文献综述

一． 天然气燃气轮机余热发电卧式水管锅炉设计研究的意义

1 当前能源概况及发展背景

世界能源专家普遍认为, 天然气资源比石油资源更为丰富,21世纪将是天然气的世纪[1]。天然气是最纯净的燃料，燃烧天燃气对环境污染问题解决的很好，CO2排放只有燃煤的一半左右，飞灰、NOX、SOX、都很少[2]。由于具有高效率、低污染和变负荷特性优越等优点，燃气－蒸汽联合循环发电已成为世界电力行业的主要发展趋势之一，其发电容量已占世界总发电容量的11%以上[3]。

改革开放以来，我国经济有了突飞猛进的发展，同时也伴随着我国能源的大量消耗。

为此，能源消耗巨大的电力部门对发电机组高效、节能的要求不断提高[4]。为了优化能源结构、改善环境, 利用西气东输、东海油气和进口液化天然气(LNG) 等清洁能源, 我国东部地区正在建设一批大型天然气联合循环电厂。近几年由于燃气轮机的单机功率和热效率有了很大程度的提高[5]。余热锅炉作为其三大主要设备之一，起到了承上启下的作用。它的结构、性能以及参数都极大的影响到系统中其它设备乃至整个系统的性能。所以余热锅炉的研究至关重要。

2 燃气余热锅炉发电的优点

（1）热效率提高5%~10%；

（2）有利于保护环境；

（3）投资费用比较低；

（4）启动速度快；

（5）工作安全可靠；

（6）经济性好；

（7）采用小容量机组组合的方式，当部分负荷使用时，热效率降低的少；

（8）由于采用小容量机组组合的方式，机组的输出负荷变动能力增大，同时有可能 在短时间内启动或停机，供需调整能力增强[6、7、8]。

3 原有余热锅炉的一些问题

（1）燃烧器燃烧效率低, 火焰温度分布不均匀, 炉管结构分布不合理；

（2）锅炉辅助燃烧室燃烧系统无联锁保护装置, 无点火程序控制和熄火保护装置；

（3）辐射室炉管设计安装不合理；

（4）余热锅炉无吹灰装置, 积灰严重, 换热效率降低, 排烟温度太高, 锅炉效率降低, 能耗加大；

（5）炉墙开裂、烟气泄漏严重, 直接威胁锅炉的安全运行, 并且烟气外泄污染环境, 直接影响操作人员的身体健康[9]。

二． 天然气燃气轮机余热发电卧式水管锅炉设计的研究概况

（一） 余热锅炉的历史

为了提高朗肯循环的效率，有效地与高温燃气轮机相匹配，余热锅炉设计必须在相当高的烟气温度下运行，同时还要考虑匹配越来越大的联合循环中燃气轮机容量的跳跃性增大。为从燃机尾气的余热中回收更多的热量，使得烟囱排烟温度更低，余热锅炉从单压发展到双压锅炉，这个发展将联合循环的热效率提高了近4 个百分点，再从双压发展到三压，整个循环的效率又提高了1 个百分点。

目前，所有的余热锅炉制造商都能提供三压加再热蒸汽系统以达到最高效率。余热锅炉分为立式( 垂直烟气通道) 余热锅炉和卧式( 水平烟气通道)余热锅炉两种。立式余热锅炉起源于欧洲，因欧洲要求占地面积较小，而且对调峰循环运行所产生的热应力敏感度较低; 卧式余热锅炉通常在北美地区应用。随蒸发器设计水平的提高，立式余热锅炉不再需要强制循环泵，和卧式余热锅炉相同，属于完全自然循环。立式和卧式锅炉的效率相同[10]。

卧式余热锅炉的特点就是自然循环, 典型的由多压蒸汽系统组成。小机组象尖峰机组经常是双压系统, 大机组、三压机组通常将中压和再热系统结合起来使用以提高热效率。

立式余热锅炉有下列优点:

（1）可通风的蛇形管( 有时候叫长号式管) 布置, 允许自由膨胀。

（2）”壳体加温(warm casing) ”设计, 可保证壳体的膨胀与管束一致, 以减少热应力。

（3） 水容量较少, 因此热惯性较小。

（4） 疏水系统有效且易拆卸, 最低的压力点离地约6m 左右[11]。

（二）国内外余热锅炉发展比较

国内：燃气蒸汽联合循环发电机组在国内使用时间虽然较短, 但研究这种发电技术的余热锅炉已有30 多年的历史, 锅炉的压力级数从单压发展到目前已能设计制造三压级新型高效燃气轮机余热锅炉。余热锅炉研究所于80 年代初建成了大型传热风洞试验台, 进行了螺旋翅片管的热力特性和阻力特性的试验研究, 获得了可普遍应用的翅片管热力和阻力计算准则式及其它研究成果, 与此同时, 上海、成都等地的厂家也试制成功了螺旋翅片管, 这些工作为开发燃机余热锅炉奠定了基础。特别是2000 年自行开发并已成功运行的配MS9001 系列( E 级) 燃机的余热锅炉, 实现了大型燃机余热锅炉的国产化目标, 正在追赶世界先进水平[12]。

国外：国外联合循环发电技术的研究始于上个世纪60 年代末, 经过几十年的发展, 目前, 美国、英国、日本等许多发达国家的燃气蒸汽联合循环发电技术已比较成熟, 其供电效率已达到50% 以上。如美国CE 公司为53% 左右; ABB 公司为48% ~ 51. 9% ; 三菱重工为51% ~ 52% 。许多公司( 如美国Texco 公司、比利时CMI 公司等) 都具有比较成熟的联合循环余热锅炉性能设计、系统优化、结构优化和生产制造技术, 而且已经完全掌握了联合循环余热锅炉的热力特性和运行特性[13]。国外Z. Mirkovic[14]、A. A. 茹卡乌斯卡斯等人和美国GE 公司、英国ESTUCO 公司等对螺旋鳍片管的传热和阻力特性进行了系统的研究。目前，公开文献中推荐的计算方法主要为美国燃烧工程公司(CE 公司)性能标准、前苏联锅炉机组热力计算标准等。

（三）余热锅炉的类型

余热锅炉热回收的对象，最普通的是工艺气体、烟道气体等的显热，以及固体余热交换后的排气显热、固体辐射热等。按原有设备的工艺性质，余热锅炉可分为两类：一类主要是对工厂生产过程中的气体进行冷却，满足工艺要求；另一类主要是为节能进行的热回收。余热锅炉按水循环方式可分为自然循环与强制循环。按气体通道可划分为火管式和水管式。按换热形式划分，余热锅炉可分为辐射式和对流式。按结构形式可分为烟道式和管壳式。各种工业炉窑的余热锅炉都是烟道式的，烟气侧处于负压或微正压状态。烟道式余热锅炉均为水管锅炉，水管式余热锅炉适用于高蒸发率、高气压和高传热速率，都适用于高气压的废气，当处理比大气压低的废气时，必须采取措施防止空气漏入。此外，当废气中污垢不易清除时也不宜采用。而管壳式余热锅炉的受热面均在内外受压的状况下运行。由锅筒、管子及金属壳体组成，结构紧凑，单位换热面积的金属消耗较少，适应的介质和操作条件较广泛。管壳式余热锅炉在结构上与热交换器无多大区别。它的简单形式是一个具有固定管板的列管式换热器，因此管壳式余热锅炉也可理解为一个特殊的换热器[15、16]。按供给热量方式可分为不补然余热锅炉和补然余热锅炉[17]。

目前补燃的余热锅炉大多只用于热电联产的联合循环中，通过增减补燃量使产汽量具有灵活性，以求得热负荷和电负荷可以独立地调节；并提高联合循环在低负荷下的热效率。不补燃的燃气蒸汽联合循环的主要优势有：热效率高、锅炉和厂房体积较小，结构简单，投资费用低、系统简单，运行可靠性高、启动快[18]。按出口工质可分为出口为过热蒸汽的余热锅炉、出口为饱和蒸汽的余热锅炉和出口为热水的余热锅炉[19]。

（四）余热锅炉的结构

余热锅炉由蒸发器、省煤器和过热器等结构组成，通常无燃烧装置。

（1）余热锅炉过热器

过热器一般由蛇形盘管、分配集箱、集流集箱以及其他组件等组成。它可以设计成各种形状，一般布置也比较方便。在余热锅炉中，有的布置在冷却室顶棚，有的把它当作第一、二烟道隔墙或侧墙，有的悬挂在第二烟道中。根据过热蒸汽温度的高低可以设置一级或二级过热器，同时根据过热器布置处的温度区间，又可分为辐射式过热器和对流式过热器；根据烟气与蒸汽流向的相互关系，对流过热器可分为顺流、逆流和混合流式过热器。按放置的方式，可分为立式和卧式过热器。由于烟气及烟尘条件恶劣的情况，余热锅炉多采用立式过热器。

（2）余热锅炉蒸发器

蒸发器是余热锅炉主要受热面，其吸热量占整台锅炉的50%以上，而传热温差只有100℃左右，传热系数在70W/（m2#183;℃）左右，因此，蒸发器的受热面积是很大的。蒸发器主体结构是在上下锅筒（或集箱）之间布置管子，管子与上下锅筒采用胀接方式连接，但由于多种因素的制约，上下锅筒间可布置钢管数是有限的，单管长度也不可能太长，因此采用光管受热面积往往不够。解决办法之一是另加装有上下集箱的受热管排，上集箱与上锅筒相连，下集箱与下锅筒相连，但该法给安装和检修带来不便。另一种解决办法是选用传热效果好的结构，如采用翅片管。

（3）余热锅炉省煤器

省煤器作为余热锅炉的尾部受热面，给水在进入锅炉前先经过它，用以吸收烟气的热量，使排烟温度降低，提高锅炉效率。同时，由于省煤器在同一部位比蒸发受热面的温压要大，传热好，既省受热面，又能更有效地冷却烟气，另外给水经过预热再送入汽包会减少汽包所承受的热应力，对汽包运行有很大好处[20、21、22]。

三．天然气燃气轮机余热发电卧式水管锅炉设计的研究前景

随着常规化石能源日益枯竭，各国都越来越关注节约能源。节约能源除采用高能效的新设备和新工艺外，采用余热锅炉回收各类余热也是提高一次能源利用率的重要手段。余热锅炉属节能环保产品，随着国家节能减排工作的积极推进，特别是钢铁、焦化、水泥等重要行业节能减排工作的推进，预计余热锅炉市场将加速发展[23]。燃气-蒸汽联合循环发电技术是节能、清洁生产的新技术,具有良好的经济效益和社会效益。伴随着该技术被大力推广，余热锅炉作为其主要部件之一也得到了大力的研究与开发[24]。国家一系列优惠政策的出台也推动了余热锅炉的发展[25]。

参考文献

[1]张伟中.燃汽-蒸汽联合循环发电的技术经济分析[J]. 电力技术经济,2003,6(3):P43-46.

[2]钱长春.燃汽-蒸汽联合循环的原理和实际应用[J]. 江苏教育学院学报.2009,26(1), P10-13.

[3]仝庆华,袁益超,刘聿拯,胡晓红.燃气-蒸汽联合循环余热锅炉技术研究现状[J].能源研究与信息.2006,22(4):P208-213.

[4]刘 伟,袁益超,刘聿拯.燃气-蒸汽联合循环余热锅炉及其影响因素分析[J].电站系统工程.2008,24(2):P5-6.

[5]何语平.大型天然气联合循环发电技的研究术[J].浙江电力. 2005,12(6):P9-14.

[6]杨南星.天然气联合循环发电技术的最新进展[J].城市公用事业. 2002,16(5):P33-36.

[7]陈起铎,刘长和,赵时光,陈滨,孙宏宇.燃气轮机余热锅炉的设计特点[J].热能动力工程.1995,10(5):P283-290.

[8]忻奇峰.燃气轮机热电联供系统的应用和发展[J].上海节能.2005,5(6):P142-164.

[9]孙惠山.余热锅炉技术改造[R].山东暖通空调. 2007年第2期:P129-139.

[10]朱大锋,何雁飞.余热锅炉技术的发展.东方电气评论[J]. 2011,25(98):P68-73.

[11]郭艳贞,赵秀英,王璋,许善涛.余热锅炉分类及各组件常见问题的分析[J].山东电力技术. 2005,12(5):P42-45.

[12]臧向东.燃气蒸汽联合循环余热锅炉的发展和研究[J].浙江电力. 2005,12(2):P5-9.

[13] Hubert Nwssler, Reinhard Preiss. Developments in HRSG Technology[M] . MAB Anlagenbau GmbHamp; Co, 2001.

[14]KUNTYSH V B, IOKHVEDOV F M. Heat transfer and aerodynamic drag of bundles of tubes with slit transverse fins[J]. Kholodil#8217;nay atekhnika, 1968, (6):P102-106.

[15]冯秋红,马王哲,赵红兵,许伟民.余热锅炉特点及其关键制造技术[J].机械工程师2012,28(1):P138-139.

[16]杨 松,李世魁.燃气-蒸汽联合循环余热锅炉概述[J].电站系统工程.2005,21(4):P43-44.

[17]段秋生.燃气蒸汽联合循环.内蒙古电力技术[J]. 1995,12(1):P18-24.

[18]何语平.大型天然气联合循环电厂的设计优化[J].电力设备. 2006,7(10):P12-16.

[19]冯志兵,崔平.联合循环中的余热锅炉[J].燃气轮机技术. 2003,16(3): P26-33.

[20]Gilberto Francisco Martha de Souza, Fernando Jesus Guevara Carazas, Leonan dos Santos Guimaratilde;es and Carmen Elena Patino Rodriguez#8212;#8212;Combined-Cycle Gas and Steam Turbine Power Plant Reliability Analysis[J]. G. F. M. de Souza et al:P221-247.

[21]Thomas A. Adams II, Paul I. Barton#8212;#8212;High-efficiency power production from natural gas with carbon capture[J].Journal of Power Sources 195 (2010) :P1971#8211;1983.

[22]David Smith#8212;#8212;HRSG advances keep GTCC competititve[J].August 2004 Modern Power Systems :P31-35.

[23]蔡莉萍, 浙江余热锅炉生产现状及产业发展前景,能源研究与信息[J]. 2011,27(3): P138-144.

[24]庄允朋,厉建栋.燃气-蒸汽联合循环发电技术的应用[J].煤气与热力. 2003,23(9): P560-561.

[25]我国资源综合利用优惠政策出台, 天津电力技术[J], 1999,6(4):P48-49.