燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中余熱鍋爐蒸汽參數(shù)的估算方法

熊建文，張曉紅，陳云芬，任自華

中機(jī)國能電力工程有限公司，上海 200061

0 引言

本文將以無再熱、無補(bǔ)燃、雙壓蒸汽余熱鍋爐為例，介紹利用T-Q 圖推算鍋爐的蒸汽參數(shù)的估算方法，并結(jié)合實(shí)例對(duì)估算方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 T-Q 圖及其重要參數(shù)

T—Q 圖由煙氣放熱曲線、工質(zhì)（蒸汽和給水）吸熱曲線組成，反映了余熱鍋爐運(yùn)行時(shí)，煙氣溫度變化及焓值變化，工質(zhì)（給水或蒸汽）溫度和吸熱量變化，以及煙氣溫度變化與各受熱面工質(zhì)吸熱量的關(guān)系，典型的T—Q 圖見圖1，它包括了1）煙氣放熱曲線，它反映了燃機(jī)出口的高溫?zé)煔鈱崃總鬟f給工質(zhì)后變成低溫?zé)煔獾倪^程；2）過熱蒸汽吸熱曲線，它反映了過熱蒸汽吸收的熱量，對(duì)應(yīng)鍋爐的過熱段；3）飽和蒸汽吸熱曲線，它反映了飽和水吸熱相變?yōu)轱柡推鼰崃?，?duì)應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)段。吸熱過程是在蒸發(fā)器中完成的，此過程中工質(zhì)溫度不發(fā)生變化；4）給水吸熱曲線，它反映了凝結(jié)水被加熱到鍋筒壓力下飽和水溫度的吸熱量，它的受熱面有給水加熱器、除氧器及省煤器。利用T—Q 圖需要了解余熱鍋爐運(yùn)行中的一些重要參數(shù)，這些參數(shù)在估算方法中非常有用。

1.1 熱端溫差

余熱鍋爐主汽溫度取決于燃?xì)廨啓C(jī)的排煙溫度，熱端溫差指燃機(jī)排煙溫度與主蒸汽溫度的溫差，一般在20℃～50℃。

1.2 窄點(diǎn)溫差

余熱鍋爐的窄點(diǎn)溫差△Tp 是指余熱鍋爐中的蒸發(fā)器入口處煙氣的溫度與工質(zhì)飽和溫度之間的差值[1]。窄點(diǎn)溫差越小，余熱的利用率越高。但是為了減少窄點(diǎn)溫差必須提高蒸發(fā)器的換熱量，就必須增加余熱鍋爐的換熱面積，這樣余熱鍋爐的投資較大；同時(shí)燃?xì)鈧?cè)的流動(dòng)損失也會(huì)增加，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的功率有所減小。因此選擇合適窄點(diǎn)溫差非常重要，是決定余熱鍋爐受熱面積的關(guān)鍵因素，一般取8℃～20℃，最低可以取7℃。

1.3 接近點(diǎn)溫差

余熱鍋爐的接近點(diǎn)溫度，是指省煤器出口的水溫與對(duì)應(yīng)壓力下的飽和水溫度之間的差值[2]。如果接近點(diǎn)溫差過大，表面省煤器的強(qiáng)化換熱的特點(diǎn)沒有得到充分的利用，為了保證余熱鍋爐的效率還必須增加余熱鍋爐的換熱面積，投資費(fèi)用增加。但是接近點(diǎn)溫差也不能太小，如果接近點(diǎn)溫差接近零，說明省煤器中發(fā)生了汽化現(xiàn)象，很可能導(dǎo)致省煤器管過熱甚至損壞，不利余熱鍋爐的安全運(yùn)行。因此接近點(diǎn)溫差的選擇必須合適，一般取4℃～10℃。

1.4 排煙溫度

余熱鍋爐的排煙溫度直接影響到鍋爐的效率[1]，但是降低余熱鍋爐的排煙溫度要增加鍋爐受熱面，余熱鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮投資與效率的因素。單壓系統(tǒng)的排煙溫度為150℃～180℃，多壓蒸汽系統(tǒng)的排煙溫度可以低很多，例如雙壓系統(tǒng)的排煙溫度為100℃～150℃，三壓系統(tǒng)的排煙溫度為80℃～100℃。

2 T-Q 圖的畫法

T-Q 圖包含了煙氣隨溫度下降的煙氣放熱曲線，和工質(zhì)（蒸汽和給水）的吸熱曲線。煙氣的放熱量與煙氣量、煙氣組分及溫降有關(guān)。工質(zhì)的吸熱量與工質(zhì)的壓力、溫度、流量有關(guān)。與9E 燃機(jī)配套的余熱鍋爐，一般采用雙壓蒸汽系統(tǒng)，受熱面布置一般為高壓蒸汽過熱器、高壓蒸發(fā)器（即高壓鍋筒，高壓給水在此由飽和水變成飽和汽）、高壓省煤器1）低壓蒸汽過熱器、低壓蒸發(fā)器、高壓省煤器；2）低壓省煤器、高壓省煤器；3）除氧器及給水加熱器，具體位置可能因低壓蒸汽參數(shù)的不同會(huì)有所調(diào)整。

2.1 煙氣放熱曲線

燃機(jī)的煙氣由氮?dú)?、水、二氧化碳、氧氣組成，各分氣體的各個(gè)溫度下的的比焓h 見表1，煙氣的比焓等于各分氣體對(duì)應(yīng)的比焓與其體積份額的乘積之和。

表1 煙氣的比焓hi kJ/Nm3

氣體比焓與溫度具有線性關(guān)系，因此只要根據(jù)燃機(jī)的排煙溫度與余熱鍋爐的排煙溫度求出相應(yīng)溫度下煙氣的比焓，計(jì)算出焓差，乘以煙氣量就能得到煙氣的放熱量。以溫度為縱坐標(biāo)，放熱量為橫坐標(biāo)，畫出煙氣放熱曲線。

2.2 蒸汽吸熱曲線

T-Q 圖中工質(zhì)吸熱曲線由高壓過熱蒸汽以及飽和蒸汽曲線構(gòu)成，分別對(duì)應(yīng)蒸汽的過熱段和蒸發(fā)段。雙壓余熱鍋爐的主汽，一般為5.3MPa～8.8MPa/500℃～530℃的次高壓參數(shù)，或10.0MPa/540℃的高壓參數(shù)；主汽的熱端溫差一般為20℃～50℃。根據(jù)主汽流量及各溫度壓力下的焓值，可以求出高壓過熱器受熱面及高壓蒸發(fā)器受熱面的吸熱量，并在T-Q圖上畫出這二個(gè)受熱面處的工質(zhì)吸熱曲線。根據(jù)確定的低壓蒸汽壓力求出低壓鍋筒壓力下的飽和溫度，可以畫出低壓蒸汽吸熱曲線。根據(jù)低壓汽流量及蒸汽參數(shù)，分別求出低壓過熱器及蒸發(fā)器受熱面的吸熱量，可以畫出這兩段的工質(zhì)吸熱曲線。

2.3 給水吸熱曲線

流經(jīng)除氧器及給水加熱器的給水流量為高、低壓蒸汽流量之和，由于除氧器后的給水泵將給水分別打入低壓省煤器及高壓省煤器，最后生成高壓過熱蒸汽及低壓過熱蒸汽，因此.除氧器及給水加熱器吸熱量可以合并計(jì)算，將凝結(jié)水加熱到除氧器出口飽和水溫度。根據(jù)高低壓給水吸熱量，可以畫出高低壓省煤器吸熱曲線。

3 估算方法

為了利用T-Q 圖估算余熱鍋爐的蒸汽參數(shù)，對(duì)于無再熱、無補(bǔ)燃、雙壓蒸汽余熱鍋爐，假定余熱鍋爐排污率為0，不考慮噴水減溫，不考慮除氧器、蒸發(fā)器循環(huán)倍率的影響，只考慮工質(zhì)吸收的熱量，那么鍋爐的蒸汽參數(shù)可以利用T-Q 圖估算。

3.1 高壓蒸汽流量的估算

確定高壓蒸汽的壓力和溫度，求出高壓鍋筒壓力下的飽和溫度，在T-Q 圖上畫出飽和溫度線。選取窄點(diǎn)溫差，可以求出高壓鍋筒入口處煙氣的溫度，此溫度對(duì)應(yīng)下的焓降為高壓蒸汽過熱器與高壓蒸發(fā)器的吸熱量。煙氣放出的熱量等于工質(zhì)吸收的熱量：

式中：Ds 為主汽流量，kg/s；hs 為主汽焓值，kJ/kg；hsg為進(jìn)入高壓鍋筒的給水焓，kJ/kg。

由于進(jìn)入高壓鍋筒的給水比高壓鍋筒壓力下的飽和水溫度低，兩者的溫差為接近點(diǎn)溫度，一般取4～10℃。因此利用煙氣的焓降可以求出高壓蒸汽的流量。

3.2 低壓蒸汽參數(shù)估算

低壓蒸汽的壓力和除氧器的壓力有關(guān)，一般主汽壓力為次高壓時(shí)，除氧器通常用大氣式除氧器，主汽為高壓蒸汽時(shí)，除氧器通常為高壓除氧器，除氧器壓力約為0.39MPa，此時(shí)低壓蒸汽壓力一般為1.0～2.0MPa。低壓蒸汽作為過熱蒸汽，與煙氣的溫差一般在20℃左右。

在用T—Q 圖估算低壓蒸汽參數(shù)時(shí)，可以通過試算的方法調(diào)整，以獲得最大程度利用煙氣余熱。

低壓蒸汽的總吸熱量△hL ，等于煙氣總焓降△hy 與主汽總吸熱量△hH 之差。其中煙氣總焓降△hy 可以根據(jù)煙氣成分及排煙溫度可以求得。主汽總吸熱量：

式中：Ds 為主汽流量，kg/s；hs 為主汽的比焓，kJ/kg；hn 為凝結(jié)水的比焓，kJ/kg。

低壓蒸汽的流量可以根據(jù)低壓蒸汽的總吸熱量求得：

式中：hL 為低壓汽的比焓，kJ/kg；hn 為凝結(jié)水焓值 kJ/kg。

4 應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，本文將結(jié)合一個(gè)實(shí)例介紹該方法的應(yīng)用。T-Q 圖不僅可以用來估算余熱鍋爐參數(shù)，在已知鍋爐參數(shù)的情況下，在T-Q 圖畫出工質(zhì)吸熱量曲線及煙氣焓降曲線，可以直觀的看出各受熱面吸熱量的情況，當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化，燃機(jī)排放煙氣參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，由T-Q 圖可以預(yù)估其參數(shù)的變化范圍，為運(yùn)行提供參考。

4.1 案例的T-Q 圖制作和應(yīng)用

某工程余熱鍋爐與9E 燃機(jī)配套，蒸汽參數(shù)為雙壓，T-Q圖制作包括：

1）煙氣放熱曲線

燃機(jī)排氣溫度為562℃，煙氣成分為：CO2(3.22%)，N2(71.56%)，H2O(11.53%)，O2(12.84%);其他氣體（0.85%），煙氣排放量為1357.9kg/h（300.95Nm3/s）。煙氣通過余熱鍋爐后的排煙溫度為110℃。根據(jù)表1，采用插值法計(jì)算可以得到562℃時(shí)煙氣的比焓為779.54kJ/Nm3，110℃時(shí)煙氣的比焓為146.24kJ/Nm3，比焓降為633.3kJ/Nm3，煙氣總焓降為190.6Mw。

2）高壓主汽吸熱曲線

高壓主汽溫度tHs 為538℃；壓力pH 為10.55MPa，蒸汽比焓hHs 為3465kJ/kg；高壓鍋筒壓力為10.93MPa，飽和溫度為317.60℃，飽和蒸汽比焓hHs 為2708kJ/kg。取窄點(diǎn)溫度7℃，則高壓蒸發(fā)器進(jìn)口煙氣溫度為324.6℃，對(duì)應(yīng)溫度下的煙氣焓降為102.6MW。取接近點(diǎn)溫度為5.3℃，則高壓鍋筒進(jìn)口給水溫度為312.3℃，給水比焓為1414kJ/kg，根據(jù)公式（1）求得高壓主汽流量DHs 為50.028kg/s，進(jìn)而可以求出高壓過熱器及高壓蒸發(fā)器的吸熱量分別為37.88Mw/64.72Mw；根據(jù)進(jìn)出口溫度可以畫出高壓過熱器吸熱曲線。

3）低壓主汽吸熱曲線

低壓主汽溫度tLs 為238℃；壓力pL 為0.9MPa，蒸汽比焓hLs 為2916.5 kJ/kg；低壓鍋筒壓力為0.93MPa，飽和溫度為181℃，飽和蒸汽比焓hLs 為2778kJ/kg。取窄點(diǎn)溫度12℃，則低壓蒸發(fā)器進(jìn)口煙氣溫度為193℃。取接近點(diǎn)溫度4.5℃，則低壓鍋筒進(jìn)口給水溫度為176.5℃，給水比焓為747.8kJ/kg。根據(jù)公式（2）及（3），可以求出低壓主汽總吸熱量為28.16MW，低壓主汽流量為10.437kg/s。進(jìn)而可以求出低壓過熱器及低壓蒸發(fā)器的吸熱量分別為1.44MW/21.19MW；根據(jù)進(jìn)出口溫度可以畫出低壓過熱器吸熱曲線，低壓蒸發(fā)器吸熱曲線。

4）給水吸熱曲線

除氧器壓力為0.374MPa，溫度為141.2℃，給水比焓為594.38kJ/kg，凝結(jié)水溫度為52℃，比焓為218kJ/kg，給水流量為高低壓主汽流量之和60.465kg/s，由上述數(shù)據(jù)可以求出給水吸熱量為22.75Mw。根據(jù)進(jìn)出口溫度計(jì)吸熱量可以畫出給水吸熱曲線。

5）低壓省煤器吸熱曲線

根據(jù)低壓汽流量、除氧器出口給水參數(shù)及低壓鍋筒進(jìn)口給水參數(shù)可以得到低壓省煤器吸熱量為1.6Mw，可以畫出低壓省煤器吸熱曲線。

6）高壓省煤器吸熱曲線

剩下的受熱面就是高壓省煤器受熱面，根據(jù)省煤器進(jìn)出口溫度可以畫出高壓省煤器吸熱曲線。

4.2 效果驗(yàn)證

采用本文介紹的計(jì)算方法與鍋爐廠計(jì)算的結(jié)果比較見表2 。其中，高壓主汽和低壓主汽的壓力、溫度是根據(jù)鍋爐廠提供的蒸汽參數(shù)確定的，蒸汽流量是根據(jù)T-Q 圖估算的到的。

表2 計(jì)算的結(jié)果比較

從計(jì)算結(jié)果來看，低壓蒸汽流量略有差別，換算到焓值，誤差約為1MW，與整個(gè)煙氣焓值190.6Mw 相比，誤差很小。

5 結(jié)論

采用本文介紹的估算方法與廠家計(jì)算出來的數(shù)據(jù)誤差不大，在前期及投標(biāo)階段時(shí)間緊、任務(wù)重的情況下，此誤差是可以接受的。其次，作為設(shè)計(jì)人員，在確定主機(jī)匹配參數(shù)時(shí)可以用這個(gè)方法估算一下，最大程度利用煙氣余熱，使聯(lián)合循環(huán)效率最高，然后交給余熱鍋爐廠家及汽機(jī)廠家分別計(jì)算，求得最大發(fā)電量。