文献综述

一． 天然气燃气轮机余热发电热管锅炉研究的意义

1 能源概况对燃气轮机的影响

随着我国经济社会持续快速发展，现阶段我国天然气年生产量仅为500亿立方米，占一次能源结构的3%，远低于亚洲和世界平均水平，且用于发电和民用的比例很小。^【2】天然气需求大幅度增长国内天然气生产不能完全满足市场需求。同时，由于国际天然气市场价格持续攀升，利用境外资源难度增大。因此，合理利用天然气，可以改善大气环境，提高人民生活质量，对实现节能减排目标具有重要的意义。

我国发展燃气轮机发电技术的起步很早，无论在理论研究或工业实践方面，在世界上都有过卓越贡献。但是，由于近年来，燃气轮机电厂深受国际市场石油大幅度涨价的严重冲击，一批电厂出现严重亏损，面临倒闭；西气东输天然气供气量满足不了新增机组气量要求，新建的天然气燃气轮机电厂由于天然气燃料供应短缺，较长时间处于半停产状态，有些电厂至今因燃料供应不足仍不能满负荷运行。^[1]

天然气锅炉设计效率都在90~93%之间，实际运行中也是如此，比燃煤要高得多，其中损失主要是排烟损失。如今，小型作为动力驱动的燃气轮机出口排烟温度仍然很高，热量浪费较大,对其进行余热回收生产蒸汽不仅可以提高锅炉效率，而且符合国家节能减排的大政方针。

2 天然气燃气轮机的改造潜力

天然气是一种清洁燃料，已为人们认识，但天然气及其燃烧的产物的特点，并不是所有人都十分清楚。天然气中含硫为百万分之二，是煤中含硫的万分之一。并且，天然气及燃烧产物不含任何灰尘及颗粒物，对受热面无磨损。天然气主要由烷类组成，主要元素为H和C，燃烧后主要产物CO₂!及H₂O蒸汽，还有空气中的N，氮的体积含量约占72.4%/，水蒸汽含量约占18%而二氧化碳含量占8.6%，其余气体总含量不到1%。天热气锅炉燃烧时几种主要成分的化学反应平衡方程式如下：

甲烷CH₄ 2CO₂=CO₂ 2H₂O约占90%

乙烷2C₂H₆ 7O₂=4CO₂ 6H₂O约占5%

丙烷C₃H₈ 5O₂=3CO₂ 4H₂O约占2%

其他成分约占3%左右，不同矿、不同时间也不完全相同。

天然气锅炉热损失中只有排烟热损失最大占6%~8%，炉体散热损失约占1%，化学未完全燃烧损失几乎为0。而炉体散热损失为1%，变化很小，决定锅炉效率的只有排烟热损失了。排烟热损失又分为烟气的显热，即不同成分的烟气由较高温度降至较低温度可释放出来的热量。再有就是汽化潜热（不在低位热值之内），即蒸汽凝结成同温度的水时释放出来的热量。此部分热量或凝结水量由排烟温度决定，排烟温度越低，凝结水量越大，释放出热量越多。根据上述天然气锅炉燃烧化学平衡方程式可知，含水量较大，此水回收稍加处理，可做软化水加以利用，可起到节能的目的。另一方面，回收烟气中的显热，为主要的余热回收的方法。由于天然气锅炉实际运行时，主要的损失为排烟损失，如果将排烟温度降至60^oC，大部分显热得以回收，锅炉效率可提高至98%，如果将排烟温度降至50^oC，可回收小部分潜热，锅炉效率可提高至103%，如降至40^oC，效率可提高至106%，理论上最终可提高至111%。(燃气锅炉效率超过100%的原因是因为我们是以低位热值为基准，而回收烟气热量时，当排烟温度低于60^oC以后，把部分低位热值之外的热量即汽化潜热（高位热值含此热量）也不同程度回收。此热量回收到一定程度时，总效率即超过100%。）因此，只要将排烟温度降低到一定程度就能回收大量的余热，在这样的情形下，热管式余热锅炉应运而生。^【3】

二． 天然气燃气轮机余热发电热管锅炉的研究概况

（一）燃气汽轮机余热锅炉的应用与发展

1 概述

早在1939年，瑞士BBC公司就制成世界上第1台燃气轮机，经过多年的发展，燃气轮机在发电、航空、舰船、军用以及机械驱动等各领域获得广泛应用。现代燃气轮机发电技术已进入高度发展阶段。随着高温材料、机械加工、精密铸造、高温零部件冷却和防腐保护，以及大型机械装备的装配试验研究等一系列重大技术的突破，燃气蒸汽联合循环从热力学上可实现布雷顿循环和朗肯循环的联合，装置整体效率高达55%~60%比目前先进的超临界、超超临界火电机组的效率40%~45%高出了一个数量级。现代燃气轮机更具有排放污染少，有利于环保的优点，在采用干低氮氧化物排放燃烧先进技术下，燃气轮机排气有害成分氮氧化物（NO_x）和碳氧化物（CO）的水平都能达到≤15μL/L，远远优于常规火力发电排放指标。

”十五”期间，我国开始天然气资源的大规模开发利用，西气东输、近海天然气开发和引进国外液化天然气工程全面展开，国家开始重视发展天然气燃气轮机联合循环发电。

燃气-蒸汽联合循环锅炉是一种将燃气轮机发电与蒸汽动力发电有机结合起来的一种新型的动力装置，它是随燃气轮机、蒸汽轮机和余热锅炉的技术进步而发展的，系统示意如图1。燃机余热锅炉与普通锅炉相比，具有结构简单、发电效率高、环境污染小、启停速度快和建设周期短等特点。燃机余热锅炉按照其循环方式主要分为两种形式：即受热面水平布置的强制循环余热锅炉和受热面垂直布置的自然循环余热锅炉^【5】燃气-蒸汽联合循环锅炉在电站的低位越来越高，大力发展此类项目，将对我国节约能源，提高能源利用率有重要的作用。

图1.余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环示意图

2. 燃气汽轮机余热锅炉的发展过程

燃机余热锅炉，是燃气－蒸汽联合循环的重要组成部分^【11】。其主要工作原理是通过布置大量的换热管（通常采用螺旋鳍片管）来吸收燃机排气的余热，产生蒸汽供汽机发电或作为供热及其它工艺用汽。

我国由于是一个在一次能源的消费中以煤为主的国家，因此我国的电力装机容量中是以燃煤为主的火力发电机组，而燃气轮机发电和联合循环机组在我国的发展则相对缓慢。我国在20世纪50年代就开始研究燃气轮机发电技术；60~70年代也自行设计制造了1兆瓦到几兆瓦的燃气轮机和仿制了6MW和23MW的燃气轮机发电设备；从70年代到90年代全国燃气轮机电厂由20余座发展到90余座机组台数从20余台套增加到140多台套 ,装机总容量从300MW增加到近800MW,尤以沿海经济发展最快的地区最为迅速,如广东福建上海浙江海南江苏等地。90年代陆续建造的一批燃气轮机电站和联合循环发电站主要都分布在东南沿海经济发达的地区, 已投运的燃气轮机电站中许多小机组是以简单循环发电的方式进行发电，而没有配余热锅炉和汽轮机的蒸汽循环发电系统。现有大型燃气轮机组均从国外进口与其所配套的大型余热锅炉也作为燃气轮机的附属装置由国外进口。可见我国燃气-蒸汽联合循环电站的发展尚处于起步阶段但其优越性及良好前景已愈来愈受到政府的重视。2010年燃气电站规模达到4000万kW。另外,为降低燃机电厂成本,将联合循环技术对现有中小型电厂进行技术改造增容增效又是一条重要途径近两年来规划中较为落实的项目总容量达32400MW，燃气-蒸汽联合循环电站在我国电力工业中必将日益发挥重要作用。^【4】

（二）热管余热锅炉的应用与发展

I． 传统余热锅炉

余热锅炉是锅炉的一种，它主要是利用燃气轮机排气的余热产生蒸汽。如图2所示。

图2.余热锅炉示意图

回收低温排烟余热的常规余热锅炉应用领域如前”燃气轮机改造潜力”所述，有两方面：提供工艺用汽和联合循环电厂为蒸汽轮机提供蒸汽。

（1）余热锅炉的组成和工作过程

A. 余热锅炉的组成

通常余热锅炉由省煤器、蒸发器、过热器以及联箱和汽包等换热管组和容器等组成，在有再热器的蒸汽循环中，可以加设再热器。

B. 余热锅炉的工作过程

在省煤器中锅炉的给水完成预热的任务，使给水温度升高到接近饱和温度的水平；在蒸发器中给水相变成为饱和蒸汽；在过热器中饱和蒸汽被加热升温成为过热蒸汽；在再热器中再热蒸汽被加热升温到所设定的再热温度。

其布置示意图如图3所示。

图3.余热锅炉布置示意图

（2）燃气轮机余热锅炉必须具备的特性

由于余热锅炉不仅必须与燃气轮机发电系统相协调, 而且又要符合电站高效率化的要求, 所以余热锅炉必须具备下述特性：

Oslash; 由于燃气轮机的启动时间极短, 所以要求余热锅炉能够快速启动,。

Oslash; 随着电力需求的变化, 要求对锅炉负荷的变动有稳定的控制,。

Oslash; 为不使燃气轮机出力下降, 要求余热锅炉尽量减少对烟气的阻力等。^【6】

II．热管余热锅炉

1．热管

（1）热管研究的发展现状

热管自20世纪60年代问世以来，作为一种高效的传热元件迅速发展。我国于1984年首次参加了日本的国际热管会议，并于1992年成功地举办了第八届国际热管会议，而且举办了多次全国性热管会议，热管技术作为一种新兴的学科领域引起了各国的极大兴趣。尤其70年代以来，热管技术飞速发展，各国的科研机构、高等院校、公司及厂矿均开展了多方面的开发、应用研究，国际间、地区间及各国自身的热管技术交流频繁^[7,8,10]。

我国自70年代以来，开展了热管的传热特性研究及热管在电子器件冷却及空间飞行器方面的应用研究。由于我国是一个发展中国家，能源综合利用水平较低，因此自80年代初我国的热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用，相继开发了热管气-气换热器，热管余热锅炉，高温热管蒸汽发生器，高温热管热风炉等各类热管产品^[9,21]。

（2）热管的工作原理

物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发段（简称热端），另外一端为冷凝段（简称冷端），当热管蒸发段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端，如图4所示。这种循环是快速进行的。由于热管传递的是相变潜热, 因此具有很高的传热效率。利用热管原理可以做成各种形式的热管元件和热交换设备, 以满足不同工业场合的需要^{[12 13]}。

图4 热管工作原理及结构

2．热管余热锅炉

（1）热管余热锅炉的结构

余热锅炉可分为整体气包式和分离套管式，如图5所示

图5

热管省煤器的基本结构和热管锅炉类似，由于水侧热阻较气侧热阻低得多，热管冷却端不需翅化。对于低水压热管省煤器，气#8212;水交叉流动传递热量。如果给水压力很高，水室外壳容器做成圆形（有更高的承压能力），制造的技术要求均应符合压力容器的规定^[14]。

（2）热管余热锅炉的特点

Oslash; 超强的传热特性：传热效率高, 其当量传热系数是紫铜的6000倍，较普通省煤器提高10%～15%;

Oslash; 安全可靠：常规的换热设备一般都是间壁换热，冷热流体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁有泄露，则将造成停产损失。热管换热器则是二次间壁换热，即热流要通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能传到泠流体。单根热管的失效不会造成泄漏和停产。

Oslash; 安装方便：不受安装位置限制，无需改变原工艺系统,结构设计和位置布置非常灵活,可适应各种复杂的场合

Oslash; 防腐能力强：通过热工设计可以保证热管壁温准确地高于烟气露点温度，避免了露点腐蚀，同时又使得烟气中的粉尘不易粘积在管壁和翅片上，从而保证设备长期稳定运行。

Oslash; 适用温度范围广与普通省煤器有一定的互换性。 在不同温范围可选用不同的工质, 另外可通过改变蒸发段与冷凝段面积调节热流密度, 避免露点腐蚀^{[15,16,17，20]}。

（3）热管余热锅炉的应用与现状

70 年代末, 美国Q-DOT公司开始研制热管余热锅炉, 世界上第一台热管余热锅炉用于甲苯的蒸发加热。1981 年江苏圣诺热管集团公司研制出了我国第一台热管余热锅炉。随后, 我国热管科技人员针对工业领域余热利用具体案例研制出了不少的热管余热锅炉, 并对管余热锅炉的传热、构造等共性问题开展了一系列的探索研究, 取得了不少研发成果。到目前为止, 国内所研制和运营的热管余热锅炉绝大部分集中在工业窑炉排烟的中、低温( 650~ 200℃) 余热资源利用上, 这是一种务实的做法。常规余热锅炉历经近半个世纪的发展, 可以说在回收高温余热资源方面几乎不存在技术和实施障碍, 但在中、低温气体余热资源回收方面存在难于获得可靠高效的换热组件等问题。热管的高传热性能和工质密闭循环等优点, 以及在产汽压力lt; 3.0MPa ( 表压)以下时可用价廉的碳钢-水热管的优势, 使得适应于中、低温气体余热资源回收的可靠高效的换热组件的获得成为可能。^[18]

一般工业锅炉烟气排放温度比较高，这部分热量通过的热管省煤器来进行回收,实现多节能。热管技术目前主要应用在锅炉尾部排烟的余热回收, 可以产生温升50℃以上的预热给水或100～220℃的预热空气, 一般使用热管技术可以使锅炉效率提高4%～8%。如在全国的锅炉上推广热管技术, 以提高锅炉效率5%计算, 则每年可以减少燃煤约3 000万t, 少排5000万tCO2, 对我国的节能减排的伟大事业有非常重大的意义。^[22]

三．天然气燃气轮机热管余热锅炉的研究前景

天然气燃气轮机余热锅炉的主旨是利用热管吸收烟气里的余热，以增加锅炉的效率，达到余热回收的目的。

热管式余热回收器通过安装在换热器中间部位的隔板使冷、热流体完全分开, 在运行过程中即使单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生损坏,也不会发生冷、热流体的混杂, 不影响其余热管的正常使用。热交换过程中的冷、热流体采取完全逆流走向, 获得较大的对数温差, 两侧受热面均采用螺旋肋片管, 利用热管热流密度可变的特性, 根据热交换具体需要确定中间隔板的位置, 选择冷、热侧肋片管的蒸发面积, 使其达到最佳的传热效果。换热器可以做得非常紧凑, 体积小, 占地少。热管式余热回收器烟侧通道为直通式, 且烟气通道截面积较大, 烟气流速较低, 阻力相应就小,烟温下降幅度大, 故不需加设引风机, 系统简单,完全不会影响锅炉正常运行。进口处设烟气导流板, 并使热管束采取错位布置方式, 保证烟气均匀通过并冲刷热管肋片, 使热交换达到最佳效果。热管式余热回收器还具有安装方便、抗腐蚀能力强、使用寿命长、维护方便等特点。

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