燃气轮机自然循环余热锅炉的型式优化分析

何庆勇

（上海和兰透平动力技术有限公司，上海 201800）

0 引言

伴随着我国经济发展达到新高度后开始对更加注重发展成果的质量，也更加注重对环境的保护。在发电行业中，燃气轮机会排出一定的功后高温乏烟气。而余热锅炉的应用就可以将其转化为蒸汽或者热水。这些蒸汽或者热水经过循环系统，就具有了再次利用的价值。这样一来，燃烧产生的能量就成为了发电的动力。目前，国内市场主流常规火电汽轮机的联合循环蒸汽参数跟国外先进余热锅炉蒸汽参数还有较大的差距。

分析电站的循环系统，发现其主要由以下四部分构成：第一蒸汽轮机、第二发电机、第三燃气轮机、第四余热锅炉。功后高温乏烟气经过燃气轮机排出后，就会进入余热锅炉。而余热锅炉不仅会将其转化为蒸汽形式，还会注入到蒸汽轮机当中，为发电做好准备。与此同时，针对发电作功后的乏汽，余热锅炉也可以应用到供热方面。可以说余热锅炉的工作效率直接决定着能量转换率。因此，想要稳定而高效的发电，一个工作效率高且又安全可靠的余热锅炉必不可少。在联合循环发电或热电联产的余热锅炉中，按照水和水蒸汽循环的动力差异，分为自然循环和强制循环，两种设备都有其各自的特点。

结合在申能崇明2×9F燃机电厂项目中对锅炉的安装、性能验收及问题整改等一系列工作的实践过程中，针对该项目发电的具体运行状况，通过对余热锅炉蒸汽参数等多方面数据的计算，认为对余热锅炉进行小管径水循环优化改造相较于循环蒸汽更适合项目环境，能够提高锅炉余热利用率，进而达到提高发电量的效果。

1 余热锅炉的工作原理及优化需求

燃气轮机在燃烧燃料的过程中，会产生600℃高温的气体。即便是将这些高温气体排出来，燃气轮机内依然留有较高的能量。如果将这些高温气体输送到锅炉，再加上由水加热转化形成的蒸汽，就可以对蒸汽轮机产生一个推动力，使发电机发电。同时，发电容量和联合循环机组的热效率显著提升50%。在这一过程中，锅炉之所以能够产生蒸汽，与燃气轮机排出高温气体的余热有关，所以又可以叫做余热锅炉。余热锅炉主要由以下四部分构成：第一进口烟道、第二炉体、第三汽包、第四烟囱。其中，炉体内分布的管道十分密集。在这些管道中，会进入给水泵将要加热的水压，同时管道内产生的水也会在燃气轮机排出的高温气体作用下转化成高压蒸汽。

目前，国内市场主流常规火电汽轮机的联合循环蒸汽参数跟国外先进余热锅炉蒸汽参数还有较大的差距。且发电属于高耗能项目，提高能源的转化率，有利于提高电厂经济效益和减少能耗，意义重大。

2 小管径余热锅炉适用分析

2.1 安全可靠

管径指的是锅炉内圆形烟道中给水提供受热的扁钢体，是锅炉的主蒸汽管道，是炉水循环装置的一部分。依据国内其他锅炉设计经验得知，余热锅炉蒸汽参数多为3.82MPa、450°C左右，属于中温中压锅炉，具备使用小管径的蒸汽参数的条件。另外采用自然循环的水动力模式，既能够确保小管径锅炉的安全适用性，能够长期稳定运行。

2.2 经济效益高

采用小管径炉水循环装置，在设备制造过程中即可使得用钢数量下降，同样因为实用小管径，即可不用安装炉水循环泵，降低制作成本。与大管径相比，小管径的热传导效应明显更高。如果流量相同，小管径换热面积增加，可以显著提高热气参数、改善传热。

从锅炉筒中引出，再进入分配集箱，是余热锅炉的给水方式。要想保证集箱各部位温度的精确度，可以先将分散下降管引入的进水方式应用到分配集箱与下集箱。同时，使进入下集箱的水以分散进入的方式进入圆形烟道受热面。由于圆形烟道受热面中布设了钢管，所以可以有效产生汽水混合物，并顺利进入上集箱，由上升管引入锅筒。由于在圆形烟道的大小不变的情况下，管径越大烟道中能够布置的钢管数量就越小，水能够接触到的受热面就越小，热能利用率就越低。因此，水的受热程度取决于管径的大小，管径的面积与热传导效应呈负相关关系，管子直径缩小即可增加受热面积，也可以提高空气流速从而提高热传导的效果，有利于蒸汽产量和余热利用率的优化。与此同时，如果使用了小直径管，还可以明显降低空气热预期的投资力度、外形尺寸以及实际重量。在申能崇明2×9F燃机电厂项目中运行实践表明，余热锅炉经过优化后锅炉余热利用率提高了7.86%，得到的发电量提高了285KW，取得很好的经济效益，适合项目所处环境。

2.3 窄点温差小

使用小管径炉水循环装置优化，可有效降低蒸发出口端燃气侧废气温度与循环水侧的蒸汽饱和温度的最小温差，提升受热面蒸发率和受热面发热率，提高其热传导效应。

2.4 启动性能好

余热锅炉启动的主体步骤为上水→烘炉→煮炉→点火升压。为了避免产生过大的热应力，需要将上水温度控制在90℃以下，将水温和筒壁的温差控制在50℃以下。对新装、迁装、大修或长期停用的锅炉应进行烘炉、煮炉，避免产生裂纹、变形和清除蒸发受热面中的铁锈、油污和其他污物，防范安全事故的发生，提高锅水和蒸汽品质。一般锅炉上水后即可点火升压，将水加热。

判断锅炉启动速度的指标主要是其管径的体积和受热面发热率。采用小管径优化后，因为管径小，上水时间消耗少，且因小管径受热面蒸发率和受热面发热率高，能够第一时间点火升压（见下图1）。所以，小管径优化后对于锅炉的启动性能有了较大的提升。

图1 启动曲线及疲劳分析

2.5 工质流动阻力小

工质是实现热、功转换的工作物质。由于气态物质受热之后具有良好的膨胀性能和巨大的作功本领，故用作各类热机的工质均为气态物质。流动阻力系数和局部阻力系数以及流动截面积由系统结构决定，结构定后可视为常数。因此，当流量一定时，单相工质比体积度越大，那么流动压降就越大。所以管径的大小，决定着接触面积的大小，而其工质流通速度又一样。因此，实施小管径优化，可以降低工质的流动阻力，减少损耗。

2.6 烟气和蒸汽阻力小

烟气阻力是烟气流通的总管抄道内的流动阻力和局部阻力之和，烟气和蒸汽阻力的大小与烟气流速以及来进风压头烟气流速呈正相关的关系。首先，烟气流速越大，使换热的平均温差较大，利于换热，同时造成排烟热损耗增加。流速越小，使换热的平均温差较小，更好的保存热能，较少在排烟过程中的热损耗。其次，烟气流速的大小还对管壁的物理冲刷造成直接影响，流速越大造成的冲刷影响就越大。最后，烟气流速越快，燃料在炉膛内的停留时间就越少，机械不完全热损就越大。

利用能量守恒定律来对锅炉效率进行分析，当锅炉处于稳定运行状态时，锅炉热平衡就可以对其实际建立锅炉热量的收、支平衡关系进行如实的反映。如此，如果烟气阻力变大，必然会产生以下两方面的影响。首先，锅炉辐射和对流换热比例改变，当入炉总热量没有发生变化的时候，辐射总热量就会变少、对流总热量就会变多。进而，炉膛内的热量交换就会向对流烟道中转移，使锅炉排烟温度被迫增强。其次，预热器受热面通过的风量增多，其传热量也会变多，但锅炉排烟温度会明显下降。也就是说，在这两方面的综合作用下，锅炉排烟温度发生明显变化，进而提高了排烟热损失。

实施小管径优化后，因为小管径的管径小、热传导效率高、接触面积大以及总流通截面积小的特点，可大大减少排烟热损失、可燃气体未完全燃烧热损失、固体未完全燃烧热损失、锅炉散热损失和灰渣物理热损失，进而达到提高热能利用率的效果。

蒸汽阻力关系与烟气类似，在实施小管径优化后，均为通过增加了受热面积、减少了总流通截面积，降低阻力系数，蒸汽保有量增大，进而实现了热能的利用率的特高。

3 小管径余热锅炉优化结果

在本次余热锅炉的优化的终极目标是为了提高热能利用率，进而实现电能扩产。通过调整设计，引进美国NEHRSG技术和国内其他项目中多次实践检验过的锅炉紧凑布置的结构型式（见图2），并经过项目现场多次调试以及相关参数计算，最终确定了小管径自然循环的型式的优化方案。

图2 锅炉紧凑布置的结构型式

与大管径相比，小管径的传热效果更好、重量更轻、尺寸更小。蒸汽产量大，余热利用率高。小管径锅炉启动快，机动性好。烟气和蒸汽阻力小。也就是说，小管径锅炉将自然循环锅炉、强制循环锅炉的优势进行了充分的融合。增加了水的受热面，提高了热传导效率，加快了设备的启动速度。同样，采用了自然循环模式，水的循环动力由自然压头来产生，不需要增设炉水循环泵，减少了能耗，提高了产能。

图4 管道设计及应力分析

图5 优化后受压件强度计算

图6 优化后蒸发器热流密度计算

通过图3-图8分析计算得知，该优化方案首先在设备的制备上使用了紧凑布置的结构型式，缩减了材料用量，降低了空间占用比例。因此，增加了水的受热面，提高了热传导效率，加快了设备的启动速度。同样，采用了自然循环模式，水的循环动力由自然压头来产生，不需要增设炉水循环泵，减少了能耗，提高了产能。

图3 优化后热力性能计算

图7 受热面管束震动分析

图8 优化后疲劳应力分析

因此，在申能崇明2×9F燃机电厂项目中，在确保余热锅炉的工作安全可靠的基础之上，参考国内外先进的锅炉生产设计经验，结合电厂生产实际，对锅炉中部分结构的进行型号调整或调换，使其综合了多项设备的优点。通过测试计算，在单位工作时间里，经过优化后的余热锅炉发电量提高了285KW，余热利用率将提高8.72%，将会取得很好的经济效益，有利于提高电厂经济效益和缩短电厂投资回收周期。

4 结语

综上所述，燃气轮机自然循环余热锅炉的设计重要永远是在确保工作安全可靠的基础上如何提高热能利用率，增加大电量。因此，在申能崇明2×9F燃机电厂项目中针对电厂的实际环境，设计安全可靠的小管径自然循环余热锅炉。且认为燃气轮机自然循环余热锅炉中的小管径设计能够拥有多种不同的、水水蒸汽循环的动力锅炉的功能，而且在制作成本上和体积上有了大幅度的改进，拥有广阔的市场前景。