余热锅炉基础知识

余热锅炉技术讲座第一部分:余热锅炉的基础知识余热锅炉－HRSG

余热锅炉___HRSG余热锅炉;也叫余热回收蒸汽发生器主要应用于化工,电力,船舶,石油平台等等领域;

顾名思义利用余热产生蒸汽的”锅炉”;余热锅炉没有常规燃煤锅炉的燃烧室和燃料系统,也没有给风,排烟风机系统;只有排列密集的翅片管和集汽(水)联箱;以及汽包,管道，阀门等;HRSG的组成余热锅炉主要由省煤器,蒸发器,过热器等等组成;烟气流经过热器，蒸发器，省煤器，烟气温度从540度降低到150～180度排出锅炉；放出的热量主要加热给水使之成为蒸汽；省煤器:使给水温度升高到接近饱和温度;蒸发器:给水变成饱和蒸汽;进口饱和水—饱和水汽混合物；过热器:饱和蒸汽加热成为过热蒸汽;余热锅炉的分类

—烟气侧常规燃气-蒸汽联合循环余热锅炉可以分为:

非补燃余热锅炉;利用燃机排气热量加热蒸汽机给给水使之产生高温高压的蒸汽;推动蒸气机做功

补燃余热锅炉;在余热锅炉中补充燃料,增大锅炉蒸发量;提高主汽参数;

增压型余热锅炉;燃机压气机排气和燃料首先在增压锅炉内部燃烧,产生的高压燃气再进入燃机透平做功;同时产生蒸汽做为蒸汽机的动力来源;

余热锅炉的分类——压力等级按照蒸汽压力等级分类：单压余热锅炉；双压，三压，多压余热锅炉；余热锅炉的分类

—受热面布置形式按照受热面布置形式分类：卧式余热锅炉：受热面管道垂直布置，烟气水平流动；立式余热锅炉：受热面管道水平布置，烟气垂直流动；余热锅炉的分类——

循环方式自然循环，强制循环;直流锅炉；复合循环锅炉；

余热锅炉的形式按照循环方式分为:自然循环和强制循环;

美国主要流行自然循环锅炉,主要制造商有DELTAK;

欧洲主要流行强制循环锅炉,主要制造商有比利时CMI,瑞典NEM;等等;

我国目前有能力制造燃气-蒸汽联合循环余热锅炉的厂家有杭州锅炉厂,上海锅炉厂,东方锅炉厂等等;主要以强制循环锅炉为主;

HorizontalGasFlow,NaturalCirculation

烟气水平流动的自然循环自然循环HRSG模块结构S207ESTAG自然循环余热锅炉布置图VerticalGasFlow,ForcedCirculation

烟气垂直流动的强制循环方式

强制循环HRSG模块结构强制循环S107E-HRSG现场布置图VerticalGasFlow,NaturalCirculation

烟气垂直流动的自然循环设计于强制循环垂直布置基本相同；只要保证蒸发器内部循环的足够动力，克服蒸发器，管道，汽包的沿程阻力即可；优点：利用垂直布置可以节省占地面积；管道水平布置，防止积灰；又可节省厂用电耗损；维护简单；辅助（强制）循环的蒸发器

燃气轮机即将启动时，锅炉的循环泵就投入运行

只有在燃气轮机停机时，循环泵才关闭

CMI设计的蒸发器循环倍率较低，以限制泵的电气消耗此设计应用在电厂承受极端的运行状况上，如每天多次启行，频繁的和最大能力的调峰和变负荷。

泵是保护锅炉免受循环应力和避免金属疲劳及其后果的唯一手段。直流的概念

在启动过程中，气包要有温度梯度的限制，从而降低了电厂的运行灵活性。

考虑到高压情况时，循环泵的预先启动变得复杂起来，新型燃机就是这种情况。直流式的设计

可以消除气包和循环泵直流式的立式烟气通道余热锅炉设计是最简单的也是最可靠的。不同的燃料适应性

CMI

拥有非常现实的专长技术来设计和制造余热锅炉，匹配现有所有燃气轮机，使用的燃料有：:天然气

轻蒸馏油

石脑油

轻原油

原油

重油

名词解释STAG=

ST

EAMA

NDG

AS;

燃气－蒸汽(属于GE商标）CCPP=

CombinedCyclePowerPlant

联合循环电厂PG9171E:PACAKGE;GEN,NO:9;171HP；E:sier.STAG组合型式－1STAG组合型式－2单压无再热汽水系统单压无再热HRSG三压系统的热量分布三压无再热系统热力系统三压无再热HRSG自然循环——系统简图

三压再热系统三压再热HRSG单线简图STAG107H联合循环热力系统STAG107H联合循环热力系统南山电厂余热锅炉的分类蒸发器循环方式＃5.＃6炉（特例）自然循环炉＃7强制循环炉＃1.＃3.＃10低压炉：强制循环中压炉：自然循环三压炉（3＃、10＃炉）双压炉（1＃炉）单压炉自然循环炉＃7非补燃型余热锅炉的优点投资少;结构简单;

运行可靠;运行可靠率达到9以上

启动速度快;从冷态到满载20~30min;

热效率高;50~58%;

鉴于以上优点,非补燃型余热锅炉已经得到普遍采用;自然循环锅炉自然循环简图自然循环的特点:(1)自然循环原理：利用下降管于受热面吸热管道之间的密度差产生循环动力形成；自然循环的特点（2）特点：重心低，稳定性好；蓄热能力较大；适应负荷变化能力强；受热面管道垂直布置；运行维护简单；缺点：水容积较大，启停，变负荷速度较慢；占地面积大；自然循环锅炉烟气流程为：烟气从燃气轮机排出，经进口烟道或转弯烟道进入三通烟道，当机组单循环时，烟气经上部调节门由旁通烟囱排空；当需要联合循环时，烟气从三通烟道经调节门和过渡烟道进入锅炉本体，依次水平横向冲刷两级高压过热器，高压蒸发器，高压省煤器和低压蒸发器，最后经出口烟道及主烟囱排空。自然循环锅炉汽水流程

给水由高压省煤器人口集箱进入省煤器管屏加热后流入高压锅筒；通过锅筒下部的集中下降管进入高压蒸发器管屏。吸热后上升进入锅筒进行汽水分离。分离后饱和水再进入集中下降管，而饱和蒸汽从锅筒上部引至高压过热器，经过热管屏吸热后由出口集箱引出锅炉。在两级过热器之间布置喷水减温装置，从而可有效地保证出日过热蒸汽温度。

低压蒸汽进入除氧器用于除氧。强制循环余热锅炉强制循环简图强制循环（1）：强制循环：将汽包内部的水经过循环泵的动力升压送入蒸发器吸热；强制循环（2）：特点：管道水平布置，受热面岩高度布置；节省地面；管径小，结构紧凑；强制流动，循环倍率3～5；管径较小；水容积小，升温升压，启动快，负荷调节范围较大；适应调峰运行；冷态启动速度较快；20～25min；强制循环（3）缺点：运行复杂；增加运行维护费用；厂用电增加；重心高，稳定性较差；支撑复杂较重；容易产生气水分层；强制循环锅炉的烟气流程烟气经人口烟道、三通烟道和过渡烟道进入受热面管箱后自下而上，先后依次冲刷高低温过热器、高压蒸发器、高压省煤器和低压蒸发器。最后经主烟囱直接排空。强制循环锅炉的汽水流程也类似于自然循环，但高、低压下降管均设有两套强制循环泵（一用一备）。高低压蒸发器内本循环动力由强制循环泵提供，确保水循环安全可靠。这类炉型的低压锅筒也可兼作除氧水箱，并安置于锅炉钢架上，可简化管路系统，减少占地面积。强制循环受热面的布置设计：蒸发器为顺流，其余受热面为逆流。分析：

A.逆流投热效果好，需要管材好，减少体积；

B.顺流由于饱和状态，借助于自然循环力量，减少循环泵动力量；

C.若设计逆流，出现汽塞（汽化）投热恶化。除氧蒸发器管箱低压蒸发器管箱高压省煤器（2）管箱高压省煤器（1）管箱及低压过热器管箱高压蒸发器管箱高压过热器管箱高压省煤器（3）及低压省煤器管箱凝结水加热器管箱

自然循环强制循环传热面积相同相同可用率99.9597.5燃机运行范围的实用性广窄水循环平衡性有有限循环泵的设置无有外部耗功无循环泵功耗占地面积较多较少钢结构和管道轻而多重而少基础及撑脚轻而多重而少安装所需要设备轻重运行维护较简单较难

自然循环与强制循环的比较其他循环方式：直流锅炉：当蒸汽压力大于16Mpa亚临界，超临界参数，选用直流锅炉提高循环效率；复合循环：在同一个余热锅炉中采用两种循环方式；高压蒸发器采用自然循环；要点：由于强制循环水流速度较快，水侧换热有利；余热锅炉换热主要取决于烟气侧换热系数；烟气侧流动基本相同时，自然循环，强制循环换热面积均相同；余热锅炉气动热力特点：烟气流量大；流速高；紊流扰动大；磨损；受热面变形；振动；烟气偏流；传热不均；翅片管道余热锅炉采用翅片管道的原因要提高余热锅炉的效率,必须减少燃机排烟温度于锅炉汽水温度之间的温度差;势必增加余热锅炉的受热面积;同时又增加了烟气流动阻力,;为减少流动阻力损失,可以增大流通面积,降低流动速度;但是低速的流动势必降低传热效率;;从而增大传热面积;依次循环HRSG的面积将会增大到无穷大;采用螺旋翅片管既可以保证足够的传热面积,又可以减少烟气阻力!:

节点温差的概念:余热锅炉蒸发器出口烟温于蒸发器饱和水之间温差;∆t=Tg7-Ts;该温差不能等于零,否则锅炉受热面积无穷大温差越小,面积越大;排烟温度越小,产气量越大;必然在投资费用于效率之间取舍;一般温差取8~20℃;接近点温差的概念省煤器出口水温于对应压力下的饱和温度之间差值;也叫”欠温差”;省煤器设计成为欠饱和状态,以免在燃机部分负荷状态下省煤器吸热量增大导致省媒器汽化;所以设计时必然保证改温差的存在和足够温差;接近点温差不能够太小;接近点温差过小时，在部分负荷情况下容易引起汽化；接近点温差过大时,减少了在省煤气的吸热量;导致蒸发器的吸热减少;为了保证蒸发量不便势必增加受热面积;;所以现在一般规定接近点温差在5~20℃;热端温差：过热器进口烟温与过热器出口蒸汽温度之间的温差；降低该温差，可以得到较高的过热度；同时增大了过热器的传热面积；30～60范围内较为合适；温差概念热端端差窄点接近点温差单压系统的温差分布炉水的循环倍率该回路循环水量于产生蒸汽量的比值；蒸发器循环倍率最好不低于5；小于5容易出现汽水分层，汽塞，管道容易过热损坏；炉水的循环倍率HP炉：HP循环流量/HP蒸汽流量＝870T/H/178T/H=5LP炉：LP循环流量/LP蒸汽流量＝300T/H/30T/H=10

运行中，发现循泵流量低，分析：（1）汽包水位低，不能建立水循环：（2)泵入口滤网堵塞，泵汽化：.（3）泵本身故障；烟气阻力的影响烟气阻力的增大,也就是余热锅炉进口到排烟烟筒的压差越大;流速越大增大传热系数可以减少受热面积,;但是势必造成燃机排烟压力增大,燃气透平做功能力下降;造成燃机出力下降;阻力每增加1KPA出力就下降0.8%;排烟温度：决定于节点温差的大小,一般为了防止烟气侧的低温腐蚀,较酸露点高10度;一般控制在110~130度;因为酸腐蚀的最大范围在100~130度,管道壁温要比水温高几度,所以在燃烧含硫的燃料时,给水温度可以比酸露点低5~10度;烟气的酸露点主要决定于烟气中的含酸量和SO2转换SO3的份量;以及锅炉中的过量空气系数!排烟温度与腐蚀强度关系受热面传热：顺流：热流体于冷流体流动方向相同；冷流体出口温度于热流体出口温度相差一定数值；同时沿着受热面的温差变化较大；开始温差大，最后温差小；蒸发器采用顺流布置是因为内部工质温度相同，均为饱和温度；受热面传热：逆流：热流体于冷流体流动方向相反；冷流加热过程于热流之间温差均匀；传热量大，节省受热面积；过热器，省煤器采用逆流；余热锅炉参数的选择AGE公司在设计联合循环时，一般是根据燃气轮机的排气温度t

4来选择蒸汽循环方式的。当排气温度低于538℃时，不宜采用再热循环方案，但它们可以是单压的、双压的或者是三压的循环型式。当排气温度增高到593℃时，则应考虑采用三压有再热的蒸汽循环方案。而且也只有当≥t593℃，同时蒸汽轮机的功率较大时，才可以考虑把主蒸汽的参数提高到16.5MPa/565℃的亚临界参数的水平。余热锅炉参数的选择B余热锅炉设计中要合理选取节点温差及接近点温差，减轻锅炉重量及减少烟风阻力。重量轻不仅可以节约造价，而且有益于减小热惯性，适合快速起停。一般选择适当小管径管有助于增大传热系数，适当的管间距，合理的鳍片高度及节距，可以提高余热锅炉的金属利用率，减轻锅炉重量余热锅炉参数的选择C主蒸汽温度一般较烟气温度低25~40度;低压蒸汽温度较上游烟气温度低11度;锅炉的蒸汽温度主要决定于燃机的排烟温度;压力主要决定于烟气流量;对于余热锅炉来说，由于受到节点温差的限制，当过热蒸汽温度确定后，压力越高，排烟温度越高，余热利用率越低。压力越高，汽机叶片变短，二次流损失及漏汽损失增大，汽机内效率下降。余热锅炉参数的选择D同样一台V84.2燃气轮机在分别组成单压蒸汽循环的、双压无再热蒸汽循环的、双压有再热蒸汽循环的、三压无再热蒸汽循环的、以及三压有再热蒸汽循环的联合循环方案时，发电效率将分别为：0.483、0.50、0.506、0.506和0.513；相应的发电功率分别为：150、155、157、157和159MW。其中以从单压蒸汽循环方式改为其他多压力级数的蒸汽循环方式时，效率和功率的相对增长率为最显著。余热锅炉的当量效率余热锅炉的当量效率hη是不断地增高的。从核算得到的数据中可以看出：当联合循环燃用天然气时，单压蒸汽循环方式的hη一般介于0.70～0.75之间（燃用重油时，hη可以降至0.65左右）；双压无再热的蒸汽循环方式中hη≈0.75～0.78；双压有再热的蒸汽循环方式中hη≈0.80～0.82；三压有再热的蒸汽循环方式中，ext可以降低到85～100℃左右，因而hη可以升至0.82～0.90左右。余热锅炉的运行方式：对于单压蒸汽循环系统来说，滑压运行是联合循环合理的运行方式：联合循环的蒸汽初温随燃气轮机的排气温度降低而降低，蒸汽温度降低导致凝汽式汽轮机的排汽干度降低，这会加剧对汽轮机末级叶片的侵蚀，当压力随温度一起降低时，有助于提高汽轮机的排汽干度。余热锅炉的运行方式滑压运行时，运行压力由余热锅炉与汽轮机的平衡运行点来确定，余热锅炉产生的蒸汽量应满足汽轮机的流量特性。对于余热锅炉来说，定压运行时，由于压力高，蒸发量减少，余热锅炉的排烟温度升高，余热利用率降低；当采用滑压运行方式时，虽然压力降低，蒸汽系统循环效率降低，但余热锅炉蒸发量增大，余热利用率高，由于流量大使汽轮机做功增多。计算表明：滑压运行汽轮机功率略高于定压运行，但两者相差不多。

余热锅炉的运行方式汽轮机