9F聯合循環機組余熱鍋爐效率研究

楊學峰

引言：本文提出了影響109FA燃氣輪機聯合循環機組9F余熱鍋爐影響聯合循環的主要因素以及影響余熱鍋爐效率的因素，為生產運行人員提供技術支持。

一、前言

109FA級單軸燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，燃機、汽機、發電機由美國GE公司提供。余熱鍋爐由杭州鍋爐集團供應，為三壓、再熱、臥式、無補燃、自然循環。

二、9F余熱鍋爐熱效率計算

9F余熱鍋爐是109FA聯合循環機組運行中的一個關鍵部件。

1.模塊熱平衡方程

從熱力學角度來考慮，余熱鍋爐中的每一個模塊就是一個煙氣放熱和汽水吸熱的能量平衡方程，即：

進一步分析式（2-1）。當過熱蒸汽壓力升高時，蒸發器的飽和壓力及其對應的飽和溫度升高。在節點溫差和接近點溫差不變的條件下，蒸發器出口部位對應的煙氣側的溫度也相應上升。當然也并不是余熱鍋爐的排煙溫度越低越好，一方面排煙溫度受到煙氣露點、水蒸汽露點和酸露點的限制，排煙溫度不能低于露點溫度（通常要求保持高于10℃以上）。另一方面從聯合循環蒸汽循環的做功來看，存在過熱蒸汽合適參數的優化選擇問題。低的蒸汽壓力（此時對應的余熱鍋爐排煙溫度也較低）不一定使蒸汽循環的做功最大。

三、影響9FA余熱鍋爐效率的主要因素

1.節點溫差和接近點溫差

節點溫差是蒸發器出口部位煙氣側溫度與工質飽和溫度的差值，通常是整個余熱鍋爐中煙氣側與工質側溫差的最小點。節點溫差的選擇對蒸發量的影響較大，節點溫差反映了余熱鍋爐的熱能利用程度。節點溫差越小，排煙溫度就越小，煙氣余熱回收量就越大，即余熱鍋爐的效率越大。對于節點溫差，國外先進的制造技術一般選為10℃，隨著 燃氣輪機向大容量、高參數的方向發展，這一參數有更為減小的趨勢，從表2中可以得到9FA聯合循環機組中的燃氣輪機節點溫差低壓鍋爐11.1℃，中壓鍋爐14.9℃，高壓鍋爐3.6。

2.煙氣的壓力損失

為提高對流傳熱系數，減少傳熱面積，就要提高煙氣流速，這就會使其煙氣壓力損失越大。燃氣輪機背壓升高導致其輸出功率和效率就減少，聯合發電設備整體效率也降低，當采用減少節點溫差和多壓系統時，由于HRSG傳熱面積的增加，也導致煙氣側流動阻力的增大，燃氣輪機的功率減少。一般來說燃氣輪機的背壓每提高1%，機組的功率會下降0.5%左右。所以煙氣壓力損失要根據系統整體的經濟性而加以確定。

3.余熱鍋爐入口的煙氣溫度與排煙溫度

由式（2-2）和式（2-3）可以看出，在一定的蒸汽參數等條件下，余熱鍋爐的入口溫度越高，余熱鍋爐中單位煙氣質量的蒸汽產量越多，此時的排煙溫度也越低。反之，入口煙溫越低，排煙溫度越高。余熱鍋爐的排煙溫度越低，其效率就越高，但會因此擴大受熱面積和增加設備費用。同時煙氣中含有硫分時會產生硫腐蝕也限制余熱鍋爐出口的煙氣溫度。排煙溫度也不是獨立的參數變量，當汽水系統的一些參數，如飽和蒸汽壓力和節點溫差已定時，它就被確定。

4.煙氣成分

燃氣輪機排氣由燃氣輪機內燃料與空氣接近完全燃燒后的煙氣和大量的燃燒冷卻空氣混合而成。相同溫度時，不同煙氣成分的焓值不同，特別是水與其他成分的差別較大。設計計算時，一定溫度下煙氣比焓根據各煙氣成分在對應溫度下的比焓和其百分含量的代數平均進行計算。

5.蒸汽參數

產生的蒸汽溫度高，蒸汽產量減少，而汽輪機的輸出功率則會增加，機組效率提高。而提高蒸汽溫度，就要增加過熱器的受熱面積，也增加對材料的要求。此外，燃氣輪機 的排氣溫度會隨蒸汽輪機負荷、環境溫度、大氣壓力的改變而改變，HRSG產生的蒸汽溫度也會隨之變化。

四、保證9FA余熱鍋爐發揮最大效率的因素分析

余熱鍋爐設計的前提是聯合循環及其汽水系統方案，并由此確定其T-Q（溫度-熱量）圖。汽水系統的選擇主要取決于與之相配的燃氣輪機形式、參數和用戶的需要。如燃氣輪機在額定功率下排氣溫度低于566℃的聯合循環，多采用單壓或多壓 無再熱的蒸汽循環；而大功率、高排氣溫度的燃氣輪機多配多壓再熱的蒸汽循環。

各種余熱鍋爐設計的出發點都是煙氣側和蒸汽側溫度分布曲線，一旦T-Q圖確定，則HRSG各段受熱部件的受熱面積就被確定。T-Q圖是基于嚴格完整的熱平衡計算基礎上加以確定，同時還要考慮關鍵參數的優化匹配和變工況特性等。

1.蒸汽參數的穩定性

要求在燃氣輪機變工況運行時，蒸汽參數不隨之發生大的波動而影響到汽輪機的安全有效運行，保證HRSG熱力參數處于合理范圍和不超出工程和熱力上的限制值。一般采 用滑壓運行是合理的，即主進汽門一直在常開狀態，不隨負荷波動而變化。這不但對汽輪機變工況運行有利，同時可提高聯合循環設計工況和部分負荷時的效率。

2.熱慣性與熱應力

HRSG系統要具有低的熱慣性，以使余熱鍋爐能適應燃氣輪機快速啟動、快速加減負荷的動態特性，縮短整個聯合循環系統的啟動時間。在機組啟動初期，燃氣輪機點火后，會進行一分鐘的暖機，這也同時對余熱鍋爐內部受熱模塊進行了均勻緩慢受熱，有效防止了溫度突升而產生較大熱應力而對余熱鍋爐模塊的損傷。

3.干燒能力

HRSG還應具有一定的“干燒”能力（無水情況下），以避免旁通閥等發生故障而燒壞。一般干燒時，煙氣溫度不高于566℃。低壓鍋爐干燒為5.1min，中壓鍋爐干燒為5.73min，高壓鍋爐干燒為2.07min。

五、結束語

研究表明，9FA余熱鍋爐效率在運行過程中主要受燃機排氣溫度，大氣溫度，排煙溫度的影響。運行生產中應特別注意排煙溫度的變化情況，排煙溫度過高或過低都要及時分析是否正常現象。

參考文獻

[1]焦樹建 燃氣—蒸汽聯合循環.北京：機械出版社，2003.6.

[2]杭州鍋爐廠9F余熱鍋爐設計說明書.

[3]GE. GE GASTURBINE OPERATION MANUAL.

（作者單位：山東魯電調試運行技術有限公司）