联合循环余热锅炉的性能优化与设计-2 联合循环与余热锅炉

2.2 联合循环中的余热锅炉
2.2.1 余热锅炉的类型 在联合循环的系统中 余热锅炉 HRSG 的作用是使燃气轮机排气的热能产生蒸汽 驱
动汽轮机发电或对外供汽供热 余热锅炉的确切含义是热回收蒸汽发生器 Heat Recovery Steam Generators HRSG 类型与工质的循环方式 汽水系统 供热方式及蒸汽参数要求密切 相关 从而有相应的不同的类型
T
3
4
2 c
5 1b
a
e d
f
S
图 ２－２ 联合循环温－熵图 Fig.2-2. Temperature vs. Entropy
diagram of combined cycle
燃气轮机从大气中抽取大量空气经过滤器过滤后进入压气机进行压缩 ,压缩后的空气进入 燃烧室与燃料混合燃烧 ,产生高温烟气推动燃气轮透平带动发电机发出电力 ,这就是燃气轮机循环 系统
至过热器 来自省煤器
下降管
至过热器 来自省煤器
下降管 热量
去过热器
热量
蒸发器
蒸发器
自然循环
循环泵
蒸发器
控制循环
来自省煤器 直流方式
图 2-6 余热锅炉的循环原理 Fig.2-6 Principle of heat recovery steam generator cycle.
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3 双汽源型联合循环—排气再燃型 燃机排气中残存相当数量的氧 所以可被用作常规锅炉的燃烧气 因排气温度高 所以锅 炉不需设置空气预热器 而且锅炉烟气的热量可以加热给水使热量得以进一步回收 同时又可减 少常规锅炉给水加热的汽机抽气量 从而使机组的效率提高 这一循环特别适合现有电厂老机组 的改造 4 增压锅炉型 与燃机同轴相连的压缩机排出的空气引入增压锅炉中与燃料进行燃烧 产生的高温高压气 体通入燃气轮机系统循环发电 燃机高温排气用于加热增压锅炉的给水而得以回收热量 如增压 锅炉使用的是流化床燃烧 就被称为增压流化床余热锅炉 PFBC . 本文主要研究对象的重点是余热锅炉型联合循环 见图 2-3 在理论分析中也牵涉到补燃型 的联合循环 无补燃余热锅炉的优化计算和方法同样可用于对补燃型余热锅炉的计算和分析
立式 HRSG 布置见图 2-8 与其相配的受热面管束为水平布置 在蒸发段主要借助循环泵的 动力维持工质的可靠强制循环
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有时可能因现场空间布置的限制 同一台的 HRSG 部分受热面采用垂直布置 部分受热面 管束采用水平布置
3 汽水系统 根据系统不同压力 温度和流量蒸汽的要求 有单压和多压 双压 双压再热 三压 三压 再热 两大类的 HRSG 单压 HRSG 只在小型燃气轮机机组上采用 它的汽水系统最为简单同 但排烟温度高 通常在为 150 以上 联合循环发电效率较低 约 38~48% 多压的汽水系统稍 许复杂 但可充分回收燃气轮机排气的热量 加之蒸汽的多压化 使得蒸汽的高温高压及再热化 得以实现 发电效率得到提高 90~200MW 的燃气轮机配用的 HRSG 多采用双压 排烟温度为 100~130 发电效率约 42~52% 三压蒸汽系统 HRSG 用在 250MW 的大容量燃气轮机机组上 排烟温度为 80~90 发电效率高达约 50~58%
发电机 汽轮机
燃气轮机
发电机
图 ２－５ 多轴联合循环系统 Fig.2-4. Multiple axle combined cycle
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余热锅炉型联合循环中主机为燃气轮机 余热锅炉和蒸汽轮机 根据它们轴构成布置的不 同有单轴型系统和多轴型系统的布置方式 单轴机组是指由 1 台燃气轮机与 1 台容量匹配的汽轮 机共同带动 1 台发电机 ,而且它们组装在 1 根主轴上的联合循环机组(图 2-4) 多轴机组是指燃气 轮机与汽轮机分别带动 1 台发电机 ,一般为 2 3 台或 4 台燃气轮发电机与 1 台汽轮发电机组成的 多轴联合循环机组 图 2-5
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第二章 联合循环与余热锅炉
2.1 燃气-蒸气联合循环发电原理与组成
2.1.1 燃气-蒸汽联合循环发电原理和组成 燃气-蒸汽联合循环发电是一种将常规的蒸汽发电与燃气轮机发电相结合的先进高效和清洁
的发电方式 联合循环的工作原理如图 2-1 和图 2-2 所示
图 ２－１ 联合循环工作原理示意 Fig.2-1. Principle of combine cycle
2.1.2 燃气-蒸汽联合循环的类型 目前有 4 种基本的燃气-蒸汽联合循环类型 所有这些类型的共同点是顶部装置燃气轮机排
出的烟气余热在蒸汽循环系统中加以利用 1 余热回收型联合循环
燃气余热通过余热锅炉产生蒸汽来驱动汽轮机 该循环相对简单 如能使燃气轮机与蒸汽循 环的匹配性能达到最佳 那么这种方式可实现联合循环方式中最高的效率 因而是目前大型燃机 联合循环方式的主流
2.3 HRSG 的主要结构特点
( 1 ) 受热面 与常规的电站锅炉相比 HRSG 的进口烟气温度比较低 为提高传热效能 在使用液化天 然气和精馏油 轻油 燃料时 因烟气比较清洁 其传热管可使用鳍片管 鳍片管是用高频焊接 将钢板鳍片焊接于钢管上而制成的 根据鳍片形状的不同 可分为整体鳍片 solid fin 和开口 鳍片(serrated fin,见图 2-9)
循环方式的选择 取决于许多设计和经济方面的考虑 欧洲联合循环机组的 HRSG 多采用立 式的强制循环 而美国 日本等国家则普遍倾向采用卧式的自然循环技术 这可能与它们各自的 传统和习惯使然 但从联合循环 HRSG 的应用发展趋势看 自然循环技术正在被进一步地获得 认可 主要原因是 1 随着小管径传热管在自然循环 HRSG 上的推广应用 强制循环所具有 适合于调峰运行的优点在自然循环 HRSG 上也能得以体现 2 操作容易 且对燃气轮机排气 热波动的适应性和自平衡能力都强 热流量不易超过临界值 3 可用率高 为 98.95% 而强 制循环只有 97.5%(主要因为循环泵的可用性低) 4 垂直管束结垢情况比水平管束均匀 不易 造成塑性形变和故障 同时缓解了因结垢量高而使 HRSG 性能下降的问题等 所以 在美国联 合循环系统早已更多采用卧式的 HRSG 而当今在欧洲也逐渐开始倾向于自然循环 由于立式的 HRSG 占地面积小 启动时间比较短 在一些特别应用情况下也是值得考虑的 最近从降低辅助 循环动力的观点出发 对立式布置的锅炉采用抬高锅筒的方式 实现了不需循环泵的自然循环
燃气轮机发电是采用空气与燃气为工作介质的以布雷顿循环 Brayton Cycle,图 2-2 中上部 的 1-2-3-4-1 为基础的热力循环发电 该循环是燃料 天然气 液化天然气 LNG 或重油 轻 油 在燃烧室内与经压缩机压缩的高压空气进行燃烧 产生的高温高压的燃气直接驱动燃气轮机 将热能转变成机械能和电能 目前 9F 等级的大型燃机的燃烧温度可达到 1500 的水平 简单循 环效率可达 38%左右 因此与常规的蒸汽循环效率相当 今后随着冷却技术和高温材料的开发 燃烧温度有望达到更高的水平 效率也将随之提高 高温段几乎没有传热温差的火用损失 但其 排气温度水平较高 如排气得不到有效利用 将会有大量的能量损失
2 补燃型联合循环 它与余热回收型相似 不同的是在燃机排气中再投入燃料进行燃烧 因燃机燃烧室的过量 空气系数高 2.8~5 烟气中含有过剩氧量较多 使余热锅炉的入口烟气温度升高 从而增 减余热锅炉和蒸气轮机的出力 因其没有有效利用补燃燃料的理论火焰温度 所以其总体循环效 率没有设计完善的余热回收型循环高 但它适合于燃气轮机与蒸汽轮机难以匹配的场合和调峰负 荷幅度大的情况
(1) 工质循环方式 HRSG 按的水循环方式可分为自然循环 强制循环和直流锅炉 3 种方式 它们的循环原理 同常规锅炉一样 如图 2-6 所示 通常自然循环 HRSG 的烟气水平流过垂直的管束 下降管向蒸发器管束供水 部分水在蒸 发器管束中吸热转变为蒸汽 水与蒸汽的混合物经上升管进入锅筒 管束中的汽水混合物与下降 管中水的密度差所产生的压差动力维持着工质的流动或循环 其优点是结构简单 为了在所有的 运行工况下达到需要的循环 必须适当地选择管束 下降管 联箱和上升管
目前简单的燃气轮机发电效率和常规的蒸汽发电效率较高只能达到 40%左右 而在使用以 1300 级燃气轮机整个联合循环中 发电效率可达到 50%左右 如使用最新型的 1500 级燃气 轮机时 发电效率可达到 56 58%的高效率 并且 燃气轮机的理论火焰温度可达到 2000 所以仍有提高效率的余地
在联合循环发电系统中 ,燃气轮机与蒸汽轮机的容量配合比例一般为 2 1, 比如 1 台 250MW 的燃气轮机可配 1 台 125MW 的蒸汽轮机 ,组成 1 套 375MW 的联合循环发电机组 ;或者 2 台 250MW 的燃气轮机配 1 台 250MW 的蒸汽轮机 ,组成 1 套 750MW 的联合循环发电机组
4 有无补燃方式 HRSG 按有无补燃装置 可分为补燃型和无补燃型 当使用排气温度较低 容量较小的燃 气轮机时 燃气轮机排气参数不能满足汽轮机的蒸汽参数要求 此时可采取补燃措施 由于燃气 轮机排气中含有 14%~18%的氧 可在 HRSG 的恰当位置安装补燃燃烧器 补充燃烧天然气和燃 油等燃料进行燃烧 以提高烟气温度 相应可提高蒸汽参数和产量 如燃气轮机效率较高 容量 较大 燃气轮机的排气温度也较高的话 一般不需要进行补燃
2 压气机 1 空气
燃料
燃烧室
3
燃气 轮机
c
余热锅炉 5
b
a
4
水泵
图 ２－３ 余热锅炉型的燃气 蒸汽联合循环
Fig. 2-3. Combined Cycle of HRSG type
蒸汽 轮机 d
凝汽器
2.1.3 余热锅炉型联合循环的布置方式
余热锅炉
余热锅炉
燃气轮机
发电机