1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

1. 燃气轮机余热锅炉设计研究的意义

1.1 当前能源情况

随着社会对能源需求的日益增长，各国都越来越关注如何应对日益严峻的能源危机。国家节能减排任务艰巨，实施钢铁、建材、有色、石油石化、化工等重点耗能行业余热余压利用、节约等项目仍然是节能工作的重点[1]。因此作为一种有效的节能设备的余热锅炉[2]受到了广泛的重视，有着广阔的市场前景和应用空间。

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供生产生活或驱动汽轮机所用，可以大大节约能源。

余热资源是指在现有条件下有可能回收和重复利用而尚未回收利用的那部分能量。这些余热资源可用于发电、驱动机械、加热或制冷等，能减少一次能源的消耗，并减轻对环境的热污染。为此，世界各国都先后开展了余热锅炉和余热利用技术的研究工作。

1.2 燃气轮机余热锅炉[3]的潜力

中国一次能源利用率为30%，仅为日本的1/2，比世界平均水平还要低3个百分点，存在着巨大的能源浪费。《2009年国民经济和社会发展统计公报》显示，2009年全年能源消费[4]总量31.0亿吨标准煤。钢铁、水泥、化工、石化、有色冶金行业的总能耗占比分别为18%、7%、10%、4%和4%，余热总资源约占其燃料消耗总量的17%~67%不等，其中可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%[5]，节能潜力十分巨大。

2. 燃气轮机余热锅炉的研究概况

2.1 燃气轮机余热锅炉[6]的诞生

2.1.1 概述

对于解决能源危机，节能是一种重要性不亚于开发矿物燃料、水力、原子能以及太阳能等的解决能源问题的重要途径之一。所以开发研究新的节能技术就成为各国研究能源利用技术的主要课题，展开了研究开发各种节能技术设备的活动，并研制出回收各类工艺过程余热的余热锅炉。余热锅炉是设置在各类工艺流程中回收余热以提高整个设备热效率，从而减少一次能源消耗的一种理想节能设备。它不但能节约能源，而且对提高主流程的质量，减轻公害和满足某些工艺要求，都起着十分重要的作用。随着节能工作的深入开展，余热锅炉电力、钢铁、有色、石油石化、化工、建材等重点耗能行业都得到了广泛应用[7 8]。

2.1.2 国内外燃气轮机余热锅炉现状[9]

（1）国内

v 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。

v 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。

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

v 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）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

2.1.3 燃气轮机余热锅炉特点

1) 燃气轮机余热锅炉的基本组成

燃气轮机余热锅炉一般由烟道和本体二大块组成，与一般余热锅炉不同，燃机余热锅炉在燃机和余热锅炉之间设置厂烟气旁通烟道和烟气调节门。

2) 燃气轮机余热锅炉的形式和水循环方式

燃气轮机余热锅炉根据其蒸发受热面的循环方式分自然循环和强制循环两种 在西欧国家，强制循环相对应用的多，而在美国．则多采用自然循环方式。图1、图2是典型的自然循环[10]和强制循环[11 12]余热锅炉布置型式。

图1 自然循环燃机余热锅炉

图2 强制循环燃机余热锅炉

2.1.4 燃机烟气特性

进人燃机余热锅炉的烟气量[13 14]极大，36MW燃机排气量一般在38#215;104#8212;40#215;104 m3(标)/h。9E系列燃机排姻量11#215;l04 m3（标）/h左右，9F型则更大，且炉内烟气流速极高，气流紊流大。当烟气流经锅炉时。会产生诸如烟道震动、受热膨胀，烟道隔热层的震动及磨损，烟道挡板的高温膨胀、热应力，受热面的膨胀、震动及烟气偏流等问题，进而产生烟道受热而变形，甚至疲劳破坏。这就要求设计时作一些特殊考虑，保证锅炉的安全性和寿命。如设计烟道时，为防止高速紊流烟气对烟道的不利影响，可以通过烟道模化试验对气流流场进行分析，通过加装导流装置或防震装置来防止气流偏流和烟道震动；对烟道受热膨胀，在设计时可对膨胀中心给以固定，允许烟道定向膨胀，同时通过加装柔性膨胀节来吸收膨胀量；对受热面的震动可采取加装固定装置[15]如防震板等等结构方式。

2.2 立式余热锅炉的发展过程

余热锅炉分为立式(垂直烟气通道)余热锅炉和卧式(水平烟气通道)余热锅炉两种。立式余热锅炉起源于欧洲，因欧洲要求占地面积较小，而且对调峰循环运行所产生的热应力敏感度较低，卧式余热锅炉通常在北美地区应用。

表1 立式与卧式余热锅炉的比较[16]

项目	卧式锅炉	立式锅炉
定义	受热面管子垂直布置，烟气水平地流经管子	受热面管子水平布置，烟气垂直地流经管子
出力和效率[17]	相同	相同
同等出力下的换热面积	相似，再热器和过热器部分需要较大的受热面，主 要是由于烟气流的温度和质量流量分布不均匀	小
对燃机燃料的适应性	只能燃用天然气、轻柴油等清洁燃料	除能燃用天然气、轻柴油等清洁燃料外，还可以燃用原油、重油、渣油等多灰燃料
排放水平控制	需要更大的长度	需要更大的高度，下游积灰面清洗要仔细，不要污染催化剂
补燃	可安装在余热锅炉 进口烟道内或锅炉 换热管束之间	可安装在余热锅炉进口烟道内，难于安装在锅炉换热管束之间
锅炉封闭	自支撑型封闭	安装在余热锅炉钢结构上，并由钢结构支撑

锅炉常为立式布置，受热面水平市置较为常见，烟囱与锅炉一体，场地占用面积较小，重心较高。

2.3 天然气锅炉烟气余热回收与效率

燃用天然气的特点：[18]

（1）天然气中含硫为百万分之二，是煤中含硫的万分之一。

（2）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。

（3）天然气[19]主要由烷类组成，主要元素为H和C，燃烧后主要产物二氧化碳及水蒸汽

（4）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，而炉体散热损失的1%，变化很小，决定锅炉效率的只有排烟热损失了。

（5）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。

（6）天然气锅炉烟气中含水蒸汽量较多，每立方米天然气燃烧可产生约1.8Kg水份，一台炉一小时运行可产生几吨的水，此水回收稍加处理，可做软化水加以利用。

现在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，如果将排烟温度降至60℃，大部分显热得以回收，锅炉效率可提高至98%。

针对天然气锅炉等热能动力设备排烟温度[20]高，造成能源浪费和环境污染的现状， 应用自主研发的高效紧凑防腐型烟气冷凝热能回收利用装置，对一既有锅炉房进行了烟气余热回收利用节能改造和跟踪实测。分析了锅炉耗气量、排烟温度及热效率的变化， 结果表明，排烟温度由150~ 200℃降到50℃以下，仅烟气余热回收装置就使锅炉热效率提高10% 以上，且由于该装置提高了锅炉进水温度，从而提高了锅炉本体燃烧效率，使锅炉低热值总效率超过100%，锅炉高热值效率超过95%，锅炉房总节能率达25.6%。

2.4 立式水管锅炉

立式水管类型：

（1）单锅筒立式水管锅炉[21]为1吨/时以下(包括1吨/时)的小型锅炉.通过采用新型下饲炉排，煤得到充分燃烧；管子呈辐射状排列，其中一排为S形弯制构成一个燃尽室，且烟气在炉内旋转720#176;，因而提高了锅炉的热效率达70%；本锅炉为全水管式，耗钢量少，0.5吨/时的本锅炉耗钢仅为2.8吨；凭借锅炉环形烟道及由烟道形成余角的结构形式自身形成一个双蜗旋除尘器和两个沉降室无需另加除尘设备，烟尘排放浓度达到200毫克/标立米以下。

（2）立式弯水管锅炉[22]，由于结构紧凑，安装和移动方便，被用户所广泛选用。但是， 此型锅炉由于炉内辐射受热面过大，不太适合燃烧多水份、多灰份的劣质煤。于是，有的用户便用缩小炉膛，或穿过胆与锅壳的水夹层加装二次风嘴，以加强燃烧。

（3）混合式立式水管锅炉[23]

图3 混合式立式水管锅炉

3. 天然气燃气轮机余热发电立式水管锅炉研究前景

由于燃机具有烟气量大，烟气温度低的特点，其烟气温度与余热锅炉主蒸汽温度的温差不大，如何使燃气轮机的排烟热量最经济地被锅炉工质吸收就成r对余热锅炉的参数选取的首要条件。

首先，基于今天的和预期的经验，客户和供应商将会得到余热锅炉对联合循环电厂的整体RAMS性能作用很大的结论，这将会导致彼此更密切的合作和调整。余热锅炉供应商应通过透明的项目管理、设计控制和整个供应链的优化，以满足客户需要。其次，由于联合循环电厂的发展，余热锅炉技术在RAMS 方面将会得到提高。使用余热锅炉产生的蒸汽冷却燃机叶片的下一代燃气轮机正在研制中，已经实现了燃机与余热锅炉之间的连接，即使用余热锅炉的锅水冷却燃机冷却空气，然后将过热蒸汽送回到余热锅炉。这种新技术将会实现燃机与余热锅炉之间前所未有的连接，蒸汽不仅用作底部循环工作流体，而且作为避免燃机金属升温到破坏程度的冷却剂。对于余热锅炉设计工程师来说，热动力优化并不是真正的挑战，因为目前的三压再热设计已经代表了很高的经济性和热动力性能。提高RAMS 性能再次成为目标。特定的目标尤其是: 减少低循环疲劳，提高模块化以缩短安装时间，增加车间内的可靠工作以及关键材料比如P91和T91[24]的使用。第三，不同于传统的庞大三压再热汽包型锅炉的直流式锅炉证实为可以满足市场从基荷向循环调峰运行变化中的要求。从技术上的观点来看，直流式锅炉，尤其是用于循环调峰时，必须采用立式结构。结合Eisenkolb 单压系统和大型燃机以及发展良好的直流技术，肯定将提高RAMS 性能，同时达到”超过60%效率[25]”的目标。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一．课题研究的内容

本课题研究对象是：天然气燃气轮机余热发电热管锅炉。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供生产生活或驱动汽轮机所用，本课题结合国家节能减排的大政方针，沿着科研与生产相结合的原则，进行余热综合利用，提高系统的热效率。

二．课题研究途径