★张刚，张怀涛，张玉雷（信发集团，山东聊城252100）

摘要：本文介绍了燃气蒸汽联合循环余热锅炉的性能、型式及国内外发展概况，并对余热锅炉的研究方向进行了讨论。

关键词：燃气—蒸汽；联合循环；余热锅炉；研究

1 前言

大半个世纪以来，世界各国都在积极发展高效发电技术。为了提高循环效率，发展了超临界参数火电机组和燃气蒸汽联合循环机组，并在此基础上还发展了以发电为核心的总能利用多联产技术和以煤气化为核心的发电、煤化工综合能源利用系统^[1]。随着西部大开发政策的实施，天然气“西气东输”，燃气蒸汽联合循环以热效率高、造价低、污染小、占地少和运行调节灵活等优势受到了广泛的重视、研究和运用。而余热锅炉是联合循环电站的三大主要设备之一，在联合循环电站中，在燃气轮机和蒸汽轮机之间起到承上启下的作用。它的技术水平直接影响联合循环机组的发电效率、设备可用率和单位造价。因此，对余热锅炉的性能特性和开发设计进行研究，全面提高燃气蒸汽联合循环的技术水平十分必要。

燃气蒸汽联合循环电站的余热锅炉，其系统布置、受热面结构、热力特性与运行工况等与常规锅炉比较起来有很大的差别。如汽水系统的优化，节点温差、接近点温差的选取，降低排烟温度和烟气侧压损系数的优化以及余热锅炉的变工况特性等都是需要考虑的关键问题。

2 燃气—蒸汽联合循环余热锅炉概述

2.1 燃气—蒸汽联合循环余热锅炉的组成和型式

余热锅炉通常是由省煤器、蒸发器、过热器、再热器（有再热蒸汽循环时）以及集箱和锅筒等换热管族和容器等组成。大型燃气蒸汽循环余热锅炉主要有自然循环（如图1所示）和强制循环（如图2所示）两种技术流派。

图1 自然循环余热锅炉

1、烟气进口2、过热蒸汽出口3、汽包4、给水进口5、烟囱6、省煤器7、蒸发器8、过热器

图2 强制循环余热锅炉

1、烟气2、过热器3、蒸发器4、省煤器5、给水6、汽包7、循环泵8、蒸汽

两类余热锅炉各有其优缺点和局限性，但从联合循环的实际应用来看，人们使用较多的是卧式的自然循环技术。分析原因大约在以下几个方面，一是操作较容易，且对燃气轮机排气热力波动的适应性和自平衡性都强，热流量不易超过临界值；二是可用性高（为99.95%），而强制循环只有97.5%^[2]。三是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，同时也减缓了结垢量高而使余热锅炉性能下降等问题。从国际上来看，卧式余热锅炉在北美比较普遍，而在欧洲立式布置较为广泛。选择何种型式，必须具体问题具体分析，深圳南山热电有限公司燃机联合循环余热锅炉则是采用中压自然循环和低压强制循环锅炉两相结合的锅炉型式。

2.2联合循环余热锅炉的热力特性

（1）加热热源的不同

余热锅炉和常规锅炉比较起来，最大区别是加热热源的不同。余热锅炉的热源可能是高温烟气余热、化学反应余热、可燃废气余热甚至是高温产品余热等。由于工艺、燃料的不同，化工、制造业中所使用的余热锅炉通常具有热负荷不稳定、烟气中含尘量大、有腐蚀性等特点。相对来说，联合循环中使用的是洁净的气体或液体燃料，基本上没有粉尘，一般不考虑磨损问题。

（2）变温显热源

联合循环中燃料化学能转变为热能，实现了能源的梯级利用。在高温段通过燃气轮机热能转变为机械能或电能，低温排气进入余热锅炉产生蒸汽或热水，用于驱动汽轮机或其它热力设备，余热锅炉所利用的烟气的显热。燃气轮机的排气温度一般在700ºC以下，某些带回热的小型功微型燃气轮机的排气温度甚至不到300ºC，因此余热锅炉中的换热主要依靠对流，辐射传热可以忽略不计，而在常规锅炉中辐射换热量占全部吸热量的40%~50%，甚至更多。从而，余热锅炉往往要布置比常规锅炉更多的受热面，体积也较大。

（3）中温大流量工质

联合循环余热锅炉烟气进口温度一般为500~610ºC（无补燃时），或为700~780ºC（补燃时），流量多为120~600kg/s。同时，燃气轮排气是完全发展的紊流，流速和温度都很不均匀，有余热锅炉进口截面上，烟气流速变化有时为±400%，温度不均匀度达±55ºC。常规锅炉中烟气流量与蒸汽流量之比为1~1.2，而余热锅炉为4~10^[3]。因此，余热锅炉中燃气的流速比较高，气流的湍流度大。流速的提高促使对流换热系数提高，有助于传热，但同时烟气侧阻力将增加，使燃气轮机背压升高，降低系统的效率。

（4）汽水系统的多样性

当组成余热锅炉型联合循环的燃气轮机已经选定时，余热锅炉的蒸汽系统根据技术经济比较，有五种类型（单压、双压、双压再热、三压、三压再热）可供选择。早期采用的多是简单的单压、无再热汽水系统，虽然这样的余热锅炉设备费用低，但热效率也低。对于新一代高温、高性能燃气轮机，排气温度很高（>580ºC），余热锅炉可采用更加完善的三压再热汽水系统。这样不仅能采用高的蒸汽参数，而且能使排烟温度比较低，平均传热温差小，余热回收非常充分。但多压系统要处理好不同压力参数匹配优化的问题。

（5）变工况热力特点

由于负荷和大气温度的变化，燃气轮机一直都在变工况下运行，因此燃气轮机排气温度和流量都发生很大的变化。这样，余热锅炉热力特性也随之变动，其产汽量、蒸汽温度的压力等都会发生变化。然而蒸汽侧的热力参数通常要求比较稳定，即使是滑压运行，变动量也不是很大，且还有许多工程和热力学上的约束，如省煤器不能出现汽化现象（或接近点温差不能出现零值或负值），排烟温度不能低于露点等。起停过程燃气侧热力变化也很大，这样，变工况过程余热锅炉燃气和蒸汽两侧热力变化不协调就构成它的又一个热力特性：热源头（燃气轮机）热惯性比较小，而余热锅炉的热惯性相对大得多。

3 联合循环余热锅炉的发展

（1）国内联合循环余热锅炉的发展

燃气——蒸汽联合循环发电机组在国内使用时间虽然较短，但研究这种发电技术的余热锅炉已有三十多年的历史，尤其从20世纪70年代后期起，由杭州锅炉厂先后开发研制了双锅简自然循环、单锅筒强制循环和单锅简自然循环式的燃气轮机余热锅炉，容量从最早研究的8t/h、2.75MPa余热锅炉到目前配MS6000系列燃机的65t/h、3.82MPa余热锅炉。锅炉的压力级数从单压发展到目前已能设计制造三压级新型高效燃气轮机余热锅炉。余热锅炉研究所于20世纪80年代初建成了大型传热风洞试验台，进行了螺旋翅片管的热力特性和阻力特性的试验研究，获得了可普遍应用的翅片管热力和阻力计算准则公式及其它研究成果。与此同时，上海、成都等地的厂家也试制成功了螺旋翅片管，这些工作为开发燃机余热锅炉奠定了基础。特别是2000年自行开发并已成功运行的配MS9001系列（E级）燃机的余热锅炉，实现了大型燃机余热锅炉的国产化目标，正在追赶世界先进水平^[4]。

（2）国外联合循环余热锅炉技术进展

在燃气蒸汽联合循环电站中，余热锅炉处于燃气轮机发电循环和蒸汽轮机发电循环结合点的位置。它是将燃气轮机的排气余热转换为蒸汽轮机的热能从而实现热能回收的设备。它的技术水平直接影响联合循环机组的发电效率、设备可用率和单位造价。因此，世界各国都对余热锅炉技术进行多方面的研究并取得了宝贵成果。

国外联合循环发电技术的研究始于20世纪60年代末。经过几十年的发展，目前，美国、英语、日本等许多发达国家的燃气—蒸汽联合循环发电技术已比较成熟，其供电效率已达到50%以上。如美国CE公司为53%左右；ABB公司为48%~51.9%；三菱重工为51%~52%。许多公司（如美国Texco公司、比利时CMI公司等）都具有比较成熟的联合循环余热锅炉性能设计、系统优化、结构优化、生产制造技术,而且已经完全掌握了联合循环余热锅炉的热力特性和运行特性^[5]。

燃气轮机的初温不断提高，功率增大，余热锅炉的高压循环蒸汽压力和温度也不断提高，蒸汽系统也更为复杂；为了提高环保性能，有的余热锅炉在适当温度区安装了脱硝装置；为了提高传热效率，有的锅炉受热面用锯齿形翅片管代替整体形翅片管，减小了翅片间距，结构更紧凑；有的系统取消了旁通烟囱，燃机与锅炉同步启停。英国Cottam电厂的余热锅炉则采用了直流蒸发器并取消了汽包，在水动力学设计方面也有独到之处^[6]。

4 联合循环余热锅炉研究方向

4.1 螺旋鳍片管的设计和换热计算方法的选取

变温显热源和中温大流量热力特性决定了联合循环余热锅炉传热的特殊性，那就是余热锅炉中的换热主要依靠对流，辐射传热可以忽略不计。因此，在余热锅炉中，烟气与汽水介质间的换热温压较一般余热锅炉低很多，为布置紧凑，节省钢材，受热面大量采用螺旋鳍片管替代光管。螺旋鳍片管束传热与阻力特性研究对于余热锅炉的强化传热有着很重要的意义。

在螺旋鳍片管的结构特性参数中，翅片高度和翅片节距通常被作为衡量翅化程度大小的标志。在同样的烟气介质、烟气温度和烟气速度下，管径越小，翅片越高、节距越密，则传热效果越好。一般来说，翅片管的传热及制造工艺主要依靠大量的试验研究，从而获得适用于工程的结构尺寸^[7]。

关于联合循环余热锅炉螺旋鳍片管的换热计算方法，由于目前还没有成熟和规范的标准，国内制造厂家的锅炉热力计算，一般采用美国燃烧工程公司（CE公司）性能标准（针对螺旋翅片管省煤器）和前苏联锅炉机组热力计算标准并借鉴国内外资料和试验成果中的经验数据加以完善^[8]。国内外在污染系数的修正方面都做了一定的工作，但具体运用方面一些研究还有待深化：一是结构参数，如管束节距和翅片规格的优化；二是对燃气轮机排污特性对换热计算的影响；三是翅片管的换热与焊接方法和焊着率关系的研究。

4.2 烟气流动特性研究

由于中温大流量工质，使得联合循环余热锅炉的烟气流动特性研究越来越重要。目前国内的研究一种是对余热锅炉的入口烟道内烟气流动特性进行数值模拟，现在通用的是FLUENT等流体计算软件，可得到直观的速度场、温度场和压力场分布，并进行优化；二是通过冷态空气动力试验装置，校核烟道形状特性。

国内外都有不少科研机构对余热锅炉烟气流动特性进行数学模拟及试验研究。中南工业大学物热系用k-ε方程模拟了余热锅炉内流场和温度场分布，利用SIMPLE算法，给出了余热锅炉内流场和温度场的分布，为研究余热锅炉炉内流动和传热、传质提供理论依据^[9]。哈尔滨锅炉厂以STHOMAL公司S109FA联合循环的余热炉为基础，设计锅炉模型，采用冷态空气模化试验和数值计算两种方法，以求优化锅炉及其入口烟道的结构形状，为余热锅炉的开发设计提供参考依据据^[10]。但总体来说，这些研究的应用范围和推广还需要进一步深化。

4.3适应联合循环的快速启动特性研究

联合循环装置三大部件的典型冷起动时间为：燃气轮机τ_GT=10~20分；余热锅炉τ^HRSG=30~90分；汽轮机τ_ST=90~120分^[11]。为适应快速起动，一是要进行联合循环布置方式的优化研究。目前大型联系循环装置多采用1拖1（1台燃气轮机、1台余热锅炉、1台汽轮机）、单轴（燃气轮机和汽轮机共用一台发电机）及无旁路烟道等。二是在结构设计上，有一系列具体的研究方向。如锅筒要求具有更大更合理的容量尺寸，防止在启动中涌入大量汽水；汽水装置多采用水下孔板型式，以适应启动过程中锅筒水位的较大变化；水位计要求有较大量程，并充分考虑报警水位和保护水位的要求；烟道和护板结构也尽量减少热惯性，烟道多采用软性的非金属膨胀节；螺旋鳍片管束要求尽量采用小管径、薄管壁、热惯性小的材质。另外，余热锅炉的循环型式、烟气挡板的控制方式也与快速启动有关。目前快速启动的研究主要还是在运行方面，如浙江镇海发电公司就根据运行总结了不少经验^[12]。

4.4热力参数优化的研究

联合循环余热锅炉参数优化，就是根据不同的燃气排汽参数，以联合循环热效率最佳为前提，确定最佳的蒸汽参数。参数优化是联合循环余热锅炉设计和研究中十分重要的一个环节。

4.4.1参数优化的基本方法

参数优化常用的方法主要有以热力学第一定律为基础的热平衡方法，以“热效率”为指标；以综合热力学第一、第二定律作为依据，从能量的数量和质量角度分析循环中由于不可逆性而引起的做功损失的程度，研究热的可用性与它的贬值问题的熵和火用平衡方法，以“做功能力损失和火用效率”为其指标^[13]。

理论分析最常用的优化方法是建立数学模型。数学建模一般是先确定要研究的系统，然后根据热力学基本定律以及能量守恒、动量守恒等物理学基本原理建立数学模型，最后利用先进的优化理论求解。余热锅炉的建模主要包括设计工况和变工况建模。前者主要用于热力系统设计人员进行方案研究，通过计算比较各种设计方案的合理性和整个系统的热经济性，从而设计出一个比较完善的系统及进行最终热力设备的选型；后者则是在所有基本换热设备都已经选定的情况下，研究烟气参数发生改变时对每个系统的影响^[14]。东南大学在数字仿真方面^[15]以及清华大学在可视化建模方面^[16]都做了一定的研究。

在理论分析的基础上往往要对不同参数进行联合循环试验，结合热力学分析和投资经济分析，从而寻出最优化参数。

4.4.2参数优化的一些关键问题

（1）汽水系统的优化

一般根据燃气轮机排烟烟气流量和进入余热锅炉的燃气温度来确定汽水系统是单压、多压以及是否有再热，并进行综合经济比较。国外的经验是，当燃气轮机排烟烟气流量大于120kg/s和进入余热锅炉的燃气温度高于510ºC时，可选择双压或三压的汽水系统；当进入余热锅炉的烟温高于560ºC时，可考虑采用三压循环的汽水系统。美国GE公司采用再热系统主要根据燃气轮机的排烟温度。排烟低于560ºC时，不采用再热，排烟高于560ºC时，采用再热循环。

（2）节点温差、接近点温差和排烟温度的确定

图3为典型的单压汽水系统余热锅炉的T-Q图。如图所示，节点温差ΔTP减小时，余热锅炉排汽温度降低，有助于提高余热锅炉热效率，但平均传热温差也随之减小，致使总的受热面积增加。同样，在节点温度选定后，接近点温差ΔTa增大时，省煤器的对数平均温差有所增大，但为防止低负荷或起动过程中省煤器出现汽化现象，额定工况下ΔTa不能取为零。节点温差和接近点温差是余热锅炉设计中十分关键的因素。

图3 单压汽水系统余热锅炉的T-Q图

总体来说，要综合投资费用和循环最佳效率等因素来选择节点温差、接近点温差和排烟温度。清华大学焦树建等人对节点温差和接近点温差的选取进行了数值计算，并给出了理论依据[14]。徐传海用换热量增减法对节点温差和接近点温差的相互关联性以及和受热面之间的关系进行了优化分析，提出了新的选取方法^[17]。

（3）变工况运行特性研究

在实际运行中，燃气轮机因外界环境温度和负荷变动，很难维持在额定设计工况，而多处于变工况状态，故与之匹配的余热锅炉变工况特性显得格外重要。中国科学院工程热物理所蔡睿贤等人对余热锅炉变工况计算做了大量的研究，给出了两种解析算法^[18、19]。

（4）余热锅炉与蒸汽轮机的匹配

汽轮机循环热效率随着主蒸汽压力和温度的提高而提高，而主蒸汽参数是由进入余热锅炉的燃气温度以及所有布置的锅炉经济受热面决定的。焦树建对不同压力联合循环余热锅炉与汽轮机的匹配做了大量的研究，并根据“使汽轮机的做功量为最大”这个原则,来优化选择蒸汽参数的最佳匹配关系^[20~23]。

（5）烟气侧压阻系统优化

一般来说，燃气轮机背压每增加1Kpa，其功率下降0.6~0.7%，热耗率会增大0.6~0.7%。目前燃气轮机加装余热锅炉后，排气背压约增高1.4~2.5Kpa，因此燃气轮机功率就降低0.9~1.6%，热耗率增大0.9~1.7%。当采用减小节点温差ΔT_p和多压汽水系统来提高余热锅炉热力性能时，由于余热锅炉传热面积的增加致使烟气侧流阻增大，从而导致燃气轮机功率和效率下降，因此，余热锅炉烟气侧压损系数应全面权衡得失，而加以优化。一般余热锅炉燃气侧阻力在1.37~2.45Kpa左右。

4.5 余热锅炉的其他研究

这些研究包括余热锅炉结构设计的研究、余热锅炉专用设备研究，以及附件如三通挡板阀、烟气消声器、防雨挡板和强制循环泵的选择和研究等。近些年随着环保意识的加强，补燃技术（如降低NO_X排放的催化剂）及CO的还原装置也得到了广泛的重视。

5 结语

燃气—蒸汽联合循环因其热效率高、启动速度快、环保条件好、安装周期短、投资费用低等一系列优点，加上近年来燃气轮机技术的飞速发展，燃气轮机单机功率也不断加大，联合循环研究已经引起世界各国的重视和实施。

燃气—蒸汽联合循环余热锅炉研究虽然取得了一定的成果，但在传热特性、参数优化、烟气流动特性等许多方面的研究还有待进一步深化。

作者简介:

张 刚  （1981-），男，山东聊城人，高级工程师，硕士，现就职于信发集团，研究方向是循环经济高质量发展、煤电化一体化、绿色低碳技术创新、多产业融合等。

张怀涛 （1972-），男，山东聊城人，硕士，现就职于信发集团，主要从事低碳节能、发电、氯碱、电石、有色等系统稳定、优化提升、工业固废资源化利用等方面研究工作。

张玉雷 （1980-），男，山东聊城人，高级工程师，现就职于信发集团，主要从事热工自动化控制、电网系统稳定等研究。

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摘自《自动化博览》2022年10月刊