燃气轮机余热锅炉2004年5月目录1、概述2、国内外燃机余热锅炉现状3、不同类型燃机余热锅炉的比较4、重要热工特性的确定5、重要结构特性的确定6、燃机余热锅炉热平衡方程7、螺旋翅片管的设计8、受热面管组的设计9、典型燃机余热锅炉规范10、本公司燃机余热锅炉特点11、锅炉的重量构成与价格构成12、主要的设计标准13、提供审查的主要设计文件1. 概述1.1 联合循环分为两大类a. 蒸汽－燃气联合循环●以蒸汽作功为主的联合循环。

●以增压锅炉、蒸汽轮机为主，燃气轮机作为废气透平使用，不对外作功或提供一定的剩余功。

b. 燃气－蒸汽联合循环●以燃气轮机为主的联合循环●燃气轮机为其主机，余热锅炉和蒸汽轮机作功约占燃气轮机的50％。

1.2 燃气－蒸汽联合循环发电机组与常规火电机组比较●循环效率高●可靠性好●重量尺寸小●启动速度快●耗水量少●建设周期短●投资费用省●环保指标优异由于上述优点，发展迅速，大有后来居上，取代常规火电机组之势。

世界各主要工业国家，均已将燃气－蒸汽联合循环确立为电工工业发展方向。

日本更宣布新建电厂必须采用联合循环。

据报导，1998年世界新建电站中，联合循环与常规火电总功率之比为1:1，2000年则达到3.7:1。

我国正在大力发展。

1.3 燃机余热锅炉是联合循环电站不可或缺的设备。

在联合循环电站中，其地位仅次于燃机轮机，高于蒸汽轮机。

1.4 余热锅炉与废热锅炉的区别●燃机余热锅炉不称为废热锅炉。

●余热锅炉属烟道式锅炉范畴，划归锅炉专业，按《蒸汽锅炉安全技术监察规程》设计，一般是水管锅炉。

●废热锅炉划归压力容器专业，按《压力容器安全技术监察规程》设计，一般是管壳式锅炉，结构上与压力容器中的管壳式换热器相类似。

1.5 燃机余热锅炉并不神奇，与同参数、同容量燃油锅炉相比，设计难点相对较少。

这是因为：a. 工作温度在450～600℃之间，属中低温换热设备；b. 工作压力一般在9.81Mpa以下，国内全部采用中压参数，且多为3.82Mpa，属次高压锅炉或压锅炉；c. 烟温和汽压不高，水循环条件较好；d. 工作温度不高，对金属材料要求相对较低，不必采用贵重金属材料；e. 烟气中空气含量大，比普通燃油锅炉洁净，受热面较易设计。

1.6 燃机余热锅炉分类a. 按蒸发器水循环方式分为强制循环和自然循环锅炉两种；b. 按烟道布置方式分为立式烟道锅炉和卧式烟道锅炉两种；c. 按产生的蒸汽压力数量分为单压锅炉和双压锅炉和三压锅炉；d. 按是否补燃分为不补燃锅炉和补燃锅炉两种；补燃式锅炉双按烟道或烟道外补燃，分为内补燃锅炉和外补燃锅炉两种。

1.7 余热锅炉供货范围过热器、蒸发器、省煤器、锅筒及其内部设备、减温系统、下降管及连接管、锅炉范围内管道及阀门仪表、构架、护板、支座、平台扶梯、防雨棚、循环泵（强制循环锅炉）等。

1.8 余热锅炉工程供货范围a. 余热锅炉；b. 余热锅炉烟道系统：燃机出口烟道、旁通烟囱、旁通烟囱支架、三通挡板阀、消音器、高温膨胀节、锅炉进口烟道、低温膨胀节、主烟囱、主烟囱支架等；c. 余热锅炉控制系统。

1.9 余热锅炉锅炉岛工程供货范围a. 余热锅炉、余热锅炉烟道系统和余热锅炉控制系统；b. 给水泵、除氧器、加药泵、取样冷却器和定排与连排的排污扩容器。

2.0 国内外燃机余热锅炉现状●我国现有近90台燃机，其中近50台燃机采用国外进口余热锅炉，近30台燃机采用国产燃机余热锅炉。

●现有国产燃机余热锅炉容量均在70t/h以下，属中小型余热锅炉。

●国产燃机余热锅炉分属哈尔滨第七0三研究所和杭州锅炉厂，二者各占国内市场的一半。

●上海锅炉厂有限公司和哈尔滨发电设备国家工程研究中心，均已完成国产大中型燃机余热锅炉的系列化设计，研制条件成熟。

2.2 国外a. 国外以美国DELTAK公司自然循环锅炉和比利时CMI公司强制循环锅炉较为著名，二者均有近千名燃机余热锅炉投运行。

b . 除上述两公司外，与我国联系较密切的国外公司尚有：●英国MBEL公司●英国JBE公司●法国ALSTHOM公司●荷兰SFL公司●荷兰NEM公司●日本川崎重工业公司3. 不同类型燃机余热锅炉的比较3.1 强制循环锅炉：见图1。

a. 受热面可灵活布置：b. 采用小管径，传热好，重量轻，尺寸小，结构紧凑；c. 常布置于立式烟道，烟囱与锅炉合二而一，节省地位，占地面积小；d. 锅炉容水量小，启动快，机动性好，适于启停频繁的调峰电站采用；e. 必需装设高温锅水强制循环泵，可靠性差，且增加电耗，提高运行成本；f. 必须采用小弯头，必要时尚需设置节流孔圈，制造工艺复杂；g. 锅炉烟道至少有一个90度大转弯，结构庞大，烟气阻力也较大；h. 对锅炉自动控制要求较高；i. 锅炉高，因而重心也较高，稳性较差，不利抗风抗震。

3.2 一般自然循环锅炉：见图2。

a. 蒸发受热面为立式水管，常布置于卧式烟道；b. 在各类锅炉中应用最多，锅炉型式成熟，工作安全可靠，运行使用经验丰富；c. 不必装设工作可靠性难于保证的锅水强制循环泵；d. 结构简单，制造容易；e. 锅炉容水量大，适应负荷变化能力强；f. 对锅炉自动控制要求相对较低；g. 采用大管径时，重量尺寸指标较差；h. 锅炉烟道节省一个90°转弯，烟气阻力较小；i. 锅炉不高，重心较低，稳性较好，抗风抗震性较强。

3.3. 小管径自然循环锅炉a. 由国外一般自然循环锅炉改进、发展、提高而成的新型先进锅炉；b. 国外余热锅炉设计并非完美无缺，某些设计技术不必要地沿用燃煤电站锅炉设计原理，设计观点保守；c. 小管径自然循环锅炉的设计原理，采用与燃机余热锅炉燃用燃料相同，工作条件相仿的船舶锅炉设计技术，因而使锅炉的特性指标发生质的变化；d. 船舶锅炉应用实践证明，小管径自然循环锅炉应用于蒸汽压力低于9.81Mpa时，其水循环可以保证安全可靠；更何况在烟温低于600℃时，设计标准指出可以不必进行水循环计算，由此可见对于工作烟温低于600℃时的燃机余热锅炉，采用小管径在技术上完全可行；e. 相对于一般自然循环锅炉，受热面管径采用Φ42×3、Φ38×3、Φ32×3和Φ25×2.5，均属小管径；受热面管径愈小，锅炉重量也愈小；例如，当管径Φ51×3时重量为100％，则Φ42×3时为77％，Φ38×3时为67％，Φ32×3时为50％，Φ25×2.5时为33％；f. 小管径自然循环锅炉兼具强制循环锅炉和自然循环锅炉二者优点，而避免二者各自的固有缺点；g. 因采用小管径，而具有强制循环锅炉传热好、重量轻、尺寸小、启动快等优点。

h. 因采用自然循环，而具有不设强制循环泵和可靠性与制造性良好等优点；锅炉的余热利用率指标、重量尺寸指标、启动性能指标、烟气阻力指标和蒸汽阻力指标，均较容易达到更加先进的水平。

综上所述，强制循环锅炉重量尺寸小，启动性能好；一般自然循环锅炉可靠性好，制造工艺简单；小管径自然循环锅炉兼具二者优点，避免二者缺点。

美国多为自然循环锅炉，西欧多为强制循环锅炉。

国内外权威人士多数推荐优先采用自然循环锅炉。

日本正在大力兴建的近40台锅炉，全部采用自然循环型式。

在某种条件下，也可以采用两种循环方式兼有的余热锅炉。

如图3。

4. 重要热工特性的确定4.1. 烟气参数●锅炉设计必要的烟气参数：燃气轮机出口烟温，燃气轮机烟气流量，烟气中各种成份容积百分比。

上述烟气参数由燃机供货商给定。

●燃机以环境温度15℃的参数作为ISO条件参数，故锅炉一般按环温15℃设计。

但也可按实际常用的环温条件设计。

如深圳地区以环温30℃作为设计工况。

●烟气参数与环温有关：环温提高，燃机功率下降，燃机流量也下降，但燃机出口烟温提高；反则反之。

●对锅炉而言，环温提高，燃机出口烟温也提高，但烟气流量的下降影响更大，故环温提高，锅炉产量下降。

●燃机功率与流量的关系：一般是功率每下降10％，流量下降4.5％。

●燃机功率与烟气阻力的关系：一般是烟气阻力每增加100mmH2O，燃机功率下降0.45～0.6％。

●设置余热锅炉后，烟气阻力增加，燃机功率下降，一般要求余热锅炉烟气阻力设计在250～350mmH2O之内。

●锅炉烟气参数：锅炉进口烟气温度取低于燃机出口烟气温度3～4℃；锅炉进口烟气流量取低于燃机烟气流量0.5％（有旁通烟囱），或取等于燃机烟气流量（无旁通烟囱）。

●燃机余热锅炉烟气流量约为同蒸汽产量锅炉的4倍左右。

这是因为一般锅炉可利用烟温约为1600～1800℃，而余热锅炉约为400～500℃之故。

余热锅炉主要依靠烟气流量获取蒸汽产量。

4.2. 锅炉蒸汽参数●按联合循环系统的优化设计确定，单压、双压或三压均无不可。

●按现有汽轮机型号的参数确定。

●锅炉蒸汽参数愈高，蒸汽产量愈低。

●过热蒸汽温度一般低于锅炉进口烟温25℃以上。

●锅炉设计必要的给水参数：给水湿度和冷凝水温度。

其数据由电厂总体设计单位提供。

4.3. 锅炉蒸汽产量a. 粗略估算●先求烟气容积流量V＝3600G／γ×0.995Nm3/h式中G――燃机烟气流量，kg/s；γ――燃机烟气比重，可取γ＝1.29kg/Nm3●再求锅炉烟气温降Δδ＝δ′锅进－δ″锅出℃式中δ′锅进――锅炉进口烟温℃；δ″锅出――锅炉出口烟温，一般取δ″锅出＝190～210℃。

●由上，即可求出锅炉蒸汽产量D：D＝0.33VΔδ／70×104t/hb. 准确计算●由烟气成分计算烟温烟焓，并画制烟气温焓表。

●由烟气成分求出烟气比重γ，kg/Nm3。

●再由如下方程求出锅炉蒸汽产量D:Vφ(I′锅进－I″蒸出)＝D[i过热－i″省出＋ρ(i′饱和－i″省出)]式中V＝3600G／γ×0.995 Nm3/h；φ－保热系数，取φ＝0.985～0.995；I″锅出－锅炉进口烟焓，kcal/Nm3，由δ′锅进查表；I″蒸出－蒸发器出口烟焓，kcal/Nm3,由δ″蒸出查表；δ″蒸出＝t饱和＋8℃（天然气）δ″蒸出＝t饱和＋8.5℃（轻油）δ″蒸出＝t饱和＋9℃（重油）i过热－过热蒸汽焓，kcal/kg，查水蒸汽表；i″省出－省煤器出口水焓，kcal/kg，由省煤器出口水温t″省出查水特性表；t″省出＝t饱和－5℃（天然气）t″省出＝t饱和－6℃（轻油）t″省出＝t饱和－7℃（重油）ρ－排污率，取ρ＝0.02；i′饱和－锅筒饱和水焓，kcal/kg，查水特性表。

4.4. 锅筒压力和给水压力a. 锅筒压力锅筒压力一般比过热蒸汽压力高2～4kgf/cm2，主要与过热器蒸汽流程数和蒸汽速度有关。

一般是2流程取2kgf/cm2，4流程取4kgf/cm2。

b. 给水压力给水压力的大小与锅炉计算关系不大。