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燃气—蒸汽联合循环中的余热锅炉概述(一)

  • 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(一)

大唐华东电力试验研究院 锅炉技术研究所 张波

1 前言

各种配置了燃气轮机的联合循环,由于考虑了燃料能量的梯级利用而具有很高的能量利用效率;同时,由于燃气蒸汽联合循环电站的生产设备投资费用低、占地面积小、建设周期短等众多特点而具有广泛的市场应用潜力。在实际工业生产中,通常采用余热锅炉(HRSG)来回收利用燃气轮机排放的高温烟气中的余热资源。

余热锅炉处于整个循环系统的末端,使用的是低品位的能量,相当于换热器,但是它作为总能系统的有机组成部分,起着联系各子系统的关键作用,并且影响着各个生产设备的性能参数。随着燃气轮机向大容量、高参数方向发展,余热锅炉的蒸汽温度、压力也有了很大的提高,同时也变得更加复杂多样,本文就余热锅炉的类型和主要部件作简要讨论。

2 余热锅炉的类型

联合循环的方式多种多样,余热锅炉的型号、种类也多种多样。一般情况下,根据受热面的布置形式、蒸汽参数、余热锅炉吸收能量的情况和使用情况等进行分类:

2.1 按总体布置分类

根据烟气的流动方向,余热锅炉可以分成立式布置和卧式布置,分别如图1和图2所示,两种布置方式都有着自己的特点:

1)立式余热锅炉:烟气流动主要为垂直方向,其受热面为水平方向布置。由于蒸发受热面是水平的,依造汽水密度差建立水循环比较困难。特别在启动阶段蒸汽刚产生时,微小的密度差很难建立起安全的水循环。如果产生的蒸汽不能被及时带走,蒸汽附近管壁的冷却条件急剧恶化,管子就会超温烧坏。因此,在早期为了确保蒸发受热面在有蒸汽产生时工质的单向流动,必须使用强制循环。强制循环依靠循环泵维持,泵将消耗额外的功而降低系统效率。立式布置的受热面吊挂在顶部钢架上,便于受热面向下自由膨胀;受热面和结构件的膨胀方向一致可降低热应力。立式布置余热锅炉因为受热面在高度方向布置,占地较少。但其最大的优点是:由于水容量较少,具热惰性也较小,因此能够适应负荷多变的运行工况。

2)卧式余热锅炉:烟气流动主要为水平方向,大部分受热面为垂直布置。由于蒸发受热面为垂直方向,汽、水混合物的流动可以依靠汽、水的密度差来实现,因此主要采用自然循环,这种情况下,管内工质的阻力较小,因此可以根据需要使用较粗的管子,但会耗费较多的金属材料。此外,卧式余热锅炉还需要较大的汽包。大汽包和粗管子意味着较大的水空间和热容量:当给水出现问题时,较大的水空间可以维持的时间较长;而另一方面,延长了余热锅炉的启动时间,在负荷变化时容易产生较大的热应力。由于热惰性较大,这种炉型比较适合在额定负荷下运行。当负荷变化频繁时,受热面容易发生疲劳。此外,垂直布置的管子在启动、停炉时,放气、疏水比较困难。

1 双压余热锅炉立式布置示意图

2 双压余热锅炉卧式布置示意图

2.2 按工质压力分类

余热锅炉最早出现在化工和制造业,当时的目的只是回收化工及制造工艺流程中的余热。早期作为低压设备,使用的都是单压汽水系统。随着经济的发展,回收各种余热资源的需求越来越多,广泛应用于各种联合循环,余热锅炉技术得到了很大的发展。同时,在燃气轮机方面,随着经济社会的发展,其技术也得到了很大的提高,各项热力参数迅速增加。在燃气蒸汽联合循环中,蒸汽系统为了高效地与燃气系统相匹配,需要比以前更高的蒸汽温度和压力。同时随着节能意识的提高,为了回收更多的余热,增加燃料使用效率,市场上已经出现了双压甚至三压汽水系统,同时产生几种压力的蒸汽供汽轮机使用。目前,根据使用者的需要,余热锅炉可以采用单压、双压(有或无再热)和三压(有或无再热)等几种形式。

多压汽水系统的采用可以降低余热锅炉的排烟温度,从而提高余热锅炉的热效率,但这是以增加受热面为代价的。另外,多压系统的采用将使燃气轮机出口压力升高,有使整个系统效率下降的趋势。多级不同压力水平的省煤器、蒸发器和过热器的存在,提高了整个系统的复杂性,使初始投资增加。因此,汽水系统的选择应该根据燃气轮机的参数,结合经济性分析(包括初投资、运行维护费用和收益情况)统筹考虑。

2.3 按供给热量的方式分类

在余热锅炉实际工业使用中,为了联合循环系统的效率或其它一些经济技术原因,也许需要额外增加一部分能量。由此可将余热锅炉分为三类:

    1)非补燃式余热锅炉:此种余热锅炉只利用燃气轮机的尾气余热,没有使用外来燃料,相当于换热器。其特点是:系统效率较高,结构简单,基本投资费用较低,运行可靠性高。但是余热锅炉的进口参数受制于燃气轮机的排气温度和流量,当燃气轮机压比很高时,蒸汽的参数不容易提高。

    2)部分补燃式余热锅炉:为了提高整个循环的功率或者改善循环的变工况特性,有时需要在余热锅炉中投人一些燃料,增加额外的热量。燃气轮机通常只消耗空气流量中少部分的氧气,排气中的剩余氧气足以在余热锅炉中起补燃作用。因此,排气中的剩余氧气未完全用于补燃的就是部分补燃式余热锅炉。

3)完全补燃式余热锅炉:把燃气轮机排气中的氧气全部用于余热锅炉额外燃料的补燃。它能产生的蒸汽量是非补燃系统的6—7倍,产生同样的蒸汽消耗的燃料比常规锅炉少7.5%一8%。虽然可以产生较多蒸汽,但由于此时联合循环的系统效率较低,在实际应用中较少被采用。

燃气轮机的排气相当于被预热的燃烧空气,与常规锅炉相比投入同样的燃料将产生更多的蒸汽。由于补给了燃料,蒸汽参数得到了提高,不再受燃气轮机排气的限制,余热锅炉的运行有了一定的独立性,但是补燃在大多数情况下都将使系统效率降低。因此,补燃与否应当考虑各种因素的影响。

2.4 按出口工质的形式分类

    根据余热锅炉出口工质的状态,可以将余热锅炉分为以下三种:

    1)出口为过热蒸汽的余热锅炉:这类余热锅炉出口的蒸汽有一定的过热度,需要配置过热器,通常用于发电联合循环。主要有整体煤气化联合循环(IGC C)、流化床联合循环(PFBC—CCAFBC—CC)和常规的燃气蒸汽联合循环等,蒸汽的作用在于去汽轮机膨胀做功。

2)出口为饱和蒸汽的余热锅炉:因为出口为饱和蒸汽,不需要配备过热器。注汽燃气轮机循环(SITG)采用的余热锅炉属于这一类,饱和蒸汽与高温燃气混合过热进入透平膨胀做功,从而提高系统的比功和效率。

    3)出口为热水的余热锅炉:某些燃气轮机(例如小型或微型燃气轮机)因采用回热后排气温度低,无法产生蒸汽,回收余热时只能得到热水。这种余热锅炉相当于普通换热器,主要用于供暖、提供热水和制冷等。

3. 余热锅炉的主要部件

余热锅炉汽水侧的流程与常规锅炉相似,都是给水在吸收热量,蒸发并过热后成为过热蒸汽,然后进入汽轮机膨胀做功。给水吸收的热量可以分为预热热、汽化热和过热热三部分,由此余热锅炉主要部件有过热器(注:通常包括再热器)、省煤器、蒸发器、汽包、减温器等;有补燃的情况下,还有燃烧器。

    1过热器:作用是将蒸汽从饱和温度加热到一定的过热温度。过热器位于温度最高的烟气区,其管内工质为蒸汽,受热面的冷却条件较差,从而在余热锅炉各部件中有最高的金属管壁温度。考虑到启动阶段还存在一定程度的干烧,因此,过热器需要使用具有耐高温和抗氧化的材料制造。此外,在实际运行过程中,燃气轮机工况的频繁改变,会导致过热器热疲劳及高温、高压带来的蠕变问题,引起运行事故。当管壁温度在510℃以下时,碳钢是一种适用且经济的材料;超出这个温度范围就需要使用合金钢。在安装制造时,采用全焊透焊接,以及确保管子与集箱之间的柔性,有利于过热器的运行。

    2省煤器:作用是利用尾部低温烟气的热量来加热余热锅炉给水,从而降低排烟温度,提高余热锅炉以及联合循环的效率,节约燃料消耗量。运行过程中,省煤器可能出现的问题为其管内产生蒸汽,因为蒸汽会导致水击和过热,特别是在机组刚启动或低负荷时,管内工质流速很低,更容易产生蒸汽,对水循环不利。采用省煤器再循环管可以增加省煤器中水的质量流量,从而解决这个问题。还有一种方法是布置烟气旁路系统,在部分负荷时将部分省煤器退出运行,这样也可以增加省煤器的工质流速。

    3蒸发器:作用是加热水产生蒸汽。通常情况下,蒸发器内只有部分水变成蒸汽,所以管内流动的是汽水混合物。汽水混合物在蒸发器中向上流动,进人对应压力的汽包。在水平方向布置的蒸发器管内,当工质流速很低时容易发生汽水分层:管内有水的区域,由于水的换热系数很大,管壁温度保持正常;在蒸汽区域,蒸汽的换热系数是水的5.5%,冷却效果较差,因此管壁很容易超温。此外汽水分层的界面常常会上下波动,使得这部分管壁交替地与汽、水接触,壁温的交替变化将使材料产生疲劳应力,影响运行的安全性。蒸发器在运行中的经常出现的问题是:在水处理不良的情况下,各种杂质在蒸发器的内壁会形成沉淀物,增加管子的热阻,导致局部超温爆管事故。

    4汽包:作用是汇集省煤器给水和汇集从蒸发器来的汽、水混合物,提供合格的饱和蒸汽进入过热器。汽包内装有汽水分离设备,可以对来自蒸发器的汽水混合物进行分离,水回到汽包的水空间,与省煤器的来水混合后重新进入蒸发器,而蒸汽则从汽包顶部引出。汽包的尺寸要大到足以容纳必需的汽水分离装置,并能适应锅炉负荷变化时所发生的水位变化,因此汽包是很大的储水容器,具有较大的水容量和较大热惯性,对负荷变化不敏感,汽包通常不受热。

    5减温器:作用是控制蒸汽温度。在实际运行中由于种种原因,蒸汽的温度总是上下波动,当超过过热器材料的使用温度时会带来严重的后果,比如超温爆管等。为了控制蒸汽温度而普遍采用喷水减温方式,稳态运行时蒸汽温度可控制在±2.8℃,而负荷变化时蒸汽温度可控制在±5.6℃以内。减温器通常位于过热器或再热器出口管组的进口处,比如一、二级过热器之间。减温水一般来自于锅炉给水泵,为了能够正常工作,它的压力要比蒸汽压力高2.76MPa左右。减温水通过喷口雾化后喷入湍流强烈的蒸汽中,蒸汽的速度和雾化的水滴尺寸是确定减温效果的两个最重要因素。一个好的过热器或再热器,在额定负荷稳定运行时仅需要很少的喷水量。

6燃烧器:在有补燃的余热锅炉中,燃烧器是重要部件。在小型系统中,燃烧器也许只提供5000kW辅助热量;而在大型系统中,为了均匀地加热蒸汽,几万千瓦的热量可能通过几个口喷引入炉内。随着补燃热量的增加,烟气温度分布不均匀的可能性大大增加;当然,燃气轮机排气方向对烟温分布也有一定的影响。增加流动控制叶片可以改善烟温分布的不均匀性,在设计燃烧器时,对流场需要仔细考虑,杜绝火焰冲刷下游受热面的情况。

4. 总结

    作为一种换热器,余热锅炉利用的是燃气轮机排气余热,在联合循环的流程中它处于燃气轮机和下游设备之间,起着承上启下的重要作用,经过多年的运行经验和技术积累,余热锅炉相关技术已经很成熟,并且也在不断地发展。本文就余热锅炉的类型和重要部件做了论述。


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