燃氣-蒸汽聯合循環機組中余熱鍋爐蒸汽參數的估算方法

熊建文，張曉紅，陳云芬，任自華

中機國能電力工程有限公司，上海 200061

0 引言

本文將以無再熱、無補燃、雙壓蒸汽余熱鍋爐為例，介紹利用T-Q 圖推算鍋爐的蒸汽參數的估算方法，并結合實例對估算方法的有效性進行驗證。

1 T-Q 圖及其重要參數

T—Q 圖由煙氣放熱曲線、工質（蒸汽和給水）吸熱曲線組成，反映了余熱鍋爐運行時，煙氣溫度變化及焓值變化，工質（給水或蒸汽）溫度和吸熱量變化，以及煙氣溫度變化與各受熱面工質吸熱量的關系，典型的T—Q 圖見圖1，它包括了1）煙氣放熱曲線，它反映了燃機出口的高溫煙氣將熱量傳遞給工質后變成低溫煙氣的過程；2）過熱蒸汽吸熱曲線，它反映了過熱蒸汽吸收的熱量，對應鍋爐的過熱段；3）飽和蒸汽吸熱曲線，它反映了飽和水吸熱相變為飽和汽吸熱量，對應鍋爐的蒸發段。吸熱過程是在蒸發器中完成的，此過程中工質溫度不發生變化；4）給水吸熱曲線，它反映了凝結水被加熱到鍋筒壓力下飽和水溫度的吸熱量，它的受熱面有給水加熱器、除氧器及省煤器。利用T—Q 圖需要了解余熱鍋爐運行中的一些重要參數，這些參數在估算方法中非常有用。

1.1 熱端溫差

余熱鍋爐主汽溫度取決于燃氣輪機的排煙溫度，熱端溫差指燃機排煙溫度與主蒸汽溫度的溫差，一般在20℃～50℃。

1.2 窄點溫差

余熱鍋爐的窄點溫差△Tp 是指余熱鍋爐中的蒸發器入口處煙氣的溫度與工質飽和溫度之間的差值[1]。窄點溫差越小，余熱的利用率越高。但是為了減少窄點溫差必須提高蒸發器的換熱量，就必須增加余熱鍋爐的換熱面積，這樣余熱鍋爐的投資較大；同時燃氣側的流動損失也會增加，導致燃氣輪機的功率有所減小。因此選擇合適窄點溫差非常重要，是決定余熱鍋爐受熱面積的關鍵因素，一般取8℃～20℃，最低可以取7℃。

1.3 接近點溫差

余熱鍋爐的接近點溫度，是指省煤器出口的水溫與對應壓力下的飽和水溫度之間的差值[2]。如果接近點溫差過大，表面省煤器的強化換熱的特點沒有得到充分的利用，為了保證余熱鍋爐的效率還必須增加余熱鍋爐的換熱面積，投資費用增加。但是接近點溫差也不能太小，如果接近點溫差接近零，說明省煤器中發生了汽化現象，很可能導致省煤器管過熱甚至損壞，不利余熱鍋爐的安全運行。因此接近點溫差的選擇必須合適，一般取4℃～10℃。

1.4 排煙溫度

余熱鍋爐的排煙溫度直接影響到鍋爐的效率[1]，但是降低余熱鍋爐的排煙溫度要增加鍋爐受熱面，余熱鍋爐設計時要綜合考慮投資與效率的因素。單壓系統的排煙溫度為150℃～180℃，多壓蒸汽系統的排煙溫度可以低很多，例如雙壓系統的排煙溫度為100℃～150℃，三壓系統的排煙溫度為80℃～100℃。

2 T-Q 圖的畫法

T-Q 圖包含了煙氣隨溫度下降的煙氣放熱曲線，和工質（蒸汽和給水）的吸熱曲線。煙氣的放熱量與煙氣量、煙氣組分及溫降有關。工質的吸熱量與工質的壓力、溫度、流量有關。與9E 燃機配套的余熱鍋爐，一般采用雙壓蒸汽系統，受熱面布置一般為高壓蒸汽過熱器、高壓蒸發器（即高壓鍋筒，高壓給水在此由飽和水變成飽和汽）、高壓省煤器1）低壓蒸汽過熱器、低壓蒸發器、高壓省煤器；2）低壓省煤器、高壓省煤器；3）除氧器及給水加熱器，具體位置可能因低壓蒸汽參數的不同會有所調整。

2.1 煙氣放熱曲線

燃機的煙氣由氮氣、水、二氧化碳、氧氣組成，各分氣體的各個溫度下的的比焓h 見表1，煙氣的比焓等于各分氣體對應的比焓與其體積份額的乘積之和。

表1 煙氣的比焓hi kJ/Nm3

氣體比焓與溫度具有線性關系，因此只要根據燃機的排煙溫度與余熱鍋爐的排煙溫度求出相應溫度下煙氣的比焓，計算出焓差，乘以煙氣量就能得到煙氣的放熱量。以溫度為縱坐標，放熱量為橫坐標，畫出煙氣放熱曲線。

2.2 蒸汽吸熱曲線

T-Q 圖中工質吸熱曲線由高壓過熱蒸汽以及飽和蒸汽曲線構成，分別對應蒸汽的過熱段和蒸發段。雙壓余熱鍋爐的主汽，一般為5.3MPa～8.8MPa/500℃～530℃的次高壓參數，或10.0MPa/540℃的高壓參數；主汽的熱端溫差一般為20℃～50℃。根據主汽流量及各溫度壓力下的焓值，可以求出高壓過熱器受熱面及高壓蒸發器受熱面的吸熱量，并在T-Q圖上畫出這二個受熱面處的工質吸熱曲線。根據確定的低壓蒸汽壓力求出低壓鍋筒壓力下的飽和溫度，可以畫出低壓蒸汽吸熱曲線。根據低壓汽流量及蒸汽參數，分別求出低壓過熱器及蒸發器受熱面的吸熱量，可以畫出這兩段的工質吸熱曲線。

2.3 給水吸熱曲線

流經除氧器及給水加熱器的給水流量為高、低壓蒸汽流量之和，由于除氧器后的給水泵將給水分別打入低壓省煤器及高壓省煤器，最后生成高壓過熱蒸汽及低壓過熱蒸汽，因此.除氧器及給水加熱器吸熱量可以合并計算，將凝結水加熱到除氧器出口飽和水溫度。根據高低壓給水吸熱量，可以畫出高低壓省煤器吸熱曲線。

3 估算方法

為了利用T-Q 圖估算余熱鍋爐的蒸汽參數，對于無再熱、無補燃、雙壓蒸汽余熱鍋爐，假定余熱鍋爐排污率為0，不考慮噴水減溫，不考慮除氧器、蒸發器循環倍率的影響，只考慮工質吸收的熱量，那么鍋爐的蒸汽參數可以利用T-Q 圖估算。

3.1 高壓蒸汽流量的估算

確定高壓蒸汽的壓力和溫度，求出高壓鍋筒壓力下的飽和溫度，在T-Q 圖上畫出飽和溫度線。選取窄點溫差，可以求出高壓鍋筒入口處煙氣的溫度，此溫度對應下的焓降為高壓蒸汽過熱器與高壓蒸發器的吸熱量。煙氣放出的熱量等于工質吸收的熱量：

式中：Ds 為主汽流量，kg/s；hs 為主汽焓值，kJ/kg；hsg為進入高壓鍋筒的給水焓，kJ/kg。

由于進入高壓鍋筒的給水比高壓鍋筒壓力下的飽和水溫度低，兩者的溫差為接近點溫度，一般取4～10℃。因此利用煙氣的焓降可以求出高壓蒸汽的流量。

3.2 低壓蒸汽參數估算

低壓蒸汽的壓力和除氧器的壓力有關，一般主汽壓力為次高壓時，除氧器通常用大氣式除氧器，主汽為高壓蒸汽時，除氧器通常為高壓除氧器，除氧器壓力約為0.39MPa，此時低壓蒸汽壓力一般為1.0～2.0MPa。低壓蒸汽作為過熱蒸汽，與煙氣的溫差一般在20℃左右。

在用T—Q 圖估算低壓蒸汽參數時，可以通過試算的方法調整，以獲得最大程度利用煙氣余熱。

低壓蒸汽的總吸熱量△hL ，等于煙氣總焓降△hy 與主汽總吸熱量△hH 之差。其中煙氣總焓降△hy 可以根據煙氣成分及排煙溫度可以求得。主汽總吸熱量：

式中：Ds 為主汽流量，kg/s；hs 為主汽的比焓，kJ/kg；hn 為凝結水的比焓，kJ/kg。

低壓蒸汽的流量可以根據低壓蒸汽的總吸熱量求得：

式中：hL 為低壓汽的比焓，kJ/kg；hn 為凝結水焓值 kJ/kg。

4 應用實例

為了驗證本文方法的有效性，本文將結合一個實例介紹該方法的應用。T-Q 圖不僅可以用來估算余熱鍋爐參數，在已知鍋爐參數的情況下，在T-Q 圖畫出工質吸熱量曲線及煙氣焓降曲線，可以直觀的看出各受熱面吸熱量的情況，當外部環境發生變化，燃機排放煙氣參數發生變化時，由T-Q 圖可以預估其參數的變化范圍，為運行提供參考。

4.1 案例的T-Q 圖制作和應用

某工程余熱鍋爐與9E 燃機配套，蒸汽參數為雙壓，T-Q圖制作包括：

1）煙氣放熱曲線

燃機排氣溫度為562℃，煙氣成分為：CO2(3.22%)，N2(71.56%)，H2O(11.53%)，O2(12.84%);其他氣體（0.85%），煙氣排放量為1357.9kg/h（300.95Nm3/s）。煙氣通過余熱鍋爐后的排煙溫度為110℃。根據表1，采用插值法計算可以得到562℃時煙氣的比焓為779.54kJ/Nm3，110℃時煙氣的比焓為146.24kJ/Nm3，比焓降為633.3kJ/Nm3，煙氣總焓降為190.6Mw。

2）高壓主汽吸熱曲線

高壓主汽溫度tHs 為538℃；壓力pH 為10.55MPa，蒸汽比焓hHs 為3465kJ/kg；高壓鍋筒壓力為10.93MPa，飽和溫度為317.60℃，飽和蒸汽比焓hHs 為2708kJ/kg。取窄點溫度7℃，則高壓蒸發器進口煙氣溫度為324.6℃，對應溫度下的煙氣焓降為102.6MW。取接近點溫度為5.3℃，則高壓鍋筒進口給水溫度為312.3℃，給水比焓為1414kJ/kg，根據公式（1）求得高壓主汽流量DHs 為50.028kg/s，進而可以求出高壓過熱器及高壓蒸發器的吸熱量分別為37.88Mw/64.72Mw；根據進出口溫度可以畫出高壓過熱器吸熱曲線。

3）低壓主汽吸熱曲線

低壓主汽溫度tLs 為238℃；壓力pL 為0.9MPa，蒸汽比焓hLs 為2916.5 kJ/kg；低壓鍋筒壓力為0.93MPa，飽和溫度為181℃，飽和蒸汽比焓hLs 為2778kJ/kg。取窄點溫度12℃，則低壓蒸發器進口煙氣溫度為193℃。取接近點溫度4.5℃，則低壓鍋筒進口給水溫度為176.5℃，給水比焓為747.8kJ/kg。根據公式（2）及（3），可以求出低壓主汽總吸熱量為28.16MW，低壓主汽流量為10.437kg/s。進而可以求出低壓過熱器及低壓蒸發器的吸熱量分別為1.44MW/21.19MW；根據進出口溫度可以畫出低壓過熱器吸熱曲線，低壓蒸發器吸熱曲線。

4）給水吸熱曲線

除氧器壓力為0.374MPa，溫度為141.2℃，給水比焓為594.38kJ/kg，凝結水溫度為52℃，比焓為218kJ/kg，給水流量為高低壓主汽流量之和60.465kg/s，由上述數據可以求出給水吸熱量為22.75Mw。根據進出口溫度計吸熱量可以畫出給水吸熱曲線。

5）低壓省煤器吸熱曲線

根據低壓汽流量、除氧器出口給水參數及低壓鍋筒進口給水參數可以得到低壓省煤器吸熱量為1.6Mw，可以畫出低壓省煤器吸熱曲線。

6）高壓省煤器吸熱曲線

剩下的受熱面就是高壓省煤器受熱面，根據省煤器進出口溫度可以畫出高壓省煤器吸熱曲線。

4.2 效果驗證

采用本文介紹的計算方法與鍋爐廠計算的結果比較見表2 。其中，高壓主汽和低壓主汽的壓力、溫度是根據鍋爐廠提供的蒸汽參數確定的，蒸汽流量是根據T-Q 圖估算的到的。

表2 計算的結果比較

從計算結果來看，低壓蒸汽流量略有差別，換算到焓值，誤差約為1MW，與整個煙氣焓值190.6Mw 相比，誤差很小。

5 結論

采用本文介紹的估算方法與廠家計算出來的數據誤差不大，在前期及投標階段時間緊、任務重的情況下，此誤差是可以接受的。其次，作為設計人員，在確定主機匹配參數時可以用這個方法估算一下，最大程度利用煙氣余熱，使聯合循環效率最高，然后交給余熱鍋爐廠家及汽機廠家分別計算，求得最大發電量。