燃气-蒸汽联合循环机组中余热锅炉蒸汽参数的估算方法

2013-08-20熊建文张晓红陈云芬任自华

科技传播 2013年9期

关键词：主汽省煤器余热

熊建文，张晓红，陈云芬，任自华

中机国能电力工程有限公司，上海 200061

0 引言

本文将以无再热、无补燃、双压蒸汽余热锅炉为例，介绍利用T-Q 图推算锅炉的蒸汽参数的估算方法，并结合实例对估算方法的有效性进行验证。

1 T-Q 图及其重要参数

T—Q 图由烟气放热曲线、工质（蒸汽和给水）吸热曲线组成，反映了余热锅炉运行时，烟气温度变化及焓值变化，工质（给水或蒸汽）温度和吸热量变化，以及烟气温度变化与各受热面工质吸热量的关系，典型的T—Q 图见图1，它包括了1）烟气放热曲线，它反映了燃机出口的高温烟气将热量传递给工质后变成低温烟气的过程；2）过热蒸汽吸热曲线，它反映了过热蒸汽吸收的热量，对应锅炉的过热段；3）饱和蒸汽吸热曲线，它反映了饱和水吸热相变为饱和汽吸热量，对应锅炉的蒸发段。吸热过程是在蒸发器中完成的，此过程中工质温度不发生变化；4）给水吸热曲线，它反映了凝结水被加热到锅筒压力下饱和水温度的吸热量，它的受热面有给水加热器、除氧器及省煤器。利用T—Q 图需要了解余热锅炉运行中的一些重要参数，这些参数在估算方法中非常有用。

1.1 热端温差

余热锅炉主汽温度取决于燃气轮机的排烟温度，热端温差指燃机排烟温度与主蒸汽温度的温差，一般在20℃～50℃。

1.2 窄点温差

余热锅炉的窄点温差△Tp 是指余热锅炉中的蒸发器入口处烟气的温度与工质饱和温度之间的差值[1]。窄点温差越小，余热的利用率越高。但是为了减少窄点温差必须提高蒸发器的换热量，就必须增加余热锅炉的换热面积，这样余热锅炉的投资较大；同时燃气侧的流动损失也会增加，导致燃气轮机的功率有所减小。因此选择合适窄点温差非常重要，是决定余热锅炉受热面积的关键因素，一般取8℃～20℃，最低可以取7℃。

1.3 接近点温差

余热锅炉的接近点温度，是指省煤器出口的水温与对应压力下的饱和水温度之间的差值[2]。如果接近点温差过大，表面省煤器的强化换热的特点没有得到充分的利用，为了保证余热锅炉的效率还必须增加余热锅炉的换热面积，投资费用增加。但是接近点温差也不能太小，如果接近点温差接近零，说明省煤器中发生了汽化现象，很可能导致省煤器管过热甚至损坏，不利余热锅炉的安全运行。因此接近点温差的选择必须合适，一般取4℃～10℃。

1.4 排烟温度

余热锅炉的排烟温度直接影响到锅炉的效率[1]，但是降低余热锅炉的排烟温度要增加锅炉受热面，余热锅炉设计时要综合考虑投资与效率的因素。单压系统的排烟温度为150℃～180℃，多压蒸汽系统的排烟温度可以低很多，例如双压系统的排烟温度为100℃～150℃，三压系统的排烟温度为80℃～100℃。

2 T-Q 图的画法

T-Q 图包含了烟气随温度下降的烟气放热曲线，和工质（蒸汽和给水）的吸热曲线。烟气的放热量与烟气量、烟气组分及温降有关。工质的吸热量与工质的压力、温度、流量有关。与9E 燃机配套的余热锅炉，一般采用双压蒸汽系统，受热面布置一般为高压蒸汽过热器、高压蒸发器（即高压锅筒，高压给水在此由饱和水变成饱和汽）、高压省煤器1）低压蒸汽过热器、低压蒸发器、高压省煤器；2）低压省煤器、高压省煤器；3）除氧器及给水加热器，具体位置可能因低压蒸汽参数的不同会有所调整。

2.1 烟气放热曲线

燃机的烟气由氮气、水、二氧化碳、氧气组成，各分气体的各个温度下的的比焓h 见表1，烟气的比焓等于各分气体对应的比焓与其体积份额的乘积之和。

表1 烟气的比焓hi kJ/Nm3

气体比焓与温度具有线性关系，因此只要根据燃机的排烟温度与余热锅炉的排烟温度求出相应温度下烟气的比焓，计算出焓差，乘以烟气量就能得到烟气的放热量。以温度为纵坐标，放热量为横坐标，画出烟气放热曲线。

2.2 蒸汽吸热曲线

T-Q 图中工质吸热曲线由高压过热蒸汽以及饱和蒸汽曲线构成，分别对应蒸汽的过热段和蒸发段。双压余热锅炉的主汽，一般为5.3MPa～8.8MPa/500℃～530℃的次高压参数，或10.0MPa/540℃的高压参数；主汽的热端温差一般为20℃～50℃。根据主汽流量及各温度压力下的焓值，可以求出高压过热器受热面及高压蒸发器受热面的吸热量，并在T-Q图上画出这二个受热面处的工质吸热曲线。根据确定的低压蒸汽压力求出低压锅筒压力下的饱和温度，可以画出低压蒸汽吸热曲线。根据低压汽流量及蒸汽参数，分别求出低压过热器及蒸发器受热面的吸热量，可以画出这两段的工质吸热曲线。

2.3 给水吸热曲线

流经除氧器及给水加热器的给水流量为高、低压蒸汽流量之和，由于除氧器后的给水泵将给水分别打入低压省煤器及高压省煤器，最后生成高压过热蒸汽及低压过热蒸汽，因此.除氧器及给水加热器吸热量可以合并计算，将凝结水加热到除氧器出口饱和水温度。根据高低压给水吸热量，可以画出高低压省煤器吸热曲线。

3 估算方法

为了利用T-Q 图估算余热锅炉的蒸汽参数，对于无再热、无补燃、双压蒸汽余热锅炉，假定余热锅炉排污率为0，不考虑喷水减温，不考虑除氧器、蒸发器循环倍率的影响，只考虑工质吸收的热量，那么锅炉的蒸汽参数可以利用T-Q 图估算。

3.1 高压蒸汽流量的估算

确定高压蒸汽的压力和温度，求出高压锅筒压力下的饱和温度，在T-Q 图上画出饱和温度线。选取窄点温差，可以求出高压锅筒入口处烟气的温度，此温度对应下的焓降为高压蒸汽过热器与高压蒸发器的吸热量。烟气放出的热量等于工质吸收的热量：

式中：Ds 为主汽流量，kg/s；hs 为主汽焓值，kJ/kg；hsg为进入高压锅筒的给水焓，kJ/kg。

由于进入高压锅筒的给水比高压锅筒压力下的饱和水温度低，两者的温差为接近点温度，一般取4～10℃。因此利用烟气的焓降可以求出高压蒸汽的流量。

3.2 低压蒸汽参数估算

低压蒸汽的压力和除氧器的压力有关，一般主汽压力为次高压时，除氧器通常用大气式除氧器，主汽为高压蒸汽时，除氧器通常为高压除氧器，除氧器压力约为0.39MPa，此时低压蒸汽压力一般为1.0～2.0MPa。低压蒸汽作为过热蒸汽，与烟气的温差一般在20℃左右。

在用T—Q 图估算低压蒸汽参数时，可以通过试算的方法调整，以获得最大程度利用烟气余热。

低压蒸汽的总吸热量△hL ，等于烟气总焓降△hy 与主汽总吸热量△hH 之差。其中烟气总焓降△hy 可以根据烟气成分及排烟温度可以求得。主汽总吸热量：

式中：Ds 为主汽流量，kg/s；hs 为主汽的比焓，kJ/kg；hn 为凝结水的比焓，kJ/kg。

低压蒸汽的流量可以根据低压蒸汽的总吸热量求得：

式中：hL 为低压汽的比焓，kJ/kg；hn 为凝结水焓值 kJ/kg。

4 应用实例

为了验证本文方法的有效性，本文将结合一个实例介绍该方法的应用。T-Q 图不仅可以用来估算余热锅炉参数，在已知锅炉参数的情况下，在T-Q 图画出工质吸热量曲线及烟气焓降曲线，可以直观的看出各受热面吸热量的情况，当外部环境发生变化，燃机排放烟气参数发生变化时，由T-Q 图可以预估其参数的变化范围，为运行提供参考。

4.1 案例的T-Q 图制作和应用

某工程余热锅炉与9E 燃机配套，蒸汽参数为双压，T-Q图制作包括：

1）烟气放热曲线

燃机排气温度为562℃，烟气成分为：CO2(3.22%)，N2(71.56%)，H2O(11.53%)，O2(12.84%);其他气体（0.85%），烟气排放量为1357.9kg/h（300.95Nm3/s）。烟气通过余热锅炉后的排烟温度为110℃。根据表1，采用插值法计算可以得到562℃时烟气的比焓为779.54kJ/Nm3，110℃时烟气的比焓为146.24kJ/Nm3，比焓降为633.3kJ/Nm3，烟气总焓降为190.6Mw。

2）高压主汽吸热曲线

高压主汽温度tHs 为538℃；压力pH 为10.55MPa，蒸汽比焓hHs 为3465kJ/kg；高压锅筒压力为10.93MPa，饱和温度为317.60℃，饱和蒸汽比焓hHs 为2708kJ/kg。取窄点温度7℃，则高压蒸发器进口烟气温度为324.6℃，对应温度下的烟气焓降为102.6MW。取接近点温度为5.3℃，则高压锅筒进口给水温度为312.3℃，给水比焓为1414kJ/kg，根据公式（1）求得高压主汽流量DHs 为50.028kg/s，进而可以求出高压过热器及高压蒸发器的吸热量分别为37.88Mw/64.72Mw；根据进出口温度可以画出高压过热器吸热曲线。

3）低压主汽吸热曲线

低压主汽温度tLs 为238℃；压力pL 为0.9MPa，蒸汽比焓hLs 为2916.5 kJ/kg；低压锅筒压力为0.93MPa，饱和温度为181℃，饱和蒸汽比焓hLs 为2778kJ/kg。取窄点温度12℃，则低压蒸发器进口烟气温度为193℃。取接近点温度4.5℃，则低压锅筒进口给水温度为176.5℃，给水比焓为747.8kJ/kg。根据公式（2）及（3），可以求出低压主汽总吸热量为28.16MW，低压主汽流量为10.437kg/s。进而可以求出低压过热器及低压蒸发器的吸热量分别为1.44MW/21.19MW；根据进出口温度可以画出低压过热器吸热曲线，低压蒸发器吸热曲线。

4）给水吸热曲线

除氧器压力为0.374MPa，温度为141.2℃，给水比焓为594.38kJ/kg，凝结水温度为52℃，比焓为218kJ/kg，给水流量为高低压主汽流量之和60.465kg/s，由上述数据可以求出给水吸热量为22.75Mw。根据进出口温度计吸热量可以画出给水吸热曲线。

5）低压省煤器吸热曲线

根据低压汽流量、除氧器出口给水参数及低压锅筒进口给水参数可以得到低压省煤器吸热量为1.6Mw，可以画出低压省煤器吸热曲线。

6）高压省煤器吸热曲线

剩下的受热面就是高压省煤器受热面，根据省煤器进出口温度可以画出高压省煤器吸热曲线。