燃氣輪機自然循環余熱鍋爐的型式優化分析

何慶勇

（上海和蘭透平動力技術有限公司，上海 201800）

0 引言

伴隨著我國經濟發展達到新高度后開始對更加注重發展成果的質量，也更加注重對環境的保護。在發電行業中，燃氣輪機會排出一定的功后高溫乏煙氣。而余熱鍋爐的應用就可以將其轉化為蒸汽或者熱水。這些蒸汽或者熱水經過循環系統，就具有了再次利用的價值。這樣一來，燃燒產生的能量就成為了發電的動力。目前，國內市場主流常規火電汽輪機的聯合循環蒸汽參數跟國外先進余熱鍋爐蒸汽參數還有較大的差距。

分析電站的循環系統，發現其主要由以下四部分構成：第一蒸汽輪機、第二發電機、第三燃氣輪機、第四余熱鍋爐。功后高溫乏煙氣經過燃氣輪機排出后，就會進入余熱鍋爐。而余熱鍋爐不僅會將其轉化為蒸汽形式，還會注入到蒸汽輪機當中，為發電做好準備。與此同時，針對發電作功后的乏汽，余熱鍋爐也可以應用到供熱方面。可以說余熱鍋爐的工作效率直接決定著能量轉換率。因此，想要穩定而高效的發電，一個工作效率高且又安全可靠的余熱鍋爐必不可少。在聯合循環發電或熱電聯產的余熱鍋爐中，按照水和水蒸汽循環的動力差異，分為自然循環和強制循環，兩種設備都有其各自的特點。

結合在申能崇明2×9F燃機電廠項目中對鍋爐的安裝、性能驗收及問題整改等一系列工作的實踐過程中，針對該項目發電的具體運行狀況，通過對余熱鍋爐蒸汽參數等多方面數據的計算，認為對余熱鍋爐進行小管徑水循環優化改造相較于循環蒸汽更適合項目環境，能夠提高鍋爐余熱利用率，進而達到提高發電量的效果。

1 余熱鍋爐的工作原理及優化需求

燃氣輪機在燃燒燃料的過程中，會產生600℃高溫的氣體。即便是將這些高溫氣體排出來，燃氣輪機內依然留有較高的能量。如果將這些高溫氣體輸送到鍋爐，再加上由水加熱轉化形成的蒸汽，就可以對蒸汽輪機產生一個推動力，使發電機發電。同時，發電容量和聯合循環機組的熱效率顯著提升50%。在這一過程中，鍋爐之所以能夠產生蒸汽，與燃氣輪機排出高溫氣體的余熱有關，所以又可以叫做余熱鍋爐。余熱鍋爐主要由以下四部分構成：第一進口煙道、第二爐體、第三汽包、第四煙囪。其中，爐體內分布的管道十分密集。在這些管道中，會進入給水泵將要加熱的水壓，同時管道內產生的水也會在燃氣輪機排出的高溫氣體作用下轉化成高壓蒸汽。

目前，國內市場主流常規火電汽輪機的聯合循環蒸汽參數跟國外先進余熱鍋爐蒸汽參數還有較大的差距。且發電屬于高耗能項目，提高能源的轉化率，有利于提高電廠經濟效益和減少能耗，意義重大。

2 小管徑余熱鍋爐適用分析

2.1 安全可靠

管徑指的是鍋爐內圓形煙道中給水提供受熱的扁鋼體，是鍋爐的主蒸汽管道，是爐水循環裝置的一部分。依據國內其他鍋爐設計經驗得知，余熱鍋爐蒸汽參數多為3.82MPa、450°C左右，屬于中溫中壓鍋爐，具備使用小管徑的蒸汽參數的條件。另外采用自然循環的水動力模式，既能夠確保小管徑鍋爐的安全適用性，能夠長期穩定運行。

2.2 經濟效益高

采用小管徑爐水循環裝置，在設備制造過程中即可使得用鋼數量下降，同樣因為實用小管徑，即可不用安裝爐水循環泵，降低制作成本。與大管徑相比，小管徑的熱傳導效應明顯更高。如果流量相同，小管徑換熱面積增加，可以顯著提高熱氣參數、改善傳熱。

從鍋爐筒中引出，再進入分配集箱，是余熱鍋爐的給水方式。要想保證集箱各部位溫度的精確度，可以先將分散下降管引入的進水方式應用到分配集箱與下集箱。同時，使進入下集箱的水以分散進入的方式進入圓形煙道受熱面。由于圓形煙道受熱面中布設了鋼管，所以可以有效產生汽水混合物，并順利進入上集箱，由上升管引入鍋筒。由于在圓形煙道的大小不變的情況下，管徑越大煙道中能夠布置的鋼管數量就越小，水能夠接觸到的受熱面就越小，熱能利用率就越低。因此，水的受熱程度取決于管徑的大小，管徑的面積與熱傳導效應呈負相關關系，管子直徑縮小即可增加受熱面積，也可以提高空氣流速從而提高熱傳導的效果，有利于蒸汽產量和余熱利用率的優化。與此同時，如果使用了小直徑管，還可以明顯降低空氣熱預期的投資力度、外形尺寸以及實際重量。在申能崇明2×9F燃機電廠項目中運行實踐表明，余熱鍋爐經過優化后鍋爐余熱利用率提高了7.86%，得到的發電量提高了285KW，取得很好的經濟效益，適合項目所處環境。

2.3 窄點溫差小

使用小管徑爐水循環裝置優化，可有效降低蒸發出口端燃氣側廢氣溫度與循環水側的蒸汽飽和溫度的最小溫差，提升受熱面蒸發率和受熱面發熱率，提高其熱傳導效應。

2.4 啟動性能好

余熱鍋爐啟動的主體步驟為上水→烘爐→煮爐→點火升壓。為了避免產生過大的熱應力，需要將上水溫度控制在90℃以下，將水溫和筒壁的溫差控制在50℃以下。對新裝、遷裝、大修或長期停用的鍋爐應進行烘爐、煮爐，避免產生裂紋、變形和清除蒸發受熱面中的鐵銹、油污和其他污物，防范安全事故的發生，提高鍋水和蒸汽品質。一般鍋爐上水后即可點火升壓，將水加熱。

判斷鍋爐啟動速度的指標主要是其管徑的體積和受熱面發熱率。采用小管徑優化后，因為管徑小，上水時間消耗少，且因小管徑受熱面蒸發率和受熱面發熱率高，能夠第一時間點火升壓（見下圖1）。所以，小管徑優化后對于鍋爐的啟動性能有了較大的提升。

圖1 啟動曲線及疲勞分析

2.5 工質流動阻力小

工質是實現熱、功轉換的工作物質。由于氣態物質受熱之后具有良好的膨脹性能和巨大的作功本領，故用作各類熱機的工質均為氣態物質。流動阻力系數和局部阻力系數以及流動截面積由系統結構決定，結構定后可視為常數。因此，當流量一定時，單相工質比體積度越大，那么流動壓降就越大。所以管徑的大小，決定著接觸面積的大小，而其工質流通速度又一樣。因此，實施小管徑優化，可以降低工質的流動阻力，減少損耗。

2.6 煙氣和蒸汽阻力小

煙氣阻力是煙氣流通的總管抄道內的流動阻力和局部阻力之和，煙氣和蒸汽阻力的大小與煙氣流速以及來進風壓頭煙氣流速呈正相關的關系。首先，煙氣流速越大，使換熱的平均溫差較大，利于換熱，同時造成排煙熱損耗增加。流速越小，使換熱的平均溫差較小，更好的保存熱能，較少在排煙過程中的熱損耗。其次，煙氣流速的大小還對管壁的物理沖刷造成直接影響，流速越大造成的沖刷影響就越大。最后，煙氣流速越快，燃料在爐膛內的停留時間就越少，機械不完全熱損就越大。

利用能量守恒定律來對鍋爐效率進行分析，當鍋爐處于穩定運行狀態時，鍋爐熱平衡就可以對其實際建立鍋爐熱量的收、支平衡關系進行如實的反映。如此，如果煙氣阻力變大，必然會產生以下兩方面的影響。首先，鍋爐輻射和對流換熱比例改變，當入爐總熱量沒有發生變化的時候，輻射總熱量就會變少、對流總熱量就會變多。進而，爐膛內的熱量交換就會向對流煙道中轉移，使鍋爐排煙溫度被迫增強。其次，預熱器受熱面通過的風量增多，其傳熱量也會變多，但鍋爐排煙溫度會明顯下降。也就是說，在這兩方面的綜合作用下，鍋爐排煙溫度發生明顯變化，進而提高了排煙熱損失。

實施小管徑優化后，因為小管徑的管徑小、熱傳導效率高、接觸面積大以及總流通截面積小的特點，可大大減少排煙熱損失、可燃氣體未完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失、鍋爐散熱損失和灰渣物理熱損失，進而達到提高熱能利用率的效果。

蒸汽阻力關系與煙氣類似，在實施小管徑優化后，均為通過增加了受熱面積、減少了總流通截面積，降低阻力系數，蒸汽保有量增大，進而實現了熱能的利用率的特高。

3 小管徑余熱鍋爐優化結果

在本次余熱鍋爐的優化的終極目標是為了提高熱能利用率，進而實現電能擴產。通過調整設計，引進美國NEHRSG技術和國內其他項目中多次實踐檢驗過的鍋爐緊湊布置的結構型式（見圖2），并經過項目現場多次調試以及相關參數計算，最終確定了小管徑自然循環的型式的優化方案。

圖2 鍋爐緊湊布置的結構型式

與大管徑相比，小管徑的傳熱效果更好、重量更輕、尺寸更小。蒸汽產量大，余熱利用率高。小管徑鍋爐啟動快，機動性好。煙氣和蒸汽阻力小。也就是說，小管徑鍋爐將自然循環鍋爐、強制循環鍋爐的優勢進行了充分的融合。增加了水的受熱面，提高了熱傳導效率，加快了設備的啟動速度。同樣，采用了自然循環模式，水的循環動力由自然壓頭來產生，不需要增設爐水循環泵，減少了能耗，提高了產能。

圖4 管道設計及應力分析

圖5 優化后受壓件強度計算

圖6 優化后蒸發器熱流密度計算

通過圖3-圖8分析計算得知，該優化方案首先在設備的制備上使用了緊湊布置的結構型式，縮減了材料用量，降低了空間占用比例。因此，增加了水的受熱面，提高了熱傳導效率，加快了設備的啟動速度。同樣，采用了自然循環模式，水的循環動力由自然壓頭來產生，不需要增設爐水循環泵，減少了能耗，提高了產能。

圖3 優化后熱力性能計算

圖7 受熱面管束震動分析

圖8 優化后疲勞應力分析

因此，在申能崇明2×9F燃機電廠項目中，在確保余熱鍋爐的工作安全可靠的基礎之上，參考國內外先進的鍋爐生產設計經驗，結合電廠生產實際，對鍋爐中部分結構的進行型號調整或調換，使其綜合了多項設備的優點。通過測試計算，在單位工作時間里，經過優化后的余熱鍋爐發電量提高了285KW，余熱利用率將提高8.72%，將會取得很好的經濟效益，有利于提高電廠經濟效益和縮短電廠投資回收周期。

4 結語

綜上所述，燃氣輪機自然循環余熱鍋爐的設計重要永遠是在確保工作安全可靠的基礎上如何提高熱能利用率，增加大電量。因此，在申能崇明2×9F燃機電廠項目中針對電廠的實際環境，設計安全可靠的小管徑自然循環余熱鍋爐。且認為燃氣輪機自然循環余熱鍋爐中的小管徑設計能夠擁有多種不同的、水水蒸汽循環的動力鍋爐的功能，而且在制作成本上和體積上有了大幅度的改進，擁有廣闊的市場前景。