影响燃气-蒸汽联合循环余热锅炉效率因素分析

影响燃气-蒸汽联合循环余热锅炉效率因素分析

凡荣荣

（晋能电力集团有限公司嘉节燃气热电分公司山西太原030032）

摘要：燃气-蒸汽联合循环是将燃气轮机循环与蒸汽轮机循环相结合起来的一种效率更高的循环方式。余热锅炉是联合循环电厂的关键设备之一,处于燃气循环和蒸汽循环的交接点上,其效率对上游的燃气轮机循环和下游的蒸汽轮机循环及联合循环的整体效率都有较大的影响,因此分析余热锅炉运行参数与效率之间的关系对分析联合循环的整体效率具有十分重要的意义。

关键词：燃气-蒸汽；联合循环；余热锅炉；效率因素；措施

影响余热锅炉效率的热力参数很多,包括燃气轮机排烟温度、节点温差、接近点温差等烟气侧参数,以及给水温度、主蒸汽压力及温度、再热蒸汽压力及温度等汽水侧参数,这些参数对余热锅炉效率的影响程度是不同的。因此,分析余热锅炉效率对各热力参数的敏感程度,找出对余热锅炉效率影响较大的热力参数,对实现机组运行优化和技术改造具有重要的技术参考价值。

1三压再热余热锅炉热效率计算模型

1.1汽水系统热力过程

三压再热蒸汽系统相对于单压、双压蒸汽系统更加复杂,参数也要多很多,各个参数之间的联系更加复杂。三压再热汽水系统是由高压汽水系统和中低压补汽系统组成。

1.2余热锅炉效率计算模型

进入余热锅炉的烟气温度到高压节点温差对应的烟气温度,该烟气温区的热平衡式为

（1）

式中,Mg为进入余热锅炉的烟气流量;c珋pg为t4~tΔh温区的烟气平均比定压热容;t4为进入余热锅炉的烟气温度;tΔh为高压节点温差对应的烟气温度;MsH为高压蒸汽流量;hs0H为新高压蒸汽的比焓;hsatwH为高压饱和水比焓;hrhh为热再热蒸汽比焓;hrhc为冷再热蒸汽比焓,等于高压缸排汽与中压过热蒸汽的混合比焓;MsI为中压蒸汽流量。

高压节点温差对应的烟气温度到中压节点对应的烟气温度,该烟气温区的热平衡式为

（2）

式中,为t4~tΔh温区的烟气平均比定压热容;tΔi为中压节点对

应的烟气温度;MsL为低压蒸汽流量;hs0L为低压新蒸汽比焓;hsatsL为低压饱和蒸汽比焓;hs0I为中压新蒸汽比焓;hsatwI为中压饱和水比焓;hwcH1为高压省煤器1出水比焓。

中压节点对应的烟气温度到低压节点对应的烟气温度,该烟气温区的热平衡式为

（3）

式中,为tΔi~tΔl温区的烟气平均定比压热容;tΔl为与低压节点对应的烟气温度;hstawL为低压饱和水比焓;hwc'L为低压省煤器出水比焓。

低压节点对应的烟气温度到余热锅炉出口烟气温度,该烟气温区的热平衡式为

（4）

式中,为tΔl~tgs温区的烟气平均比定压热容;tgs为余热锅炉出口烟气温度;hfw为给水比焓。根据式(1)~(4),解出排烟温度tgs,然后用公式计算余热锅炉的效率:

（5）

2实例计算

以1台三压再热余热锅炉的汽水系统为例,利用热效率计算模型,对余热锅炉热力参数与效率之间的关系进行详细地定量计算,找出余热锅炉效率随各热力参数变化的关系,并分析余热锅炉效率对各热力参数的敏感程度,找到对锅炉效率影响最大的热力参数。

2.1燃气轮机、余热锅炉、管道及汽轮机参数

δprh为高压缸排汽到再热器出口压损系数;δprhc、Δtrhc为高压缸排汽到再热器进口的压损系数与温降。

2.2计算结果及分析

2.2.1汽水侧参数对锅炉效率的影响

1)高、中、低压蒸汽温度对锅炉效率的影响

在高、中、低压力范围内,余热锅炉的效率都随着蒸汽温度的升高而下降。在低压状态下,余热锅炉效率的敏感程度最大;中压状态下其次;高压状态下,余热锅炉效率的敏感程度最小,可忽略不计。

2)高、中、低压蒸汽压力对锅炉效率的影响

在高压力范围内,余热锅炉的效率都随着蒸汽压力的升高而下降,且余热锅炉效率的敏感程度最大;在中、低压状态下,余热锅炉的效率都随着蒸汽压力的升高而升高,低压状态下其效率随压力升高而下降的幅度其次,中压状态下其效率随压力升高的幅度最小。

2.2.2烟气侧参数对锅炉效率的影响

在中压状态下,余热锅炉的效率随着节点温差的升高而逐渐上升;在高、低压范围内余热锅炉的效率随着节点温差的升高而下降,且在低压范围内效率的敏感程度最大。

在高压范围内,余热锅炉的效率与接近点温差无关;在中压范围内,余热锅炉的效率随接近点温差的升高而升高,但变化幅度不大;在低压范围内,余热锅炉的效率随着节点温差的升高而下降,且敏感程度最大。

2.2.3上、下游循环参数对锅炉效率的影响

燃气轮机的排气温度升高,则为余热锅炉提供的热量增加,使得温差增加则传热效率增加,余热锅炉吸入热量使得炉内的蒸汽升温升压,则余热锅炉的效率也随之提高。随着汽轮机排汽压力的升高,余热锅炉外侧的燃气轮机排烟温度的温差降低,使余热锅炉传热效率降低,余热锅炉的效率也随之降低。

3燃气蒸汽联合循环余热锅炉研究方向分析

3.1螺旋鳍片管设计及换热计算方法选取

联合循环余热锅炉的变温显热源和大流量的热力特性决定了其对流换热的特殊性。通常情况下,余热锅炉中烟气和汽水介质之间的换热温压比较低,为保障整体布置的紧凑性,并且减少钢材在其中的应用,就可以通过螺旋鳍片管的应用,增强余热锅炉的传热。针对螺旋鳍片管结构特性参数,在烟气介质、温度和速度相一致的情况下,螺旋鳍片管的管径越小,翅片也就越高,节点之间的距离越紧凑,所起到的传热效果也就越好。至于对联合循环余热锅炉螺旋鳍片管的换热计算方式,到现目前为止还没有相对成熟和规范的计算方法,我国对锅炉的热力进行计算,通常是选用借助国外研究成果,并在此基础上加以完善和应用,其中特别是对污染系数的修正,对这一方面进行优化又主要体现在三个方面。(1)结构参数,如:对翅片规格的优化;(2)人汽轮机排污对换热计算可能造成的影响进行分析;(3)翅片管的换热与焊接方式之间存在的联系等。

3.2烟气的流动特性

因其中温大流量工质,使得加大对联合循环余热锅炉烟气流动特性的研究十分的有必要。在当前对其进行研究主要是借助FLUENT流体计算软件展开,可以实现更加直观和具体的速度场、压力场分布,并且对其进行优化设计。又或者是借助冷态空气动力试验装置,对烟道形状特性进行校核。

3.3联合循环快速启动

为使得联合循环装置更好的适应快速启动,也就需要加大对循环布置的方式加以研究,在当前大多数的大型联合循环装置主要是运用一台燃气轮机和汽轮机相互运用一台发电机,还有就是对无旁路烟道进行应用。在结构设计方面,增大锅筒容量,避免汽水涌入;较大的水位量程设计,满足保护水位和报警水位的要求;小管径的螺旋鳍片管管径尽量要小、管壁较薄。

结论

以某三压再热燃气-蒸汽联合循环机组余热锅炉为研究对象,通过MATLAB计算数据得到余热锅炉效率随各热力参数变化关系曲线。由此可知,在高压状态下,余热锅炉效率随压力的升高而下降,且敏感程度最大;在低压状态下,余热锅炉效率随温度的升高而下降,且敏感程度最大。在低压范围内,节点温差和接近点温差敏感程度最大。燃气轮机排烟温度及汽轮机排汽压力对余热锅炉的效率也有一定的影响。通过调整这些敏感参数,深入挖掘导致电厂运行经济性下降的原因,为实现机组运行优化和技术改造提供理论依据与技术参考。

参考文献

[1]王林,王红雨,张亚夫,高景辉,孟颖琪.燃气-蒸汽联合循环余热锅炉吹管工艺及优化[J].华电技术,2018,40(06):73-74+76+80.

[2]李大刚.燃气-蒸汽联合循环发电机组余热锅炉化学清洗[J].清洗世界,2018,34(05):6-9.