燃气—蒸汽联合循环余热锅炉烟气阻力分布比例对锅炉经济性影响研究

燃气—蒸汽联合循环余热锅炉烟气阻力分布比例对锅炉经济性影响研究

王义方，苏城丽

(中国船舶重工集团公司第七〇三研究所，黑龙江哈尔滨150078)

摘要：本文提出一种燃气—蒸汽联合循环余热锅炉整体优化方法，通过从整体上优化入口烟道、锅炉本体和烟囱系统所占烟气阻力的比例，将锅炉总重量降到最低水平，得出了烟气阻力在锅炉入口烟道、锅炉本体和烟囱系统这三者所占比例为3%、86%、11%时将使结构最合理经济的结论。

关键词：余热锅炉；联合循环；烟气阻力；优化；经济性

中图分类号：TK229.92`+9

文献标识码：A

文章编号：1002-6339 (2015) 01-0072-05

Abstract：This paper presents the study on a complete optimization method of the heat recovery steam generation in the gas/steam combine cycle, By completely optimize the distributing resistance of the inlet gas flue, the boiler and the chimney system to make the lowest boiler weight come true. The results show that the inlet gas flue, the boiler and the chimney system provided with 3%, 86%, 11% gas resistance will make the boiler logical and economical structure,

收稿日期2014-06-21修订稿日期2014-08-07

作者简介：王义方(1982～)男,硕士,工程师,主要从事余热锅炉方案及设计工作。

A Study on the Proportion Gas Resistance of the Heat Recovery Steam Generation in the Gas/Steam Combine Cycle to the Boiler Economical InfluenceWANG Yi-fang,SU Cheng-li

(CSIC NO. 703 Research Institute, Harbin 150078, China)

Key words：heat recovery steam generation; combine cycle; gas resistance; optimize; economical

0引言

燃气—蒸汽联合循环发电系统具有运行污染少、建设周期短、效率高和设备可以迅速启停等特点，尤其适用于作为调峰电厂、热电联产电厂和老电厂扩容改造，因而受到广泛重视,近年来快速发展。余热锅炉是燃气—蒸汽联合循环电厂中起承上启下作用的重要设备，它利用燃气轮机排放的高温烟气将水转化为高品位蒸汽，通过卡诺循环推动汽轮机做功，也可以作为工业用汽的汽源，该设备对于节能减排具有重要意义[1]。

燃气轮机设置余热锅炉后背压增加，这不可避免地引起燃气轮机功率下降，一般燃机背压每增加10 Pa，燃机功率将下降0.45%～0.6%，故燃机一般要求背压亦即余热锅炉烟气阻力尽可能低。而对于余热锅炉而言烟气阻力的大小则决定了锅炉的大小，与其经济性息息相关。相比于普通燃煤、燃油和燃气锅炉，燃机余热锅炉处于低品位能量区，其特点是余热锅炉入口烟气量大，烟温低(一般550℃左右)，因此余热锅炉主要以对流换热的方式进行能量交换，基本不存在辐射换热，换热系数较低，这就决定了余热锅炉受热面庞大，金属利用率低。由于余热锅炉烟气量大，在锅炉入口烟道和烟囱(含锅炉出口烟道)等非换热区也存在着较大的烟气阻力，由于余热锅炉允许的烟气阻力已经确定，将该烟气阻力如何合理地分布于锅炉入口烟道、锅炉本体和烟囱系统中，使锅炉的钢材消耗量降到最低，将对锅炉的结构合理性和经济性具有重要意义。

本文以实际燃气—蒸汽联合循环余热锅炉为原型，着眼于整体设计以经济性和结构合理性为设计理念，从整体上通过优化锅炉入口烟道、锅炉本体、锅炉出口烟道和烟囱所占烟气阻力的比例，将锅炉重量降到最低，这将对合理控制成本具有重要意义。

1燃气—蒸汽联合循环余热锅炉的计算依据

1.1设计原始数据

本文以实际已经设计完成的PG9171E燃气—蒸汽联合循环余热锅炉为基础，以期推导出具有普遍意义的优化规律。该余热锅炉的设计参数以及燃机排气参数见表1。

表1燃机余热锅炉技术规范

序号名称设计工况1环境温度/℃172燃机燃料天然气3燃机出口烟温/℃550.44燃机烟气流量/t·h-11483.55高压过热蒸汽压力/MPa(g)5.9096高压过热蒸汽温度/℃521±57高压过热蒸汽产量/t·h-1192.48低压过热蒸汽压力/MPa(g)0.5349低压过热蒸汽温度/℃253±510低压过热蒸汽产量/t·h-134.411锅炉排污率/[%]0.512冷凝水温度/℃3813锅炉排烟温度/℃99.714锅炉烟气阻力/Pa3000

1.2锅炉布置结构

图1　余热锅炉布置图

燃机余热锅炉烟气阻力主要存在于锅炉入口烟道、锅炉本体和烟囱系统中(见图1)。

2余热锅炉烟气阻力的计算公式[2]

2.1烟道阻力计算的通用公式

(1)

式中ζ1——沿程摩擦阻力系数；

ζ2——局部阻力系数；

ρ——烟气密度/kg·m-3；

w——烟气速度/m·s-1。

2.2余热锅炉入口烟道和烟囱系统沿程摩擦阻力系数

(2)

式中d∂——当量直径/m；

l——烟道长度/m；

k——管壁绝对粗糙度。

2.3余热锅炉入口烟道渐扩局部阻力系数

该烟气阻力按前苏联《锅炉设备空气动力计算》(标准方法)计算(1977年版见图2)。

2.4受热面错列布置翅片管受热面阻力系数

ζ1+ζ2=ζ0Z

(3)

式中Z——沿管束深度方向的管子排数；

ζ0——转弯原始阻力系数。

(4)

式中Cs——错列管束形状系数；

Rel——计算雷诺数；

CZ——管子排数修正系数。

2.5烟囱系统局部阻力系数

ζ2=KΔζ0BC

(5)

图2　烟道渐扩阻力系数

表2余热锅炉烟气阻力和重量数据表

序号名称数据1数据2数据3数据4数据51受热面计算高度/m14.114.414.71515.32锅炉入口过渡烟道阻力/Pa1.081.071.051.041.023锅炉本体阻力/Pa28.0227.0126.0525.1424.284烟囱系统阻力/Pa1.231.953.264.164.935锅炉总阻力/Pa30.3430.0230.3630.3430.246锅炉入口过渡烟道重量/t69.570.070.771.471.97锅炉构架及护板重量/t188.0190.0192.0194.0196.08锅炉受热面重量/t548.7560.3571.8583.4594.99烟囱系统重量/t240.5213.4176.932169.9158.410锅炉总重量折算后对比值M1430.81425.91411.71427.11437.7

式中KΔ——考虑管壁粗糙度影响的系数；

B——转弯角度确定的系数；

C——转弯形状系数。

3计算结果

对燃机余热锅炉而言，锅炉受热面是热交换的主体，锅炉入口烟道和烟囱系统处于从属地位，烟气阻力也大部分集中于该部分，从某种意义上说，烟气阻力只有消耗在该部分才具有实际意义。因此本文以受热面为基础，锅炉入口烟道和烟囱系统从烟气阻力上适应受热面，使整个系统烟气阻力不超过设计要求的3 000 Pa。计算时保持余热锅炉宽度不变，调整受热面高度。

根据现行的钢材成品价格，受热面大致是结构件的1.7倍，为了方便对余热锅炉因受热面高度不同而引起的锅炉重量的变化进行经济性对比分析，现定义锅炉入口烟道和烟囱系统每吨重量的价格为M，锅炉受热面每吨的价格为1.7 M，这样就可以把三者综合起来，从整体价格上进行分析。各种受热面计算高度下的各部分烟气阻力和各部分的重量以及总重量见表2。

4对计算结果的优化分析

本文设置受热面高度从14.1～15.3 m，每间隔0.3 m取一点作为设计工况，力争将误差缩到最小，以下将对表2的计算结果从各部分阻力到各部分重量再到总重量进行对比，使数据更加直观，结论更有通用性。

图3　余热锅炉各部分重量随受热面高度不同的变化曲线 (余热锅炉总阻力不变，锅炉宽度不变)

从图3上可以看出随着受热面高度的增加，各部分重量的变化基本上呈线性分布， 在余热锅炉总阻力一定的条件下，随着受热面高度的增加锅炉入口烟道、锅炉构架护板和锅炉受热面都呈增加趋势，而锅炉烟囱系统则呈下降趋势，这就意味着总重量必定有一个最低点的存在，也就是经济上最合理的结构存在。

图4　余热锅炉各部分阻力随受热面高度不同的变化曲线 (余热锅炉总阻力不变，锅炉宽度不变)

从图4上可以看出随着受热面高度的增加，锅炉入口烟道和锅炉本体部分的烟气阻力呈下降趋势，主要是因为锅炉宽度不变，高度增加将使流通截面积增加，进而使烟气速度降低，使烟气阻力降低，剩余允许的烟气阻力将被锅炉出口烟道及烟囱吸收，可以通过缩小烟囱直径，以提高通过烟囱的烟气速度来实现。图4与图3对照可以看出各部分烟气阻力与其重量的关系。

图5　余热锅炉折算后总重量随受热面高度不同 的变化曲线(余热锅炉总阻力不变，锅炉宽度不变)

图5是图3折算后相加的总价格对比图，从图中可以直观的看出，随着受热面高度的不同，在受热面高度为14.7 m存在一个价格最低值，说明在该受热面高度下，锅炉最节省钢材，也就是从经济上来说最合理的结构。

图6　余热锅炉各部分重量分布比例

从图6中可以看出在锅炉总重量最低条件下，锅炉各部分重量分布，锅炉受热面所占比例最大为57%；其次是锅炉构架及护板占19%，构架及护板由受热面决定调节余地较小，比较稳定；第三是烟囱系统占17%，该部分烟囱高度会随业主要求而变化，本文以国内现行标准一般为60 m假设；第四是锅炉入口烟道占7%，理论上烟道越长越好，实际上从经济性上考虑，满足烟气均匀进入受热面即可。本图的意义对于设计尚未完善的情况下，通过受热面粗略估计整台锅炉各部分重量，进而进行报价等情况具有重要意义。

图7　余热锅炉烟气阻力最佳分布比例

图7为锅炉总重量最低情况下的锅炉各部分最佳烟气阻力分布比例，从图中可以看出受热面占绝大部分约86%，烟囱系统11%居第二位，锅炉入口烟道所占比例较小3%，从此我们可以得出结论，在以后投标或者设计新的燃气—蒸汽联合循环余热锅炉时就可以在此基础上分配烟气阻力，使锅炉结构更合理、尺寸更小、重量更轻、价格更低和性能更好。

5结论

在现阶段节能减排日益严厉的大背景下，燃气—蒸汽联合循环对余热锅炉烟气阻力要求越来越严格，本文以实际燃气—蒸汽联合循环余热锅炉为原型，从整体上通过优化锅炉入口烟道、锅炉本体和烟囱系统所占烟气阻力的比例，将锅炉总重量降到最合理水平，得出了烟气阻力在锅炉入口烟道、锅炉本体和烟囱系统这三者所占比例为3%、86%、11%时将使结构最合理经济的结论,为优化设计提供了一种全新的思路。

参考文献

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