蒸汽循環(huán)余熱鍋爐的優(yōu)化選擇

1優(yōu)化蒸汽參數(shù)在文獻、、和和中，作者系統(tǒng)地研究了單壓、雙壓（重新熱量和不再熱）和三壓（重新熱量和不再熱）余爐的氣候學方法，并探討了不同因素對影響的規(guī)律。基于h）用最佳原則是將氣壓損失（電機周期的有效效率）降至最低，即基于h使用效率。即基于市政廳的有效功率。為了優(yōu)化選擇主蒸汽、中壓蒸汽和二次低壓蒸汽的參數(shù)。在此基礎上本文進一步比較分析了這幾種余熱鍋爐特性的差異,進而總結了在設計這些余熱鍋爐時,必須著重考慮的若干問題,期望能對工程設計工作有參考作用。2汽系統(tǒng)ph的增勢變化圖1中給出了Siemens公司設計計算的以一臺V84.2燃氣輪機組成的聯(lián)合循環(huán)中,五種蒸汽循環(huán)過程的參數(shù)以及整臺機組的性能指標。該組合方案也正是作者在文獻、、、和中,對單壓、雙壓(有再熱和無再熱)和三壓(有再熱和無再熱)余熱鍋爐的tA2和ηh進行計算,并對蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的蒸汽參數(shù)進行優(yōu)化選擇的模擬對象,只是把汽輪機的背壓由圖1所示的8.5kPa降為8.0kPa而已。優(yōu)化所得的蒸汽參數(shù)則與圖1所示者基本相同。在文獻中作者曾對圖1所示示例進行過核算,獲得這五種聯(lián)合循環(huán)的性能數(shù)據(jù),如表1所示。由表1所示數(shù)據(jù)可知:(1)當組成余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)的燃氣輪機已經(jīng)選定后,隨著余熱鍋爐由單壓蒸汽系統(tǒng)向雙壓蒸汽系統(tǒng)和三壓蒸汽系統(tǒng)發(fā)展時,聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率ηGCC將不斷地增高。其原因是由于蒸汽系統(tǒng)中ηhηst的乘積在不斷地增大,特別是當余熱鍋爐由單壓蒸汽系統(tǒng)改為雙壓無再熱的蒸汽系統(tǒng)以及由雙壓再熱式(或三壓無再熱式)蒸汽系統(tǒng)改為三壓再熱式蒸汽系統(tǒng)時,ηGCC的增大幅度比較大。但是由雙壓再熱式蒸汽系統(tǒng)改為三壓無再熱的蒸汽系統(tǒng)時,聯(lián)合循環(huán)的ηGCC和ΣP=Pgt+Pst都變化得很小,甚至并無增大的趨勢。由雙壓無再熱的蒸汽系統(tǒng)改為雙壓再熱式蒸汽系統(tǒng)時,ηGCC的增大幅度也不是很大的,因而目前工程上用得最多的余熱鍋爐型式是雙壓無再熱的以及三壓有再熱的蒸汽系統(tǒng)。(2)當組成余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)的燃氣輪機已經(jīng)選定后,隨著余熱鍋爐由單壓向雙壓和三壓蒸汽系統(tǒng)發(fā)展時,機組的ΣP=Pgt+Pst會略有增大的趨勢,但是增大幅度并不會很大,這是由于在采用再熱系統(tǒng)后,再熱蒸汽系統(tǒng)的壓力損失比較大的緣故。然而當余熱鍋爐由單壓改為雙壓系統(tǒng)時(無論是有再熱或無再熱者),ΣP的增加幅度相對來說會略微大一些,其主要原因是由于余熱鍋爐的ηh增量較大,致使蒸汽流量增幅較大的緣故。當然,那時燃氣輪機的凈功率Pgt略有下降的趨勢,而汽輪機的凈功率則有增大一定程度的趨勢。(3)當組成余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)的燃氣輪機已經(jīng)選定后,隨著余熱鍋爐由單壓向雙壓和三壓蒸汽系統(tǒng)發(fā)展時,燃氣輪機循環(huán)的凈效率ηgt是略有下降的趨勢,這是由于流經(jīng)余熱鍋爐的燃氣阻力有所增大的緣故,但是汽輪機循環(huán)的有效效率ηst卻有增大相當幅度的趨勢,這是由于蒸汽參數(shù)的提高,特別是在采用再熱循環(huán)時,循環(huán)的平均初溫有所增高,而且蒸汽乏汽的溫度有明顯減小,致使汽輪機的內(nèi)效率和循環(huán)有效率ηst能夠同步增高的緣故。(4)當組成余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)的燃氣輪機已經(jīng)選定后,隨著余熱鍋爐由單壓向雙壓和三壓蒸汽系統(tǒng)發(fā)展時,余熱鍋爐的當量效率ηh總起來說是逐漸增高的,這是由于在采用雙壓和三壓蒸汽系統(tǒng)后,余熱鍋爐的排氣溫度tA2都會有相當幅度下降的趨勢,特別是由單壓系統(tǒng)改為雙壓系統(tǒng)時,tA2的降低程度更加明顯。但是,當采用雙壓或三壓的再熱蒸汽系統(tǒng)時,ηh值卻有兩種變化趨勢。倘若在雙壓(或三壓)無再熱的以及有再熱的蒸汽系統(tǒng)中,各種影響因素[如燃氣初溫t4、主蒸汽溫度tOH、中壓蒸汽參數(shù)(pSM、tOM)、低壓二次蒸汽參數(shù)(pSL、tOL)、節(jié)點溫差(δH、δM、δL)、接近點溫差(ΔtaH、ΔtaM、ΔtaL)以及凝汽器背壓]彼此均取得相同,那么,當改用再熱蒸汽系統(tǒng)時,由于tA2是增高的,致使相對于無再熱的蒸汽系統(tǒng)而言,ηh是下降的,但是由于采用再熱蒸汽系統(tǒng)后,ηst將增大較多。因而ηhηst的乘積和ηGCC仍然會有一定程度的增加,在文獻和的計算實例中顯示了這種情況。另一種情況是:當改用再熱蒸汽系統(tǒng)時,我們可以用進一步降低節(jié)點溫差和接近點溫差的方法,使tA2趨于下降,致使ηh反而略有增升的趨勢,如表1的數(shù)據(jù)所示。這種方法可以使ηhηst和ηGCC乃至Pst增高得較多。(5)當組成余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)的燃氣輪機已經(jīng)選定時,余熱鍋爐主蒸汽和再熱蒸汽的溫度可以根據(jù)燃氣輪機的排氣溫度(即進入余熱鍋爐的燃氣溫度)t4來選擇。通常,它們應比t4低25～40℃。而主蒸汽的壓力psh、中壓蒸汽的參數(shù)(pSM、pOM)以及低壓二次蒸汽的參數(shù)(pSL、tOL)等則應根據(jù)使ηhηst的乘積為最大,也就是使pst為最大的原則進行優(yōu)化選擇。如表1所示:單壓余熱鍋爐中主蒸汽的壓力ps比較低;雙壓無再熱余熱鍋爐中主蒸汽的壓力pSH將略有增高;雙壓再熱式余熱鍋爐中主蒸汽的壓力pSH更有所提高;三壓無再熱余熱鍋爐中主蒸汽的壓力pSH要比雙壓無再熱余熱鍋爐者高,但比雙壓再熱式余熱鍋爐者略低。三壓再熱式余熱鍋爐中主蒸汽的壓力pSH則要比三壓無再熱余熱鍋爐者略高,但與雙壓再熱式余熱鍋爐者相同水平。雙壓和三壓余熱鍋爐(無論是再熱式或非再熱式的)中低壓二次蒸汽壓力pSL均可以選取同一個水平,但再熱式余熱鍋爐中低壓二次蒸汽溫度tOL則應比非再熱式余熱鍋爐者略高一些。雙壓再熱式余熱鍋爐中再熱蒸汽的壓力可以與三壓再熱式余熱鍋爐中中壓蒸汽的壓力相當,但它們都將比三壓無再熱余熱鍋爐中中壓蒸汽的壓力略微高一些。計算表明:在優(yōu)化選擇主蒸汽壓力、中蒸汽壓力以及低壓二次蒸汽壓力時,倘若能改善汽輪機通流部分的設計性能以提高其內(nèi)效率,那么,與ηhηst乘積為最大的優(yōu)化點相對應的這些壓力值,都有向高壓側發(fā)展的趨勢。計算表明:在優(yōu)化選擇低壓二次蒸汽的壓力pSL和溫度tOL時,必須注意:主蒸汽流在汽缸內(nèi)膨脹到該二次低壓pSL狀態(tài)時的溫度不能比tOL低50℃,否則會不利于汽輪機的結構設計。表2、表3、表4和表5中分別給出了各種因素對單壓余熱鍋爐、雙壓無再熱余熱鍋爐、雙壓再熱式余熱鍋爐、三壓無再熱余熱鍋爐的排氣溫度tA2、當量效率ηh以及各股蒸汽流量的影響規(guī)律。由表2～表5可以發(fā)現(xiàn):影響余熱鍋爐排氣溫度tA2的因素有三大類,即:①進入余熱鍋爐的燃氣溫度t4;②節(jié)點溫差δ和接近點溫度Δta;③蒸汽的參數(shù)pSH、tOH、pSM、tOM、pro、tro、pSL、tOL、pK。通過以上計算得知:(1)不論余熱鍋爐的蒸汽系統(tǒng)是什么類型(單壓、雙壓、三壓、有再熱或無再熱),t4對tA2的影響方向則是一致的,而且影響幅度是最大的。t4的增高將有利于使tA2下降,促使余熱鍋爐的當量效率ηh增高。因而在有補燃的余熱鍋爐中,經(jīng)補燃后t4值很高(700～1000℃),即使不采用雙壓或三壓蒸汽系統(tǒng),tA2仍然可以降得相當?shù)?所以目前大多數(shù)補燃式余熱鍋爐均采用單壓蒸汽系統(tǒng)。(2)節(jié)點溫差δ和接近點溫差Δta對tA2的影響有兩種截然不同的方向,無論是單壓、雙壓、三壓、有再熱或無再熱的余熱鍋爐,隨著低壓側δL和ΔtaL的增大,tA2是不斷增高的,即ηh是下降的。而且變化的幅度比較大。但是,隨著中壓側和高壓側δM、δH、ΔtaM和ΔtaH的增大,tA2卻有不斷地略有下降的趨勢,雖然其變化幅度相當微小。因而在以上五種不同蒸汽系統(tǒng)的余熱鍋爐中,影響tA2和ηh的節(jié)點溫差和接近點溫差不是中壓側和高壓側者,而是低壓側的δL和ΔtaL。(3)在以上五種蒸汽系統(tǒng)的余熱鍋爐中,蒸汽壓力和溫度對tA2的影響方向也是不完全一致的。隨著低壓蒸汽壓力pSL和溫度tOL的升高,tA2都是增高的,但是pSL的影響幅度要比tOL者大(注:在單壓蒸汽系統(tǒng)的余熱鍋爐中只有一種蒸汽壓力pS,可以把它當作低壓蒸汽來處理)。隨著高壓蒸汽壓力pSH的增高,tA2是下降的,但是隨著高壓蒸汽溫度tOH的增高,tA2都是升高的。在三壓余熱鍋中,中壓蒸汽壓力pSM和溫度tOM對tA2的影響方向則與高壓蒸汽壓力pSH和溫度tOH的影響方向是一致的。而且無論在雙壓或是三壓有再熱的余熱鍋爐中,再熱蒸汽壓力pro和溫度tro對tA2的影響方向也是與pSH和tOH者一致的。(4)在以上五種蒸汽系統(tǒng)的余熱鍋爐中,凝汽壓力Pk對tA2的影響方向則是完全一致的,即隨著pk的增高,tA2是增大的。其影響幅度并不很小。(5)計算表明:在雙壓或三壓余熱鍋爐中,當一切影響因素均相同時(t4、pSH、tOH、pSM、tOM、pSL、tOL、δH、δM、δL、ΔtaH、ΔtaM、ΔtaL、pK),有再熱循環(huán)時,余熱鍋爐的排氣溫度tA2將高于無再熱循環(huán)者。(6)顯然,當余熱鍋爐的蒸汽系統(tǒng)由單壓向雙壓、三壓、無再熱和有再熱方向發(fā)展時,總蒸汽流量也會不斷地發(fā)生變化。單壓余熱鍋爐者最少、雙壓無再熱循環(huán)者最多,三壓無再熱循環(huán)者次之。無論是雙壓或三壓循環(huán)者,當采用再熱方案后,總蒸汽流量都會有一定幅度的減少。3蒸汽參數(shù)的篩選作者在文獻中提出了估算余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)熱效率的計算關系式,即發(fā)電效率ηGCC=(ηgt+Cηst)/(1+A)=[ηgt(1+PstPgt)]/(1+A)(1)ηCCG=(ηgt+Cηst)/(1+A)=[ηgt(1+ΡstΡgt)]/(1+A)(1)供電效率ηNCC=ηGCC(1-ηe)(2)功率比值PstPgt=Cηstηgt(3)ΡstΡgt=Cηstηgt(3)對補燃式余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)來說C=Aηr2+(ηr1?ηgtηMgtηGgt)ηh(4)ηh≈t4?tA2t4?t1(5)C=Aηr2+(ηr1-ηgtηΜgtηGgt)ηh(4)ηh≈t4-tA2t4-t1(5)對非補燃式余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)來說,A=0,故式(1)和(4)可簡化為:ηGCC=ηgt+Cηst=ηgt(1+PstPgt)(6)ηCCG=ηgt+Cηst=ηgt(1+ΡstΡgt)(6)其中C=(ηr1?ηgtηMgtηGgt)ηh(7)C=(ηr1-ηgtηΜgtηGgt)ηh(7)或ηNCC=[ηgt+(ηr1?ηgtηMgtηGgt)ηhηst](1?ηe)(8)ηCCΝ=[ηgt+(ηr1-ηgtηΜgtηGgt)ηhηst](1-ηe)(8)式中ηgt—聯(lián)合循環(huán)中燃氣輪機循環(huán)的有效效率,即在燃氣輪機的發(fā)電機軸端測得的燃氣輪機的效率;ηMgt—燃氣輪機系統(tǒng)的機械效率;ηGgt—燃氣輪機發(fā)電機的效率;ηst—聯(lián)合循環(huán)中汽輪機循環(huán)的有效效率;即在汽輪機的發(fā)電機軸端測得的汽輪機的效率;A—進入補燃式余熱鍋爐的燃料量與進入燃氣輪機燃燒室的燃料量的比值倍率;Pst—汽輪機發(fā)電機軸端測得的功率;Pgt—燃氣輪機發(fā)電機軸端測得的功率;ηe—聯(lián)合循環(huán)的廠用電耗率;ηr1—燃氣輪機燃燒室的燃燒效率;ηr2—補燃式余熱鍋爐的補燃燃燒效率;ηh—余熱鍋爐的當量熱效率;t4—燃氣輪機的排氣溫度;tA2—余熱鍋爐的排氣溫度;t1—大氣溫度。由式(6)、式(7)和式(8)中很明顯地可以看出:對于非補燃式余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)來說,當燃氣輪機選定后(即ηgt、ηMgt、ηGgt、ηr1已確定),合理地匹配ηh和ηst這兩個參數(shù)就能使聯(lián)合循環(huán)的ηGCC趨于最大。顯然,使ηhηst的乘積為最大,也就是使Pst為最大,就能達到此目的。因而,在設計余熱鍋爐時首先需要考慮的問題就是:根據(jù)ηhηst趨于最大這個原則,來優(yōu)化選擇余熱鍋爐中各股流道的蒸汽參數(shù)。有關優(yōu)化選擇這些參數(shù)的方法可參見文獻。當然,這些參數(shù)的選擇必然與燃氣輪機的排氣溫度t4、蒸汽循環(huán)的方式(單壓、雙壓、三壓和有無再熱)以及余熱鍋爐設計時所選取的節(jié)點溫差和接近點溫差等參數(shù)有密切關系。而且與各制造廠家的技術水平和技術傳統(tǒng)有一定關系。為此,在優(yōu)化選擇余熱鍋爐蒸汽參數(shù)之前,首先必須確定余熱鍋爐蒸汽循環(huán)方式以及設計選取的節(jié)點溫差和接近點溫差。通常,GE公司設計聯(lián)合循環(huán)時,是根據(jù)燃氣輪機的排氣溫度t4來選擇蒸汽循環(huán)方式的。當排氣溫度低于538℃時,不宜采用再熱循環(huán)方案,但它們可以是單壓的、雙壓的或者是三壓的循環(huán)方式。當排氣溫度增高到593℃時,則應考慮采用三壓有再熱的蒸汽循環(huán)方式。而且只有當t4≥593℃,同時汽輪機的功率較大時,才可以考慮把汽輪機的主蒸汽參數(shù)提高到16.5MPa/565℃的亞臨界參數(shù)的水平。一般情況下余熱鍋爐的節(jié)點溫差應控制在δ=10～20℃范圍內(nèi),接近點溫差則宜控制在Δta=5～20℃范圍內(nèi)。如前所述:減小低壓端的節(jié)點溫差和接近點溫差都有利于降低余熱鍋爐的排氣溫度tA2,致使當量效率ηh增高,但tA2值將受排氣的酸露點和水露點的制約。當燃用不含硫份的天然氣時,tA2僅受排氣水露點的限制,在三壓蒸汽系統(tǒng)的余熱鍋爐中,tA2有可能被控制到80～90℃水平;在燃用含有硫份的液體燃料時,tA2將受排氣的酸露點限制。在三壓蒸汽系統(tǒng)的余熱鍋爐中,tA2宜控制到130℃左右,而在單壓蒸汽系統(tǒng)的余熱鍋爐中,tA2總會在150℃左右。表6、表7和表8中分別給出了GE公司和Siemens公司建議的聯(lián)合循環(huán)中,汽輪機主蒸汽參數(shù)的優(yōu)化選取范圍,可供參考。顯然,可以根據(jù)上述汽輪機的蒸汽參數(shù)來選取余熱鍋爐的蒸汽參數(shù)。通常,余熱鍋爐出口的主蒸汽壓力大約要比汽輪機入口處的蒸汽壓力高3%左右,主蒸汽溫度大約要高3～4℃。再熱蒸汽的壓力則要比從汽輪機來的冷再熱蒸汽的壓力低12%～14%,再熱蒸汽從余熱鍋爐出口到汽輪機入口之間,其溫度大約也要下降2～3℃左右,其壓力降低也大約為2.5%～3%。當然,余熱鍋爐出口的主蒸汽溫度與燃氣輪機的排氣溫度t4密切相關。通常,主蒸汽溫度要比t4低25～40℃左右。中壓蒸汽的溫度和低壓蒸汽的溫度則比它們各自在余熱鍋爐中上游方向的燃氣溫度低11℃左右。從表6和表7中可以看到:隨著汽輪機功率的增高,主蒸汽的壓力是不斷增高的,其原因正如前面指出的那樣:這是由于汽輪機的內(nèi)效率將隨機組功率的增大而增高,致使與ηhηst的乘積達到最大值時所對應的主蒸汽壓力將有增大趨勢的緣故。當然,為了提高汽輪機循環(huán)的有效效率,必須改善汽輪機通流部分的氣動設計,減小級間和軸端的漏汽損失以及乏汽濕度的影響,以便增大汽輪機的內(nèi)效率。同時應力爭由凝汽器中排出的凝結水,不采用從汽輪機中抽取蒸汽來加熱的方案,而盡可能在余熱鍋爐中用燃氣輪機的排氣來加熱,以確保排氣的余熱能被充分利用。甚至使系統(tǒng)的給水在凝汽器中進行除氧。在設計余熱鍋爐時需要著重考慮的第二個問題是:有關余熱鍋爐結構型式的選取。目前,在聯(lián)合循環(huán)中使用的余熱鍋爐的結構型式有自然循環(huán)鍋爐和強制循環(huán)鍋爐之分。在自然循環(huán)鍋爐中蒸發(fā)器與鍋筒之間的水循環(huán)是依靠自然循環(huán)來完成的,鍋爐中燃氣是水平向流過垂直布置的受熱管束,整臺鍋爐是臥式布置的。在強制循環(huán)鍋爐中蒸發(fā)器與鍋筒之間的水循環(huán)是依靠循環(huán)泵來完成的,鍋爐中燃氣是垂直地流過水平布置的受熱管束,整臺鍋爐系立式布置。這兩種循環(huán)方式對余熱鍋爐性能等的影響如表9所示。強制循環(huán)鍋爐的主要優(yōu)點是:①冷態(tài)起動時間約為20～25min,比自然循環(huán)者(25～30min)略短一些;②由于爐體立式布局,可節(jié)省占地面積,因而常用于廠區(qū)面積有限的地方。通常,鑒于自然循環(huán)鍋爐不耗外功,可用率又較高,又便于組合安裝和檢修,因而在安裝場地面積允許的前提下,一般偏向于選用自然循環(huán)型式的余熱鍋爐。設計余熱鍋爐時需要著重考慮的第三個問題是:是否需要采用補燃方式?在文獻中作者已證明:在目前燃氣輪機的循環(huán)效率ηgt已相當高的前提下,采用補燃方式的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)雖然可以增大機組的功率,但其發(fā)電和供電效率卻都是下降的。因而,對于以純發(fā)電為目的聯(lián)合循環(huán)來說,目前,比較少考慮采用補燃方式的余熱鍋爐。但是對于以“熱電聯(lián)產(chǎn)”為目的的聯(lián)合循環(huán)來說,采用補燃方式的余熱鍋爐則是完全必要的,其目的有兩個方面,即:①使機組的調(diào)節(jié)具有靈活性,可以使電負荷和熱負荷都能獨立可調(diào),徹底摒棄一般熱電聯(lián)產(chǎn)機組中必須“以熱定電”的運行方式;②使熱負荷具有備用容量。通常,補燃式余熱鍋爐有部分補燃型和完全補燃型之分。所謂部分補燃型余熱鍋爐是指在余熱鍋爐的入口處,向由燃氣輪機送來的高溫燃氣噴入少量燃料,使進入余熱鍋爐受熱面的燃氣溫度被提高到700～1000℃。在這種溫度水平下,余熱鍋爐中無需設置輻射受熱面,像非補燃型余熱鍋爐那樣,只需采用對流受熱面結構設計即可。部分補燃型余熱鍋爐的蒸發(fā)量將比非補燃型余熱鍋爐者多一倍左右。目前,在“熱電聯(lián)產(chǎn)”型聯(lián)合循環(huán)中常用的就是部分補燃型的余熱鍋爐。所謂完全補燃型余熱鍋爐是指向余熱鍋爐內(nèi)噴入大量燃料,在余氣系數(shù)α=1.10的條件下,把從燃氣輪機送來的高溫燃氣中的剩余O2氣幾乎完全燃燒完。那時,余熱鍋爐中需要敷設輻射受熱面。它的蒸汽產(chǎn)量可以達到非補燃型余熱鍋爐者6～7倍。這種余熱鍋爐實際上用得很少?？傊?/p>