燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐的發(fā)展和研究

水冰杉

（昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650000）

在我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)協(xié)同發(fā)展背景下，我國也加大了對(duì)高效發(fā)電技術(shù)的研究，為有效提高循環(huán)效率，借助燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組發(fā)展出以發(fā)電為核心的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，其中尤其是我國西部大開發(fā)政策的實(shí)施，開展的“西氣東輸”工程，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)因其自身所具備的熱效率高、污染小、運(yùn)行靈活等優(yōu)勢(shì)得到廣泛的關(guān)注，我國也進(jìn)一步加大了對(duì)余熱鍋爐性能和開發(fā)設(shè)計(jì)的研究，以實(shí)現(xiàn)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)技術(shù)的全面提高。

1 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐基本概述

（1）燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐的構(gòu)成。通常情況下，余熱鍋爐是由過熱器、蒸發(fā)器、再熱器等構(gòu)成，在大型的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐中還涉及到自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)兩方面內(nèi)容，其中無論是自然循環(huán)余熱鍋爐，還是強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐在其實(shí)際應(yīng)用中都具有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。結(jié)合實(shí)際情況，人們較常運(yùn)用臥式的自然循環(huán)技術(shù)，其主要原因在于：①操作上較為簡便，并且能夠保證燃?xì)廨啓C(jī)排氣波動(dòng)保持較強(qiáng)的平衡性；②與強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐相比較，更具有可用性；③管束較為均勻，能夠有效避免出現(xiàn)塑性形變、鍋爐性能下降等故障[1]。

（2）燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐熱力特性分析。①加熱熱源。加熱熱源的不同作為常規(guī)鍋爐與余熱鍋爐之間存在的最大不同，其中余熱鍋爐的熱源通常是高溫?zé)煔庥酂?、可燃廢氣余熱等等，由于所使用的工藝、燃料不同，使得化工行業(yè)、制造行業(yè)等在對(duì)余熱鍋爐的使用過程中出現(xiàn)煙塵大、熱負(fù)荷波動(dòng)大、腐蝕性強(qiáng)等缺點(diǎn)，若是運(yùn)用聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐則可以有效解決這些問題，因其所使用的氣體燃料基本上不會(huì)出現(xiàn)粉塵的情況，也不用考慮是否在使用過程中會(huì)出現(xiàn)磨損的問題。②變溫顯熱源。將聯(lián)合循環(huán)中的燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變成為熱能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的梯級(jí)利用，并且在高溫階段實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化為電能，又或者是轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而低溫排氣進(jìn)入到余熱鍋爐中就會(huì)產(chǎn)生熱水，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他熱力設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。為達(dá)到這一轉(zhuǎn)換效果，也就要求將余熱鍋爐布置到受熱面，其體積也就比較大。③多樣化的汽水系統(tǒng)。當(dāng)選定好輪機(jī)時(shí)，余熱鍋爐的蒸汽系統(tǒng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)和技術(shù)選擇單壓、雙壓、三壓、三壓再熱等類型。在早期階段，較多采用的是單壓，雖然所投入的成本比較低，但是其熱效率也就相對(duì)較低。在現(xiàn)階段，使用三壓再熱汽水系統(tǒng)的較為普遍，不但排溫的溫度較低，還能夠充分收回余熱[2]。即使是這樣，也要處理好壓力參數(shù)匹配及優(yōu)化的問題，以確保系統(tǒng)性能充分發(fā)揮。④變工況熱力。受到大氣溫度和負(fù)荷的影響，使得燃?xì)廨啓C(jī)需要在變工況的環(huán)境中進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行，其排氣溫度及流量也會(huì)有很大的差異，余熱鍋爐的熱力特性隨之發(fā)生變動(dòng)。但是實(shí)際上要求熱力參數(shù)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，變工況環(huán)境下余熱鍋爐燃?xì)饧罢羝麅蓚?cè)的熱力變化不一致，導(dǎo)致熱源頭和余熱鍋爐熱慣性一大一小。

2 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐的發(fā)展

在國內(nèi)對(duì)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的研究時(shí)間雖然比較短，但是對(duì)余熱鍋爐發(fā)電技術(shù)的研究已經(jīng)超過三十年，并且先后研發(fā)了雙鍋筒自然循環(huán)、單鍋筒自然循環(huán)式燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐，容量和壓力級(jí)數(shù)也得到很大的提高，此外螺旋翅片管的試制成功，也標(biāo)志著我國大型燃機(jī)余熱鍋爐實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。而國外對(duì)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)開展研究，從上世紀(jì)六十年代就已經(jīng)開始，并且供電的效率已經(jīng)超過百分之五十，無論是聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐性能的設(shè)計(jì)，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化都相對(duì)已經(jīng)成熟。其中尤其是隨著燃?xì)廨啓C(jī)的初溫不斷升高，它的功率也在不斷的增大，余熱鍋爐的高壓循環(huán)蒸汽壓力、溫度也在不斷的增高，導(dǎo)致蒸汽系統(tǒng)也更加的復(fù)雜，為有效提高其環(huán)保性能，一些余熱鍋爐采用安裝脫硝裝置的方式，實(shí)現(xiàn)傳熱效率和提高，再加上在鍋爐的受熱面以鋸齒形翅片管代替?zhèn)鹘y(tǒng)整體的翅片管，以縮小翅片與翅片之間的間距，使得整體結(jié)構(gòu)更加的緊湊。

3 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐研究方向分析

（1）螺旋鰭片管設(shè)計(jì)及換熱計(jì)算方法選取。聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐的變溫顯熱源和大流量的熱力特性決定了其對(duì)流換熱的特殊性。通常情況下，余熱鍋爐中煙氣和汽水介質(zhì)之間的換熱溫壓比較低，為保障整體布置的緊湊性，并且減少鋼材在其中的應(yīng)用，就可以通過螺旋鰭片管的應(yīng)用，增強(qiáng)余熱鍋爐的傳熱。針對(duì)螺旋鰭片管結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，在煙氣介質(zhì)、溫度和速度相一致的情況下，螺旋鰭片管的管徑越小，翅片也就越高，節(jié)點(diǎn)之間的距離越緊湊，所起到的傳熱效果也就越好。至于對(duì)聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐螺旋鰭片管的換熱計(jì)算方式，到現(xiàn)目前為止還沒有相對(duì)成熟和規(guī)范的計(jì)算方法，我國對(duì)鍋爐的熱力進(jìn)行計(jì)算，通常是選用借助國外研究成果，并在此基礎(chǔ)上加以完善和應(yīng)用，其中特別是對(duì)污染系數(shù)的修正，對(duì)這一方面進(jìn)行優(yōu)化又主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。①結(jié)構(gòu)參數(shù)，如：對(duì)翅片規(guī)格的優(yōu)化；②人汽輪機(jī)排污對(duì)換熱計(jì)算可能造成的影響進(jìn)行分析；③翅片管的換熱與焊接方式之間存在的聯(lián)系等。

（2）煙氣的流動(dòng)特性。因其中溫大流量工質(zhì)，使得加大對(duì)聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐煙氣流動(dòng)特性的研究十分的有必要。在當(dāng)前對(duì)其進(jìn)行研究主要是借助FLUENT流體計(jì)算軟件展開，可以實(shí)現(xiàn)更加直觀和具體的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布，并且對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。又或者是借助冷態(tài)空氣動(dòng)力試驗(yàn)裝置，對(duì)煙道形狀特性進(jìn)行校核。

（3）聯(lián)合循環(huán)快速啟動(dòng)。為使得聯(lián)合循環(huán)裝置更好的適應(yīng)快速啟動(dòng)，也就需要加大對(duì)循環(huán)布置的方式加以研究，在當(dāng)前大多數(shù)的大型聯(lián)合循環(huán)裝置主要是運(yùn)用一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)相互運(yùn)用一臺(tái)發(fā)電機(jī)，還有就是對(duì)無旁路煙道進(jìn)行應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，增大鍋筒容量，避免汽水涌入；較大的水位量程設(shè)計(jì)，滿足保護(hù)水位和報(bào)警水位的要求；小管徑的螺旋鰭片管管徑盡量要小、管壁較薄。

4 聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐熱力參數(shù)優(yōu)化

對(duì)聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐熱力參數(shù)加以優(yōu)化，最常使用的方法是構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，在該模型中，涉及到的內(nèi)容有設(shè)計(jì)工況和對(duì)變工況進(jìn)行建模，經(jīng)過計(jì)算和比較之后選擇更為科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，并且保障整個(gè)系統(tǒng)具備好的熱經(jīng)濟(jì)性。其中也涉及到一些關(guān)鍵的問題，具體是：①對(duì)汽水系統(tǒng)的優(yōu)化，通過對(duì)進(jìn)入余熱鍋爐燃?xì)鉁囟却_定單壓、多壓等是否存在再熱，然后進(jìn)行綜合的經(jīng)濟(jì)比較，若是燃?xì)廨啓C(jī)排煙煙氣流量已經(jīng)超過120kg/s，燃?xì)鉁囟纫惨呀?jīng)超過500℃，就可以選擇運(yùn)用雙壓或者是三壓汽水系統(tǒng)；②節(jié)點(diǎn)溫差、排煙溫度確定，當(dāng)節(jié)點(diǎn)溫差變小，余熱鍋爐的排氣溫度也會(huì)隨之降低，余熱鍋爐的熱效率就會(huì)獲得提高，然而平度的傳熱溫差也會(huì)相對(duì)減小，導(dǎo)致受熱面積增加。因此，就需要結(jié)合成本及循環(huán)效益合理的選擇節(jié)點(diǎn)溫差、排煙溫度；③余熱鍋爐與蒸汽輪機(jī)之間的匹配，隨著主蒸汽壓力和溫度的不斷升高，進(jìn)入到余熱鍋爐中的燃?xì)鉁囟燃笆軣崦婵刂浦髡羝膮?shù)，運(yùn)用使得汽輪機(jī)做功量最大原則，可以有效對(duì)蒸汽參數(shù)匹配進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)語

在本文中，對(duì)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐的發(fā)展和研究展開分析和探討，主要是從燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐基本概述展開，并對(duì)其發(fā)展和現(xiàn)代研究進(jìn)行詳細(xì)的闡述，在未來的發(fā)展中，也需要加大對(duì)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐的傳熱特性、參數(shù)優(yōu)化等方面展開更加深入的研究，推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)獲得更進(jìn)一步發(fā)展。

[1]苑國慶．燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化研究[D]．華北電力大學(xué),2016．