余熱鍋爐技術講座第一部分:余熱鍋爐的基礎知識余熱鍋爐－HRSG

余熱鍋爐___HRSG余熱鍋爐;也叫余熱回收蒸汽發生器主要應用于化工,電力,船舶,石油平臺等等領域;

顧名思義利用余熱產生蒸汽的”鍋爐”;余熱鍋爐沒有常規燃煤鍋爐的燃燒室和燃料系統,也沒有給風,排煙風機系統;只有排列密集的翅片管和集汽(水)聯箱;以及汽包,管道，閥門等;HRSG的組成余熱鍋爐主要由省煤器,蒸發器,過熱器等等組成;煙氣流經過熱器，蒸發器，省煤器，煙氣溫度從540度降低到150～180度排出鍋爐；放出的熱量主要加熱給水使之成為蒸汽；省煤器:使給水溫度升高到接近飽和溫度;蒸發器:給水變成飽和蒸汽;進口飽和水—飽和水汽混合物；過熱器:飽和蒸汽加熱成為過熱蒸汽;余熱鍋爐的分類

—煙氣側常規燃氣-蒸汽聯合循環余熱鍋爐可以分為:

非補燃余熱鍋爐;利用燃機排氣熱量加熱蒸汽機給給水使之產生高溫高壓的蒸汽;推動蒸氣機做功

補燃余熱鍋爐;在余熱鍋爐中補充燃料,增大鍋爐蒸發量;提高主汽參數;

增壓型余熱鍋爐;燃機壓氣機排氣和燃料首先在增壓鍋爐內部燃燒,產生的高壓燃氣再進入燃機透平做功;同時產生蒸汽做為蒸汽機的動力來源;

余熱鍋爐的分類——壓力等級按照蒸汽壓力等級分類：單壓余熱鍋爐；雙壓，三壓，多壓余熱鍋爐；余熱鍋爐的分類

—受熱面布置形式按照受熱面布置形式分類：臥式余熱鍋爐：受熱面管道垂直布置，煙氣水平流動；立式余熱鍋爐：受熱面管道水平布置，煙氣垂直流動；余熱鍋爐的分類——

循環方式自然循環，強制循環;直流鍋爐；復合循環鍋爐；

余熱鍋爐的形式按照循環方式分為:自然循環和強制循環;

美國主要流行自然循環鍋爐,主要制造商有DELTAK;

歐洲主要流行強制循環鍋爐,主要制造商有比利時CMI,瑞典NEM;等等;

我國目前有能力制造燃氣-蒸汽聯合循環余熱鍋爐的廠家有杭州鍋爐廠,上海鍋爐廠,東方鍋爐廠等等;主要以強制循環鍋爐為主;

HorizontalGasFlow,NaturalCirculation

煙氣水平流動的自然循環自然循環HRSG模塊結構S207ESTAG自然循環余熱鍋爐布置圖VerticalGasFlow,ForcedCirculation

煙氣垂直流動的強制循環方式

強制循環HRSG模塊結構強制循環S107E-HRSG現場布置圖VerticalGasFlow,NaturalCirculation

煙氣垂直流動的自然循環設計于強制循環垂直布置基本相同；只要保證蒸發器內部循環的足夠動力，克服蒸發器，管道，汽包的沿程阻力即可；優點：利用垂直布置可以節省占地面積；管道水平布置，防止積灰；又可節省廠用電耗損；維護簡單；輔助（強制）循環的蒸發器

燃氣輪機即將啟動時，鍋爐的循環泵就投入運行

只有在燃氣輪機停機時，循環泵才關閉

CMI設計的蒸發器循環倍率較低，以限制泵的電氣消耗此設計應用在電廠承受極端的運行狀況上，如每天多次啟行，頻繁的和最大能力的調峰和變負荷。

泵是保護鍋爐免受循環應力和避免金屬疲勞及其后果的唯一手段。直流的概念

在啟動過程中，氣包要有溫度梯度的限制，從而降低了電廠的運行靈活性。

考慮到高壓情況時，循環泵的預先啟動變得復雜起來，新型燃機就是這種情況。直流式的設計

可以消除氣包和循環泵直流式的立式煙氣通道余熱鍋爐設計是最簡單的也是最可靠的。不同的燃料適應性

CMI

擁有非常現實的專長技術來設計和制造余熱鍋爐，匹配現有所有燃氣輪機，使用的燃料有：:天然氣

輕蒸餾油

石腦油

輕原油

原油

重油

名詞解釋STAG=

ST

EAMA

NDG

AS;

燃氣－蒸汽(屬于GE商標）CCPP=

CombinedCyclePowerPlant

聯合循環電廠PG9171E:PACAKGE;GEN,NO:9;171HP；E:sier.STAG組合型式－1STAG組合型式－2單壓無再熱汽水系統單壓無再熱HRSG三壓系統的熱量分布三壓無再熱系統熱力系統三壓無再熱HRSG自然循環——系統簡圖

三壓再熱系統三壓再熱HRSG單線簡圖STAG107H聯合循環熱力系統STAG107H聯合循環熱力系統南山電廠余熱鍋爐的分類蒸發器循環方式＃5.＃6爐（特例）自然循環爐＃7強制循環爐＃1.＃3.＃10低壓爐：強制循環中壓爐：自然循環三壓爐（3＃、10＃爐）雙壓爐（1＃爐）單壓爐自然循環爐＃7非補燃型余熱鍋爐的優點投資少;結構簡單;

運行可靠;運行可靠率達到9以上

啟動速度快;從冷態到滿載20~30min;

熱效率高;50~58%;

鑒于以上優點,非補燃型余熱鍋爐已經得到普遍采用;自然循環鍋爐自然循環簡圖自然循環的特點:(1)自然循環原理：利用下降管于受熱面吸熱管道之間的密度差產生循環動力形成；自然循環的特點（2）特點：重心低，穩定性好；蓄熱能力較大；適應負荷變化能力強；受熱面管道垂直布置；運行維護簡單；缺點：水容積較大，啟停，變負荷速度較慢；占地面積大；自然循環鍋爐煙氣流程為：煙氣從燃氣輪機排出，經進口煙道或轉彎煙道進入三通煙道，當機組單循環時，煙氣經上部調節門由旁通煙囪排空；當需要聯合循環時，煙氣從三通煙道經調節門和過渡煙道進入鍋爐本體，依次水平橫向沖刷兩級高壓過熱器，高壓蒸發器，高壓省煤器和低壓蒸發器，最后經出口煙道及主煙囪排空。自然循環鍋爐汽水流程

給水由高壓省煤器人口集箱進入省煤器管屏加熱后流入高壓鍋筒；通過鍋筒下部的集中下降管進入高壓蒸發器管屏。吸熱后上升進入鍋筒進行汽水分離。分離后飽和水再進入集中下降管，而飽和蒸汽從鍋筒上部引至高壓過熱器，經過熱管屏吸熱后由出口集箱引出鍋爐。在兩級過熱器之間布置噴水減溫裝置，從而可有效地保證出日過熱蒸汽溫度。

低壓蒸汽進入除氧器用于除氧。強制循環余熱鍋爐強制循環簡圖強制循環（1）：強制循環：將汽包內部的水經過循環泵的動力升壓送入蒸發器吸熱；強制循環（2）：特點：管道水平布置，受熱面巖高度布置；節省地面；管徑小，結構緊湊；強制流動，循環倍率3～5；管徑較小；水容積小，升溫升壓，啟動快，負荷調節范圍較大；適應調峰運行；冷態啟動速度較快；20～25min；強制循環（3）缺點：運行復雜；增加運行維護費用；廠用電增加；重心高，穩定性較差；支撐復雜較重；容易產生氣水分層；強制循環鍋爐的煙氣流程煙氣經人口煙道、三通煙道和過渡煙道進入受熱面管箱后自下而上，先后依次沖刷高低溫過熱器、高壓蒸發器、高壓省煤器和低壓蒸發器。最后經主煙囪直接排空。強制循環鍋爐的汽水流程也類似于自然循環，但高、低壓下降管均設有兩套強制循環泵（一用一備）。高低壓蒸發器內本循環動力由強制循環泵提供，確保水循環安全可靠。這類爐型的低壓鍋筒也可兼作除氧水箱，并安置于鍋爐鋼架上，可簡化管路系統，減少占地面積。強制循環受熱面的布置設計：蒸發器為順流，其余受熱面為逆流。分析：

A.逆流投熱效果好，需要管材好，減少體積；

B.順流由于飽和狀態，借助于自然循環力量，減少循環泵動力量；

C.若設計逆流，出現汽塞（汽化）投熱惡化。除氧蒸發器管箱低壓蒸發器管箱高壓省煤器（2）管箱高壓省煤器（1）管箱及低壓過熱器管箱高壓蒸發器管箱高壓過熱器管箱高壓省煤器（3）及低壓省煤器管箱凝結水加熱器管箱

自然循環強制循環傳熱面積相同相同可用率99.9597.5燃機運行范圍的實用性廣窄水循環平衡性有有限循環泵的設置無有外部耗功無循環泵功耗占地面積較多較少鋼結構和管道輕而多重而少基礎及撐腳輕而多重而少安裝所需要設備輕重運行維護較簡單較難

自然循環與強制循環的比較其他循環方式：直流鍋爐：當蒸汽壓力大于16Mpa亞臨界，超臨界參數，選用直流鍋爐提高循環效率；復合循環：在同一個余熱鍋爐中采用兩種循環方式；高壓蒸發器采用自然循環；要點：由于強制循環水流速度較快，水側換熱有利；余熱鍋爐換熱主要取決于煙氣側換熱系數；煙氣側流動基本相同時，自然循環，強制循環換熱面積均相同；余熱鍋爐氣動熱力特點：煙氣流量大；流速高；紊流擾動大；磨損；受熱面變形；振動；煙氣偏流；傳熱不均；翅片管道余熱鍋爐采用翅片管道的原因要提高余熱鍋爐的效率,必須減少燃機排煙溫度于鍋爐汽水溫度之間的溫度差;勢必增加余熱鍋爐的受熱面積;同時又增加了煙氣流動阻力,;為減少流動阻力損失,可以增大流通面積,降低流動速度;但是低速的流動勢必降低傳熱效率;;從而增大傳熱面積;依次循環HRSG的面積將會增大到無窮大;采用螺旋翅片管既可以保證足夠的傳熱面積,又可以減少煙氣阻力!:

節點溫差的概念:余熱鍋爐蒸發器出口煙溫于蒸發器飽和水之間溫差;?t=Tg7-Ts;該溫差不能等于零,否則鍋爐受熱面積無窮大溫差越小,面積越大;排煙溫度越小,產氣量越大;必然在投資費用于效率之間取舍;一般溫差取8~20℃;接近點溫差的概念省煤器出口水溫于對應壓力下的飽和溫度之間差值;也叫”欠溫差”;省煤器設計成為欠飽和狀態,以免在燃機部分負荷狀態下省煤器吸熱量增大導致省媒器汽化;所以設計時必然保證改溫差的存在和足夠溫差;接近點溫差不能夠太小;接近點溫差過小時，在部分負荷情況下容易引起汽化；接近點溫差過大時,減少了在省煤氣的吸熱量;導致蒸發器的吸熱減少;為了保證蒸發量不便勢必增加受熱面積;;所以現在一般規定接近點溫差在5~20℃;熱端溫差：過熱器進口煙溫與過熱器出口蒸汽溫度之間的溫差；降低該溫差，可以得到較高的過熱度；同時增大了過熱器的傳熱面積；30～60范圍內較為合適；溫差概念熱端端差窄點接近點溫差單壓系統的溫差分布爐水的循環倍率該回路循環水量于產生蒸汽量的比值；蒸發器循環倍率最好不低于5；小于5容易出現汽水分層，汽塞，管道容易過熱損壞；爐水的循環倍率HP爐：HP循環流量/HP蒸汽流量＝870T/H/178T/H=5LP爐：LP循環流量/LP蒸汽流量＝300T/H/30T/H=10

運行中，發現循泵流量低，分析：（1）汽包水位低，不能建立水循環：（2)泵入口濾網堵塞，泵汽化：.（3）泵本身故障；煙氣阻力的影響煙氣阻力的增大,也就是余熱鍋爐進口到排煙煙筒的壓差越大;流速越大增大傳熱系數可以減少受熱面積,;但是勢必造成燃機排煙壓力增大,燃氣透平做功能力下降;造成燃機出力下降;阻力每增加1KPA出力就下降0.8%;排煙溫度：決定于節點溫差的大小,一般為了防止煙氣側的低溫腐蝕,較酸露點高10度;一般控制在110~130度;因為酸腐蝕的最大范圍在100~130度,管道壁溫要比水溫高幾度,所以在燃燒含硫的燃料時,給水溫度可以比酸露點低5~10度;煙氣的酸露點主要決定于煙氣中的含酸量和SO2轉換SO3的份量;以及鍋爐中的過量空氣系數!排煙溫度與腐蝕強度關系受熱面傳熱：順流：熱流體于冷流體流動方向相同；冷流體出口溫度于熱流體出口溫度相差一定數值；同時沿著受熱面的溫差變化較大；開始溫差大，最后溫差小；蒸發器采用順流布置是因為內部工質溫度相同，均為飽和溫度；受熱面傳熱：逆流：熱流體于冷流體流動方向相反；冷流加熱過程于熱流之間溫差均勻；傳熱量大，節省受熱面積；過熱器，省煤器采用逆流；余熱鍋爐參數的選擇AGE公司在設計聯合循環時，一般是根據燃氣輪機的排氣溫度t

4來選擇蒸汽循環方式的。當排氣溫度低于538℃時，不宜采用再熱循環方案，但它們可以是單壓的、雙壓的或者是三壓的循環型式。當排氣溫度增高到593℃時，則應考慮采用三壓有再熱的蒸汽循環方案。而且也只有當≥t593℃，同時蒸汽輪機的功率較大時，才可以考慮把主蒸汽的參數提高到16.5MPa/565℃的亞臨界參數的水平。余熱鍋爐參數的選擇B余熱鍋爐設計中要合理選取節點溫差及接近點溫差，減輕鍋爐重量及減少煙風阻力。重量輕不僅可以節約造價，而且有益于減小熱慣性，適合快速起停。一般選擇適當小管徑管有助于增大傳熱系數，適當的管間距，合理的鰭片高度及節距，可以提高余熱鍋爐的金屬利用率，減輕鍋爐重量余熱鍋爐參數的選擇C主蒸汽溫度一般較煙氣溫度低25~40度;低壓蒸汽溫度較上游煙氣溫度低11度;鍋爐的蒸汽溫度主要決定于燃機的排煙溫度;壓力主要決定于煙氣流量;對于余熱鍋爐來說，由于受到節點溫差的限制，當過熱蒸汽溫度確定后，壓力越高，排煙溫度越高，余熱利用率越低。壓力越高，汽機葉片變短，二次流損失及漏汽損失增大，汽機內效率下降。余熱鍋爐參數的選擇D同樣一臺V84.2燃氣輪機在分別組成單壓蒸汽循環的、雙壓無再熱蒸汽循環的、雙壓有再熱蒸汽循環的、三壓無再熱蒸汽循環的、以及三壓有再熱蒸汽循環的聯合循環方案時，發電效率將分別為：0.483、0.50、0.506、0.506和0.513；相應的發電功率分別為：150、155、157、157和159MW。其中以從單壓蒸汽循環方式改為其他多壓力級數的蒸汽循環方式時，效率和功率的相對增長率為最顯著。余熱鍋爐的當量效率余熱鍋爐的當量效率hη是不斷地增高的。從核算得到的數據中可以看出：當聯合循環燃用天然氣時，單壓蒸汽循環方式的hη一般介于0.70～0.75之間（燃用重油時，hη可以降至0.65左右）；雙壓無再熱的蒸汽循環方式中hη≈0.75～0.78；雙壓有再熱的蒸汽循環方式中hη≈0.80～0.82；三壓有再熱的蒸汽循環方式中，ext可以降低到85～100℃左右，因而hη可以升至0.82～0.90左右。余熱鍋爐的運行方式：對于單壓蒸汽循環系統來說，滑壓運行是聯合循環合理的運行方式：聯合循環的蒸汽初溫隨燃氣輪機的排氣溫度降低而降低，蒸汽溫度降低導致凝汽式汽輪機的排汽干度降低，這會加劇對汽輪機末級葉片的侵蝕，當壓力隨溫度一起降低時，有助于提高汽輪機的排汽干度。余熱鍋爐的運行方式滑壓運行時，運行壓力由余熱鍋爐與汽輪機的平衡運行點來確定，余熱鍋爐產生的蒸汽量應滿足汽輪機的流量特性。對于余熱鍋爐來說，定壓運行時，由于壓力高，蒸發量減少，余熱鍋爐的排煙溫度升高，余熱利用率降低；當采用滑壓運行方式時，雖然壓力降低，蒸汽系統循環效率降低，但余熱鍋爐蒸發量增大，余熱利用率高，由于流量大使汽輪機做功增多。計算表明：滑壓運行汽輪機功率略高于定壓運行，但兩者相差不多。

余熱鍋爐的運行方式汽輪機