燃气-蒸汽联合循环双压、三压再热余热锅炉性能分析

摘 要：燃气-蒸汽联合循环机组热效率高、环保效果好，在全世界范围内得到了广泛应用。余热锅炉作为联合循环系统中的重要设备，连接着燃气轮机和蒸汽轮机，起着承上启下的作用。研究如何提高余热锅炉的热力性能，充分挖掘其回收余热的能力，是提高机组整体热效率的重要途径。本文比较了某工程Siemens STG5-2000E机组，双压余热锅炉、三压再热余热锅炉热力参数、机组发电量、机组热耗、系统效率，得出机组最佳配置方案。

关键词：联合循环;双压余热锅炉;三压再热余热锅炉;机组性能

Abstract：Because of the high efficiency，good environmental protection effect，the gas-steam turbine combined cycle power plant （CCPP） has been widely developed all over the world.The heat recovery steam generator （HRSG） is a major equipment in the CCPP unit.The research on how to improve the performance of the HRSG and recover the heat of the flue gas as much as possible is an important way to improve the thermal efficiency of the CCPP.The performance including plant output，heat rate，plant efficiency is compared and analyzed for a Siemens STG5-2000E CCPP project.

Key words：Combined Cycle Power Plant;Dual Pressure HRSG;Triple pressure;single reheat HRSG;Plant Efficiency

隨着燃气轮机单机功率和热效率的提高，燃气-蒸汽联合循环机组逐渐成熟，再加上世界范围内天然气能源的进一步开发，燃气-蒸汽联合循环在世界能源系统中的地位越来越重要，目前，联合循环的热效率已超过55%。另外，燃气-蒸汽联合循环机组占地面积小，环保效果好，安装周期短，运行灵活可靠，具有广泛的应用前景。

燃气-蒸汽联合循环对燃料的化学能实现了梯级利用，如何进一步提高联合循环效率是目前研究的焦点之一。余热锅炉作为联合循环中的能量交换设备，同时连接着燃气轮机和蒸汽轮机，在系统中起着承上启下的作用[1]，提高余热锅炉的热力性能，最大程度的实现余热回收是提高机组整体效率，提高能源利用率的有效方法。

1 机组配置

某燃气-蒸汽联合循环机组选用西门子Siemens STG5-2000E燃气轮机，两台杭州锅炉厂生产的余热锅炉，一台西门子生产的150MW级汽轮机，机组燃料为天然气。联合循环系统配置如下：①压气机;②燃烧室;③燃机透平;④燃气轮机发电机;⑤余热锅炉;⑥蒸汽轮机;⑦蒸汽轮机发电机。

为了使燃气轮机的排气余热能够在余热锅炉中被充分利用，应尽可能降低排气离开余热锅炉的温度值。当燃气轮机排气流量大于120kg/s，以及进入余热锅炉的燃气温度高于510℃的时候，应采用双压或三压的汽水流程系统[2]。本工程燃气轮机排气参数如下：

根据文献[2]及以往工程经验，本项目设计了双压余热锅炉、三压再热余热锅炉汽水系统两种方案。

2 双压、三压余热锅炉性能比较

2.1 双压余热锅炉的受热面布置及热力参数

双压余热锅炉为无再热、无补燃、卧式、自然循环型式，受热面布置如下：①低压省煤器;②低压蒸发器;③低压过热器;④一级高压省煤器;⑤二级高压省煤器;⑥高压蒸发器;⑦一级高压过热器;⑧二级高压过热器;⑨除氧器。

双压余热锅炉受热面沿烟气流动方向依次布置为：二级高压过热器、一级高压过热器、高压蒸发器、二级高压省煤器、一级高压省煤器、低压过热器、低压蒸发器、低压省煤器。余热锅炉采用单排框架结构、全悬吊型式，热膨胀自由。

因本工程燃料为含硫量相对很低的天然气，所以应尽可能降低排烟温度，尽可能利用燃气余热，提高锅炉效率，本工程双压余热锅炉烟气排烟温度为120.1℃。

在不补燃的余热锅炉中，烟气温度与蒸汽或水的温度最接近的地方是烟气离开蒸发器的地方，这一点的烟气温度与进入蒸发器的饱和水的温度差称为节点温差，降低节点温差可以提高蒸汽参数，降低排烟温度，但随着平均传热温差的减小，受热面面积增加，同时余热锅炉烟气侧阻力增加，相应引起成本增加;接近点温差是指省煤器出口水温与相应压力下饱和水温度的差值。余热锅炉接近点温差通常取值为8～20℃，接近点温差取值为5～20℃[3]。本工程双压余热锅炉节点温差为15℃，接近点温差为9℃。余热锅炉烟气侧压降2800Pa。

提高余热锅炉的出口蒸汽参数可以提高机组的效率，但蒸汽压力提高后，也提高了蒸汽饱和温度，受节点温差的影响，节点温差点的烟气温度提高，将使主蒸汽蒸发量下降，余热锅炉排烟温度升高，余热利用率下降，所以蒸汽参数选择要考虑多方面因素。

经过优化计算，双压余热锅炉方案蒸汽侧参数如下：

2.2 三压再热余热锅炉的受热面布置及热力参数

双压余热锅炉为一次再热、无补燃、卧式、自然循环型式，受热面布置如下：

①低压省煤器;②低压蒸发器;③一级高压省煤器;④中压省煤器;⑤低压过热器;⑥中压蒸发器;⑦二级高压省煤器;⑧中压过热器;⑨高压蒸发器;⑩一级高压过热器;B11一级再热器;B12二级高压过热器;B13二级再热器;B14三级高压过热器;B15除氧器。

三压再热余热锅炉受热面沿烟气流动方向依次布置为：三级高压过热器、二级再热器、二级高压过热器、一级再热器、一级高压过热器、高压蒸发器、中压过热器、二级高压省煤器、中压蒸发器、低压过热器、中压省煤器、一级高压省煤器、低压蒸发器、低压省煤器。余热锅炉采用单排框架结构、全悬吊型式，热膨胀自由。相较于双压余热锅炉，三压再热型余热锅炉增加了中压、再热受热面，进一步提高了烟气的热量回收率，降低了排烟参数，提高了机组性能。三压再热余热锅炉烟气排烟温度为108.2℃，节点温差为13℃，接近点温差为8℃。由于增加了受热面布置，余热锅炉烟气侧压降增加为3000Pa。相较于双压余热锅炉，三压再热余热锅炉增加了高压过热器的级数，同时减小了节点温差和接近

点温差，受热面面积进一步增加，造成余热锅炉初始投资增加。

经过优化设计后三压再热余热锅炉方案蒸汽侧参数如下：

由双压余热锅炉和三压再热余热锅炉的蒸汽参数对比可知，三压余热锅炉蒸汽温度与双压余热锅炉相当，总流量也相近，但高压蒸汽压力远高于双压余热锅炉，从而导致主蒸汽管道壁厚增加，同时增加了再热系统，机组初始投资增加。

2.3 双压余热锅炉与三压再热余热锅炉热力性能对比

在汽轮机排汽背压、汽轮机效率相同的条件下，双压余热锅炉与三压再热余热锅炉热力性能参数见下表：

三压余热锅炉由于增加了中压及再热受热面及过热器级数，同时减小了节点温差和接近点温差，回收了更多的热量，同时也把烟气温度降至更低。由上表可以看出，三压再热余热锅炉比双压再热余热锅炉机组出力增加了11.3MW，机组热耗降低了159KJ/kWh，机组效率提高了1.28%，机组整体性能明显改善，具有可观的经济效益。

3 结论

（1）本工程Siemens STG5-2000E二拖一燃气-蒸汽联合循环机组采用三压再热余热锅炉方案比双压余热锅炉方案可增加机组出力、降低热耗、提高机组效率，可大幅提高机组性能。

（2）采用三压再热余热锅炉方案比双压余热锅爐方案余热锅炉等设备、汽水管道初始投资将增加。

（3）随着设备制造技术的提高、材料成本的降低及现代电厂对高效率、节能降耗的要求提高，本工程采用三压再热余热锅炉热力系统是经济合理的。

参考文献：

[1]黄文波，林汝谋.联合循环中余热锅炉及其热力特性分析.燃气轮机技术，1996，9.4.

[2]刘辉，郝红艳，张红莲.汽轮机汽封系统设计研究[J].汽轮机技术，2002，44（3）.

[3]李忠军，张永恒，王雷.联合循环中的余热锅炉及其设计参数选择.洁净煤燃烧与发电技术，2007（4）.

作者简介：刘传成（1965—），男，汉族，吉林镇赉人，本科，高级工程师，副总工程师，火力发电厂热机专业设计。