燃氣蒸汽聯合循環余熱鍋爐的發展和研究

水冰杉

（昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650000）

在我國社會經濟和科學技術協同發展背景下，我國也加大了對高效發電技術的研究，為有效提高循環效率，借助燃氣蒸汽聯合循環機組發展出以發電為核心的多聯產技術，其中尤其是我國西部大開發政策的實施，開展的“西氣東輸”工程，燃氣蒸汽聯合循環因其自身所具備的熱效率高、污染小、運行靈活等優勢得到廣泛的關注，我國也進一步加大了對余熱鍋爐性能和開發設計的研究，以實現燃氣蒸汽聯合循環技術的全面提高。

1 燃氣蒸汽聯合循環余熱鍋爐基本概述

（1）燃氣蒸汽聯合循環余熱鍋爐的構成。通常情況下，余熱鍋爐是由過熱器、蒸發器、再熱器等構成，在大型的燃氣蒸汽聯合循環余熱鍋爐中還涉及到自然循環和強制循環兩方面內容，其中無論是自然循環余熱鍋爐，還是強制循環余熱鍋爐在其實際應用中都具有各自的優勢和劣勢。結合實際情況，人們較常運用臥式的自然循環技術，其主要原因在于：①操作上較為簡便，并且能夠保證燃氣輪機排氣波動保持較強的平衡性；②與強制循環余熱鍋爐相比較，更具有可用性；③管束較為均勻，能夠有效避免出現塑性形變、鍋爐性能下降等故障[1]。

（2）燃氣蒸汽聯合循環余熱鍋爐熱力特性分析。①加熱熱源。加熱熱源的不同作為常規鍋爐與余熱鍋爐之間存在的最大不同，其中余熱鍋爐的熱源通常是高溫煙氣余熱、可燃廢氣余熱等等，由于所使用的工藝、燃料不同，使得化工行業、制造行業等在對余熱鍋爐的使用過程中出現煙塵大、熱負荷波動大、腐蝕性強等缺點，若是運用聯合循環余熱鍋爐則可以有效解決這些問題，因其所使用的氣體燃料基本上不會出現粉塵的情況，也不用考慮是否在使用過程中會出現磨損的問題。②變溫顯熱源。將聯合循環中的燃料化學能轉變成為熱能，以實現對能源的梯級利用，并且在高溫階段實現熱能轉化為電能，又或者是轉化為機械能，而低溫排氣進入到余熱鍋爐中就會產生熱水，實現對其他熱力設備的驅動。為達到這一轉換效果，也就要求將余熱鍋爐布置到受熱面，其體積也就比較大。③多樣化的汽水系統。當選定好輪機時，余熱鍋爐的蒸汽系統結合經濟和技術選擇單壓、雙壓、三壓、三壓再熱等類型。在早期階段，較多采用的是單壓，雖然所投入的成本比較低，但是其熱效率也就相對較低。在現階段，使用三壓再熱汽水系統的較為普遍，不但排溫的溫度較低，還能夠充分收回余熱[2]。即使是這樣，也要處理好壓力參數匹配及優化的問題，以確保系統性能充分發揮。④變工況熱力。受到大氣溫度和負荷的影響，使得燃氣輪機需要在變工況的環境中進行穩定運行，其排氣溫度及流量也會有很大的差異，余熱鍋爐的熱力特性隨之發生變動。但是實際上要求熱力參數處于相對穩定的狀態，變工況環境下余熱鍋爐燃氣及蒸汽兩側的熱力變化不一致，導致熱源頭和余熱鍋爐熱慣性一大一小。

2 燃氣蒸汽聯合循環余熱鍋爐的發展

在國內對燃氣蒸汽聯合循環發電機組的研究時間雖然比較短，但是對余熱鍋爐發電技術的研究已經超過三十年，并且先后研發了雙鍋筒自然循環、單鍋筒自然循環式燃氣輪機余熱鍋爐，容量和壓力級數也得到很大的提高，此外螺旋翅片管的試制成功，也標志著我國大型燃機余熱鍋爐實現了國產化。而國外對燃氣蒸汽聯合循環發電技術開展研究，從上世紀六十年代就已經開始，并且供電的效率已經超過百分之五十，無論是聯合循環余熱鍋爐性能的設計，還是系統結構的優化都相對已經成熟。其中尤其是隨著燃氣輪機的初溫不斷升高，它的功率也在不斷的增大，余熱鍋爐的高壓循環蒸汽壓力、溫度也在不斷的增高，導致蒸汽系統也更加的復雜，為有效提高其環保性能，一些余熱鍋爐采用安裝脫硝裝置的方式，實現傳熱效率和提高，再加上在鍋爐的受熱面以鋸齒形翅片管代替傳統整體的翅片管，以縮小翅片與翅片之間的間距，使得整體結構更加的緊湊。

3 燃氣蒸汽聯合循環余熱鍋爐研究方向分析

（1）螺旋鰭片管設計及換熱計算方法選取。聯合循環余熱鍋爐的變溫顯熱源和大流量的熱力特性決定了其對流換熱的特殊性。通常情況下，余熱鍋爐中煙氣和汽水介質之間的換熱溫壓比較低，為保障整體布置的緊湊性，并且減少鋼材在其中的應用，就可以通過螺旋鰭片管的應用，增強余熱鍋爐的傳熱。針對螺旋鰭片管結構特性參數，在煙氣介質、溫度和速度相一致的情況下，螺旋鰭片管的管徑越小，翅片也就越高，節點之間的距離越緊湊，所起到的傳熱效果也就越好。至于對聯合循環余熱鍋爐螺旋鰭片管的換熱計算方式，到現目前為止還沒有相對成熟和規范的計算方法，我國對鍋爐的熱力進行計算，通常是選用借助國外研究成果，并在此基礎上加以完善和應用，其中特別是對污染系數的修正，對這一方面進行優化又主要體現在三個方面。①結構參數，如：對翅片規格的優化；②人汽輪機排污對換熱計算可能造成的影響進行分析；③翅片管的換熱與焊接方式之間存在的聯系等。

（2）煙氣的流動特性。因其中溫大流量工質，使得加大對聯合循環余熱鍋爐煙氣流動特性的研究十分的有必要。在當前對其進行研究主要是借助FLUENT流體計算軟件展開，可以實現更加直觀和具體的速度場、壓力場分布，并且對其進行優化設計。又或者是借助冷態空氣動力試驗裝置，對煙道形狀特性進行校核。

（3）聯合循環快速啟動。為使得聯合循環裝置更好的適應快速啟動，也就需要加大對循環布置的方式加以研究，在當前大多數的大型聯合循環裝置主要是運用一臺燃氣輪機和汽輪機相互運用一臺發電機，還有就是對無旁路煙道進行應用。在結構設計方面，增大鍋筒容量，避免汽水涌入；較大的水位量程設計，滿足保護水位和報警水位的要求；小管徑的螺旋鰭片管管徑盡量要小、管壁較薄。

4 聯合循環余熱鍋爐熱力參數優化

對聯合循環余熱鍋爐熱力參數加以優化，最常使用的方法是構建數學模型，在該模型中，涉及到的內容有設計工況和對變工況進行建模，經過計算和比較之后選擇更為科學合理的設計方案，并且保障整個系統具備好的熱經濟性。其中也涉及到一些關鍵的問題，具體是：①對汽水系統的優化，通過對進入余熱鍋爐燃氣溫度確定單壓、多壓等是否存在再熱，然后進行綜合的經濟比較，若是燃氣輪機排煙煙氣流量已經超過120kg/s，燃氣溫度也已經超過500℃，就可以選擇運用雙壓或者是三壓汽水系統；②節點溫差、排煙溫度確定，當節點溫差變小，余熱鍋爐的排氣溫度也會隨之降低，余熱鍋爐的熱效率就會獲得提高，然而平度的傳熱溫差也會相對減小，導致受熱面積增加。因此，就需要結合成本及循環效益合理的選擇節點溫差、排煙溫度；③余熱鍋爐與蒸汽輪機之間的匹配，隨著主蒸汽壓力和溫度的不斷升高，進入到余熱鍋爐中的燃氣溫度及受熱面控制著主蒸汽的參數，運用使得汽輪機做功量最大原則，可以有效對蒸汽參數匹配進行優化。

5 結語

在本文中，對燃氣蒸汽聯合循環余熱鍋爐的發展和研究展開分析和探討，主要是從燃氣蒸汽聯合循環余熱鍋爐基本概述展開，并對其發展和現代研究進行詳細的闡述，在未來的發展中，也需要加大對燃氣蒸汽聯合循環余熱鍋爐的傳熱特性、參數優化等方面展開更加深入的研究，推動燃氣輪機技術獲得更進一步發展。

[1]苑國慶．燃氣-蒸汽聯合循環機組運行參數的優化研究[D]．華北電力大學,2016．