补燃式余热锅炉扩展烟道的设计

孙莉

（南京奥能锅炉有限公司，江苏南京210019）

补燃式余热锅炉扩展烟道的设计

孙莉

（南京奥能锅炉有限公司，江苏南京210019）

主要阐述了补燃烟道的结构特点，并且采用流场模拟实验来验证和调整烟道中均流板及燃烧器的布置；通过计算有效温度进行合理的补燃烟道保温设计。

扩展烟道；均流板；流动均匀性；模型试验；有效壁温；陶瓷纤维毯；固化纤维模块

引言

燃气蒸汽联合循环发电已经在我国有了广泛的应用。余热锅炉HRSG（HeatRecoverySteam Generator）作为三大主机设备之一，担负着重要的作用。作为常规的燃机余热锅炉，燃机的排气参数决定了余热锅炉的蒸汽产出。而当余热锅炉的蒸汽参数要求更高时，比如蒸汽产量要求增加，或蒸汽温度要求较高，这就要考虑到增加补燃来实现。而最简单的补燃方式就是烟道内置补燃的方法。本文就典型的案例来阐述补燃式余热锅炉扩展烟道的设计。

1 项目介绍

福建炼油乙烯IGCC装置是国内首套高度集成的汽电联产大型节能环保项目，技术先进可靠，能量利用率高。该项目配置两台GEPG9171E燃机和两台燃机余热锅炉，为了保证整个项目提供蒸汽、动力和氢气，确保全厂蒸汽管网的稳定和动力输出，两套燃机余热锅炉均设置了补燃系统[1]。未补燃时，蒸汽产量为160 t/h(3.8MPa、420℃)。在高压蒸汽管网波动时，启动补燃系统，提高锅炉的蒸汽产出量到330 t/h (3.8MPa、420℃)，以平抑蒸汽管网的波动。补燃采用燃机排气中富余的氧进行助燃，不额外送新风。

2 余热锅炉介绍

余热锅炉的结构主要由三个方面组成：1）烟道系统：包含膨胀节、进口烟道、均流板、补燃烟道、受热面模块烟道、SCR烟道、烟囱等：2）汽水系统：包含高压省煤器、高压蒸发器、高压过热器、高压汽包、汽水管道等：3）补燃系统：包含安装在烟道里的补燃器、燃料控制盘、冷却风系统和补燃器控制系统（BMS）。

3 补燃式余热锅炉扩展烟道的设计

在补燃式余热锅炉扩展烟道结构设计中，要比常规的余热锅炉多考虑以下几点：

1）烟道结构特点和流场模拟分析。常规烟道设计，我们只需要考虑燃机出口到受热面模块进口这段烟道的流动均匀性。而补燃式烟道，要考虑补燃器前后的流场均匀。在补燃器上游的扩展烟道中，增设均流板，保证气流在较短的扩散烟道中快速扩散均匀。而均流板的设计、均流板的位置、燃烧器距受热面的距离等，这些最终都需要采用数据计算模拟或流体模型试验来验证。本项目是通过流体模型试验，对进口烟道压力降、补燃后流场状态等进行分析和验证。采用有机玻璃板，线性比例按照1∶12缩小，流速按1∶4缩小建立实验模型（如图1）。通过实验，在燃烧器入口速度分布的均方根偏差小于或等于11.4%（100%的测量相对流速±25%的平均流速）。整个模块前入口烟道系统压力降为56.1mmH20。

图1 实验模型图

2）补燃烟道的保温设计。对于未补燃的HRSG，烟道内壁有效壁温等于烟气温度，而对于补燃的HRSG，烟道内壁有效壁温要高于燃烧后烟气温度（考虑辐射等影响）。我们用α(Tout-Tin)来表示烟温的增量。

对于补燃烟道内衬选材温度Twall=Tout+α(Tout-Tin)

对于补燃烟道保温选材温度T1wall=Tout+1/3α (Tout-Tin)

对于均流板与补燃器之间的保温选材温度T1wall=Tout+α(1-β)(Tout-Tin)

对于补燃燃料为天然气，且补燃器设置在扩散型烟道中，α=0.3

对于补燃燃料为天然气，且补燃器设置在平顶的烟道中，α=0.5

对于补燃燃料为石化气或油，且补燃器设置在扩散型烟道中，α=0.6

对于补燃燃料为石化气或油，且补燃器设置在平顶的烟道中，α=0.8

Twall为有效温度供内衬设计；T1wall为有效温度供保温设计；Tout为燃烧烟道烟气出口温度；Tin为燃烧烟道烟气进口温度；Β为辐射遮挡系数（燃烧器遮挡面积比率）。

石化气是指包含富有H2或烯烃或任何一种火焰温度比天然气高222℃的气体燃料。

燃油被包括是因为油燃烧的火焰具有较高的发射率。

通常的内衬板的选材，见表1。

表1 内衬选择表

保温材料也是根据温度的不同，选择不同的保温材料。对于低中温情况，通常选用陶瓷纤维毯，耐温1 260℃，容重128 kg/m3。高温情况，通常采用固化纤维模块，但要求烟气流速小于36.6m/s。根据有效温度，选择正确的固化纤维模和安装方式。不同温度下，安装方式也不同。如图2所示：

图2 纤维块安装方式

具体安装方式要按照纤维模块供货商的安装要求安装。

本项目最大补燃温度工况为冬季工况，入口烟温为527.8℃,补燃后出口烟温为795.1℃，燃料为液化石油气（LPG），β=0.54。

对于补燃烟道内衬选材温度Twall=Tout+α(Tout-Tin) =688.18℃；

对于补燃烟道保温选材温度T1wall=Tout+1/3α (Tout-Tin)=616.9℃；

因此，该项目选用表1序号5方式，3mm厚度的310SS为内衬材料，275mm厚（5层50mm+1层25mm）的陶瓷纤维毯（耐温1260℃，容重128kg/m3）。

4 结语

总体看来，补燃余热锅炉的扩展烟道设计要比未补燃烟道复杂得多。在设计过程中，要注意：1）流场的速度均匀性，否则容易产生燃烧器或烟气挡板过烧，损坏。受热面管屏容易磨损或局部过烧。2）考虑压力降的增加，补燃比未补燃烟道内，增加了均流板、燃烧器及挡板等，增加了阻力降。3）考虑选择合适的烟道保温材料，防止出现保温材料破损，局部热点或外表面超温。

[1]杨薇,李迎春.燃气联合循环余热锅炉补燃系统设计实践[J].余热锅炉,2013(3):1-5.

（编辑：王红霖）

The Inlet Duct Design of Supp lementary Fired HRSG

Sun Li
(AE&E Nanjing Boiler Co.,Ltd.,Nanjing Jiangsu 210019)

Thisarticlemainly described the structural characteristicsof firing duct,and using flowmodelstudy test to verify and adjust the perforated plateand burnersarrangementin theinletduct;Calculating theeffective temperatureand selectthe reasonable linerand insulation.

inletduct;perforated plate;flow uniformity;flowmodel test;effective temperature;ceramic fiberblanket;ceramic fibermoudle

TM611.31

A

2095-0748(2016)24-0055-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.24.22

2016-11-25

孙莉（1980—），女，江苏邳州人，本科，中级工程师，研究方向：余热锅炉设计研发。