余熱鍋爐基礎(chǔ)知識

余熱鍋爐技術(shù)講座第一部分:余熱鍋爐的基礎(chǔ)知識余熱鍋爐－HRSG

余熱鍋爐___HRSG余熱鍋爐;也叫余熱回收蒸汽發(fā)生器主要應(yīng)用于化工,電力,船舶,石油平臺等等領(lǐng)域;

顧名思義利用余熱產(chǎn)生蒸汽的”鍋爐”;余熱鍋爐沒有常規(guī)燃煤鍋爐的燃燒室和燃料系統(tǒng),也沒有給風,排煙風機系統(tǒng);只有排列密集的翅片管和集汽(水)聯(lián)箱;以及汽包,管道，閥門等;HRSG的組成余熱鍋爐主要由省煤器,蒸發(fā)器,過熱器等等組成;煙氣流經(jīng)過熱器，蒸發(fā)器，省煤器，煙氣溫度從540度降低到150～180度排出鍋爐；放出的熱量主要加熱給水使之成為蒸汽；省煤器:使給水溫度升高到接近飽和溫度;蒸發(fā)器:給水變成飽和蒸汽;進口飽和水—飽和水汽混合物；過熱器:飽和蒸汽加熱成為過熱蒸汽;余熱鍋爐的分類

—煙氣側(cè)常規(guī)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐可以分為:

非補燃余熱鍋爐;利用燃機排氣熱量加熱蒸汽機給給水使之產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽;推動蒸氣機做功

補燃余熱鍋爐;在余熱鍋爐中補充燃料,增大鍋爐蒸發(fā)量;提高主汽參數(shù);

增壓型余熱鍋爐;燃機壓氣機排氣和燃料首先在增壓鍋爐內(nèi)部燃燒,產(chǎn)生的高壓燃氣再進入燃機透平做功;同時產(chǎn)生蒸汽做為蒸汽機的動力來源;

余熱鍋爐的分類——壓力等級按照蒸汽壓力等級分類：單壓余熱鍋爐；雙壓，三壓，多壓余熱鍋爐；余熱鍋爐的分類

—受熱面布置形式按照受熱面布置形式分類：臥式余熱鍋爐：受熱面管道垂直布置，煙氣水平流動；立式余熱鍋爐：受熱面管道水平布置，煙氣垂直流動；余熱鍋爐的分類——

循環(huán)方式自然循環(huán)，強制循環(huán);直流鍋爐；復(fù)合循環(huán)鍋爐；

余熱鍋爐的形式按照循環(huán)方式分為:自然循環(huán)和強制循環(huán);

美國主要流行自然循環(huán)鍋爐,主要制造商有DELTAK;

歐洲主要流行強制循環(huán)鍋爐,主要制造商有比利時CMI,瑞典NEM;等等;

我國目前有能力制造燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐的廠家有杭州鍋爐廠,上海鍋爐廠,東方鍋爐廠等等;主要以強制循環(huán)鍋爐為主;

HorizontalGasFlow,NaturalCirculation

煙氣水平流動的自然循環(huán)自然循環(huán)HRSG模塊結(jié)構(gòu)S207ESTAG自然循環(huán)余熱鍋爐布置圖VerticalGasFlow,ForcedCirculation

煙氣垂直流動的強制循環(huán)方式

強制循環(huán)HRSG模塊結(jié)構(gòu)強制循環(huán)S107E-HRSG現(xiàn)場布置圖VerticalGasFlow,NaturalCirculation

煙氣垂直流動的自然循環(huán)設(shè)計于強制循環(huán)垂直布置基本相同；只要保證蒸發(fā)器內(nèi)部循環(huán)的足夠動力，克服蒸發(fā)器，管道，汽包的沿程阻力即可；優(yōu)點：利用垂直布置可以節(jié)省占地面積；管道水平布置，防止積灰；又可節(jié)省廠用電耗損；維護簡單；輔助（強制）循環(huán)的蒸發(fā)器

燃氣輪機即將啟動時，鍋爐的循環(huán)泵就投入運行

只有在燃氣輪機停機時，循環(huán)泵才關(guān)閉

CMI設(shè)計的蒸發(fā)器循環(huán)倍率較低，以限制泵的電氣消耗此設(shè)計應(yīng)用在電廠承受極端的運行狀況上，如每天多次啟行，頻繁的和最大能力的調(diào)峰和變負荷。

泵是保護鍋爐免受循環(huán)應(yīng)力和避免金屬疲勞及其后果的唯一手段。直流的概念

在啟動過程中，氣包要有溫度梯度的限制，從而降低了電廠的運行靈活性。

考慮到高壓情況時，循環(huán)泵的預(yù)先啟動變得復(fù)雜起來，新型燃機就是這種情況。直流式的設(shè)計

可以消除氣包和循環(huán)泵直流式的立式煙氣通道余熱鍋爐設(shè)計是最簡單的也是最可靠的。不同的燃料適應(yīng)性

CMI

擁有非?，F(xiàn)實的專長技術(shù)來設(shè)計和制造余熱鍋爐，匹配現(xiàn)有所有燃氣輪機，使用的燃料有：:天然氣

輕蒸餾油

石腦油

輕原油

原油

重油

名詞解釋STAG=

ST

EAMA

NDG

AS;

燃氣－蒸汽(屬于GE商標）CCPP=

CombinedCyclePowerPlant

聯(lián)合循環(huán)電廠PG9171E:PACAKGE;GEN,NO:9;171HP；E:sier.STAG組合型式－1STAG組合型式－2單壓無再熱汽水系統(tǒng)單壓無再熱HRSG三壓系統(tǒng)的熱量分布三壓無再熱系統(tǒng)熱力系統(tǒng)三壓無再熱HRSG自然循環(huán)——系統(tǒng)簡圖

三壓再熱系統(tǒng)三壓再熱HRSG單線簡圖STAG107H聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)STAG107H聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)南山電廠余熱鍋爐的分類蒸發(fā)器循環(huán)方式＃5.＃6爐（特例）自然循環(huán)爐＃7強制循環(huán)爐＃1.＃3.＃10低壓爐：強制循環(huán)中壓爐：自然循環(huán)三壓爐（3＃、10＃爐）雙壓爐（1＃爐）單壓爐自然循環(huán)爐＃7非補燃型余熱鍋爐的優(yōu)點投資少;結(jié)構(gòu)簡單;

運行可靠;運行可靠率達到9以上

啟動速度快;從冷態(tài)到滿載20~30min;

熱效率高;50~58%;

鑒于以上優(yōu)點,非補燃型余熱鍋爐已經(jīng)得到普遍采用;自然循環(huán)鍋爐自然循環(huán)簡圖自然循環(huán)的特點:(1)自然循環(huán)原理：利用下降管于受熱面吸熱管道之間的密度差產(chǎn)生循環(huán)動力形成；自然循環(huán)的特點（2）特點：重心低，穩(wěn)定性好；蓄熱能力較大；適應(yīng)負荷變化能力強；受熱面管道垂直布置；運行維護簡單；缺點：水容積較大，啟停，變負荷速度較慢；占地面積大；自然循環(huán)鍋爐煙氣流程為：煙氣從燃氣輪機排出，經(jīng)進口煙道或轉(zhuǎn)彎煙道進入三通煙道，當機組單循環(huán)時，煙氣經(jīng)上部調(diào)節(jié)門由旁通煙囪排空；當需要聯(lián)合循環(huán)時，煙氣從三通煙道經(jīng)調(diào)節(jié)門和過渡煙道進入鍋爐本體，依次水平橫向沖刷兩級高壓過熱器，高壓蒸發(fā)器，高壓省煤器和低壓蒸發(fā)器，最后經(jīng)出口煙道及主煙囪排空。自然循環(huán)鍋爐汽水流程

給水由高壓省煤器人口集箱進入省煤器管屏加熱后流入高壓鍋筒；通過鍋筒下部的集中下降管進入高壓蒸發(fā)器管屏。吸熱后上升進入鍋筒進行汽水分離。分離后飽和水再進入集中下降管，而飽和蒸汽從鍋筒上部引至高壓過熱器，經(jīng)過熱管屏吸熱后由出口集箱引出鍋爐。在兩級過熱器之間布置噴水減溫裝置，從而可有效地保證出日過熱蒸汽溫度。

低壓蒸汽進入除氧器用于除氧。強制循環(huán)余熱鍋爐強制循環(huán)簡圖強制循環(huán)（1）：強制循環(huán)：將汽包內(nèi)部的水經(jīng)過循環(huán)泵的動力升壓送入蒸發(fā)器吸熱；強制循環(huán)（2）：特點：管道水平布置，受熱面巖高度布置；節(jié)省地面；管徑小，結(jié)構(gòu)緊湊；強制流動，循環(huán)倍率3～5；管徑較?。凰莘e小，升溫升壓，啟動快，負荷調(diào)節(jié)范圍較大；適應(yīng)調(diào)峰運行；冷態(tài)啟動速度較快；20～25min；強制循環(huán)（3）缺點：運行復(fù)雜；增加運行維護費用；廠用電增加；重心高，穩(wěn)定性較差；支撐復(fù)雜較重；容易產(chǎn)生氣水分層；強制循環(huán)鍋爐的煙氣流程煙氣經(jīng)人口煙道、三通煙道和過渡煙道進入受熱面管箱后自下而上，先后依次沖刷高低溫過熱器、高壓蒸發(fā)器、高壓省煤器和低壓蒸發(fā)器。最后經(jīng)主煙囪直接排空。強制循環(huán)鍋爐的汽水流程也類似于自然循環(huán)，但高、低壓下降管均設(shè)有兩套強制循環(huán)泵（一用一備）。高低壓蒸發(fā)器內(nèi)本循環(huán)動力由強制循環(huán)泵提供，確保水循環(huán)安全可靠。這類爐型的低壓鍋筒也可兼作除氧水箱，并安置于鍋爐鋼架上，可簡化管路系統(tǒng)，減少占地面積。強制循環(huán)受熱面的布置設(shè)計：蒸發(fā)器為順流，其余受熱面為逆流。分析：

A.逆流投熱效果好，需要管材好，減少體積；

B.順流由于飽和狀態(tài)，借助于自然循環(huán)力量，減少循環(huán)泵動力量；

C.若設(shè)計逆流，出現(xiàn)汽塞（汽化）投熱惡化。除氧蒸發(fā)器管箱低壓蒸發(fā)器管箱高壓省煤器（2）管箱高壓省煤器（1）管箱及低壓過熱器管箱高壓蒸發(fā)器管箱高壓過熱器管箱高壓省煤器（3）及低壓省煤器管箱凝結(jié)水加熱器管箱

自然循環(huán)強制循環(huán)傳熱面積相同相同可用率99.9597.5燃機運行范圍的實用性廣窄水循環(huán)平衡性有有限循環(huán)泵的設(shè)置無有外部耗功無循環(huán)泵功耗占地面積較多較少鋼結(jié)構(gòu)和管道輕而多重而少基礎(chǔ)及撐腳輕而多重而少安裝所需要設(shè)備輕重運行維護較簡單較難

自然循環(huán)與強制循環(huán)的比較其他循環(huán)方式：直流鍋爐：當蒸汽壓力大于16Mpa亞臨界，超臨界參數(shù)，選用直流鍋爐提高循環(huán)效率；復(fù)合循環(huán)：在同一個余熱鍋爐中采用兩種循環(huán)方式；高壓蒸發(fā)器采用自然循環(huán)；要點：由于強制循環(huán)水流速度較快，水側(cè)換熱有利；余熱鍋爐換熱主要取決于煙氣側(cè)換熱系數(shù)；煙氣側(cè)流動基本相同時，自然循環(huán)，強制循環(huán)換熱面積均相同；余熱鍋爐氣動熱力特點：煙氣流量大；流速高；紊流擾動大；磨損；受熱面變形；振動；煙氣偏流；傳熱不均；翅片管道余熱鍋爐采用翅片管道的原因要提高余熱鍋爐的效率,必須減少燃機排煙溫度于鍋爐汽水溫度之間的溫度差;勢必增加余熱鍋爐的受熱面積;同時又增加了煙氣流動阻力,;為減少流動阻力損失,可以增大流通面積,降低流動速度;但是低速的流動勢必降低傳熱效率;;從而增大傳熱面積;依次循環(huán)HRSG的面積將會增大到無窮大;采用螺旋翅片管既可以保證足夠的傳熱面積,又可以減少煙氣阻力!:

節(jié)點溫差的概念:余熱鍋爐蒸發(fā)器出口煙溫于蒸發(fā)器飽和水之間溫差;?t=Tg7-Ts;該溫差不能等于零,否則鍋爐受熱面積無窮大溫差越小,面積越大;排煙溫度越小,產(chǎn)氣量越大;必然在投資費用于效率之間取舍;一般溫差取8~20℃;接近點溫差的概念省煤器出口水溫于對應(yīng)壓力下的飽和溫度之間差值;也叫”欠溫差”;省煤器設(shè)計成為欠飽和狀態(tài),以免在燃機部分負荷狀態(tài)下省煤器吸熱量增大導(dǎo)致省媒器汽化;所以設(shè)計時必然保證改溫差的存在和足夠溫差;接近點溫差不能夠太小;接近點溫差過小時，在部分負荷情況下容易引起汽化；接近點溫差過大時,減少了在省煤氣的吸熱量;導(dǎo)致蒸發(fā)器的吸熱減少;為了保證蒸發(fā)量不便勢必增加受熱面積;;所以現(xiàn)在一般規(guī)定接近點溫差在5~20℃;熱端溫差：過熱器進口煙溫與過熱器出口蒸汽溫度之間的溫差；降低該溫差，可以得到較高的過熱度；同時增大了過熱器的傳熱面積；30～60范圍內(nèi)較為合適；溫差概念熱端端差窄點接近點溫差單壓系統(tǒng)的溫差分布爐水的循環(huán)倍率該回路循環(huán)水量于產(chǎn)生蒸汽量的比值；蒸發(fā)器循環(huán)倍率最好不低于5；小于5容易出現(xiàn)汽水分層，汽塞，管道容易過熱損壞；爐水的循環(huán)倍率HP爐：HP循環(huán)流量/HP蒸汽流量＝870T/H/178T/H=5LP爐：LP循環(huán)流量/LP蒸汽流量＝300T/H/30T/H=10

運行中，發(fā)現(xiàn)循泵流量低，分析：（1）汽包水位低，不能建立水循環(huán)：（2)泵入口濾網(wǎng)堵塞，泵汽化：.（3）泵本身故障；煙氣阻力的影響煙氣阻力的增大,也就是余熱鍋爐進口到排煙煙筒的壓差越大;流速越大增大傳熱系數(shù)可以減少受熱面積,;但是勢必造成燃機排煙壓力增大,燃氣透平做功能力下降;造成燃機出力下降;阻力每增加1KPA出力就下降0.8%;排煙溫度：決定于節(jié)點溫差的大小,一般為了防止煙氣側(cè)的低溫腐蝕,較酸露點高10度;一般控制在110~130度;因為酸腐蝕的最大范圍在100~130度,管道壁溫要比水溫高幾度,所以在燃燒含硫的燃料時,給水溫度可以比酸露點低5~10度;煙氣的酸露點主要決定于煙氣中的含酸量和SO2轉(zhuǎn)換SO3的份量;以及鍋爐中的過量空氣系數(shù)!排煙溫度與腐蝕強度關(guān)系受熱面?zhèn)鳠幔喉樍鳎簾崃黧w于冷流體流動方向相同；冷流體出口溫度于熱流體出口溫度相差一定數(shù)值；同時沿著受熱面的溫差變化較大；開始溫差大，最后溫差?。徽舭l(fā)器采用順流布置是因為內(nèi)部工質(zhì)溫度相同，均為飽和溫度；受熱面?zhèn)鳠幔耗媪鳎簾崃黧w于冷流體流動方向相反；冷流加熱過程于熱流之間溫差均勻；傳熱量大，節(jié)省受熱面積；過熱器，省煤器采用逆流；余熱鍋爐參數(shù)的選擇AGE公司在設(shè)計聯(lián)合循環(huán)時，一般是根據(jù)燃氣輪機的排氣溫度t

4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)型式。當排氣溫度增高到593℃時，則應(yīng)考慮采用三壓有再熱的蒸汽循環(huán)方案。而且也只有當≥t593℃，同時蒸汽輪機的功率較大時，才可以考慮把主蒸汽的參數(shù)提高到16.5MPa/565℃的亞臨界參數(shù)的水平。余熱鍋爐參數(shù)的選擇B余熱鍋爐設(shè)計中要合理選取節(jié)點溫差及接近點溫差，減輕鍋爐重量及減少煙風阻力。重量輕不僅可以節(jié)約造價，而且有益于減小熱慣性，適合快速起停。一般選擇適當小管徑管有助于增大傳熱系數(shù)，適當?shù)墓荛g距，合理的鰭片高度及節(jié)距，可以提高余熱鍋爐的金屬利用率，減輕鍋爐重量余熱鍋爐參數(shù)的選擇C主蒸汽溫度一般較煙氣溫度低25~40度;低壓蒸汽溫度較上游煙氣溫度低11度;鍋爐的蒸汽溫度主要決定于燃機的排煙溫度;壓力主要決定于煙氣流量;對于余熱鍋爐來說，由于受到節(jié)點溫差的限制，當過熱蒸汽溫度確定后，壓力越高，排煙溫度越高，余熱利用率越低。壓力越高，汽機葉片變短，二次流損失及漏汽損失增大，汽機內(nèi)效率下降。余熱鍋爐參數(shù)的選擇D同樣一臺V84.2燃氣輪機在分別組成單壓蒸汽循環(huán)的、雙壓無再熱蒸汽循環(huán)的、雙壓有再熱蒸汽循環(huán)的、三壓無再熱蒸汽循環(huán)的、以及三壓有再熱蒸汽循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)方案時，發(fā)電效率將分別為：0.483、0.50、0.506、0.506和0.513；相應(yīng)的發(fā)電功率分別為：150、155、157、157和159MW。其中以從單壓蒸汽循環(huán)方式改為其他多壓力級數(shù)的蒸汽循環(huán)方式時，效率和功率的相對增長率為最顯著。余熱鍋爐的當量效率余熱鍋爐的當量效率hη是不斷地增高的。從核算得到的數(shù)據(jù)中可以看出：當聯(lián)合循環(huán)燃用天然氣時，單壓蒸汽循環(huán)方式的hη一般介于0.70～0.75之間（燃用重油時，hη可以降至0.65左右）；雙壓無再熱的蒸汽循環(huán)方式中hη≈0.75～0.78；雙壓有再熱的蒸汽循環(huán)方式中hη≈0.80～0.82；三壓有再熱的蒸汽循環(huán)方式中，ext可以降低到85～100℃左右，因而hη可以升至0.82～0.90左右。余熱鍋爐的運行方式：對于單壓蒸汽循環(huán)系統(tǒng)來說，滑壓運行是聯(lián)合循環(huán)合理的運行方式：聯(lián)合循環(huán)的蒸汽初溫隨燃氣輪機的排氣溫度降低而降低，蒸汽溫度降低導(dǎo)致凝汽式汽輪機的排汽干度降低，這會加劇對汽輪機末級葉片的侵蝕，當壓力隨溫度一起降低時，有助于提高汽輪機的排汽干度。余熱鍋爐的運行方式滑壓運行時，運行壓力由余熱鍋爐與汽輪機的平衡運行點來確定，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量應(yīng)滿足汽輪機的流量特性。對于余熱鍋爐來說，定壓運行時，由于壓力高，蒸發(fā)量減少，余熱鍋爐的排煙溫度升高，余熱利用率降低；當采用滑壓運行方式時，雖然壓力降低，蒸汽系統(tǒng)循環(huán)效率降低，但余熱鍋爐蒸發(fā)量增大，余熱利用率高，由于流量大使汽輪機做功增多。計算表明：滑壓運行汽輪機功率略高于定壓運行，但兩者相差不多。

余熱鍋爐的運行方式汽輪機