燃气轮机余热锅炉的优化设计

钟辉 烟台现代冰轮重工有限公司

一、余热锅炉的特点

（一）余热锅炉的边界条件

余热锅炉具有相对较多的边界条件，因此与常规锅炉相比在实际进行设计工作时需要受到更多条件的限制，这对优化设计工作的顺利开展带来一定难度。燃气轮机余热锅炉热源的主要来源，燃气轮机和蒸汽轮机所具备的共同特征就是定型以及标准。烟气参数的输出是燃气轮机不可避免的一部分内容，注意这一参数具备一定的确定性。温度T，流量VG 和压力PG 都可对其进行直观体现，烟气特点是余热锅炉所必须适应的一部分内容。

需要注意的是余热锅炉的蒸汽参数也由蒸汽轮机来接受，其中主要包括温度t，流量D 和压力P，这对余热锅炉有一定的制约作用。所以我们说在实际对余热锅炉进行设计工作时两端边界条件都会对其造成一定的限制。

（二）高烟气余热利用率和工质循环的高效率

余热锅炉设计中，既要求余热锅炉烟气余热利用的高效率，又要求余热锅炉工质循环的高效率。余热锅炉中，没有空气预热器；而常规锅炉通常包括空气预热器，空气预热器加热空气的功能除了提高炉膛温度和燃烧效率外，还能调整锅炉的排烟温度，使锅炉有较高的给水温度和较低的排烟温度。线段ecfc 表示了空气预热器吸热量，以降低排烟热损失。空气预热器是常规锅炉获得较高效率和锅炉与汽轮机系统工质循环热效率的不可缺少部件。余热锅炉中则没有这样的部件来调节总体性能，但却要求达到余热利用效率和工质循环效率的优化。这既是余热锅炉的特点，也是设计难点。

二、余热锅炉设计的几个问题

（一）余热锅炉热力参数及系统选择

无论采用自然循环还是强制循环，选用单压系统还是多压系统，余热锅炉设计首先要选定其技术参数，尤其是蒸汽压力。蒸汽压力的变化直接影响余热的利用效率Gwb和汽机热力系统的循环效率Gws。余热锅炉应努力降低其排烟温度，将烟气焓转化为工质焓，获得最大的转化效率。余热锅炉汽包压力的高低对其转化效率会产生重要影响。

当余热锅炉的蒸汽温度、给水温度不变时，随着蒸汽压力的下降，余热利用的效率提高。蒸汽压力从7MPa 减小到1MPa时，若采用单压系统，余热利用效率可增大10%左右。事实上，要防止低温腐蚀，排烟温度不可能无限制地降低，因此，余热利用效率的增加量要稍低些。从汽机的热力循环角度看，在其他条件相同时，若蒸汽压力升高（或降低），工质的循环效率将随之提高（或降低）。但汽轮机是定型产品，蒸汽压力的选取要满足余热锅炉制造商与汽轮机制造商双方的要求，达到压力的优化选择。当燃用油燃料时，通常油中含有一定量的硫，烟气中过量空气量较大，烟气的酸露点温度较高，为防止烟气对低温受热面的腐蚀，受热面的最低工质温度在露点附近。

因此，排烟温度受酸露点影响而取较高值。当燃用天然气时，不存在酸低温腐蚀，排烟温度高于烟气中水露点就能满足要求。采用降低工质工作压力的办法，可以获得较低的排烟温度，提高了余热利用效率Gwb。但这有可能因工质工作压力太低，导致工质循环热效率下降。因此，可采用双压或三压系统作为工质的循环系统。

（二）余热锅炉的传热计算

余热锅炉的传热计算，可按对流传热理论进行。在工程实践中，各制造厂可按技术规范、实践经验和制造工艺进行。设计、计算结果有一定的差异是正常的，若差异很大，就存在参数的优化问题。笔者曾比较过几家锅炉制造厂的同类型余热锅炉，在烟气流量、烟气温度、工质参数基本相近的条件下，蒸发器受热面的结构、设计差别较大。甲、乙2 家锅炉制造厂的设备都能达到设计要求，它们的蒸发器热交换器的放热、吸热介质参数差异很小，传热量很接近。虽然计算中，因采用不同标准，安全裕度有一定差别，但都符合相关标准。但产品受热面的重量相差1 倍，其受热面面积相差更大。设计人员和锅炉制造厂应该重视标准及技术规范的选用，标准及技术规范影响余热锅炉的设计，选用不当，可能因余热锅炉设计、制造技术缺乏市场竞争力而被淘汰。

（三）余热锅炉优化分类

作为联合循环发电机组的主要部分，余热锅炉是根据燃气轮机型号规范、厂址条件和用户需求，通过优化设计制造的主要设备。按照汽水循环方式，余热锅炉可分为以下3 种：

（1）自然循环。自然循环锅炉的烟气水平流过垂直的管束，下降管向蒸发器管束中灌水，部分水在蒸发器管束中吸热转化为蒸汽，水和蒸汽的混合物经上升管进入锅筒，其优点是结构比较简单。

（2）直流锅炉。直流锅炉的给水在蒸发器中没有再循环，直接由省煤器进入蒸发器蒸发成饱和蒸汽后，进入到过热器进行过热。

（3）强制循环锅炉。强制循环锅炉的烟气是垂直流过水平管束，其优点是热惯性较小且占地面积少。

三、结语

余热锅炉热力参数取决于燃气-蒸汽联合循环系统的诸多因素。热力参数应与汽轮机入口参数合理匹配，当余热锅炉与汽轮机的热力参数发生矛盾时，应进行比较，使烟气的余热利用效率和工质循环效率叠加得到最大。余热锅炉蒸汽压力、窄点温差、排烟温度及给水温度的选定对其总体性能有重要影响，它们之间相互影响，不仅影响烟气余热利用效率，还影响设备的制造成本。在具体工程中，应考虑当地的实际条件及用户的特要求，进行综合分析、比较，决定各参数的取值。