9F聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐效率研究

楊學(xué)峰

引言：本文提出了影響109FA燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組9F余熱鍋爐影響聯(lián)合循環(huán)的主要因素以及影響余熱鍋爐效率的因素，為生產(chǎn)運(yùn)行人員提供技術(shù)支持。

一、前言

109FA級(jí)單軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，燃機(jī)、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)由美國(guó)GE公司提供。余熱鍋爐由杭州鍋爐集團(tuán)供應(yīng)，為三壓、再熱、臥式、無(wú)補(bǔ)燃、自然循環(huán)。

二、9F余熱鍋爐熱效率計(jì)算

9F余熱鍋爐是109FA聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行中的一個(gè)關(guān)鍵部件。

1.模塊熱平衡方程

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

進(jìn)一步分析式（2-1）。當(dāng)過(guò)熱蒸汽壓力升高時(shí)，蒸發(fā)器的飽和壓力及其對(duì)應(yīng)的飽和溫度升高。在節(jié)點(diǎn)溫差和接近點(diǎn)溫差不變的條件下，蒸發(fā)器出口部位對(duì)應(yīng)的煙氣側(cè)的溫度也相應(yīng)上升。當(dāng)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(diǎn)、水蒸汽露點(diǎn)和酸露點(diǎn)的限制，排煙溫度不能低于露點(diǎn)溫度（通常要求保持高于10℃以上）。另一方面從聯(lián)合循環(huán)蒸汽循環(huán)的做功來(lái)看，存在過(guò)熱蒸汽合適參數(shù)的優(yōu)化選擇問(wèn)題。低的蒸汽壓力（此時(shí)對(duì)應(yīng)的余熱鍋爐排煙溫度也較低）不一定使蒸汽循環(huán)的做功最大。

三、影響9FA余熱鍋爐效率的主要因素

1.節(jié)點(diǎn)溫差和接近點(diǎn)溫差

節(jié)點(diǎn)溫差是蒸發(fā)器出口部位煙氣側(cè)溫度與工質(zhì)飽和溫度的差值，通常是整個(gè)余熱鍋爐中煙氣側(cè)與工質(zhì)側(cè)溫差的最小點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)溫差的選擇對(duì)蒸發(fā)量的影響較大，節(jié)點(diǎn)溫差反映了余熱鍋爐的熱能利用程度。節(jié)點(diǎn)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(duì)于節(jié)點(diǎn)溫差，國(guó)外先進(jìn)的制造技術(shù)一般選為10℃，隨著 燃?xì)廨啓C(jī)向大容量、高參數(shù)的方向發(fā)展，這一參數(shù)有更為減小的趨勢(shì)，從表2中可以得到9FA聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中的燃?xì)廨啓C(jī)節(jié)點(diǎn)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(duì)流傳熱系數(shù)，減少傳熱面積，就要提高煙氣流速，這就會(huì)使其煙氣壓力損失越大。燃?xì)廨啓C(jī)背壓升高導(dǎo)致其輸出功率和效率就減少，聯(lián)合發(fā)電設(shè)備整體效率也降低，當(dāng)采用減少節(jié)點(diǎn)溫差和多壓系統(tǒng)時(shí)，由于HRSG傳熱面積的增加，也導(dǎo)致煙氣側(cè)流動(dòng)阻力的增大，燃?xì)廨啓C(jī)的功率減少。一般來(lái)說(shuō)燃?xì)廨啓C(jī)的背壓每提高1%，機(jī)組的功率會(huì)下降0.5%左右。所以煙氣壓力損失要根據(jù)系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)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(shù)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(zhì)量的蒸汽產(chǎn)量越多，此時(shí)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(huì)因此擴(kuò)大受熱面積和增加設(shè)備費(fèi)用。同時(shí)煙氣中含有硫分時(shí)會(huì)產(chǎn)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(dú)立的參數(shù)變量，當(dāng)汽水系統(tǒng)的一些參數(shù)，如飽和蒸汽壓力和節(jié)點(diǎn)溫差已定時(shí)，它就被確定。

4.煙氣成分

燃?xì)廨啓C(jī)排氣由燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)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(shí)，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(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，一定溫度下煙氣比焓根據(jù)各煙氣成分在對(duì)應(yīng)溫度下的比焓和其百分含量的代數(shù)平均進(jìn)行計(jì)算。

5.蒸汽參數(shù)

產(chǎn)生的蒸汽溫度高，蒸汽產(chǎn)量減少，而汽輪機(jī)的輸出功率則會(huì)增加，機(jī)組效率提高。而提高蒸汽溫度，就要增加過(guò)熱器的受熱面積，也增加對(duì)材料的要求。此外，燃?xì)廨啓C(jī) 的排氣溫度會(huì)隨蒸汽輪機(jī)負(fù)荷、環(huán)境溫度、大氣壓力的改變而改變，HRSG產(chǎn)生的蒸汽溫度也會(huì)隨之變化。

四、保證9FA余熱鍋爐發(fā)揮最大效率的因素分析

余熱鍋爐設(shè)計(jì)的前提是聯(lián)合循環(huán)及其汽水系統(tǒng)方案，并由此確定其T-Q（溫度-熱量）圖。汽水系統(tǒng)的選擇主要取決于與之相配的燃?xì)廨啓C(jī)形式、參數(shù)和用戶的需要。如燃?xì)廨啓C(jī)在額定功率下排氣溫度低于566℃的聯(lián)合循環(huán)，多采用單壓或多壓 無(wú)再熱的蒸汽循環(huán)；而大功率、高排氣溫度的燃?xì)廨啓C(jī)多配多壓再熱的蒸汽循環(huán)。

各種余熱鍋爐設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)都是煙氣側(cè)和蒸汽側(cè)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(yán)格完整的熱平衡計(jì)算基礎(chǔ)上加以確定，同時(shí)還要考慮關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化匹配和變工況特性等。

1.蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定性

要求在燃?xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行時(shí)，蒸汽參數(shù)不隨之發(fā)生大的波動(dòng)而影響到汽輪機(jī)的安全有效運(yùn)行，保證HRSG熱力參數(shù)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(yùn)行是合理的，即主進(jìn)汽門一直在常開狀態(tài)，不隨負(fù)荷波動(dòng)而變化。這不但對(duì)汽輪機(jī)變工況運(yùn)行有利，同時(shí)可提高聯(lián)合循環(huán)設(shè)計(jì)工況和部分負(fù)荷時(shí)的效率。

2.熱慣性與熱應(yīng)力

HRSG系統(tǒng)要具有低的熱慣性，以使余熱鍋爐能適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)快速啟動(dòng)、快速加減負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性，縮短整個(gè)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間。在機(jī)組啟動(dòng)初期，燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火后，會(huì)進(jìn)行一分鐘的暖機(jī)，這也同時(shí)對(duì)余熱鍋爐內(nèi)部受熱模塊進(jìn)行了均勻緩慢受熱，有效防止了溫度突升而產(chǎn)生較大熱應(yīng)力而對(duì)余熱鍋爐模塊的損傷。

3.干燒能力

HRSG還應(yīng)具有一定的“干燒”能力（無(wú)水情況下），以避免旁通閥等發(fā)生故障而燒壞。一般干燒時(shí)，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(jié)束語(yǔ)

研究表明，9FA余熱鍋爐效率在運(yùn)行過(guò)程中主要受燃機(jī)排氣溫度，大氣溫度，排煙溫度的影響。運(yùn)行生產(chǎn)中應(yīng)特別注意排煙溫度的變化情況，排煙溫度過(guò)高或過(guò)低都要及時(shí)分析是否正?，F(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1]焦樹建 燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán).北京：機(jī)械出版社，2003.6.

[2]杭州鍋爐廠9F余熱鍋爐設(shè)計(jì)說(shuō)明書.

[3]GE. GE GASTURBINE OPERATION MANUAL.

（作者單位：山東魯電調(diào)試運(yùn)行技術(shù)有限公司）