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燃气—蒸汽联合循环中的余热锅炉概述(二)

  • 来源: 大唐华东电力试验研究院 锅炉技术研究所
  • 作者: 张波
  • 发布时间: 2018-04-02

燃气蒸汽联合循环中的余热锅炉概述(二)

大唐华东电力试验研究院 锅炉技术研究所 张波

1 前言

燃气蒸汽联合循环发电以其热效率高、初始投资费用低、环保条件好以及启动速度快、安装周期短、运行维护可靠性高等一系列优点,已成为当今世界上快速发展的发电方式之一。在联合循环系统中,余热锅炉处于燃机与汽轮机之间,它主要由各级对流受热面组成,吸收燃气轮机的排气余热,并转化为高温高压的蒸汽来推动汽轮机做功。余热锅炉的性能及与其它热机的参数匹配关系到整个系统的效率和安全运行,为此,本文就余热锅炉的工作特点及其影响系统循环的因素进行简要地讨论。

2 余热锅炉的工作特点

在加热热源方面:余热锅炉虽然也是锅炉,但与常规锅炉有很大的不同,最大区别在于加热热源的不同。常规锅炉使用燃料(煤粉、石油和天然气等)燃烧产生的高温气源加热锅炉各级受热面,而余热锅炉的热源可能是高温烟气余热、化学反应余热、可燃废气余热,也甚至可以利用高温产品余热,热源种类众多。众多的余热锅炉之间也存在着不同,在化工、制造业中使用的余热锅炉,由于工艺、燃料的不同,通常具有热负荷不稳定、烟气中含尘量大、有腐蚀性等问题,而燃气蒸汽联合循环使用的燃料是洁净的气体或液体燃料,基本上没有粉尘,不存在磨损问题,且环保性能较好。

    在烟气与受热面的热传递方面:联合循环中燃料燃烧,高温段在燃气轮机中膨胀做功,低温排气进入余热锅炉产生蒸汽或热水然后利用,余热锅炉所利用的是烟气的显热。燃气轮机的排气温度通常在700℃以下,某些带回热的小型或微型燃气轮机的排气甚至不到300℃,因此余热锅炉中的换热主要依靠对流传热,辐射传热可以忽略不计;而在常规锅炉中辐射吸热量占据了全部吸热量的40%50%,甚至更多。辐射受热面具有较高的热负荷,传递相同数量的热量时,比对流受热面节省材料。因此,余热锅炉需要布置比常规锅炉更多的受热面,因而体积较大,耗材较多。

在高温烟气方面:燃气轮机排气的温度较低,单位质量烟气中可用的热量较常规锅炉中烟气的热量少,因此,在出力相同的情况下需要的烟气量比常规锅炉要多。常规锅炉中,烟气流量与蒸汽流量之比大约为1—1.2,而余热锅炉中大约为4—10。由于通过余热锅炉的烟气量很大,烟气的流速将很高,流速的提高促使对流换热系数的提高,有助于传热;但是另一方面,烟气侧的流动阻力将增加,使燃气轮机的背压升高,降低循环系统的整体效率。燃气轮机向心式透平出口截面排气速度和温度的分布不均匀会引起余热锅炉传热不均匀,而烟气的高速流动会使锅炉受热面和支撑构件产生振动,加剧烟气偏流和传热不均现象,这些在设计与运行时都是需要特别考虑的注意点。

在变负荷方面:在无补燃的情况下,余热锅炉的热源完全来自于燃气轮机的排气。当负荷变化时,燃气轮机的排气参数变化很大,甚至天气的变化对燃气轮机的排气也有一定影响。因此,余热锅炉的热源很不稳定,从而导致余热锅炉各级受热面的吸热量不稳定,产生的汽水参数较常规锅炉而言会有较大的波动,而汽轮机对蒸汽的热力参数的要求一般是恒定的,这是联合循环中余热锅炉的特点之一。此外,燃气轮机的工质为高温燃气,热惰性很小,应对负荷变化性能很好;而余热锅炉内有大量的水存在,相对而言热惯性较大,负荷变化时需要较长的调整时间,余热锅炉在负荷变化时输人、输出的不匹配的问题在系统布置与设计时是应全面考虑的。

在汽水系统方面:当包含有余热锅炉的联合循环的燃气轮机已经选定时,余热锅炉的蒸汽系统根据技术经济比较,有5种类型(单压、双压、双压再热、三压、三压再热)可供选择。早期采用的多是简单的单压、无再热汽水系统,虽然这样的余热锅炉设备费用低,但热效率也低。对于新一代高温、高性能燃气轮机,排气温度很高(>580℃),余热锅炉可采用更加完善的三压再热汽水系统,这样不仅能采用参数较高的蒸汽,而且能使排烟温度降低,余热回收非常充分;但是,受热面的增加会使结构变得复杂,引起汽水管道和汽轮机的设备费用提高,同时烟气的流动阻力也会相应增加。还有一方面需要注意的是,多压系统要处理好不同压力参数匹配优化的问题。

3 余热锅炉中影响联合循环的因素

3.1 节点温差、接近点温差和热端温差的选择

所谓节点温差(Δtx)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(Δta)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;热端温差(Δtrd)是指过热器出口处烟气与蒸汽的温度差值。三种温差如图1所示。

1 燃气蒸汽联合循环单压余热锅炉T-Q

在余热锅炉的蒸汽压力和温度选定后,减小节点温差会使余热锅炉的排烟温度下降,可以回收更多的余热,有利于改善余热锅炉效率,并提高联合循环的总效率;同时,由于传热温差的减小,必将增大余热锅炉的换热面积。受热面的增加不仅增加了投资费用,也增加了烟气侧的流动阻力,提高了燃气轮机的背压,导致燃气轮机的功率和效率有所下降。反之,增大节点温差,会使传热温差增大,相应减小余热锅炉的受热面,但将使排烟温度提高,余热锅炉的出力降低,余热锅炉的余热利用率及工质循环热效率下降。因此,节点温差的选择应从余热锅炉的投资费用及联合循环的效率方面综合考虑,进行优化选择,一般取8—20℃。

为了防止余热锅炉的省煤器产生蒸汽,其出口应为未饱和水,有一定的欠焓,接近点温差是反映省煤器安全裕度的一个指标。如果接近点温差为零,则表明在省煤器中发生了汽化现象,这对余热锅炉的安全运行是不利的;如果该温差过大,则不能有效地利用省煤器强化换热的优势。而当余热锅炉滑压运行时,随着运行压力的下降,省煤器相对的吸热量(省煤器吸热量占余热锅炉总吸热量的比例)增加。因此,在设计余热锅炉的受热面时必须考虑有一定值的接近点温差,并考虑系统负荷降低时,运行温差随之减小的影响趋势。在考虑这两方面的影响后,在一般的设计中接近点温差可取为5—20℃。

热端温差的合理选取对余热锅炉的效率有着较大的影响。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,同时,过热热所占份额增加,蒸发热和预热热份额降低,蒸汽的流量减少;过热器和蒸发器的对数平均温差也相应降低,传热面积需要增大,金属耗量增加。热端温差的选取其实更取决于联合循环系统的优化考虑,通常情况下可取30℃—60℃。

3.2 汽水系统的布置方式

不同的汽水系统对联合循环的影响因素在第一节中稍有涉及,这一小节中再次对此进行论述。目前,燃气-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,其中双压和三压可分为再热和不再热,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,如图2所示为双压余热锅炉的T-Q图。

2 燃气蒸汽联合循环双压余热锅炉T-Q

一般情况下,当燃气轮机在额定功率下排气温度低于538℃时,多采用单压或多压无再热的汽水系统;当燃气轮机排气温度高于538℃时,可以采用有再热循环的汽水系统;当燃气轮机排气温度高于593℃时,则可以考虑采用三压有再热循环的汽水系统。系统的蒸汽循环采用单压还是多压,还取决于机组的投资、燃料品种及其价格、机组负荷性质及运行维护费用等因素。

在单压余热锅炉中,因为省煤器对热量的需求受到余热锅炉高温段(蒸发器和过热器)产汽量的限制,即在低温段烟气热量未能充分利用,因此单压余热锅炉不能将排烟温度降低到较低的水平,一般仅能控制在160℃—200℃,这对于燃用重油的联合循环机组而言是合适的。这是因为:重油的成本相对较低,又带调峰负荷,对效率的要求无需过高;单压余热锅炉系统简单,设备投资较低;重油含硫量较高,适当高的排烟温度可避免尾部受热面的低温腐蚀。因此,燃用重油或原油的联合循环余热锅炉大多采用单压蒸汽系统。

在燃用含硫量很低的轻油或几乎不含硫的天然气时,由于燃料成本相对较高,需要进一步降低余热锅炉的排烟温度,力求尽可能地利用排气余热,提高余热锅炉的效率。在设计余热锅炉时可采用双压或三压蒸汽系统,即在余热锅炉中除了产生高压过热蒸汽外,还产生中压或低压过热蒸汽,补入汽轮机的中、低压缸做功。由于增加了产生低压蒸汽的系统,回收了更多的热量,可以把排烟温度降至更低,如双压余热锅炉的排烟温度可降低到110—130℃。实际运行数据表明,双压蒸汽系统的联合循环效率可比单压系统高1.7%。对于几乎不含硫的天然气,其烟气露点温度约为43—53℃,排烟温度原则上只要高于露点10℃即可避免尾部受热面的低温腐蚀。因此,可采用三压蒸汽系统,以使排烟温度进一步降低到80—90℃,从而使联合循环效率比双压系统高0.6%

3.3 烟气侧阻力的影响

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尾部烟道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联合循环系统的效率。实际运行数据表明,燃气轮机的背压每增加1kPa,其功率下降0.6%~0.7%。加装余热锅炉后,燃气轮机的背压约增加1.4kPa~2.5kPa,其功率下降0.9%~1.6%。烟气侧阻力的主要影响因素是换热面积和烟气流速,换热面积主要由汽水系统的布置形式、节点温差、接近点温差以及排烟温度的选择决定;烟气侧阻力随着换热面积的增加而增大。烟气流速的升高可以提高烟气侧的对流换热系数,强化传热而使换热面积有所减小;但流动阻力与速度的平方成正比,其结果是烟气侧阻力上升。因此,要综合考虑换热面积和烟气流速。

3.4 补燃的影响

在燃气蒸汽联合循环余热锅炉采用补燃的目的有:提高汽轮机的蒸汽初参数,增大联合循环的功率;提高汽轮机系统的效率,从而在一定条件下增高联合循环的效率;改善余热锅炉的变工况特性。

1)在燃气蒸汽联合循环中,无补燃时,蒸汽的初温受到燃气轮机排气的限制, 而且蒸汽量有限,汽轮机的输出功率不可能很大,一般只有燃气轮机功率的50%;有补燃时,蒸汽的温度可以高于燃气轮机排气,而且蒸汽量可以大幅度增加,可以采用较高参数的汽轮机系统,汽轮机的功率可达到燃气轮机的6—7倍,从而达到增大整个联合循环装置功率的目的。

    2)当燃气轮机参数较低,如透平进口初温为800℃、排气温度为395℃时,燃气轮机的效率为24%左右。无补燃时,所能匹配的汽轮机的参数也较低,所组成的联合循环效率只有约35%。如果采用补燃,就能提高蒸汽的参数,采用亚临界的汽轮机系统(效率在36%38%)的联合循环的效率将达到42%左右,在这种情况下,补燃能够提高系统效率。随着燃气轮机技术的发展,透平进口初温和燃气轮机效率大幅提高,可提高系统效率的最大补燃量不断减小。由于汽轮机效率的提高已变得比较困难,补燃已逐渐失去提高联合循环系统效率的作用。目前,在燃气轮机已达到的参数条件下,有补燃的联合循环效率不如无补燃的。

    (3)作为在蒸汽—燃气联合循环系统承担着联系各上下游分系统和设备的余热锅炉,其运行特性受燃气轮机的影响较大。当燃气轮机的负荷变化时,燃气的流量和排气温度同时改变,余热锅炉的输出收到影响;而汽轮机对蒸汽的品质要求波动较小,这就给实际运行带来了不便。利用补燃可以解决此问题,补燃增加了余热锅炉的独立性,使其能够根据燃机侧的变化而改变补充燃烧的热量。然而,余热锅炉如果补燃,就需要配备燃烧系统,还需要配备风机、旁通风道等设备。不过,补燃可以使用煤或其它劣质燃料。

4 总结

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-蒸汽联合循环发电越来越得到发展。作为联合循环中连接燃气循环和蒸汽循环的关键所在,余热锅炉较常规锅炉有其特有的结构特征和热力特性。本文就余热锅炉的工作特点和影响联合循环的因素作了简要地论述。


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