燃氣

王少穎

余熱鍋爐是聯合循環系統中三大主要設備之一，上游連接著燃氣輪機，下游連接著蒸汽輪機，在系統中起著承上啟下的作用，實現了能量的階梯利用，因而余熱鍋爐是聯合循環系統整體優化的一個關鍵設備，對聯合循環系統的效率有重要影響。因此，對于如何更好地提高燃氣蒸一汽聯合循壞系統的效率，是目前研究的重點。如何更好地提高余熱鍋爐的性能，充分挖掘其余熱回收的潛力，是國內外行業內所關注的一個重要問題。

1 燃氣.蒸汽聯合循環余熱鍋爐特點

1、排氣溫度較高，流量較大

隨著燃氣輪機技術的不斷發展，其參數和流量不斷增大，這使得進入余熱鍋爐的燃氣輪機排氣溫度也越來越高，流量越來越大。燃氣輪機排氣溫度在余熱鍋爐無補燃時為500～610℃，在余熱鍋爐有補燃時比無補燃是要高lOO℃左右；流量也發生了很大變化。但是相應而來的是燃氣輪機背壓也逐漸升高，效率有所降低。這是因為煙氣流量增大、流速增高，使得煙氣側流動阻力增加。由于燃氣輪機排氣量的增加，不管余熱鍋爐入口段還是出口段，其煙氣流量增大，容易造成在流通截面上產生較大的速度梯度和溫度梯度。

2、換熱強度變化明顯

整個系統的煙氣流程為：高溫高壓的煙氣在燃氣輪機中膨脹做功，煙氣溫度降低之后排入余熱鍋爐，進而在余熱鍋爐中與換熱器進行熱量交換，將低溫給水加熱生成蒸汽和熱水，之后蒸汽在蒸汽輪機中膨脹做工，煙氣最后排出進入大氣。煙氣在余熱鍋爐內進行熱量交換，其在鍋爐進口煙溫度較低，但是由于煙氣與受熱面之間的傳熱是以對流傳熱為主，隨著換熱過程的進行，燃氣顯熱減少，溫度逐漸降低，換熱能力也逐漸下降。

因此，為了更多的回收余熱，需要對余熱鍋爐的換熱面進行強化。余熱鍋爐多采用螺旋翅片換熱管束不僅強化傳熱，而且降低流動阻力，減少金屬耗量并使受熱面布置緊湊，提高設備的經濟性和運行的可靠性。

3、運行工況易變

對于燃氣輪機具有優良的負荷調節特性，伴隨工況的變化或負荷的調整，燃氣輪機排氣流量、溫度將發生較大變化，短時間就可以適應。但是，蒸汽輪機調節特性較差，因此運行過程中參數要求蒸汽穩定，變工況條件下，參數不能變化太大、太快。處于燃氣輪機和蒸汽輪機之間的余熱鍋爐，就必須要同時滿足兩者的需要才能保證整個系統的穩定和安全，這就對余熱鍋爐不僅是在結構設計，還是在自動控制理論方面都有了極高的要求。

2 燃氣.蒸汽聯合循環余熱鍋爐性能影響因素

余熱鍋爐作為燃氣.蒸汽聯合循環系統中的一個重要設備，在聯合循環中起著橋梁作用，合理正確的提高余熱鍋爐的性能，進而提高其效率，將對整個循環系統的效率的提高有著重要的影響。但是余熱鍋爐性能效率的提高也將受到其他因素的影響，因為這些因素在整個系統中，相互影響，相互制約。

1、節點溫差、接近點溫差和熱端溫差

節點溫差指余熱鍋爐中蒸發器出口處煙氣與飽和蒸汽之間的最小溫差。節點溫差與整個系統聯合循環效率有著密切的關系。這是由于減小節點溫差，就意味著余熱鍋爐排煙溫度降低，其吸熱量增加，聯合循環效率提高。然而，節點溫差減少，就意味著需要更多的換熱面積來吸收熱量，使得整個余熱鍋爐成本增加，造價提高。由此說明，節點溫差的選取是否合理將會對整個聯合循環余熱鍋爐的運行性能、投資費用、運行效益以及制造成本等各個方面產生影響。

接近點溫差指余熱鍋爐省煤器出口壓力下的飽和溫度與出口水溫之間的溫差。在蒸汽流量以及排煙溫度不變的情況下，適當地減少接近點溫差會使系統總的傳熱面積減少，這樣有利于降低成本。但是，接近點溫差不能太小，這是由于省煤器會在為在啟動或者低負荷情況下出現汽化現象，為了防止這一現象的產生，所以設計余熱鍋爐是總是要求省煤器的出口水溫要略低于響應下的飽和水溫。

熱端溫差是指過熱器出口處煙氣與蒸汽的溫度差值。適當地降低熱端溫差，可提高過熱度，進而提高過熱蒸汽品質，提高循環效率，同時這樣會使得蒸汽的流量減少。過熱器和蒸發器的對數平均溫差也相應降低，傳熱面積需要增大，盒屬耗量增加，熱端溫差的選取其實更取決于聯合循環系統的優化考慮。

2、汽水系統的布置形式

聯合循環余熱鍋爐隨著燃氣輪機的發展，其壓力等級也有所發展，從單壓到雙壓的發展，進一步降低了排煙溫度，后來從雙壓發展到三壓以及再熱系統的發展，使得系統設計又向前邁進一步。目前應用較多的多壓系統有雙壓、雙壓再熱、三壓以及三壓再熱系統。

單壓系統布置簡單，優化設計時主要考慮蒸汽的壓力等級。當蒸汽壓力升高時，會使得余熱鍋爐的排煙溫度增加。這是由于蒸汽壓力的升高，使得單位質量蒸汽所含的焓值增加，即焓降增加，做工能力增加。此情況下，蒸汽流量將會減少。在保持節點溫差不變的情況下，煙氣與省煤器的傳熱溫差增大，而煙氣與蒸發器、過熱器的傳熱溫差下降，最終所需要的傳熱面積增加。通常單壓余熱鍋爐的排煙溫度在160～200℃左右。

為了降低排煙溫度，從煙氣中回收更多的熱量，進而使得聯合循環效率提高，通常情況下多采用多壓系統，但這樣增加了系統的復雜性，包括鍋爐本身，還包括占地面積以及運行維護費用，使得投資增加。可以看出，隨著蒸汽輪機系統參數的提高及系統的復雜化（由雙壓變為三壓，由不再熱向再熱過渡），聯合循環的效率會有一定程度的提高。目前多壓系統可以使得余熱鍋爐出口排煙溫度降低到llO～120℃，對于燃燒含硫量極少的天然氣的機組，余熱鍋爐出口排煙溫度可降至80～85℃左右。在具體的工程應用中采取哪種汽水系統，應該要將系統效率和經濟性結合在一起考慮，即要考慮電站裝置費用、燃料價格、電站的符合性質和運行維護費用等因素。

3、補燃

聯合循環采用補燃技術有以下幾個用途：1）增大聯合循環的功率；2）提高汽輪機的初參數，進而提高汽輪機系統的效率，在一定條件下增高聯合循環的效率；3）改善聯合循環的變工況特性，使得效率隨負荷的降低而逐漸減小的趨勢平緩。

在燃氣.蒸汽聯合循環中，無補燃時余熱鍋爐蒸汽參數容易受到燃氣輪機排氣的影響，而且余熱鍋爐所產生的蒸汽量有限，使得蒸汽輪機的功率不可能很大，一股只有燃氣輪機功率的一半左右：有補燃時，余熱鍋爐蒸汽參數受到燃氣輪機排氣的影響較小，蒸汽的溫度可以高于燃氣輪機排氣，進而可以使得蒸汽量大幅度增加，蒸汽輪機系統相應的根據實際需要可以采用較高參數，從而使得蒸汽輪機的功率和燃氣輪機的功率有一個很好的匹配，使得整個聯合循壞功率達到提高。

隨著燃氣輪機技術的發展，燃氣輪機進口參數和燃氣輪機效率大幅度提高，在這種情況下，可提高系統效率的最大補燃量不斷減小。由于汽輪機效率的提高已變得比較困難，補燃已逐漸失去提高聯合循環系統效率的作用，在目前燃氣輪機較高參數條件下，有補燃的聯合循環效率不如無補燃的。余熱鍋爐如果補燃就需要額外配備補燃的燃燒系統，整個循環系統將變得比較復雜。如果希望余熱鍋爐能夠獨立于燃氣輪機運行，還需要配備風機、旁通風道等設備。不過補燃可以使用煤或其它劣質燃料。

3 結束語

余熱鍋爐作為聯合循環中一個承上啟下的關鍵設備，在研究余熱鍋爐性能時要兼顧其它設備，從而使整個聯合循環系統效率達到最優。