余热锅炉组成及工作过程

项目 水循环 立式 强制
启 动 占 地 面 结构
时间 积
短小
较复杂
操作运行 较复杂
厂用电 较多
燃料适应 初投资
性
强
较高
卧式 自然
较长 较大 简单 简单
少
较弱
低
自然循环
传热面积
相同
可用率
99.95
燃机运行范围的 广
实用性
水循环平衡性
有
循环泵的设置
无
外部耗功
无
占地面积
较多
钢结构和管道
轻而多
基础及撑脚
轻而多
的换热面积将为无穷大，这是不现实的。此外，随着余热锅炉换热面积的增大，燃气侧的流 阻损失也将增大，有可能使燃气轮机的功率有所减小，导致联合循环的热效率有下降的趋势。
3．接近点温差
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接近点温差 ∆Ta 是指余热锅炉省煤器出口压力下饱和水温度和出口水温之间的温差。
余热锅炉的分类及型号
燃气一蒸汽联合循环的余热锅炉的型式通常可以按照以下几种方法分类。 按余热锅炉烟气侧热源分类
燃机排出的烟气通过进口烟道进入锅炉本体，依次水平横向冲刷各受热面模块，再经出 口烟道由主烟囱排出。沿锅炉宽度方向各受热面模块均分成三个单元，各受热面模块内的热 面组成见下表 4-1：
锅炉从入口法兰至尾部总长为 50.6 m，宽度约为 18m（包括平台宽度），高压锅筒中 心标高为 28.1 m，中压锅筒中心标高为 27.71 m，低压锅筒中心标高为 28.275 m，烟囱顶 部标高为 80m。
1．无补燃的余热锅炉 这种余热锅炉单纯回收燃气轮机排气的热量，产生一定压力和温度的蒸汽。 2．有补燃的余热锅炉 由于燃气轮机排气中含有14％～18％的氧，可在余热锅炉的恰当位置安装补燃燃烧器， 充天然气和燃油等燃料进行燃烧，提高烟气温度，还可保持蒸汽参数和负荷稳定，以相应提 高蒸汽参数和产量，改善联合循环的变工况特性。 一般来说，采用无补燃的余热锅炉的联合循环效率相对较高。目前，大型联合循环大多 采用无补燃的余热锅炉。
自然循环 锅炉的蒸发设备 是由汽包、下降管 、水冷壁、联箱 及一些连接管道所 组成。 这些部件在锅炉中的相互位置及连接情况如图 4—1 所示。由省煤器来的给水进入汽包，从 汽包下部引出的管子是下降管，它将汽包中的水引至锅炉下部，经分配支管送入水冷壁各下 联箱，下降管及各分配支管布置在炉外不受热。水冷壁管布置在炉膛内的四周，紧贴炉墙。
汽包是锅炉蒸发设备中的主要部件，是一个汇集锅水和饱和蒸汽的圆筒形容器。 1．汽包的作用 (1) 汽包与下降管、联箱、水冷壁管等共同组成锅炉的水循环回路：它接受省煤器来的
给水，并向过热器输送饱和蒸汽。所以，汽包是生产过热蒸汽的过程中加热、蒸发、 过热这三个阶段的连接枢纽或大致分界点。 (2) 汽包中储存有一定的汽量、水量，因而汽包具有一定的储热能力。在运行工况变化 时，可以减缓汽压变化的速度，对锅炉运行调节有利。 (3) 汽包中装有各种装置，能进行汽水分离，清洗蒸汽中的溶盐，排污，以及进行锅内 水处理等，从而可以改善蒸汽品质。 2．汽包的结构 汽包本体是一个圆筒形的钢质受压容器，由筒身(圆筒部分)和两端的封头组成。筒身由 钢板卷制焊接而成，凸形封头用钢板冲压而成，然后两者焊接成一体。封头上开有人孔，以 便进行安装和检修，同时起通风作用。人孔盖一般由汽包里面向外关紧，封头为了保证其强 度，常制成椭球形的结构，或制成半球形的结构。 汽包外面有许多管座，用以连接各种管道，如给水管、下降管、汽水混合物引入管、蒸 汽引出管、连续排污管、事故放水管、加药管、连接仪表和自动装置的管道等。 (称为管座)， 安装时只需将管子对焊在管座上即可。
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从下联箱引入水冷壁的水，吸收炉内高温火焰的辐射热并部分汽化，变 成密度比水小的汽 水混合物向上流动(故水冷壁管也叫上 升管)，引入上 联箱 ，再 通过汽 水混 合物引 出管 引入汽 包或 者不经 上联 箱直接 引入 汽 包。汽水混合物在汽包内进行汽、水分离，蒸汽流入汽空间并经饱和蒸 汽引出管送出；分离出的水流入水空间并与不断送入汽包的给水一道再 流入下降管送至水冷壁下联箱，继续循环。这样，水从汽包→下降管→
减温器通常位于过热器或再热器出口管组的进口处，比如一、二级过热器之间。减温水 一般来自锅炉给水泵，为了能够正常的工作，它的压力要比蒸汽压力高 2.76Mpa 左右。减温 水通过喷口雾化后喷入湍流强烈的蒸汽中，蒸汽的速度和雾化的水滴尺寸是确定减温效果的 两个最重要因素。一个好的过热器或再热器设计，在额定负荷稳定运行时需要很少的喷水量。
在蒸发器内，水吸热产生蒸汽。通常情况下只有部分水变成蒸汽，所以管内流动的是汽 水混合物。汽水混合物在蒸发器中向上流动，进入对应压力的汽包。
在自然循环和强制循环的余热锅炉中，汽包是必不可少的重要部件。汽包除了汇集省煤 器给水和汇集从蒸发器来的汽、水混合物外，还要提供合格的饱和蒸汽进入过热器或供给用 户。汽包内装有汽水分离设备，来自蒸发器的汽水混合物进行分离，水回到汽包的水空间与 省煤器的来水混合后从新进入蒸发器，而蒸汽从汽包顶部引出。汽包的尺寸要大到足以容纳 必需的汽水分离器装置，并能适应锅炉符合变化时所发生的水位变化，因此是很大的储水容 器，从而具有较大的水容量和较多热惯性，对负荷变化不敏感。汽包通常不受热，因为在接 近饱和温度下运行时抗拉和屈服强度是关键的。
过热器的作用是将蒸汽从饱和温度加热到一定的过热温度。它位于温度最高的烟气区， 而管内工质为蒸汽，受热面的冷却条件较差，从而在余热锅炉各部件中最高的金属管壁温度。
省煤器的作用是利用尾部低温烟气的热量来加热余热锅炉给水，从而降低排气温度，提 高余热锅炉以及联合循环的效率，节约燃料消耗量。常规锅炉的省煤器分为沸腾式和非沸腾 式两种，前者允许产生蒸汽而后者不允许。通常不希望联合循环中的余热锅炉在省煤器中产 生蒸汽，因为蒸汽可能导致水击或局部过热，在机组刚起动以及低负荷时，省煤器管内工质 流动速度很低，此时较容易产生蒸汽。采用省煤器再循环壁可以增加省煤器中水的质量流量， 从而解决这个问题。还有些用户布置烟气旁路系统，在部分负荷时将部分省煤器退出运行， 这样也可以增加省煤器的工质流速
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余热锅炉的结构
通常，大型余热锅炉采用模块结构，这种经过工厂试验的各模块，便于装运，可缩短安 装工期，降低建造费用。
NG-901FA-R 型余热锅炉为三压、再热、卧式、无补燃、自然循环燃机余热锅炉，主要 由进口烟道、锅炉本体（本体受热面和钢架护板）、出口烟道、主烟囱、高中低压锅筒、管 道、平台扶梯等部件以及给水泵、排污扩容器等辅机组成。锅炉本体受热面采用 N/E 标准 设计模块结构，由垂直布置的顺列螺旋鳍片管和进出口集箱组成，以获得最佳的传热效果和 最低的烟气压降。
2．立式布置余热锅炉 图 1-11 所示的余热锅炉是立式布置，各级受热面部件的管子是水平的，各级受热面部 件是沿高度方向布置，烟气自下而上流过各级受热面。
按工质在蒸发受热面中的流动特点 (工作原理)分类 1．自然循环余热锅炉 图 1—11 中给出了自然循环方式的余热锅炉的模块式结构示意图，它是卧式布置的。通
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汽包直接吊装在锅炉上。强制循环余热锅炉中的烟气通常总是垂直地流过水平方向布置的管 簇的。从汽包下部引出的水借助于强制循环泵压人蒸发器的管簇，水在蒸发器内吸收烟气热 量，部分水变成蒸汽，然后蒸发器内的汽水混合物经导管流人汽包。强制循环余热锅炉通过 循环泵来保证蒸发器内循环流量的恒定。
国外强制循环余热锅炉的制造商主要有比利时 CMl 公司、法国 ALSTOM 公司、英国 JBE 公司等。 卧式与立式燃机余热锅炉对比
2．节点温差
节点温差 ∆Tp 也叫窄点温差，是换热过程中蒸发器出口烟气与被加热的饱和水汽之间
的最小温差，当节点温差减小时，余热锅炉的排气温度会下降，烟气余热回收量会增大，蒸 汽产量和汽轮机输出功都随之增加，即对应着高的余热锅炉热效率，但平均传热温差也随之
减小，这必将增大余热锅炉的换热面积。显然， ∆Tp 是不允许等于零的，否则，余热锅炉
按余热锅炉产生的蒸汽的压力等级分类
目前余热锅炉采用有单压、双压、双压再热、三压、三压再热等五大类的汽水系统。 1．单压级余热锅炉 余热锅炉只生产一种压力的蒸汽供给汽轮机。 2．双压或多压级余热锅炉 余热锅炉能生产两种不同压力或多种不同压力的蒸汽供给汽轮机。
按受热面布置方式分类
1．卧式布置余热锅炉
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图1—10所示的余热锅炉是卧式布置，各级受热面部件的管子是垂直的，烟气横向流过各 级受热面。
3 .低压部分
最大连续蒸发量
额定蒸汽出口压力
额定蒸汽出口温度
48.9 t/h
0.37 MPa（g）
248 ℃
4 .中压部分
最大连续蒸发量
额定蒸汽出口压力
ຫໍສະໝຸດ Baidu
额定蒸汽出口温度
41.7 t/h
3.48 MPa（g）
276.2 ℃
5 .其他部分参数
凝结水温度
低压省煤器1入口温度
低压省煤器1再循环量
39.9 ℃
60 ℃
254.3 t/h
1. 热端温差
热端温差 ∆Ts 是指换热过程中过热器入口烟气与过热器出口过热蒸汽之间的温差。降低
热端温差，可以得到较高的过热度，从而提高过热蒸汽品质。但降低热端温差，同时也会使 过热器的对数平均温差降低，也就是增大了过热器的传热面积，加大了金属耗量。大量计算 表明，当热端温差选择在 30～60℃范围内，是比较合适的。
安装所需要设备 轻
运行维护
较简单
强制循环 相同 97.5 窄
有限 有 循环泵功耗 较少 重而少 重而少 重 较难
3．直流余热锅炉 直流余热锅炉靠给水泵的压头将给水一次通过各受热面变成过热蒸汽。由于没有汽包， 在蒸发和过热受热面之间无固定分界点。在蒸发受热面中，工质的流动不像自然循环那样靠 密度差来推动，而是由给水泵压头来实现，可以认为循环倍率为 1，即是一次经过的强制流 动。
常，自然循环余热锅炉中蒸发受热面中的传热管束为垂直布置，而烟气是水平方向地流过垂 直方向安装的管簇的。下降管向蒸发器管簇供水，其中一部分水将在蒸发器管簇中吸收烟气 热量而转变成为饱和蒸汽。水与蒸汽的混合物经上升管进入汽包。管簇中的水汽混合物与下 降管中冷水的密度差，是维持蒸发器中汽水混合物自然循环的动力。也就是说，下降管内的 水比较重，向下流动，直立管束内的汽水混合物比较轻，向上流动，形成连续产汽过程。
下联箱→水冷壁 ⎯（⎯变成⎯汽水⎯混合⎯物⎯）→ 上联箱→再回到汽包，就形成了一个
闭合的流动回路，称为锅炉蒸发设备的水循环回路。一台锅炉的蒸发系 统是由若干个独立的水循环回路所组成，每个回路均由自己的下降管及 其分配支管、下联 箱、水冷壁(为整个炉膛水冷壁 的一部分)、上联箱所 构成，所有回路的汽水混合物最后都引入汽包。 汽包
自然循环余热锅炉制造商主要有美国 DELTAK 公司、荷兰 STANDARD 公司、日本川畸重工 等。本锅炉采用的是卧式自然循环锅炉，由杭州锅炉集团有限公司制造。
2．强制循环余热锅炉 强制循环余热锅炉是在自然循环锅炉基础上发展起来的。图 1-10 中给出了强制循环方 式的余热锅炉的模块式结构示例，它是立式布置的。传热管束为水平布置，吊装在钢架上，
余热锅炉组成及工作过程
通常余热锅炉由省煤器、蒸发器、过热器以及联箱和汽包等换热管组和容器等组成，在 有再热器的蒸汽循环中，可以加设再热器。在省煤器中锅炉的给水完成预热的任务，使给水 温度升高到接近饱和温度的水平；在蒸发器中给水相变成为饱和蒸汽；在过热器中饱和蒸汽 被加热升温成为过热蒸汽；在再热器中再热蒸汽被加热升温到所设定的再热温度.
蒸发设备及水循环
锅炉受 热面中用以 吸收炉内高 温火焰或烟 气的热量来 加热水产生 饱和蒸汽的 受热面称 为蒸发受热面。蒸发受热面及与它直接相配合工作的设备称为蒸发设备，蒸发设备组成了锅 炉的蒸发系统。 蒸发设备的作用及组成
蒸发设备是锅炉的重要组成部分，其作用就是吸收燃料燃烧放出的热量，使水受热汽化 变成饱和蒸汽。
余热锅炉主要特性参数
NG-901FA-R型余热锅炉设计参数如下所示：
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1 .高压部分
最大连续蒸发量
额定蒸汽出口压力
额定蒸汽出口温度
276.7 t/h
10.22 MPa（g）
540 ℃
2 .再热部分
最大连续蒸发 额定蒸汽出 额定蒸汽出 冷再热蒸汽 冷再热蒸汽 冷再热蒸汽
量
口压力
口温度
流量
压力
温度
307.4 t/h 3.34 MPa（g） 568.0 ℃ 265.2 t/h 3.52 MPa（g） 395.9 ℃