燃氣-蒸汽聯合循環雙壓、三壓再熱余熱鍋爐性能分析

摘 要：燃氣-蒸汽聯合循環機組熱效率高、環保效果好，在全世界范圍內得到了廣泛應用。余熱鍋爐作為聯合循環系統中的重要設備，連接著燃氣輪機和蒸汽輪機，起著承上啟下的作用。研究如何提高余熱鍋爐的熱力性能，充分挖掘其回收余熱的能力，是提高機組整體熱效率的重要途徑。本文比較了某工程Siemens STG5-2000E機組，雙壓余熱鍋爐、三壓再熱余熱鍋爐熱力參數、機組發電量、機組熱耗、系統效率，得出機組最佳配置方案。

關鍵詞：聯合循環;雙壓余熱鍋爐;三壓再熱余熱鍋爐;機組性能

Abstract：Because of the high efficiency，good environmental protection effect，the gas-steam turbine combined cycle power plant （CCPP） has been widely developed all over the world.The heat recovery steam generator （HRSG） is a major equipment in the CCPP unit.The research on how to improve the performance of the HRSG and recover the heat of the flue gas as much as possible is an important way to improve the thermal efficiency of the CCPP.The performance including plant output，heat rate，plant efficiency is compared and analyzed for a Siemens STG5-2000E CCPP project.

Key words：Combined Cycle Power Plant;Dual Pressure HRSG;Triple pressure;single reheat HRSG;Plant Efficiency

隨著燃氣輪機單機功率和熱效率的提高，燃氣-蒸汽聯合循環機組逐漸成熟，再加上世界范圍內天然氣能源的進一步開發，燃氣-蒸汽聯合循環在世界能源系統中的地位越來越重要，目前，聯合循環的熱效率已超過55%。另外，燃氣-蒸汽聯合循環機組占地面積小，環保效果好，安裝周期短，運行靈活可靠，具有廣泛的應用前景。

燃氣-蒸汽聯合循環對燃料的化學能實現了梯級利用，如何進一步提高聯合循環效率是目前研究的焦點之一。余熱鍋爐作為聯合循環中的能量交換設備，同時連接著燃氣輪機和蒸汽輪機，在系統中起著承上啟下的作用[1]，提高余熱鍋爐的熱力性能，最大程度的實現余熱回收是提高機組整體效率，提高能源利用率的有效方法。

1 機組配置

某燃氣-蒸汽聯合循環機組選用西門子Siemens STG5-2000E燃氣輪機，兩臺杭州鍋爐廠生產的余熱鍋爐，一臺西門子生產的150MW級汽輪機，機組燃料為天然氣。聯合循環系統配置如下：①壓氣機;②燃燒室;③燃機透平;④燃氣輪機發電機;⑤余熱鍋爐;⑥蒸汽輪機;⑦蒸汽輪機發電機。

為了使燃氣輪機的排氣余熱能夠在余熱鍋爐中被充分利用，應盡可能降低排氣離開余熱鍋爐的溫度值。當燃氣輪機排氣流量大于120kg/s，以及進入余熱鍋爐的燃氣溫度高于510℃的時候，應采用雙壓或三壓的汽水流程系統[2]。本工程燃氣輪機排氣參數如下：

根據文獻[2]及以往工程經驗，本項目設計了雙壓余熱鍋爐、三壓再熱余熱鍋爐汽水系統兩種方案。

2 雙壓、三壓余熱鍋爐性能比較

2.1 雙壓余熱鍋爐的受熱面布置及熱力參數

雙壓余熱鍋爐為無再熱、無補燃、臥式、自然循環型式，受熱面布置如下：①低壓省煤器;②低壓蒸發器;③低壓過熱器;④一級高壓省煤器;⑤二級高壓省煤器;⑥高壓蒸發器;⑦一級高壓過熱器;⑧二級高壓過熱器;⑨除氧器。

雙壓余熱鍋爐受熱面沿煙氣流動方向依次布置為：二級高壓過熱器、一級高壓過熱器、高壓蒸發器、二級高壓省煤器、一級高壓省煤器、低壓過熱器、低壓蒸發器、低壓省煤器。余熱鍋爐采用單排框架結構、全懸吊型式，熱膨脹自由。

因本工程燃料為含硫量相對很低的天然氣，所以應盡可能降低排煙溫度，盡可能利用燃氣余熱，提高鍋爐效率，本工程雙壓余熱鍋爐煙氣排煙溫度為120.1℃。

在不補燃的余熱鍋爐中，煙氣溫度與蒸汽或水的溫度最接近的地方是煙氣離開蒸發器的地方，這一點的煙氣溫度與進入蒸發器的飽和水的溫度差稱為節點溫差，降低節點溫差可以提高蒸汽參數，降低排煙溫度，但隨著平均傳熱溫差的減小，受熱面面積增加，同時余熱鍋爐煙氣側阻力增加，相應引起成本增加;接近點溫差是指省煤器出口水溫與相應壓力下飽和水溫度的差值。余熱鍋爐接近點溫差通常取值為8～20℃，接近點溫差取值為5～20℃[3]。本工程雙壓余熱鍋爐節點溫差為15℃，接近點溫差為9℃。余熱鍋爐煙氣側壓降2800Pa。

提高余熱鍋爐的出口蒸汽參數可以提高機組的效率，但蒸汽壓力提高后，也提高了蒸汽飽和溫度，受節點溫差的影響，節點溫差點的煙氣溫度提高，將使主蒸汽蒸發量下降，余熱鍋爐排煙溫度升高，余熱利用率下降，所以蒸汽參數選擇要考慮多方面因素。

經過優化計算，雙壓余熱鍋爐方案蒸汽側參數如下：

2.2 三壓再熱余熱鍋爐的受熱面布置及熱力參數

雙壓余熱鍋爐為一次再熱、無補燃、臥式、自然循環型式，受熱面布置如下：

①低壓省煤器;②低壓蒸發器;③一級高壓省煤器;④中壓省煤器;⑤低壓過熱器;⑥中壓蒸發器;⑦二級高壓省煤器;⑧中壓過熱器;⑨高壓蒸發器;⑩一級高壓過熱器;B11一級再熱器;B12二級高壓過熱器;B13二級再熱器;B14三級高壓過熱器;B15除氧器。

三壓再熱余熱鍋爐受熱面沿煙氣流動方向依次布置為：三級高壓過熱器、二級再熱器、二級高壓過熱器、一級再熱器、一級高壓過熱器、高壓蒸發器、中壓過熱器、二級高壓省煤器、中壓蒸發器、低壓過熱器、中壓省煤器、一級高壓省煤器、低壓蒸發器、低壓省煤器。余熱鍋爐采用單排框架結構、全懸吊型式，熱膨脹自由。相較于雙壓余熱鍋爐，三壓再熱型余熱鍋爐增加了中壓、再熱受熱面，進一步提高了煙氣的熱量回收率，降低了排煙參數，提高了機組性能。三壓再熱余熱鍋爐煙氣排煙溫度為108.2℃，節點溫差為13℃，接近點溫差為8℃。由于增加了受熱面布置，余熱鍋爐煙氣側壓降增加為3000Pa。相較于雙壓余熱鍋爐，三壓再熱余熱鍋爐增加了高壓過熱器的級數，同時減小了節點溫差和接近

點溫差，受熱面面積進一步增加，造成余熱鍋爐初始投資增加。

經過優化設計后三壓再熱余熱鍋爐方案蒸汽側參數如下：

由雙壓余熱鍋爐和三壓再熱余熱鍋爐的蒸汽參數對比可知，三壓余熱鍋爐蒸汽溫度與雙壓余熱鍋爐相當，總流量也相近，但高壓蒸汽壓力遠高于雙壓余熱鍋爐，從而導致主蒸汽管道壁厚增加，同時增加了再熱系統，機組初始投資增加。

2.3 雙壓余熱鍋爐與三壓再熱余熱鍋爐熱力性能對比

在汽輪機排汽背壓、汽輪機效率相同的條件下，雙壓余熱鍋爐與三壓再熱余熱鍋爐熱力性能參數見下表：

三壓余熱鍋爐由于增加了中壓及再熱受熱面及過熱器級數，同時減小了節點溫差和接近點溫差，回收了更多的熱量，同時也把煙氣溫度降至更低。由上表可以看出，三壓再熱余熱鍋爐比雙壓再熱余熱鍋爐機組出力增加了11.3MW，機組熱耗降低了159KJ/kWh，機組效率提高了1.28%，機組整體性能明顯改善，具有可觀的經濟效益。

3 結論

（1）本工程Siemens STG5-2000E二拖一燃氣-蒸汽聯合循環機組采用三壓再熱余熱鍋爐方案比雙壓余熱鍋爐方案可增加機組出力、降低熱耗、提高機組效率，可大幅提高機組性能。

（2）采用三壓再熱余熱鍋爐方案比雙壓余熱鍋爐方案余熱鍋爐等設備、汽水管道初始投資將增加。

（3）隨著設備制造技術的提高、材料成本的降低及現代電廠對高效率、節能降耗的要求提高，本工程采用三壓再熱余熱鍋爐熱力系統是經濟合理的。

參考文獻：

[1]黃文波，林汝謀.聯合循環中余熱鍋爐及其熱力特性分析.燃氣輪機技術，1996，9.4.

[2]劉輝，郝紅艷，張紅蓮.汽輪機汽封系統設計研究[J].汽輪機技術，2002，44（3）.

[3]李忠軍，張永恒，王雷.聯合循環中的余熱鍋爐及其設計參數選擇.潔凈煤燃燒與發電技術，2007（4）.

作者簡介：劉傳成（1965—），男，漢族，吉林鎮賚人，本科，高級工程師，副總工程師，火力發電廠熱機專業設計。