机排气中回收更多的热量，联合循环机组的效率能提高，但是系统较复杂，造价高。因此，余热锅炉设计成单压还是多压必须综合考虑各种因素。3.4余热锅炉的布置方式

按受热面布置，余热锅炉通常有下列两种布置方式

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