余熱鍋爐優化改造可行性探討

項建偉

(浙江浙能鎮海發電有限責任公司， 浙江寧波 315208)

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余熱鍋爐優化改造可行性探討

項建偉

(浙江浙能鎮海發電有限責任公司， 浙江寧波 315208)

摘要：介紹了燃氣輪機余熱鍋爐的系統和不同模式運行下的性能參數，提出優化改造的方案，根據性能參數和實際的結構布置對改造方案進行了分析和計算，最終優先考慮采用保留現有除氧方式供熱水的改造方案。

關鍵詞：余熱鍋爐； 排煙溫度； 改造

某300 MW燃氣-蒸汽聯合循環電站由2臺100 MW燃氣輪機(簡稱燃機)發電機組，2臺立式、無補燃、單壓余熱鍋爐和1臺100 MW蒸汽輪機發電機組組成。燃機是由美國GE公司提供的PG9171E機組，為重載、單軸、快裝式的發電機組。原燃機機組設計燃料為180重油，由于重油的含硫量較高，考慮到受熱面的低溫腐蝕，設計的余熱鍋爐排煙溫度較高。經過改造后天然氣作為燃料，機組運行時余熱鍋爐出口排煙溫度和現設計燃燒天然氣的發電機組相比，排煙溫度高了70 K左右，嚴重影響了機組運行的經濟性。為了優化機組運行，降低余熱鍋爐排煙溫度，提高機組經濟性，提出了余熱鍋爐優化改造。

1余熱鍋爐系統及主要參數

1.1 余熱鍋爐系統

該余熱鍋爐為立式無補燃單壓強制循環，露天布置，由荷蘭NEM公司設計制造，部分承壓部件由國內鍋爐廠制造。受熱面自下而上依次為高壓過熱器1、高壓過熱器2、高壓蒸發器、高壓省煤器、低壓蒸發器。每臺鍋爐有獨立的汽包、除氧器，但共用一個連排擴容器、定排排污擴容器和疏水擴容器。

鍋爐總長53.349 m，總寬13.3 m，汽包中心標高23.6 m，除氧器中心標高29.925 m，旁路煙囪標高40 m，主煙囪標高100 m(地坪標高5 m)。高壓過熱器1、高壓過熱器2、高壓蒸發器、高壓省煤器、低壓蒸發器都是箱式水平布置，通過箱體，全部受力由大板梁承受，鍋爐能自由向下膨脹，受熱面都是翅片管，錯列布置，高壓蒸發器和低壓蒸發器為順流布置，其他為逆流布置。

余熱鍋爐進口與燃機排氣煙道相連接，通過燃機排氣余熱加熱凝結水產生過熱蒸汽供汽輪機發電。凝結水通過除氧器除氧再經低壓蒸發器循環加熱，經給水泵補水到汽包，再經高壓蒸發器循環加熱成濕蒸汽，在汽包中汽水分離后，飽和蒸汽通過導汽管到高壓過熱器2，再經減溫水調節后到高壓過熱器1，出來的過熱蒸汽經過主蒸汽管道到汽輪機。

1.2 主要技術參數

根據機組運行后的熱力試驗和計算，不同環境溫度下余熱鍋爐的各運行技術參數見表1。

表1　主要技術參數

2余熱鍋爐不同運行模式下的性能參數

為了建立熱力計算模型，進行了燃燒天然氣條件下的余熱鍋爐測試，分作一拖一和二拖一運行兩個工況，測量了余熱鍋爐各級受熱面進出口煙溫以及工質參數，根據實測的參數建立了熱力計算模型，結果見表2。根據實測和DCS數據顯示，一拖一運行時，余熱鍋爐入口煙溫為545 ℃，排煙溫度為156.7 ℃；二拖一運行時，余熱鍋爐入口煙溫為545 ℃，排煙溫度為166.0 ℃。

表2　不同運行工況下余熱鍋爐性能參數

3余熱鍋爐優化改造的目的

為了使燃機的排氣余熱能夠在余熱鍋爐中充分利用，應盡可能降低排氣離開余熱鍋爐時的溫度值。

優化改造余熱鍋爐時，追求的目標是：(1)提高余熱鍋爐的當量效率；(2)燃氣側的壓力損失小，以防燃機的功率和效率下降過多。事實上這兩個目標很難同時滿足，因為余熱鍋爐內的換熱過程屬于低溫換熱范疇，幾乎全部依靠對流換熱的作用。為了提高余熱鍋爐的當量效率，就必須盡可能地減少排氣的溫度，這樣就會導致換熱面積增大，燃氣側的流阻損失會相應地增高。為了減少流阻損失，燃氣的流速應該取得低一些，但是低的燃氣流速卻會降低燃氣的表面傳熱系數，從而促使換熱面積增大。

余熱鍋爐優化改造時，節點溫度應控制在8～20 ℃：節點溫差減少時，余熱鍋爐的排氣溫度會下降，燃氣的放熱量將加大，蒸汽產量會增加，總的換熱面積要增大，余熱鍋爐的投資費用和單位熱回收費用都會增大。接近點溫差應控制在5～20 K：接近點溫差增大時，余熱鍋爐的換熱面積和投資費用會增加；但是為了防止低負荷工況下或啟動期間省煤器內可能發生汽化現象，有必要在設計時使接近點溫差取得大些。

余熱鍋爐優化改造時，燃機的背壓控制在1.40～3.43 kPa。注意減少余熱鍋爐的壓力損失是需要綜合研究的問題，因為燃機的背壓每提高1%，機組的功率會下降0.5%～0.8%，當選用節點溫差小的余熱鍋爐時，受熱面積就會增大，流阻損失隨之加大，就出現了一個促使聯合循環效率下降的負效應。應該從聯合循環效率和比投資費用最優化的角度來考慮余熱鍋爐的優化改造汽水系統方案。考慮節點溫差、接近點溫差以及流阻損失對換熱面積的影響關系。

4余熱鍋爐優化改造方案

4.1 方案的設想

機組實際運行時，余熱鍋爐排煙溫度為160 ℃左右。如果能降低排煙溫度，則具有明顯的節能增效潛力。為了更好地利用回收這部分熱量，考慮了3種改造方案：(1)增加主蒸汽蒸發量來增加發電量或供熱；(2)增加中壓蒸汽受熱面供熱；(3)增加低溫受熱面供熱水。

4.2 改造的限制因素

通過收集機組的運行數據和現場實際計算、測量后發現，根據機組現有設計與結構，余熱鍋爐優化改造的限制因素主要是：高壓蒸發器和低壓蒸發器的節點溫差(蒸發器出口煙溫與蒸發器出口工質溫度的差值)；省煤器接近點溫差(省煤器出口水溫與相應工作壓力下飽和溫度的差值)；受熱面系統煙阻的增加；受熱面的空間限制以及承重限制等四個方面，其中最主要的限制因素是高壓蒸發器和低壓蒸發器的節點溫差。余熱鍋爐一般設計時通常取節點溫差為8～20 K，而經測量機組現有余熱鍋爐運行參數的節點溫差正好在8～20 K[1]。

以二拖一運行為例，目前高壓蒸發器出口工質溫度為291 ℃，煙氣溫度為308.4 ℃，節點溫差為17.4 K，處于合理設計范圍內；而一拖一運行的節點溫差更小，只有9.1 K。如果增加蒸發量，將導致節點溫差降低，高壓蒸發器無法正常工作。解決高壓蒸發器節點溫差限制的方法是降低高壓蒸發器運行溫度，即降低汽包壓力，但目前一拖一運行時的汽包壓力只有4.5 MPa左右，運行時汽輪機的調門已全開，因而不具備更低壓力運行的條件。

低壓蒸發器的節點溫差則限制了低壓蒸發器的出口煙溫，即限制了排煙溫度的高低。以二拖一運行為例，低壓蒸發器出口工質溫度為145 ℃，煙氣溫度為166 ℃，節點溫差為21 K，與設計范圍非常接近(一拖一運行的節點溫差為22.7 K)。為了保證除氧系統的正常工作，進入除氧器的蒸汽溫度需要142.4 ℃(對應除氧器工作壓力0.29 MPa的飽和溫度)，與實際工質溫度差距很小。因此，如果在低壓蒸發器前增加工質吸熱量，使得煙氣溫度降低，將會導致低壓蒸發器吸熱量減少，工質出口溫度降低，最終導致進入除氧器的蒸汽溫度過低，除氧器將無法正常工作。

如果要解決低壓蒸發器節點溫差限制的方法，可以考慮除氧器化學除氧等其他除氧方式，但要拆除低壓蒸發器受熱面。

根據測量和熱力計算，結合現有余熱鍋爐的設計與結構，增加蒸汽流量發電或供熱的方案受限制于高壓蒸發器的節點溫差限制是不可行的。根據機組實際一拖一運行，省煤器后的煙氣溫度有210 ℃左右；低壓蒸發器后的煙氣溫度有156 ℃左右，因此煙氣的余熱用于加熱水來供熱水比較理想。

5余熱鍋爐煙氣余熱供熱水方案

余熱供熱水是利用燃機煙氣余熱，在煙道尾部加裝低溫加熱器加熱工質達到用戶的使用要求。綜合現場條件與實際情況，有兩種供熱水方案可供分析選擇：(1)保留現有除氧器除氧方式供熱水；(2)改造現有除氧器除氧方式供熱水。

5.1 保留現有除氧器除氧方式供熱水

由于排煙溫度受到低壓蒸發器的節點溫差限制，低壓蒸發器后的煙氣溫度只有156 ℃左右，因此熱水溫度不可能高于低壓蒸發器后的煙氣溫度。選取熱水參數以140 ℃、0.7 MPa計算(增加一組熱水受熱面15 008 m2)，熱平衡計算見表3。

表3　熱平衡計算

這種供應熱水方案具有改造周期短、費用低、設備改動少，以及對原鍋爐系統沒有干擾等優點，系統煙阻增加有限，只要解決低溫加熱器承重問題就可實現改造。擬采用的低溫加熱器(熱水加熱器)布置方式見圖1。

經過計算，余熱鍋爐布置低溫加熱器加熱熱水，低溫加熱器出口排煙溫度為90 ℃時，單臺爐運行最多能供應233.15 t/h熱水，兩臺爐運行最多能供應254.96 t/h熱水。在保持現有布置不變的情況下，新增的受熱面增加煙阻最大約450.8 Pa左右。

5.2 改造除氧器除氧方式供熱水

如用戶對熱水品質要求較高，可以對現有的除氧系統進行改造。根據前文敘述，除氧系統中受限制于低壓蒸發器的節點溫差，低壓蒸發器出口煙溫存在制約(出口煙溫最低需130 ℃以上，對應除氧器工作壓力0.13 MPa，工作溫度121 ℃)。改造現有除氧系統可以解決提高熱水品質的問題，改造除氧方式后熱水參數預計達到190 ℃、1.4 MPa左右，擬采用兩級低溫加熱器。根據不同除氧方式的經驗，經除氧后給水溫度一般在60 ℃左右，熱平衡計算見表4，布置方式見圖2。

表4　熱平衡計算

圖2改造除氧方式供高溫熱水方案布置圖

經過計算，改造除氧系統供應高溫熱水后，低溫加熱器2出口排煙溫度90 ℃時，供應熱水參數為192 ℃、1.4 MPa，單臺爐運行最多能供應237.09 t/h熱水，兩臺爐運行最多能供應301.22 t/h熱水。改造后新增的受熱面增加煙阻約568.4 Pa左右。

6結語

(1) 根據測量和熱力計算，結合余熱鍋爐的設計與結構，增加蒸汽流量發電或供熱的方案由于受限制于高壓蒸發器的節點溫差限制是不可行。

(2) 余熱鍋爐煙氣余熱回收利用的方案中，優先考慮保留現有除氧方式供熱水，在煙道尾部加裝低溫加熱器是最簡單、經濟的方案。由于改造周期短、費用低、設備改動少，改造后能供應低溫熱水(140 ℃左右)230～260 t/h，增加一組熱水受熱面15 008 m2，同時增加煙道阻力約450.8 Pa。改造后排煙溫度為90 ℃左右。

參考文獻：

[1] 焦樹建. 燃氣-蒸汽聯合循環[M]. 北京:機械工業出版社，2000.

Feasibility Study on Optimization Retrofit of a Waste Heat Boiler

Xiang Jianwei

(Zhejiang Zheneng Zhenhai Power Generation Co., Ltd., Ningbo 315208, Zhejiang Province, China)

Abstract：System configuration and performance parameters of a gas turbine waste heate boiler were introduced under different modes, to which various optimization schemes were proposed. By analyzing the retrofit schemes according to performance parameters and actual layout of the boiler, the one keeping its original deaerating way to supply hot water was eventually adopted.

Keywords：waste heat boiler; exhaust gas temperature; retrofit

收稿日期：2015-10-12

作者簡介：項建偉(1973—)，男，工程師，主要從事燃氣輪機技術管理工作。E-mail: xiangjianwei2648@163.com

中圖分類號：TK229.929

文獻標志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)03-0206-04