余热锅炉的分类及特点：无补燃与有补燃、单压级与多压级

余热锅炉的分类及特点：无补燃与有补燃、单压级与多压级

余热锅炉基础知识

（1）无补充燃烧的余热锅炉。这类余热锅炉只是回收燃气轮机排气的热量，产生一定压力和温度的蒸汽。

（2）带补燃的余热锅炉。由于燃气轮机排烟中含有14%～17%的氧气，因此，可在余热锅炉的适当位置安装补燃燃烧器，对天然气、燃料油等燃料进行补充燃烧，以提高排烟温度，又能保持蒸汽参数和负荷稳定，从而相应提高蒸汽参数和出力，改善联合循环的可变运行特性。如果把这部分氧气全部利用起来，蒸汽循环的发电量占联合循环总发电量的比重将上升到70%。一般来说，采用不带补燃的余热锅炉的联合循环效率较高，目前大型联合循环均采用不带补燃的余热锅炉。

（1）单压力余热锅炉。余热锅炉仅产生一种压力的蒸汽供给汽轮机。

（2）双压或多压力余热锅炉。余热锅炉可产生两种不同压力或多种不同压力的蒸汽供给汽轮机。

（1）余热锅炉卧式布置。图1-1所示的余热锅炉为卧式布置，各级​​受热面构件的管道均为垂直布置，烟气沿水平方向流经各级受热面。

图1-1 余热锅炉水平布置

（2）余热锅炉立式布置。图1-2所示的余热锅炉为立式布置，各级​​受热面组件的管道为水平布置，各级​​受热面组件沿高度方向布置，烟气自下而上流经各级受热面。

图1-2 余热锅炉立式布置

（1）自然循环余热锅炉。这是指利用下降管和上升管中工质的密度差，实现工质循环的余热锅炉，如图1-3所示。

图1-3 卧式自然循环余热锅炉示意图

卧式布置的自然循环余热锅炉，所有加热元件的管束均呈垂直布置，在汽包底部设有下降管，与蒸发器下集箱相连。烟道内的垂直管束吸收烟气的热量，使管束内的水变成蒸汽。管子的密度小，可以利用密度差形成水循环，即下降管中的水因较重而向下流动，垂直管束中的汽水混合物因较轻而向上流动，从而形成连续的产汽过程。在这种情况下，进入蒸发器的水不依靠循环水泵的动力，而是靠流体工质的重力差流动，这是自然循环余热锅炉的特点。因此，可以省去循环水泵，使操作和维护更加简单。简化还可以节省工厂用电。

图1-4为立式布置的自然循环余热锅炉汽水循环的形成过程。它与强制循环的区别在于用带有高压喷射器的启动泵代替强制循环中的循环水泵。运行时依靠省煤器中的高压水经高压喷射器形成射流，将与高位汽包相连的下降管中的水吸入喷射器，再经水平布置的上升管回到高位汽包，形成稳定的循环流。

图1-4 立式自然循环余热锅炉示意图

（2）强制循环余热锅炉。这是指利用锅炉水循环泵来保证蒸发器内水循环流动的余热锅炉，如图1-5所示。

图1-5 强制循环余热锅炉示意图

这种余热锅炉，从锅筒底部抽出的水，经循环水泵加压后分两路进入蒸发器，水在蒸发器中吸收燃气轮机排烟的热量，一部分水变成蒸汽；锅炉内的汽水混合物经导管流回锅筒。这种依靠循环水泵发电使水循环的锅炉叫强制循环余热锅炉。通常该类锅炉各受热面组件的管束均采用水平布置，受热面沿高度方向敷设，有利于工厂空间的利用，缩短烟囱高度，节省占地面积。

自然循环余热锅炉一般都是卧式布置，而强制循环一般都是立式布置，当然也有例外，比如无锡华光UG-V94.3-R余热锅炉就是立式自然循环余热锅炉，这款余热锅炉兼具立式和自然循环的优点和缺点。

（1）露天布置。余热锅炉布置在室外，设计时必须考虑风、雨、冰冻等自然条件对余热锅炉的影响。我国现有的联合循环电厂大多采用露天布置，使电厂建设投资相对经济。

（2）室内布置。对于自然环境恶劣的地区，余热锅炉宜采用室内布置，这样可以提高运行的安全性和可靠性，便于维护，但建厂投资较大。

（1）锅炉重心低，稳定性好，抗风、抗震能力强。

（2）垂直管束的结垢较水平管束均匀，不易产生塑性变形和破坏，减少了因结垢量大而导致锅炉性能下降的问题。

（3）锅炉水容量大，蓄热量大，适应负荷变化能力强，热流量不易超过临界值，对燃气轮机排烟热力波动适应能力强，有自平衡能力。

（4）对自动控制的要求相对较低。

（1）蒸发受热面为垂直水管，常布置在水平烟道内，因而占地面积较大。

（2）锅炉水容量大，启动、停止和负荷变化速度慢。

（3）自然循环余热锅炉有时不能采用直烟道，而需增加一些挡板，这会增加气体的流动阻力，不利于燃气轮机的运行。

（1）管道直径小、重量轻、体积小、结构紧凑。

（2）常采用立烟道布置，烟囱与锅炉合二为一，节省空间，占地面积小。

（3）蒸发受热面内循环比A为3～5，工质为强制循环流动，可采用较小的汽包直径及上升、下降管管径。

（4）由于在启动或低负荷时，可利用工质强制循环，均匀加热各承压部件，因此锅炉水容量小，加热升压速率高，启动快，机动性好，负荷调节范围大。适应高峰负荷运行。冷态启动时间比自然循环余热锅炉略短。

(5)气体的阻力容易控制。

（6）利用水循环泵可以对水冷壁进行快速、彻底的酸洗，周期短，成本低。

（7）该结构有利于采用标准化部件和大型模块组合，制造和安装成本低。

（1）必须加装高温锅炉水循环泵，增加了电耗和运行费用，且可靠性差（97.5%），而自然循环的可靠性为99.95%。

（2）锅炉重心高，稳定性差，不利于抗风、抗震。

（3）强制立式循环余热锅炉要支撑较重的设备，基础较重，需要较多的结构支撑钢材。为便于维护和检修，需要多层平台（自然循环卧式余热锅炉一般只需一层）。阀门及附件必须布置在不同标高，运行维护困难。

(4)立式余热锅炉中，管群并不像自然循环那样垂直布置，而是受热面水平布置，因此更容易发生汽水分层，水平管底部结垢较少。管子周围结垢的差异会造成温度梯度、不同程度的传热和膨胀，导致立式余热锅炉发生腐蚀、烧坏、塑性变形等事故，为了避免这种现象，必须采用循环量很大的循环泵，流体的最小临界流速为2.1～3.0m/s(5)。采用小弯头，制造工艺复杂，强制循环虽然可以加速管群内水流速度，但对提高水侧传热系数作用不大，但锅炉受热面的传热能力主要取决于烟气侧对管壁的表面传热系数。 因此，在相似的烟气流条件下，相对于相同的传热负荷，强制循环与自然循环余热锅炉的换热面积非常接近。

余热锅炉主要由入口烟道、锅炉本体（受热面模块及钢架护板）、出口烟道及烟囱、汽包、除氧器、管道、站台扶梯等部件以及给水泵、再循环泵、锅炉水循环泵、污水膨胀水箱、水位计、安全阀等辅助设备组成。

图1-6 余热锅炉汽水流程图

（1）余热锅炉利用温度适中、气量较大的燃气轮机排烟作为产生蒸汽的热源，因此一般不需要燃烧系统，也不需要引风机（通风来自燃气轮机排烟）。

（2）余热锅炉内的热交换主要是对流热交换而非辐射热交换。为避免余热锅炉受热面积过大，余热锅炉采用翅片管（翅片管）以提高传热效率。

（3）余热锅炉可在多种压力状态下产生蒸汽，提高了热回收效率。余热锅炉内的汽水系统一般应设计为多压力级或多压力级再热循环，以有效减少锅炉的余热流失。锅炉运行时燃气轮机排烟温度高，可充分利用燃气轮机排烟余热，而不似常规蒸汽锅炉内的汽水系统采用单压力级或单压力级再热循环系统。

（4）余热锅炉系统惯性小，膨胀补偿能力强，承受热冲击能力强，以适应燃气轮机快速启停和频繁调峰的特点。

（5）余热锅炉在部分负荷下采用滑压运行，这样可以适应燃气轮机排烟温度随负荷降低的变化，避免蒸汽在高压下，在低温工况下在汽轮机内膨胀时，湿度超标，影响汽轮机内部效率和因水击而造成叶片腐蚀。

（6）联合循环汽水循环系统中，一般不从汽轮机中抽取蒸汽对给水进行预热和除氧，因此低压省煤器入口的给水温度比常规电厂要低。对于蒸汽循环，采用抽取余热回收循环加热锅炉给水可有效提高蒸汽循环效率。但对于联合循环来说，这种方式并不总能提高联合循环的热效率，有的甚至会降低联合循环的热效率。这是因为当余热锅炉式联合循环采用蒸汽抽取余热回收循环时，锅炉给水温度大大提高，使余热锅炉排烟温度明显升高，锅炉中回收的热量减少，导致联合循环热效率下降。

（7）结构设计模块化，模块化部件可在工厂集成，简化和方便现场安装。

锅筒上设有酸洗、热工测量、水位计、给水、加药、连续排污、紧急放水、安全阀、空气阀等管座和人孔，锅筒上装有两只弹簧安全阀，两只水位计。采用石英管式双色水位计，安全可靠，观察方便，指示正确。锅筒进水管孔及其他可能存在较大温差的管孔采用套管座，防止管孔因热疲劳而产生裂纹。汽包内部装有分离装置，用于汽水分离，还有锅炉给水、加药等连接管道。汽包上设有两个支架，一个为固定支架，一个为活动支架。如图1-7所示

图1-7 余热锅炉汽包

余热锅炉烟道由分配集箱、下集箱、管组、上集箱组成，锅炉给水由汽包引入分配集箱，为防止集箱各部分温度偏差，分配集箱和下集箱的进水口均由分散下降管引入，进入下集箱后分散进入132根642X4无缝钢管和由6mm厚扁钢组成的圆形烟道受热面，节圆为62400，产生汽水混合气，进入上集箱，经上升管加热。为使集箱避开火焰区，管束下部为U型弯头，炉口处烟道与水平夹角为55°。为防止烟道变形，在烟道上适当位置设置了加强筋。集箱、管道材质均为20号钢。

余热锅炉是联合循环系统中重要的热力设备。一方面，余热锅炉的热力特性受上游燃气轮机特性的影响，主要是燃气轮机的排烟温度、排烟成分和排烟流量等。烟气经过余热锅炉时要克服烟气流的阻力，使燃气轮机的排烟压力升高，在一定程度上降低燃气轮机的出力，从而降低燃气轮机的效率。另一方面，余热锅炉产生的蒸汽要给汽轮机做功，循环中做功的多少主要取决于余热锅炉所能产生的蒸汽流量、蒸汽参数以及汽轮机的相对内效率等因素。

节点温差与趋近点温差是影响余热锅炉热力特性的两个重要因素，至于节点温差与趋近点温差（欠温），温差越小，蒸发量越大，余热锅炉的效率越高，所需的受热面积也越大；对于设计良好的余热锅炉，燃气轮机的负荷降低，节点温差与趋近点温差也会变小，但容易造成省煤器冒汽，因此应综合考虑，选取合适的数值，一般的经验是设计中节点温差通常为5~25℃，趋近点温差为5~20℃。

在一定的蒸汽参数和其他条件下，余热锅炉的入口温度越高，余热锅炉中单位烟气质量产生的蒸汽越多，排烟温度越低。反之，入口烟气温度越低，余热锅炉出口排烟温度越低，其效率越高，但会增加受热面积和设备成本。同时，烟气中含硫时会产生硫腐蚀，因此余热锅炉应限制锅炉出口的烟气温度。当提供给锅炉的烟气是由无硫天然气生产时，余热锅炉出口烟气温度可设计在100℃以下；若采用含硫天然气或油燃料，余热锅炉出口烟气温度可设计在100℃以下。烟气中SQz浓度不同，出口烟气温度为130~150℃。另外，排烟温度并不是一个独立的参数变量。 当汽水系统的饱和蒸汽压力、节点温差等一些参数确定后，就可以确定了。

燃气轮机排烟是燃气轮机内燃料与空气近乎完全燃烧产生的烟气和大量燃烧冷却空气的混合气。烟气成分随燃料成分不同而不同，燃气轮机喷入的蒸汽和水的不同量也会对烟气产生影响。当烟气中含有SO2时，它与水结合生成酸，在较低温度下会对传热管产生低温腐蚀。因此，必须保持传热管外表面温度在酸露点和水露点以上，排烟温度不能太低。

为了提高对流传热系数，减少传热面积，必须提高烟气速度，这就会增加烟气压力损失，使燃气轮机背压升高，导致其输出功率和效率下降，而整体联合发电设备节点温差减小，采用多压系统时，余热锅炉的传热面积就会增加，这也会导致烟气侧流动阻力增加，燃气轮机功率下降。一般来说，燃气轮机背压每增加1%，单位功率就会下降0.5%左右。因此，应根据系统综合经济性来确定烟气压力损失。

当其他条件相同时，提高蒸汽压力会减少蒸汽的产生量和余热锅炉吸收的热量，使余热锅炉的效率降低，但对于汽轮机来说，提高蒸汽参数又会使单位时间内蒸汽所做的功增加。因此，存在着选择合适蒸汽压力的问题，在考虑联合发电效率时，虽然存在一个能取得最高热效率的合适压力值，但会因各种工程条件和综合热经济因素而有所不同，需要综合考虑。

（1）当组成HRSG联合循环的燃气轮机已经选定后，随着HRSG由单压蒸汽系统发展到双压蒸汽系统、三压蒸汽系统（当联合循环由无再热的单压蒸汽循环系统改为有再热的三压蒸汽循环系统时，机组热效率提高3%），联合循环的发电效率将不断提高，这是由于蒸汽系统中余热锅炉的等效效率与汽轮机净效率的乘积在不断提高，特别是当余热锅炉单压蒸汽系统改为无再热的双压蒸汽系统，当双压再热（或无再热的三压蒸汽系统）改为三压蒸汽系统时，联合循环的发电效率明显提高； 但双压再热蒸汽系统改为三压无再热蒸汽系统时，联合循环发电效率和机组出力变化较大，而双压无再热蒸汽系统改为双压有再热蒸汽系统时，联合循环发电效率的提高幅度不是很大，因此，目前最常用的余热锅炉类型为双压无再热蒸汽系统和三压有再热蒸汽系统。

（2）当组成HRSG联合循环的燃气轮机已经选定后，随着HRSG由单压向双压、三压蒸汽系统发展，机组总净功率会趋于略有增加（当联合循环由无再热的单压蒸汽循环改为有再热的三压蒸汽循环时，机组功率增加6%），但增幅并不大。但当余热锅炉由单压系统改为双压系统（无论有再热还是无再热）时，机组总净功率的增加，主要是因为余热锅炉的效率大大提高，从而导致蒸汽流量有较大的增加，与此同时，燃气轮机净功率趋于略有下降，而蒸汽轮机净功率在一定范围内呈增加趋势。

（3）当组成余热锅炉联合循环的燃气轮机已选定后，随着余热锅炉由单压向双压、三压蒸汽系统发展，燃气轮机循环的净效率有稍有下降的趋势，这是因为流量通过余热锅炉的气体阻力增大所致（一般来说，燃气轮机背压每提高1kPa，其功率下降0.6%-0.7%，其热耗率提高0.6%-0.7%）；但由于蒸汽参数的提高，汽轮机循环的有效效率有大幅度提高的趋势，特别是采用再热循环后，循环平均初温度提高，排汽湿度大幅度下降，导致汽轮机的内部效率和循环有效效率可同时提高。

（4）组成余热锅炉联合循环的燃气轮机选定后，随着余热锅炉由单压向双压、三压蒸汽系统发展，余热锅炉的等效效率会逐渐提高，这是因为采用双压、三压蒸汽系统后，余热锅炉排烟温度会有大幅度下降的趋势，尤其由单压系统改为双压系统时，余热锅炉排烟温度的降低会更加明显。

（5）当组成HRSG联合循环的燃气轮机已选定后，可根据燃气轮机排烟温度（即进入HRSG的烟气温度）来选定HRSG主蒸汽和再热蒸汽的温度，比燃气轮机排烟温度低3060℃，目前9F级燃气轮机排烟温度在580℃以上，由于采用三压再热可提高联合循环的出力和效率，因此均配备三压再热余热锅炉。