9F联合循环机组余热锅炉效率研究

杨学峰

引言：本文提出了影响109FA燃气轮机联合循环机组9F余热锅炉影响联合循环的主要因素以及影响余热锅炉效率的因素，为生产运行人员提供技术支持。

一、前言

109FA级单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组，燃机、汽机、发电机由美国GE公司提供。余热锅炉由杭州锅炉集团供应，为三压、再热、卧式、无补燃、自然循环。

二、9F余热锅炉热效率计算

9F余热锅炉是109FA联合循环机组运行中的一个关键部件。

1.模块热平衡方程

从热力学角度来考虑，余热锅炉中的每一个模块就是一个烟气放热和汽水吸热的能量平衡方程，即：

进一步分析式（2-1）。当过热蒸汽压力升高时，蒸发器的饱和压力及其对应的饱和温度升高。在节点温差和接近点温差不变的条件下，蒸发器出口部位对应的烟气侧的温度也相应上升。当然也并不是余热锅炉的排烟温度越低越好，一方面排烟温度受到烟气露点、水蒸汽露点和酸露点的限制，排烟温度不能低于露点温度（通常要求保持高于10℃以上）。另一方面从联合循环蒸汽循环的做功来看，存在过热蒸汽合适参数的优化选择问题。低的蒸汽压力（此时对应的余热锅炉排烟温度也较低）不一定使蒸汽循环的做功最大。

三、影响9FA余热锅炉效率的主要因素

1.节点温差和接近点温差

节点温差是蒸发器出口部位烟气侧温度与工质饱和温度的差值，通常是整个余热锅炉中烟气侧与工质侧温差的最小点。节点温差的选择对蒸发量的影响较大，节点温差反映了余热锅炉的热能利用程度。节点温差越小，排烟温度就越小，烟气余热回收量就越大，即余热锅炉的效率越大。对于节点温差，国外先进的制造技术一般选为10℃，随着 燃气轮机向大容量、高参数的方向发展，这一参数有更为减小的趋势，从表2中可以得到9FA联合循环机组中的燃气轮机节点温差低压锅炉11.1℃，中压锅炉14.9℃，高压锅炉3.6。

2.烟气的压力损失

为提高对流传热系数，减少传热面积，就要提高烟气流速，这就会使其烟气压力损失越大。燃气轮机背压升高导致其输出功率和效率就减少，联合发电设备整体效率也降低，当采用减少节点温差和多压系统时，由于HRSG传热面积的增加，也导致烟气侧流动阻力的增大，燃气轮机的功率减少。一般来说燃气轮机的背压每提高1%，机组的功率会下降0.5%左右。所以烟气压力损失要根据系统整体的经济性而加以确定。

3.余热锅炉入口的烟气温度与排烟温度

由式（2-2）和式（2-3）可以看出，在一定的蒸汽参数等条件下，余热锅炉的入口温度越高，余热锅炉中单位烟气质量的蒸汽产量越多，此时的排烟温度也越低。反之，入口烟温越低，排烟温度越高。余热锅炉的排烟温度越低，其效率就越高，但会因此扩大受热面积和增加设备费用。同时烟气中含有硫分时会产生硫腐蚀也限制余热锅炉出口的烟气温度。排烟温度也不是独立的参数变量，当汽水系统的一些参数，如饱和蒸汽压力和节点温差已定时，它就被确定。

4.烟气成分

燃气轮机排气由燃气轮机内燃料与空气接近完全燃烧后的烟气和大量的燃烧冷却空气混合而成。相同温度时，不同烟气成分的焓值不同，特别是水与其他成分的差别较大。设计计算时，一定温度下烟气比焓根据各烟气成分在对应温度下的比焓和其百分含量的代数平均进行计算。

5.蒸汽参数

产生的蒸汽温度高，蒸汽产量减少，而汽轮机的输出功率则会增加，机组效率提高。而提高蒸汽温度，就要增加过热器的受热面积，也增加对材料的要求。此外，燃气轮机 的排气温度会随蒸汽轮机负荷、环境温度、大气压力的改变而改变，HRSG产生的蒸汽温度也会随之变化。

四、保证9FA余热锅炉发挥最大效率的因素分析

余热锅炉设计的前提是联合循环及其汽水系统方案，并由此确定其T-Q（温度-热量）图。汽水系统的选择主要取决于与之相配的燃气轮机形式、参数和用户的需要。如燃气轮机在额定功率下排气温度低于566℃的联合循环，多采用单压或多压 无再热的蒸汽循环；而大功率、高排气温度的燃气轮机多配多压再热的蒸汽循环。

各种余热锅炉设计的出发点都是烟气侧和蒸汽侧温度分布曲线，一旦T-Q图确定，则HRSG各段受热部件的受热面积就被确定。T-Q图是基于严格完整的热平衡计算基础上加以确定，同时还要考虑关键参数的优化匹配和变工况特性等。

1.蒸汽参数的稳定性

要求在燃气轮机变工况运行时，蒸汽参数不随之发生大的波动而影响到汽轮机的安全有效运行，保证HRSG热力参数处于合理范围和不超出工程和热力上的限制值。一般采 用滑压运行是合理的，即主进汽门一直在常开状态，不随负荷波动而变化。这不但对汽轮机变工况运行有利，同时可提高联合循环设计工况和部分负荷时的效率。

2.热惯性与热应力

HRSG系统要具有低的热惯性，以使余热锅炉能适应燃气轮机快速启动、快速加减负荷的动态特性，缩短整个联合循环系统的启动时间。在机组启动初期，燃气轮机点火后，会进行一分钟的暖机，这也同时对余热锅炉内部受热模块进行了均匀缓慢受热，有效防止了温度突升而产生较大热应力而对余热锅炉模块的损伤。

3.干烧能力

HRSG还应具有一定的“干烧”能力（无水情况下），以避免旁通阀等发生故障而烧坏。一般干烧时，烟气温度不高于566℃。低压锅炉干烧为5.1min，中压锅炉干烧为5.73min，高压锅炉干烧为2.07min。

五、结束语

研究表明，9FA余热锅炉效率在运行过程中主要受燃机排气温度，大气温度，排烟温度的影响。运行生产中应特别注意排烟温度的变化情况，排烟温度过高或过低都要及时分析是否正常现象。

参考文献

[1]焦树建 燃气—蒸汽联合循环.北京：机械出版社，2003.6.

[2]杭州锅炉厂9F余热锅炉设计说明书.

[3]GE. GE GASTURBINE OPERATION MANUAL.

（作者单位：山东鲁电调试运行技术有限公司）