余热锅炉技术的发展探讨

摘 要 在我国的经济不断发展的时代背景之下，人们对于能源的需求与日俱增，同时环保意识也逐渐提高。在进入21世纪以来的第一个十年，大型燃机不管是在工作效率上，还是在其排放水平上都有很大的提升。本文通过对余热锅炉为例，分析现阶段的燃机电厂中对于余热锅炉的需求与约束，并对其未来发展进行展望。此外，笔者还指出余热锅炉技术的两种不同的立式布置形式，分别阐述两者的优缺点，从中得到一些个人见解。

关键词 余热锅炉；发展；立式布置

中图分类号：TM617 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）23-0120-02

现如今，我国很多大型燃机的使用效率得到了空前的提高，并且在排放水平上也奋力直上，对于联合循环式的发电厂来说，它的热效率相比传统的火电厂而言，具有极大的使用优势，前者的热效率可以达到近60%，而后者最高也才只能达到45%。所以，在实际的建设当中，联合循环电厂的安装成本最低，可以有效地减低开发投资者的风险。它还可以提供最低水平的发电量的氮的氧化物和每度电的一氧化碳排放，如果采用低氮氧化物燃烧器以及一氧化碳催化剂，将会起到事半功倍的效果，正因为如此，它对于余热锅炉技术的发展有着极为重要的推动作用，如降低余热锅炉的价格、提高用户的经济效益等。

1 余热锅炉技术的发展史

在余热锅炉设计过程当中，为了有效地提高与高温燃气轮机的匹配度，势必要选择烟气温度较高的环境下进行，然而随着匹配程度的加深，燃气轮机的容量变化幅度也随之增大。为了解决这个问题，则将烟囱排烟温度设置得更低一些，继而完成了将余热锅炉从单压向双压的转变。该转变进一步提高了联合循环的热效率。随之又发展到三压锅炉，热效率继续提高。现在，三压式的锅炉使用已经非常普遍了，它可以分为两种类型：一种是立式，另一种则是卧式。其中，立式余热锅炉最早在欧洲生产并使用，它的特点为占地面积小，对热应力敏感程度不高；卧式余热锅炉一般多用于北美地区，随着科学技术的进步，这种类型的余热锅炉对于循环泵的需求度减低，开始依靠自然循环。两者具有相同的热效率。

2 余热锅炉技术的时代发展需求

1）效率和蒸汽出力。

根据电厂的运行特点，它的整体热平衡都是通过燃机和汽轮机制造商来完成的，对于主机厂来说，对余热锅炉有更高的要求。以9F级余热锅炉为例，首先需要三压加再热，高压蒸汽压力为13Mpa，高压蒸汽温度为565℃；其次，高压蒸汽流量的设置要保证：蒸发器节点温度在6℃到8℃之间，省煤器接近点温度在3℃到5℃之间（当有补燃时为120kg/s，而无补燃时为70kg/s）；再次，冷凝水预热器进口温度设置应保证管壁的温度高于水露点以及酸露点；最后，烟囱排烟温度最低不低于80℃，蒸汽纯度在进入过热器时为99%，余热锅炉烟气侧阻力为3kPa（采用催化剂，则上升到3.6kPa）。

2）负荷变化与运行。

现如今由于调峰模式的全面转成，余热锅炉响应频率过高，这就需要在设计当中考虑这方面的要求。通常，认为余热锅炉冷启动一月一次，温启动一周一次，热启动一天一次，总之，按照该设计有25年的寿命期进行。冷启动在1小时内就可以达到最大负荷。在每次的快速启停过程中，都对余热锅炉产生极大的不良影响，如管壁内部的四氧化三铁保护层受到破坏，如果重新形成，则需要进行两周以上的连续运行。为了降低成本，旁路烟囱已经很少应用到设计当中，也就说余热锅炉要直接承受排烟温度，并且流量变化极大，容易产生疲劳破坏。迄今为止，ASMEI规范是余热锅炉设计中常用的标准，但是对于低循环疲劳的伤害并未明确规定，所以一般的低循环疲劳计算标准都是每个制造厂自行制定的。此外，当出现瞬间疲劳破坏时，应该进行热力机械有限元分析，根据分析结果，建立应对措施。为了进一步对锅炉的运行进行保障，对高压过热器、高压汽泡、再热器等等也要进行疲劳破坏评估。

3）蒸汽和温度与控制。

在实际设计当中，应该保证余热锅炉在运行当中的蒸汽温度在-5℃到5℃之间，并将两级过热器的中间设置级间减温器，而起到保护作用的则是末级过热器，它在启动阶段可以将蒸汽温度降低到400℃以下。末级过热器的设置在卧式余热锅炉中安装更加简单，只需设置在两个联箱之间。

4）运行。

在运行当中，有两个环节需要特别注意：其一是不同操作模式下冷凝水的形成，其二是启动前的吹扫。前者以卧式余热锅炉为例，冷凝水容易堆积在过热器管中，形成堵塞，此时就应该提高管子间和烟气流方向上的温差。后者同样以卧式余热锅炉为例，启动吹扫工作时安全操作中最为基础的一项工作，为的是清除残留的可燃气体，然而这种吹扫也带来了应力疲劳。现在的卧式锅炉对于吹扫还未能充分重视，需要进一步分析和合理地设计。

5）循环与腐蚀。

当余热锅炉启动频率过高时，势必会发生应力疲劳、腐蚀、酸露点腐蚀等问题。对于应力疲劳和腐蚀来说，它们具有累积性，其造成的损害也是不可逆的。所以，在进行电厂稳定性评估时，必须要考虑应力疲劳腐蚀、流动加速腐蚀以及烟气侧腐蚀三个方面。

3 余热锅炉设计的关键要素

1）余热锅炉设计的限制条件。

限制条件主要分为两个方面：一方面为限制性关键系统，如图1所示；另一方面为材料的选择。而在材料上，应该选择高温下仍然具有良好性能，并且经济性也比较合适的材料。

2）余热锅炉设计的要素。

①对于设计当中预设的温度以及压力梯度都必须经过合理的循环应力计算之后才能确定；②对于局部故障处必须进行动态分析；③当对带分隔板的联箱分析不可规避，应根据常规经验降低低循环疲劳损失，同时尽量不使用低疲劳轻度的厚壁联箱；④过热器中进行蒸汽流动模型分析以及在补燃时进行烟气流动模型分析等等；⑤整个设计采用公开、透明的形式，降低生产成本。

4 结束语

现如今，关于余热锅炉，应该在项目管理、供应链优化、设计控制等多个环节实施改进，最终达到满足客户需求的目的。在余热锅炉技术方面，下一代的燃气轮机正在研究，即蒸汽冷却燃机。该技术的实现，将会在很大程度上解决燃机金属升温而产生损坏的问题。

参考文献

[1]王晓瑜.余热锅炉结构形式及运行特性研究综述[J].中国有色冶金，2012（2）.

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