燃气蒸汽联合循环余热锅炉的发展分析

朱正堂

江苏华电扬州发电有限公司  江苏省扬州市 225000

摘要：当前，我国社会经济与科学技术协同发展，推动着发电技术向着更加高效的方向发展。为了进一步强化循环效率，燃气蒸汽联合循环机组在实际的发电过程中得到广泛应用。对于燃气蒸汽联合循环余热锅炉来说，其具备热效率高、运行灵活性强、污染产生量低等优势。在这样的背景下，我国对燃气蒸汽联合循环余热锅炉的性能和开发设计研究进一步加深。本文结合工作实践，从基本构成与参数、热力特性两方面入手，说明了燃气蒸汽联合循环余热锅炉的发展现状，同时对燃气蒸汽联合循环余热锅炉的发展方向进行了分析与展望，旨在丰富有关得燃气蒸汽联合循环余热锅炉的研究。

关键词：燃气蒸汽；联合循环；余热锅炉

1、自然循环余热锅炉的基本结构

燃蒸联合循环余热锅炉基本结构由烟道系统、各个换热模块以及辅助部件组成。高温烟气从右至左通过烟道依次与过热器、蒸发器、省煤器交换热量后排入大气。冷凝水经过给水泵加压后送入省煤器中，通过吸收烟气的热量完成预热后进入汽包中，与汽包中的饱和水混合后进入蒸发器。由于蒸发器内下降管和上升管之间存在压力差，工质在压差作用下从下降管进入上升管，与烟气换热后完成变相，汽水混合物通过汽水导管流入汽包中完成自然循环流动。随着上升管吸热量的不断增加，汽包内的饱和蒸汽排出进入过热器，与烟气换热后变为过热蒸汽经气阀节流送入透平中做功，推动蒸汽轮机发电，最后排入冷凝器，完成水的自然循环。

2、燃气蒸汽联合循环余热锅炉的发展现状分析

2.1基本构成与参数

某热电一期工程规模为1套52.14MW燃气轮机联合循环发电机组（1套PG6531B型燃气轮机发电机组+1套63.36t/h非补燃双压自然循环余热锅炉+1套15.54MW凝汽式汽轮发电机组），以及2台20t/h燃煤辅助供热锅炉;二期工程建设规模为1套57.62MW燃气轮机联合循环发电机组（1套PG6561B型燃气轮机+1套72.3t/h非补燃强制循环余热锅炉+1套12MW抽凝式汽轮发电机组+1套3MW背压式汽轮发电机组），拆除原有的2台20t/h燃煤辅助供热锅炉，新设置2台 20t/h燃气锅炉。2014年对一期机组进行改造，1台全新的H25（35MW）型燃气发电机组替换原有的PG6531B型，采用全新的不带补燃、双压强制循环余热锅炉替换原有的余热锅炉。热电目前稳定对外总供热能力为120t/h，最大供热能力为150t/h。受制于热电出厂供热管网的管道直径，管道对外最大供热能力为120t/h。

    2.2 热力特性分析

燃气蒸汽联合循环余热锅炉的热力特性主要如下：第一，加热热源。在使用中，气体燃料并不会出现粉尘问题。第二，变温显热源。推动燃料化学能源转变为热能，最终转化为电能或是机械能。第三，汽水系统的多样化。可以选用的汽水系统包括单压汽水系统、双压汽水系统、三压汽水系统等。第四，变工况热力。在大气温度、负荷等因素的影响，排气温度与流量产生波动，导致余热锅炉的热力特性发生变化。

3、燃气蒸汽联合循环发电系统的现状分析

    3.1 研究天然气发电技术的工作

对于燃气-蒸汽联合循环发电系统方面而言，我国仍与国际方面存在很多差距，原因如下：由于我国研究在燃气-蒸汽联合循环发电系统的时间较晚，然而近年来我国在很多方面取得了一定的进步，例如优化设计、系统能耗分析、设备研发等。在当代社会中，我国燃气-蒸汽联合循环发电系统不断发展，我国对燃气-蒸汽联合循环发电系统的研究现状主要体现在以下方面：世界天然气消费量在不断增长，对于当代世界能源消费结构而言，天然气消费量属于三大主力之一。在当代社会中，国际能源界的很多学者认为，世界天然气产量、消费量会不断增长，几年后将超越石油、煤，因此天然气属于当代世界的重要能源。在国际社会中，应用最为广泛的发电技术主要有热电联产发电。

3.2 优化设计循环系统

对于联合循环的设计而言，燃气轮机的效率不是越高越好。技术人员在选择燃气轮机的过程中，应尽量选择设计良好的燃气轮机。对于不补燃的联合循环而言，由于蒸汽循环的参数会受到排气温度的限制，蒸汽循环的效率与燃气循环具有密切的联系。对于燃气轮机的效率而言，在提高的状态下，蒸汽循环效率具有很多优势，该方式属于积极影响的联合循环系统。在联合循环过程中，最合理的联合循环效率并不意味着选择燃气轮机的效率最大值，当燃气初温确定后，值得技术人员注意的是，由于燃气轮机的效率虽然高，余热锅炉的循环效率、蒸汽参数处于低状态。同时，低压比的燃气轮机排气温度高，正气循环通过采用再热技术并且发挥其优势，能获取较佳的蒸汽部分效率。

4、燃气蒸汽联合循环余热锅炉的发展方向探究

    4.1 螺旋鳍片管设计及换热计算方法的选取

在燃气蒸汽联合循环余热锅炉的实际运行中，具备大流量、变温先热源的特点，因此其对流换热相对特殊。一般来说，存在于余热锅炉内的烟气与汽水介质之间的换热稳压偏低。基于对机组整体结构紧凑布置、减少钢材实际用量的考量，引入螺旋鳍片管具有极高的现实价值。固定烟气介质、温度与速度，当螺旋鳍片管的管径降低时，翅片更高且各个节点之间的距离更小，因此实际的传热效果也有所增高。从螺旋鳍片管的换热计算方法来看，在现阶段的研究中，尚未形成完善的计算方法。在我国的实践中，普遍依托国外研究成果进行计算以及系数（如污染系数）修正。

    4.2 烟气的流动性

烟气流动特性的研究是当前燃气蒸汽联合循环余热锅炉研究中的主流方向。在现阶段的研究实践中，普遍使用FLUEN丁流体计算软件进行烟气流动性的研究[2]。在该软件的支持下，可以将速度场、压力場分布情况转换为更为直观、具体的表现形式，为后续优化设计的展开提供参考。同时，依托冷态空气动力试验装置校核烟道形状特性也是目前燃气蒸汽联合循环余热锅炉的发展与研究的热点内容。

    4.3 联合循环快速启动

为了进一步提升燃气蒸汽联合循环余热锅炉的气动速度与稳定性，展开对联合循环布置方式的研究极为必要。在当前的生产活动中，常用的大型联合循环装置主要包含燃气轮机与汽轮机相互运用的发电机一台、无旁路烟道等结构。想要实现联合循环的快速启动，需要适当增大锅筒容量，防止汽水的涌入;引入更大的水位量程设计，以此达到满足保护水位与报警水位现实需求的目标;使用管径更小、管壁更薄的螺旋鳍片管，提升传热效果。

    4.4 热力参数优化

构建数学模型是目前最常用燃气蒸汽联合循环余热锅炉热力参数优化形式，在该模型中，主要包含着设计工况以及对变工矿的建模，通过计算与比较，能够获取最佳的设计方案，且同时达到提升热经济性的效果。在此过程中，涉及的关键内容如下所示：第一，优化汽水系统。对进入余热锅炉燃气温度确定单压、多压等是否再热，并进行对比。如果燃气轮机排烟烟气流量高于每秒钟120千克，且燃气温度达到500℃以上，则可以使用双压汽水系统或是三压汽水系统。第二，确定节点温差以及排烟温度。在节点温差降低的情况下，余热锅炉的排气温度也有所下降，促使热效率增大;同时，平度的传热温差下降，推动受热面积增大。基于此，出于对循环效益的考量，进行节点温差以及排烟温度的合理调整极为必要。第三，控制蒸汽轮机与余热锅炉的高度匹配。在主蒸汽压力、温度提升的条件下，主蒸汽压力参数影响着余热锅炉中的燃气温度以及受热面。为了提升蒸汽轮机与余热锅炉的匹配程度，必须遵循汽轮机做功量最大原则。

结语：综上所述，燃气蒸汽联合循环余热锅炉具备热效率高、运行灵活性强、污染产生量低等优势，在当前得到了广泛应用，展开相应余热锅炉的性能和开发设计深入研究具有极高的现实价值。在当前与未来的发展中，联合循环余热锅炉的研究更加偏向设计优化、计算方法与参数调整等，推动其性能的升级。

参考文献：

[1]王志永，许贺，朱慧敏，等.燃气-蒸汽联合循环机组余热锅炉热效率计算模型对比分析[J].华电技术，2020，42（6）：47-51.

[2]杨倩玉，姜阳，王雷.影响燃气-蒸汽联合循环余热锅炉效率因素分析[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2018，14（3）：209-215.

[3]李广伟，陈鑫.9F燃气-蒸汽联合循环机组运行优化及节能改造[J].节能，2019，38（4）：76-79.

[4]刘俊峰，贾兆鹏，李俊忠.燃气-蒸汽联合循环机组给水泵驱动改造及节能分析[J].燃气轮机技术，2018，31（4）：59-62.