燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐煙氣阻力分布比例對鍋爐經濟性影響研究

王義方，蘇城麗

(中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，黑龍江哈爾濱150078)

摘要：本文提出一種燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐整體優(yōu)化方法，通過從整體上優(yōu)化入口煙道、鍋爐本體和煙囪系統(tǒng)所占煙氣阻力的比例，將鍋爐總重量降到最低水平，得出了煙氣阻力在鍋爐入口煙道、鍋爐本體和煙囪系統(tǒng)這三者所占比例為3%、86%、11%時將使結構最合理經濟的結論。

關鍵詞：余熱鍋爐；聯(lián)合循環(huán)；煙氣阻力；優(yōu)化；經濟性

中圖分類號：TK229.92`+9

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 01-0072-05

Abstract：This paper presents the study on a complete optimization method of the heat recovery steam generation in the gas/steam combine cycle, By completely optimize the distributing resistance of the inlet gas flue, the boiler and the chimney system to make the lowest boiler weight come true. The results show that the inlet gas flue, the boiler and the chimney system provided with 3%, 86%, 11% gas resistance will make the boiler logical and economical structure,

收稿日期2014-06-21修訂稿日期2014-08-07

作者簡介：王義方(1982～)男,碩士,工程師,主要從事余熱鍋爐方案及設計工作。

A Study on the Proportion Gas Resistance of the Heat Recovery Steam Generation in the Gas/Steam Combine Cycle to the Boiler Economical InfluenceWANG Yi-fang,SU Cheng-li

(CSIC NO. 703 Research Institute, Harbin 150078, China)

Key words：heat recovery steam generation; combine cycle; gas resistance; optimize; economical

0引言

燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)具有運行污染少、建設周期短、效率高和設備可以迅速啟停等特點，尤其適用于作為調峰電廠、熱電聯(lián)產電廠和老電廠擴容改造，因而受到廣泛重視,近年來快速發(fā)展。余熱鍋爐是燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠中起承上啟下作用的重要設備，它利用燃氣輪機排放的高溫煙氣將水轉化為高品位蒸汽，通過卡諾循環(huán)推動汽輪機做功，也可以作為工業(yè)用汽的汽源，該設備對于節(jié)能減排具有重要意義[1]。

燃氣輪機設置余熱鍋爐后背壓增加，這不可避免地引起燃氣輪機功率下降，一般燃機背壓每增加10 Pa，燃機功率將下降0.45%～0.6%，故燃機一般要求背壓亦即余熱鍋爐煙氣阻力盡可能低。而對于余熱鍋爐而言煙氣阻力的大小則決定了鍋爐的大小，與其經濟性息息相關。相比于普通燃煤、燃油和燃氣鍋爐，燃機余熱鍋爐處于低品位能量區(qū)，其特點是余熱鍋爐入口煙氣量大，煙溫低(一般550℃左右)，因此余熱鍋爐主要以對流換熱的方式進行能量交換，基本不存在輻射換熱，換熱系數較低，這就決定了余熱鍋爐受熱面龐大，金屬利用率低。由于余熱鍋爐煙氣量大，在鍋爐入口煙道和煙囪(含鍋爐出口煙道)等非換熱區(qū)也存在著較大的煙氣阻力，由于余熱鍋爐允許的煙氣阻力已經確定，將該煙氣阻力如何合理地分布于鍋爐入口煙道、鍋爐本體和煙囪系統(tǒng)中，使鍋爐的鋼材消耗量降到最低，將對鍋爐的結構合理性和經濟性具有重要意義。

本文以實際燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐為原型，著眼于整體設計以經濟性和結構合理性為設計理念，從整體上通過優(yōu)化鍋爐入口煙道、鍋爐本體、鍋爐出口煙道和煙囪所占煙氣阻力的比例，將鍋爐重量降到最低，這將對合理控制成本具有重要意義。

1燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐的計算依據

1.1設計原始數據

本文以實際已經設計完成的PG9171E燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐為基礎，以期推導出具有普遍意義的優(yōu)化規(guī)律。該余熱鍋爐的設計參數以及燃機排氣參數見表1。

表1燃機余熱鍋爐技術規(guī)范

序號名稱設計工況1環(huán)境溫度/℃172燃機燃料天然氣3燃機出口煙溫/℃550.44燃機煙氣流量/t·h-11483.55高壓過熱蒸汽壓力/MPa(g)5.9096高壓過熱蒸汽溫度/℃521±57高壓過熱蒸汽產量/t·h-1192.48低壓過熱蒸汽壓力/MPa(g)0.5349低壓過熱蒸汽溫度/℃253±510低壓過熱蒸汽產量/t·h-134.411鍋爐排污率/[%]0.512冷凝水溫度/℃3813鍋爐排煙溫度/℃99.714鍋爐煙氣阻力/Pa3000

1.2鍋爐布置結構

圖1　余熱鍋爐布置圖

燃機余熱鍋爐煙氣阻力主要存在于鍋爐入口煙道、鍋爐本體和煙囪系統(tǒng)中(見圖1)。

2余熱鍋爐煙氣阻力的計算公式[2]

2.1煙道阻力計算的通用公式

(1)

式中ζ1——沿程摩擦阻力系數；

ζ2——局部阻力系數；

ρ——煙氣密度/kg·m-3；

w——煙氣速度/m·s-1。

2.2余熱鍋爐入口煙道和煙囪系統(tǒng)沿程摩擦阻力系數

(2)

式中d?——當量直徑/m；

l——煙道長度/m；

k——管壁絕對粗糙度。

2.3余熱鍋爐入口煙道漸擴局部阻力系數

該煙氣阻力按前蘇聯(lián)《鍋爐設備空氣動力計算》(標準方法)計算(1977年版見圖2)。

2.4受熱面錯列布置翅片管受熱面阻力系數

ζ1+ζ2=ζ0Z

(3)

式中Z——沿管束深度方向的管子排數；

ζ0——轉彎原始阻力系數。

(4)

式中Cs——錯列管束形狀系數；

Rel——計算雷諾數；

CZ——管子排數修正系數。

2.5煙囪系統(tǒng)局部阻力系數

ζ2=KΔζ0BC

(5)

圖2　煙道漸擴阻力系數

表2余熱鍋爐煙氣阻力和重量數據表

序號名稱數據1數據2數據3數據4數據51受熱面計算高度/m14.114.414.71515.32鍋爐入口過渡煙道阻力/Pa1.081.071.051.041.023鍋爐本體阻力/Pa28.0227.0126.0525.1424.284煙囪系統(tǒng)阻力/Pa1.231.953.264.164.935鍋爐總阻力/Pa30.3430.0230.3630.3430.246鍋爐入口過渡煙道重量/t69.570.070.771.471.97鍋爐構架及護板重量/t188.0190.0192.0194.0196.08鍋爐受熱面重量/t548.7560.3571.8583.4594.99煙囪系統(tǒng)重量/t240.5213.4176.932169.9158.410鍋爐總重量折算后對比值M1430.81425.91411.71427.11437.7

式中KΔ——考慮管壁粗糙度影響的系數；

B——轉彎角度確定的系數；

C——轉彎形狀系數。

3計算結果

對燃機余熱鍋爐而言，鍋爐受熱面是熱交換的主體，鍋爐入口煙道和煙囪系統(tǒng)處于從屬地位，煙氣阻力也大部分集中于該部分，從某種意義上說，煙氣阻力只有消耗在該部分才具有實際意義。因此本文以受熱面為基礎，鍋爐入口煙道和煙囪系統(tǒng)從煙氣阻力上適應受熱面，使整個系統(tǒng)煙氣阻力不超過設計要求的3 000 Pa。計算時保持余熱鍋爐寬度不變，調整受熱面高度。

根據現(xiàn)行的鋼材成品價格，受熱面大致是結構件的1.7倍，為了方便對余熱鍋爐因受熱面高度不同而引起的鍋爐重量的變化進行經濟性對比分析，現(xiàn)定義鍋爐入口煙道和煙囪系統(tǒng)每噸重量的價格為M，鍋爐受熱面每噸的價格為1.7 M，這樣就可以把三者綜合起來，從整體價格上進行分析。各種受熱面計算高度下的各部分煙氣阻力和各部分的重量以及總重量見表2。

4對計算結果的優(yōu)化分析

本文設置受熱面高度從14.1～15.3 m，每間隔0.3 m取一點作為設計工況，力爭將誤差縮到最小，以下將對表2的計算結果從各部分阻力到各部分重量再到總重量進行對比，使數據更加直觀，結論更有通用性。

圖3　余熱鍋爐各部分重量隨受熱面高度不同的變化曲線 (余熱鍋爐總阻力不變，鍋爐寬度不變)

從圖3上可以看出隨著受熱面高度的增加，各部分重量的變化基本上呈線性分布， 在余熱鍋爐總阻力一定的條件下，隨著受熱面高度的增加鍋爐入口煙道、鍋爐構架護板和鍋爐受熱面都呈增加趨勢，而鍋爐煙囪系統(tǒng)則呈下降趨勢，這就意味著總重量必定有一個最低點的存在，也就是經濟上最合理的結構存在。

圖4　余熱鍋爐各部分阻力隨受熱面高度不同的變化曲線 (余熱鍋爐總阻力不變，鍋爐寬度不變)

從圖4上可以看出隨著受熱面高度的增加，鍋爐入口煙道和鍋爐本體部分的煙氣阻力呈下降趨勢，主要是因為鍋爐寬度不變，高度增加將使流通截面積增加，進而使煙氣速度降低，使煙氣阻力降低，剩余允許的煙氣阻力將被鍋爐出口煙道及煙囪吸收，可以通過縮小煙囪直徑，以提高通過煙囪的煙氣速度來實現(xiàn)。圖4與圖3對照可以看出各部分煙氣阻力與其重量的關系。

圖5　余熱鍋爐折算后總重量隨受熱面高度不同 的變化曲線(余熱鍋爐總阻力不變，鍋爐寬度不變)

圖5是圖3折算后相加的總價格對比圖，從圖中可以直觀的看出，隨著受熱面高度的不同，在受熱面高度為14.7 m存在一個價格最低值，說明在該受熱面高度下，鍋爐最節(jié)省鋼材，也就是從經濟上來說最合理的結構。

圖6　余熱鍋爐各部分重量分布比例

從圖6中可以看出在鍋爐總重量最低條件下，鍋爐各部分重量分布，鍋爐受熱面所占比例最大為57%；其次是鍋爐構架及護板占19%，構架及護板由受熱面決定調節(jié)余地較小，比較穩(wěn)定；第三是煙囪系統(tǒng)占17%，該部分煙囪高度會隨業(yè)主要求而變化，本文以國內現(xiàn)行標準一般為60 m假設；第四是鍋爐入口煙道占7%，理論上煙道越長越好，實際上從經濟性上考慮，滿足煙氣均勻進入受熱面即可。本圖的意義對于設計尚未完善的情況下，通過受熱面粗略估計整臺鍋爐各部分重量，進而進行報價等情況具有重要意義。

圖7　余熱鍋爐煙氣阻力最佳分布比例

圖7為鍋爐總重量最低情況下的鍋爐各部分最佳煙氣阻力分布比例，從圖中可以看出受熱面占絕大部分約86%，煙囪系統(tǒng)11%居第二位，鍋爐入口煙道所占比例較小3%，從此我們可以得出結論，在以后投標或者設計新的燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐時就可以在此基礎上分配煙氣阻力，使鍋爐結構更合理、尺寸更小、重量更輕、價格更低和性能更好。

5結論

在現(xiàn)階段節(jié)能減排日益嚴厲的大背景下，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)對余熱鍋爐煙氣阻力要求越來越嚴格，本文以實際燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐為原型，從整體上通過優(yōu)化鍋爐入口煙道、鍋爐本體和煙囪系統(tǒng)所占煙氣阻力的比例，將鍋爐總重量降到最合理水平，得出了煙氣阻力在鍋爐入口煙道、鍋爐本體和煙囪系統(tǒng)這三者所占比例為3%、86%、11%時將使結構最合理經濟的結論,為優(yōu)化設計提供了一種全新的思路。

參考文獻

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