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燃气轮机余热锅炉技术
燃气轮机余热锅炉技术
燃气一蒸汽联合循环发电是当今世界上开展极为迅速一种高效、低污染发电技术，它己成为兴旺国家新建热力发电厂首选系统。

经过近三十年研究和不断改良，联合循环发电不仅在效率上超过蒸汽发电效率〔后者<=42％〕，而且在众多方面均表达出明显优势。它己成为全世界公认具有发电效率高，调峰能力强，单位功率投资少，建立周期短。占地面积小，污染程度低新一代发电设备。

1．1原理及应用

燃气一蒸汽联合循环发电系统是由燃气轮机发电系统和锅炉蒸汽轮机发电系统所组成。众所周知，锅炉一蒸汽轮机发电是利用高中压过热蒸汽〔通常参数为3.82～16.7MPa， 450～550℃〕在汽轮机中作功转换成机械能，完成朗肯循环过程；燃气轮机发电系统是燃气在燃气涡轮机中经绝热膨胀作功过程，这种热力循环又称布雷顿循环，它是由压气机将空气加压进入燃烧室，燃料燃烧后燃气在透平中膨胀作功，燃机将高温高压燃气能量〔通常参数约0．5～1Mpa 1000～1300℃〕转换成机械能。在烟气温度降至500℃左右时排放，人们充分利用这两种热力循环特点，把它们结合在一起，组成“联合循环〞，使其具有较高吸热平均温度和较低放热平均温度，为提高电站热效率开辟了一条新途径，这是人类发电事业上继创造蒸汽轮机发电后技术上又一突破。

目前燃气轮机发电在世界上已广为应用，其发电容量占世界总发电容量11％。近些年来，世界上兴旺国家常规联合循环发电得到快速开展；每年新增联合循环机组总装机容量约占火电总新增容量40％～50％。据报道，1981～1990年，世界各燃机制造公司共售出1661台燃机，总容量为54900MW，其中用于联合循环占37．9％,1992年，这个比例上升为44．7％。美国在1992～1996年中，新增火力发电厂总装机容量38．5％是采用燃机联合循环。当今世界上单台燃机最大功率己达250MM，联合循环总功率达350MW。能生产300MW等级联合循环厂家有GE、SIEMENS、ABB和ALSTOM等著名公司，联合循环电站效率高达58％以上。现在燃气轮机正向着大功率、高燃烧温度开展。联合循环采用三压再热循环机组，具有更高机组效率和可*性。燃气一蒸汽联合循环已经成为世界上火电建立重要组成局部。

我国早在六十年代就己开场关注这项技术开展，由于工业技术、经济能力及能源政策等诸多因素影响，这种高难度大型设备在我国一直停留在研究状态。近些年来，特别是改革开放以来，随着国民经济开展和电力供给需要。燃气轮机发电机组在我国己开场投入使用并获得快速开展。我国己陆续引进了几十套燃气轮机发电机组和联合循环系统，到1998年6月，20MW以上燃气轮机发电机组及联合循环电站总装机容量为6268．9MW，占国内火电机组总容量3．5％。为联合循环发电设备在我国推广应用建立了良好条件。

1．2杭州锅炉厂开发燃机余热锅炉概况

1．2．1根底工作

杭州锅炉厂长期致力于燃机余热锅炉研究和产品开发，早在七十年代中，就被原机械工业部定点作为我国余热锅炉研究开发和制造基地。并于1977年批准成立杭州余热锅炉研究所。七十年代后期，我厂成功研制了燃机余热锅炉高效换热元件及其关键非标绕制设备；八十年代初建成大型传热风洞试验台，进展了国产螺旋鳍片管热力和阻力特性研究，获得了可普遍应用热力和阻力计算准那么方程式及其它研究结果，并通过了专家鉴定，为燃机余热锅炉产品开发创造了条件。

1．2．2产品开发概况

开展我国燃气一蒸汽联合循环发电技术，开发燃气轮机余热锅炉机组一直是国内动力行业梦寐以求愿望，杭州锅炉厂在立足自我开发根底上积极开展与国外著名公司技术交往，分别与美国GE、法国ALST0M、英国R．R、荷兰NEM、比利时CMI、日本MHI等著名公司开展考察、交流、监造等活动。

八十年代中期，我厂在国家支持下，通过技贸结合方式与英国约翰·布朗〔J．B〕公司、荷兰斯坦特·法索〔S．F．L．〕公司建立了电力伙伴集团，合作为辽河、胜利、中原等油田及重庆江北电厂制造燃气轮机余热锅炉。通过消化、吸收、创新，杭州锅炉厂具备了独立设计制造多种各类新型燃气轮机余热锅炉能力。迄今为止。我厂自行开发燃机余热锅炉己有13台〔套〕，其中7台〔套〕己投入商业运行，包括配FT8双联轻型燃机三压余热锅炉和配PG6551B型〔Ms6000系列〕燃重油燃机立式余热锅炉。如果计入与国外合作生产己达24台〔套〕，它们分别安装在广东广州、深圳，江苏无锡、苏州、常州，浙江金华、瑞安、余姚、镇海，广西柳州及天津等地。与荷兰NEM公司合作生产配PG9171E型燃重油立式余热锅炉也己于1998年投入联合循环试运行。

近十年来，杭州锅炉厂燃机余热锅炉技术开发能力得到迅速提高。

1990年，为广东汕头燃机电厂修复了法国斯坦因〔stein〕公司36MW燃气轮机余热锅炉并更换了大局部受压元件。
1991年，为深圳金岗电厂设计制造了我国首台23MW燃气轮机余热锅炉，开创我国独立设计制造联合循环机组余热锅炉业绩，该锅炉一次投运获得成功，为用户创造了极好经济效益。
1993年深圳金岗电厂向深圳市和国家有关部门申请建立国产50MW联合循环发电工程，并获国家经贸委批准立项。我厂承当了其中配36MW燃机余热锅炉研制工作。该锅炉与国产pG6531B型燃气轮机相匹配，利用燃机排出543℃烟气热能，产生压力为3．82Mpa、温度为450℃过热蒸汽用于发电，锅炉蒸发量达65t/h。这也是当时我国自行设计制造单台容量最大燃机余热锅炉。该锅炉于1995年1月投入运行，同年3月经浙江省机械工业锅炉产品热工测试中心测试。结果说明设备性能到达了设计要求。从1995年1月到1996年6月一年半实际运行结果说明，余热锅炉累计工作近5000小时，发电5700万kW，启停363次,所带最大负荷15.2MW。锅炉主要技术性能和平安可*性均到达国际先进水平。机组发电成功，实现了联合循环高效发电设备国产化目标。1996年7月。国家经贸委、机械部、电力部在深圳召开了国产首台36MW燃机余热锅炉产品鉴定会，得到了各级领导和有关专家肯定和赞扬。
1994年，我厂为无锡爱依斯一凯瑞克电厂设计制造了配美国TPM公司FT8双联燃机三压余热锅炉，它由中压和低压及除氧三局部组成。该锅炉试制成功，在技术上实现了从单压到三压飞跃，并进入燃机余热利用国际先进展列。与此同时，我厂先后为余姚、苏州等地电厂设计制造了36MW双压燃机余热锅炉。
1996年。我厂与荷兰NEM公司合作。为镇海燃机电厂300MW燃气一蒸汽联合循环电站制造了余热锅炉，该锅炉单件管箱最大重量达190吨，它制造成功，为我厂研制开发更大容量燃机余热锅炉打下了扎实根底。
1996年，杭州锅炉厂在成功开发配燃天然气、轻柴油燃机单压、双压、三压自然循环〔卧式〕余热锅炉后，为适应配各类燃重油燃机需求，研制和开发了强制循环〔立式〕燃机余热锅炉，强制循环燃机余热锅炉开发又为我厂燃机余热锅炉家族增添了一个新系列。
1．2．3产品特点

我厂对产品系列化和扩大燃机燃料适用范围方面，进展了大量研制开发工作，归纳起来主要有以下几个方面；

〔1〕锅炉压力等级

完成了从单压余热锅炉向双压、三压开展，锅炉自带除氧蒸发器。实现锅炉压力多级化，可提高能源利用率；

〔2〕锅炉水循环方式

在自然循环卧式锅炉根底上又开发了强制循环立式燃机余热锅炉，以满足不同用户需求；

〔3〕燃料适用范围

燃机燃料随着其来源和地域不同而变化。本厂己开发了适应燃轻油、天然气、重油、原油等燃料燃机余热锅炉，以适应形势和满足用户需求；

〔4〕燃机容量适应范围

从最初研制8t／h，2.75Mpa余热锅炉，到配MS5000， MS6000系列及WH251B11型燃机中压、次高压余热锅炉，并于1996年与荷兰NEM合作生产了MS9000型燃机余热锅炉。

杭州锅炉厂生产燃机余热锅炉主要特点：

〔1〕采用优化系列设计。标准单元模块构造，布置合理，性能先进，以实现高效节能；

〔2〕锅炉能适应不同燃料燃机，能满足不同余热利用需求，在配不同燃料燃机锅炉运行实践中，均到达了平安可*，操作方便；

〔3〕锅炉能够适应燃机频繁启停要求。调峰能力强，启动快捷：

〔4〕锅炉受热面采用本厂制造高效换热元件一螺旋鳍片管，适应小温差、大流量、低[阻力传热方式。实践证明，本厂生产该高效传热元件己到达国际同类产品水平，可替代进口。

〔5〕锅炉采用良好绝热保温构造，设置多层护板，严密性强，外形美观。

〔6〕锅炉组装出厂，安装方便，周期短。

杭州锅炉厂现己具备设计制造各种压力等级、不同容量燃气轮机余热锅炉能力，成为目前国内唯一一家有经历能够设计制造各类燃机余热锅炉及成套供给厂家。本厂供货范围：从燃机出口到主烟囱为止，包括烟道系统，管路系统和各受压部件，辅机配件等。

杭州锅炉厂生产36MW燃机余热锅炉产品受到国家和地方政府高度重视，先后被国家科委列入1997年国家级火炬推广工程，并获得了杭州市科技进步一等奖和浙江省科技进步一等奖。

随着电力事业不断进步，燃机正向着大容量，高效率方向开展，这将对余热锅炉提出更高技术要求，任重而道远。我们将继续走自主开发和引进技术相结合道路，开展大容章，高参数，配各类燃机余热锅炉，继续拓宽国产化道路，适应燃气一蒸汽联合循环乃至更复杂动力系统技术开展形势，为我国电力事业开展作出新奉献。

2．联合循环余热锅炉炉型

2．1自然循环余热锅炉

本厂生产自然循环型燃机余热锅炉整体布置及各部件关键构造参照1987年通过合作生产方式引进英国John Brown Engineer荷兰Standard Faselentjes同类产品〔该公司引进美国Vogt公司技术〕模式。锅炉构造合理。能适应燃机负荷变化，运行操作方便，维修方便，性能稳定，适宜与燃用天然气、轻柴油燃机相配套，满足快速后停要求，可确保联合循环发电机组长期平安、可*、高效、经济运行。

自然循环余热锅炉多为卧式布置。

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。烟气流向和流量由与三通相联调节门控制，过程可在主控室遥控，也可在调节门就地手动调节。锅炉汽水流程为：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个通过锅筒下部集中下降管进入高压蒸发器管屏。吸热后上升进入锅筒进展汽水别离。别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日集箱引出锅炉。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。双压余热锅炉另一路给水直接进入低压锅筒，由下降管引入低压蒸发器管屏，蒸发吸热后上升进入低压锅筒进展汽水别离，别离后饱和水回下降管，低压蒸汽由低压锅筒上部引出、经减压后进入除氧器用于除氧。

自然循环余热锅炉采用标准单元模块构造，由垂直布置错列螺旋鳍片管和上下两集箱组成管屏，各级受热面管屏尺寸根本相似。该构造适应能力强，便于布置受热面，检修方便，烟气压降小，能彻底疏排水。

2．2强制循环余热锅炉

本厂设计制造强制循环燃机余热锅炉吸取了国外进口产品优点，露天布置，采用国际上流行塔式悬吊构造。该类型锅炉构造先进合理。适于与燃用天然气、轻油及劣质重油燃气轮机相配套，特别适应于快速启停。对燃机负荷适应性强，占地面积小，运行性能稳定，操作方便，可确保联合循环发电机组长期平安、可*、高效、经济运行。

强制循环余热锅炉多为立式布置。

锅炉烟气流程：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，先后依次冲刷上下温过热器、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。

锅炉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〕。上下压蒸发器内本循环动力由强制循环泵提供，确保水循环平安可*。这类炉型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。

强制循环余热锅炉受热面按部件制成管箱形式出厂，管箱由穿过数块管板水平错列布置螺旋鳍片管及进出口集箱组成，在厂内组装成大型箱体，现场整体安装。

2．3卧式自然循环与立式强制循环余热锅炉比照方下：

卧式与立式燃机余热锅炉比照
工程      立式    卧式
水循环    强制    自然
启动时间  短      较长
占地面积  小      较大
构造    较复杂    简单
操作运行 较复杂    简单
厂用电    较多      少
燃料适应性 强      较弱
初投资    较高      低

3．典型炉型介绍

杭州锅炉厂开发具有代表性燃机余热锅炉介绍如下：

3．1配MS5000和MS6000系列燃气轮机自然循环余热锅炉

3．1．1配MS5000系列燃气轮机余热锅炉

该锅炉为带烟气旁路系统单压余热锅炉，与PG5301型23MW燃气轮机相匹配，单层露天布置。

锅炉标准：

·燃机排气参数

流量 410000kg/h

温度 460℃

燃机燃料 0＃轻柴油，油田伴生气

环境温度 15℃

·锅炉设计参数

蒸发量 40t／h

额定蒸汽压力 2.75MPa

额定蒸汽温度 390℃

给水温度 105℃

锅炉本体受热面采用标准单元模块式构造，烟气水平依次流过上下温过热器、蒸发器和省煤器。

锅炉于1993年5月在深圳金岗电厂投运成功，通过了72小时试运行。每天启停运行工况说明，锅炉启停迅速，负荷调节灵敏，参数到达设计要求，最大蒸发量超过40t／h，完全能够适应燃气一蒸汽联合循环发电系统运行要求和对锅炉压降要求，锅炉运行简单，水循环平安可*。

深圳金岗电厂是使用国产燃气轮机余热锅炉我国第一座燃气一蒸汽联合电站，燃机和汽轮机为老机组，整个循环系统总投资约8个月可回收，企业年受益1600万元，缓和了当时区域电力供需矛盾，取得了良好社会效益。

3．1．2配MS6000系列燃气轮机余热锅炉

该锅炉与PG6531B型36MW燃气轮机相匹配。

锅炉标准

·燃机排气参数

烟气流量 491000kg/h

烟气流量 543℃

燃机燃料 0＃轻柴油，油田伴生气

环境温度 15℃

·锅炉设计参数

蒸发量 65t/h

额定蒸汽压力 3.82MPa

额定蒸汽温度 450℃

给水温度 104℃

排烟温度 185.4℃

锅炉本体构造形式与受热面组成与上述40t／h锅炉一样。

该余热锅炉于1995年3月由浙江省工业锅炉热工测试中心进展了热工测试，结果说明，锅炉本体性能良好，到达了设计参数，能满足联合循环运行要求。

装在深圳金岗电厂这套燃气一蒸汽联合循环机组是我国首台全部国产设备组成联合循环机组，这说明联合循环发电设备国产化已进入了一个新阶段，对我国电力事业开展起广定推动作用。

3．2配FT一8轻型双联燃气轮机自然循环余热锅炉

配FT8轻型双联燃气轮机余热锅炉为带除氧蒸汽系统三压余热锅炉。

锅炉标准

·燃机排气参数

烟气流量 597600kg/h

烟气温度 467℃

燃机燃料 0＃轻柴油

环境温度 15℃

·锅炉设计参数

蒸发量 中压／低压 59．2／11t/h

额定蒸汽压力 中压／低压 3．48／0．88MPa

额定蒸汽温度 中压／低压 435／230℃

给水温度／除氧器进水温度 104／35℃

排烟温度 ～130℃

锅炉本体受热面仍采用标准单元模块式构造，受热面由中压上下温过热器、中压蒸发器、中压省煤器、低压过热器、低压蒸发器。低压省煤器和除氧器组成，在中压上下温过热器之间设置喷水减温器。

该锅炉是国内首台带除氧蒸发系统燃气轮机余热锅炉，国内产生中压、低压蒸汽分别进入汽轮机中压缸和低压缸作功。此外在烟温较低处还布置了一组更低压力等级蒸发器，产生蒸汽用以加热除氧水箱中来自冷凝器冷凝水。采用三压汽水系统构造复杂，但可更充分利用烟气热烙因而节能效果最正确。这种联合循环机组设计发电效率可到达49％。

3．3配MS6000系列PG6551B型燃气轮机强制循环余热锅炉

锅炉标准

·燃机排气参数

烟气流量 514000kg/h

烟气温度 538℃

燃机燃料 180cst重油

环境温度 15℃

·锅炉设计参数

蒸发量 中压／低压65．6／10．2t/h

额定蒸汽压力 中压／低压 3．82／0．4MPa

额定蒸汽温度 中压／低压 450／151℃

烟气自下而上依次冲刷高？低温过热器、蒸发器和省煤器，然后经烟囱排入大气。鳍片管受热面水平错列布置，而各级受热面分成假设干管箱，组装出厂。采用喷水减温控制蒸汽温度。