何慶勇

（上海和蘭透平動力技術(shù)有限公司，上海 201800）

0 引言

伴隨著我國經(jīng)濟發(fā)展達到新高度后開始對更加注重發(fā)展成果的質(zhì)量，也更加注重對環(huán)境的保護。在發(fā)電行業(yè)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(yīng)用就可以將其轉(zhuǎn)化為蒸汽或者熱水。這些蒸汽或者熱水經(jīng)過循環(huán)系統(tǒng)，就具有了再次利用的價值。這樣一來，燃燒產(chǎn)生的能量就成為了發(fā)電的動力。目前，國內(nèi)市場主流常規(guī)火電汽輪機的聯(lián)合循環(huán)蒸汽參數(shù)跟國外先進余熱鍋爐蒸汽參數(shù)還有較大的差距。

分析電站的循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其主要由以下四部分構(gòu)成：第一蒸汽輪機、第二發(fā)電機、第三燃氣輪機、第四余熱鍋爐。功后高溫乏煙氣經(jīng)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(zhuǎn)化為蒸汽形式，還會注入到蒸汽輪機當(dāng)中，為發(fā)電做好準(zhǔn)備。與此同時，針對發(fā)電作功后的乏汽，余熱鍋爐也可以應(yīng)用到供熱方面?？梢哉f余熱鍋爐的工作效率直接決定著能量轉(zhuǎn)換率。因此，想要穩(wěn)定而高效的發(fā)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(lián)合循環(huán)發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)的余熱鍋爐中，按照水和水蒸汽循環(huán)的動力差異，分為自然循環(huán)和強制循環(huán)，兩種設(shè)備都有其各自的特點。

結(jié)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(fā)電的具體運行狀況，通過對余熱鍋爐蒸汽參數(shù)等多方面數(shù)據(jù)的計算，認(rèn)為對余熱鍋爐進行小管徑水循環(huán)優(yōu)化改造相較于循環(huán)蒸汽更適合項目環(huán)境，能夠提高鍋爐余熱利用率，進而達到提高發(fā)電量的效果。

1 余熱鍋爐的工作原理及優(yōu)化需求

燃氣輪機在燃燒燃料的過程中，會產(chǎn)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(nèi)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(zhuǎn)化形成的蒸汽，就可以對蒸汽輪機產(chǎn)生一個推動力，使發(fā)電機發(fā)電。同時，發(fā)電容量和聯(lián)合循環(huán)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(chǎn)生蒸汽，與燃氣輪機排出高溫氣體的余熱有關(guān)，所以又可以叫做余熱鍋爐。余熱鍋爐主要由以下四部分構(gòu)成：第一進口煙道、第二爐體、第三汽包、第四煙囪。其中，爐體內(nèi)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(nèi)產(chǎn)生的水也會在燃氣輪機排出的高溫氣體作用下轉(zhuǎn)化成高壓蒸汽。

目前，國內(nèi)市場主流常規(guī)火電汽輪機的聯(lián)合循環(huán)蒸汽參數(shù)跟國外先進余熱鍋爐蒸汽參數(shù)還有較大的差距。且發(fā)電屬于高耗能項目，提高能源的轉(zhuǎn)化率，有利于提高電廠經(jīng)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(nèi)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(huán)裝置的一部分。依據(jù)國內(nèi)其他鍋爐設(shè)計經(jīng)驗得知，余熱鍋爐蒸汽參數(shù)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(shù)的條件。另外采用自然循環(huán)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(wěn)定運行。

2.2 經(jīng)濟效益高

采用小管徑爐水循環(huán)裝置，在設(shè)備制造過程中即可使得用鋼數(shù)量下降，同樣因為實用小管徑，即可不用安裝爐水循環(huán)泵，降低制作成本。與大管徑相比，小管徑的熱傳導(dǎo)效應(yīng)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(shù)、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(yīng)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(shè)了鋼管，所以可以有效產(chǎn)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(shù)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(dǎo)效應(yīng)呈負(fù)相關(guān)關(guān)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(dǎo)的效果，有利于蒸汽產(chǎn)量和余熱利用率的優(yōu)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(yù)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(jīng)過優(yōu)化后鍋爐余熱利用率提高了7.86%，得到的發(fā)電量提高了285KW，取得很好的經(jīng)濟效益，適合項目所處環(huán)境。

2.3 窄點溫差小

使用小管徑爐水循環(huán)裝置優(yōu)化，可有效降低蒸發(fā)出口端燃氣側(cè)廢氣溫度與循環(huán)水側(cè)的蒸汽飽和溫度的最小溫差，提升受熱面蒸發(fā)率和受熱面發(fā)熱率，提高其熱傳導(dǎo)效應(yīng)。

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(chǎn)生過大的熱應(yīng)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(yīng)進行烘爐、煮爐，避免產(chǎn)生裂紋、變形和清除蒸發(fā)受熱面中的鐵銹、油污和其他污物，防范安全事故的發(fā)生，提高鍋水和蒸汽品質(zhì)。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(biāo)主要是其管徑的體積和受熱面發(fā)熱率。采用小管徑優(yōu)化后，因為管徑小，上水時間消耗少，且因小管徑受熱面蒸發(fā)率和受熱面發(fā)熱率高，能夠第一時間點火升壓（見下圖1）。所以，小管徑優(yōu)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(zhì)流動阻力小

工質(zhì)是實現(xiàn)熱、功轉(zhuǎn)換的工作物質(zhì)。由于氣態(tài)物質(zhì)受熱之后具有良好的膨脹性能和巨大的作功本領(lǐng)，故用作各類熱機的工質(zhì)均為氣態(tài)物質(zhì)。流動阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)以及流動截面積由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定，結(jié)構(gòu)定后可視為常數(shù)。因此，當(dāng)流量一定時，單相工質(zhì)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(zhì)流通速度又一樣。因此，實施小管徑優(yōu)化，可以降低工質(zhì)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(nèi)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(fēng)壓頭煙氣流速呈正相關(guān)的關(guān)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(nèi)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(dāng)鍋爐處于穩(wěn)定運行狀態(tài)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(guān)系進行如實的反映。如此，如果煙氣阻力變大，必然會產(chǎn)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(dāng)入爐總熱量沒有發(fā)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(nèi)的熱量交換就會向?qū)α鳠煹乐修D(zhuǎn)移，使鍋爐排煙溫度被迫增強。其次，預(yù)熱器受熱面通過的風(fēng)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(fā)生明顯變化，進而提高了排煙熱損失。

實施小管徑優(yōu)化后，因為小管徑的管徑小、熱傳導(dǎo)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(guān)系與煙氣類似，在實施小管徑優(yōu)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(shù)，蒸汽保有量增大，進而實現(xiàn)了熱能的利用率的特高。

3 小管徑余熱鍋爐優(yōu)化結(jié)果

在本次余熱鍋爐的優(yōu)化的終極目標(biāo)是為了提高熱能利用率，進而實現(xiàn)電能擴產(chǎn)。通過調(diào)整設(shè)計，引進美國NEHRSG技術(shù)和國內(nèi)其他項目中多次實踐檢驗過的鍋爐緊湊布置的結(jié)構(gòu)型式（見圖2），并經(jīng)過項目現(xiàn)場多次調(diào)試以及相關(guān)參數(shù)計算，最終確定了小管徑自然循環(huán)的型式的優(yōu)化方案。

圖2 鍋爐緊湊布置的結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(huán)鍋爐、強制循環(huán)鍋爐的優(yōu)勢進行了充分的融合。增加了水的受熱面，提高了熱傳導(dǎo)效率，加快了設(shè)備的啟動速度。同樣，采用了自然循環(huán)模式，水的循環(huán)動力由自然壓頭來產(chǎn)生，不需要增設(shè)爐水循環(huán)泵，減少了能耗，提高了產(chǎn)能。

圖4 管道設(shè)計及應(yīng)力分析

圖5 優(yōu)化后受壓件強度計算

圖6 優(yōu)化后蒸發(fā)器熱流密度計算

通過圖3-圖8分析計算得知，該優(yōu)化方案首先在設(shè)備的制備上使用了緊湊布置的結(jié)構(gòu)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(dǎo)效率，加快了設(shè)備的啟動速度。同樣，采用了自然循環(huán)模式，水的循環(huán)動力由自然壓頭來產(chǎn)生，不需要增設(shè)爐水循環(huán)泵，減少了能耗，提高了產(chǎn)能。

圖3 優(yōu)化后熱力性能計算

圖7 受熱面管束震動分析

圖8 優(yōu)化后疲勞應(yīng)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(chǔ)之上，參考國內(nèi)外先進的鍋爐生產(chǎn)設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合電廠生產(chǎn)實際，對鍋爐中部分結(jié)構(gòu)的進行型號調(diào)整或調(diào)換，使其綜合了多項設(shè)備的優(yōu)點。通過測試計算，在單位工作時間里，經(jīng)過優(yōu)化后的余熱鍋爐發(fā)電量提高了285KW，余熱利用率將提高8.72%，將會取得很好的經(jīng)濟效益，有利于提高電廠經(jīng)濟效益和縮短電廠投資回收周期。

4 結(jié)語

綜上所述，燃氣輪機自然循環(huán)余熱鍋爐的設(shè)計重要永遠是在確保工作安全可靠的基礎(chǔ)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(huán)境，設(shè)計安全可靠的小管徑自然循環(huán)余熱鍋爐。且認(rèn)為燃氣輪機自然循環(huán)余熱鍋爐中的小管徑設(shè)計能夠擁有多種不同的、水水蒸汽循環(huán)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。