1、余热锅炉系统工作原理与技术特点余热锅炉系统工作原理及技术特点 中国锅炉网资讯栏目.glwww./news/5/1概论一、简述在燃气轮机做功后排出的燃气，仍具有比较高的温度，一般在540左右，利用这部分气体的热能，可以提高整个装置的热效率。通常是利用此热量加热水，使水变成蒸汽。蒸汽可以用来推动蒸汽轮机一发电机，也可用于生产过程的加热或供生活取暖用。对于稠油的油田可以用蒸汽直接注入油井中，以提高采油量。根据不同的蒸汽用途，要求有相应的蒸汽压力和蒸汽温度，也就需要不同参数的产汽设备。利用燃气轮机排气的热量来产汽的设备，称为“热回收蒸汽发生器”，表明回收了排气的热量，用英文字母HRSG来表示。我国习惯
2、上称为“余热锅炉，本文也采用“余热锅炉”的名称，并把燃气轮机的排气简称为“烟气”。“余热锅炉”通常是没有燃烧器的，如果需要高压高温的蒸汽，可以在“余热锅炉”装一个附加燃烧器。通过燃料的燃烧使整个烟气温度升高，能够产生高参数的蒸汽。例如某余热锅炉不装燃烧器时，入口烟气温度为500，装设附加燃烧器后，可使入口烟气温度达到756。蒸汽的压力可以从4MPa升到10MPa，蒸汽的温度可以从450升到510，蒸汽可以供高温高压汽轮机用，从而增加了电功率输出。目前我国油田进口的余热锅炉的蒸汽参数有：4MPa配450及1.4MPa配195（饱和蒸汽）。前者供给中压汽轮机来发电，后者可以供生产或供生活取暖用。注
3、：关于多种余热锅炉，余热锅炉利用燃气轮机排气的方式，补燃问题。二、余热锅炉的组成（一）蒸汽的生产过程图191是一台余热锅炉的结构示意图，从图中可以看出产汽的过程。图191强制循环余热锅炉（注意蒸发器为顺流布置，即管束流向自下而上，以免上下弯头处积汽。）从燃气轮机出口的烟气，经烟道到余热锅炉入口，烟气自下而上流动，流经过热器、两组蒸发器和省煤器，最后排入烟囱。排烟温度约为150180，烟气温度从540降到排烟温度，所放出的热量用来使水变成蒸汽。进入余热锅炉的给水，其温度约为105左右，先进入上部的省煤器，水在省煤器吸收热量使水温上升，水温升到略低于汽包压力下的饱和温度，就离开省煤器进入汽包。进入
4、汽包的水与汽包的饱和水混合后，沿汽包下方的下降管到循环泵，水在循环泵中压力升高，分别进入两组蒸发器，在蒸发器的水吸热开始产汽，通常是只有一部份水变成汽，所以在蒸发器管流动的是汽水混合物。汽水混合物离开蒸发器进入汽包上部。在汽包装有汽水分离设备，可以把汽和水分开，水落到汽包水空间，而蒸汽从汽包顶部出来到过热器。在过热器吸收热量，使饱和蒸汽变成过热蒸汽。根据产汽过程有三个阶段，对应的应该要有三个受热面，即省煤器、蒸发器和过热器。如果不需要过热蒸汽，只需要饱和蒸汽，可以不装过热器。（二）余热锅炉的型式1、强制循环余热锅炉图191所示的余热锅炉就是强制循环余热锅炉。从汽包下部出来的水经一台循环泵后，进
5、入蒸发器，是靠循环泵产生的动力使水循环的，称为“强制循环余热锅炉”。其特点是；各受热面组件的管子是水平的，受热面之间是沿高度方向布置，可节省地面的面积，并使出口处的烟囱高度缩短。但在运行中需要循环泵，使运行复杂，增加维修费用。目前油田进口的余热锅炉，多数采用此种型式。2自然循环余热锅炉图192是一自然循环余热锅炉，全部受热面组件的管子是垂直的。给水进入省煤器吸热后，进入汽包。汽包有下降管与蒸发部的下联箱相连，下降管位于烟道外面，不吸收烟气的热量。汽包还与蒸发器的上联箱相连。直立管簇吸收烟气的热量。当水吸收烟气热量就有部份水变成蒸汽，由于蒸汽的密度比水的密度要小得多，所以直立管汽和水混合物的平均
6、密度要小于下降管中水的密度，两者密度差形成了水的循环。也就是说：不吸热的下降管的水比较重，向下流动。直立管的汽水混合物向上流动，形成连续产汽过程。此时进入蒸发器的水不是靠循环泵的动力，而是靠流体的密度差而流动，这种余热锅炉称为“自然循环余热锅炉”。其特点是：省去循环泵，使运行和维修简单。但各受热面是沿水平方向布置，占地面积大，在排烟处所需烟囱的高度要高。图2 自然循环余热锅炉本文主要介绍“强制循环余热锅炉”。（注：一般来说，余热锅炉的循环方式有5种：单压，双压无再热，双压再热，三压无再热，三压再热。）（三）余热锅炉的布置图193是强制循环余热锅炉的布置图，包括余热锅炉本体受热面及烟道系统，其特
7、点如下：图193余热锅炉布置图1烟气系统从燃气轮机出来的高温烟气有两路出口，一路进人余热锅炉，从主烟囱排人大气，另一路进入旁路烟囱排人大气。每路烟道上都装有挡板，共有三个挡板，主烟道上的挡板称“主挡板”，旁路烟道上的档板称“旁路档板”，主烟囱处的档板称“烟囱挡板”，各挡板是配合使用的。燃气轮机工作而余热锅炉不工作，要开启旁路挡板，关闭主挡板。燃气轮机与余热锅炉同时工作，要关闭旁路挡板，开启主挡板。另一方面为调节余热锅炉的产汽量，主挡板和旁路挡板可以部份开启或部份关闭，挡板调节的容见后。余热锅炉工作时，应该开启烟囱挡板。当余热锅炉短时间停炉，可以关闭烟囱挡板，以防止余热锅炉的热量损失。因为余热锅
8、炉温度比较高，周围冷空气可以进入余热锅炉，形成自然对流将热量带走，关闭烟囱挡板就能防止外界气流进入余热锅炉，以保存热量，准备随时起动余热锅炉。如果余热锅炉要停炉检修，希望冷却速度快些，可以开启烟囱挡板。水平烟道经过一个90 转弯接头与余热锅炉相连，这个转弯接头是经制造厂试验研究后确定的，其形状尺寸必须要保证转弯后的气流分布均匀，均匀的气流能够使得烟气放热也均匀，管水或汽的吸热也均匀，否则会使一些管子吸热多而另一些管子吸热少，这对余热锅炉的安全运行是不利的。主烟道和旁路烟道都装有膨胀节，这是由于烟道受热后要伸长，会对烟道的支架产生热应力。采用膨胀节能吸收烟道的伸长量，可以减小热应力。2汽包汽包是
9、用悬吊的方式来固定，悬吊在伸出的悬臂框架上，悬臂框架与省煤器的框架相接。采用悬吊方式可以使汽包有足够的挠性，因汽包下部有下降管，上部有省煤器进水管、蒸发器的汽水混合物引入管以及饱和蒸汽引出管等，当这些连接管受热膨胀时，都会对设备产生附加应力，现在汽包用挠性支架，能减少对设备产生附加应力。3组件的装配整个余热锅炉分成几个大组件，每个大组件在制造厂组装好后装运。在现场直接安装，这样大大缩短安装工期。这些增加有：烟囱，膨胀节，90 转弯段，支承框架，汽包，烟道，挡板，烟囱缩口，过热器，蒸发器I和II，省煤器，旁路烟道及其挡板和膨胀节等。1 内壁 2 外壁 3 保温层 4 连接螺栓5 法兰 6 法兰螺
10、栓有热烟气流过的组件均装有管箱板，管箱板上有法兰。图194示出了上下拉杆组件管箱板的连接方式。考虑到减少散热损失，保证运行人员安全，管箱板由金属板与保温层组成。与高温烟气接触的壁采用耐热合金钢板，外壁采用碳钢板。两金属那边之间是矿物纤维保温层，外壁和壁用螺栓连接，螺栓预先焊在外壁钢板的侧，在壁相应位置处预先冲孔眼，孔的直径要比螺栓直径大，多余的孔隙量可以允许壁和外壁有相对移动。这是因为壁和外壁的温度不同，材料不同，受热后的膨胀伸长量也不同，所以两壁之间会有相对移动。外壁上焊有加强框架，可保证管箱板的强度和刚度，外壁的两端焊有法兰，可以用来连接组件。 图194烟气在余热锅炉中自下而上流动，烟温逐
11、渐降低，所以管箱板的保温层厚度也可减薄，省煤器出口的烟气温度不超过200，可以直接用碳钢的钢板制造烟道，来代替管箱板。（四）受热面组件的特点受热面组件指的是省煤器、蒸发器和过热器，分别组成四个组件，其结构型式基本上是相同的。只有管子直径及有关尺寸略有不问，各组件由管组、联箱、管箱板和支吊架组成，现分别叙述之。1管组图5 受热面组件装配A 准备管子，锉坡口 B 焊接弯头及连接直管 C 装支吊架 D 支吊架装顶板和底板每个受热面组件的管组包括几十根管子，管子是带肋片的，组成水平蛇行管，见图195。肋片管是用一定厚度（1mm）和一定宽度（1220mm）的薄钢带绕在光管外壁上，绕的型式采用螺旋线。薄钢
12、带是用电阻焊与光管外壁相接的，使钢带与管外壁紧密结合，保证传热效果好。图195表示了整个受热面组件的装配过程，二根直的助片管用一个180 弯头连接，连接方式采用焊接，最后组成一根水平蛇行管，几十根并联的蛇行管可以组成一个管组。2支吊架采用“蜂窝状”吊架，用两块凸凹板可以组成一个“蜂窝状”吊架，凸凹的形状是一个等六边形，像蜂窝的形状，所以称“蜂窝状”吊架。图195C中表示出一根水平蛇行管的吊架，如果管子沿水平方向很长，需要多装吊架，大约每隔一米需一个吊架。如果并联的管子数目是30根，在同一距离上就有30个吊架，采用吊架顶板和底板可以将此30个吊架组合起来，最后如图195D中表示的一个大的坚固的管
13、组。顶板用1319mm厚的碳钢钢板制造，能够承受管组的重量。管子的肋片部份和支架板接触，肋片外形是圆的，而支架板形状是六角形，除了接触点以外，两者之间有足够的空隙，吊架本身又有挠性，可以微微移动。所以当管子受热而膨胀时，不易被吊架卡住，同时管壁不会被磨损。这种型式的吊架对于联箱也是有好处的，因为管组的进口联箱和出口联箱都是固定不动的，采用这种吊架，管子膨胀伸长是自由的，能减少膨胀热应力作用到联箱上。3联箱在整个管组和吊架装配后，最后安装联箱，省煤器和过热器的进出口联箱型式是相同的。而蒸发器的联箱的型式常常是不同的。进口联箱的直径要小于出口联箱的直径，这是因为蒸发器入口是水而出口是汽水混合物。4
14、特点组成的水平蛇行管的两端可以自由伸长。从图191中可以看到全部弯头都在高温烟道以外，表明焊缝不和高温烟气接触。这种受热面结构对快速起动有利。所以余热锅炉能够随着燃气轮机快速起动。受热面的管子采用肋片管，可以增加传热量，反过来说，在传热量相同的情况下，可以减小受热面，使余热锅炉体积小，布置紧凑。所以目前不论是水平蛇行管或直立式管都趋向于采用肋片管。例如：省煤器中每公斤水需吸收热量314KJ。如果采用光管，需0.497米长的管子，如果采用同管径的肋片管。只需0.05米的管子；显然后者可以缩小尺寸。从传热的观点来分析，要提高传热量，就要减小传热的总热阻。余热锅炉管子外面流的是烟气，管流的是水或汽或
15、汽水混合物，前者的热阻远远大于后者，相差几十倍几百倍，所以就要从管外侧想办法来改善传热，最有效的措施就是增加管外侧表面积，也就是采用管外加肋片的肋片管。2 受热面的设计计算余热锅炉的产汽过程是通过省煤器、蒸发器及过热器来实现的。也就是通过管子把管外烟气的热量传给管的流体（水或汽）。在运行中，如果省煤器和蒸发器传过的热量少，那么蒸汽产量少，蒸汽压力低。如果过热器传过热量少，“就使蒸汽出口温度低。另外，受热面处在高温烟气下工作，管流体的流动情况会影响管子金属温度，也就是影响管子强度，由此可见，这三个受热面直接影响余热锅炉运行的安全性和经济性。从事锅炉运行的人员要了解产汽过程特点及传热的基本知识，才
16、能分析运行中出现的事故以及蒸汽参数调节的问题。本节重点介绍传热及汽水两相流问题。一、热量计算公式每个受热面有三个热量计算公式，一个是烟气放出的热量、一个是管流体吸收的热量，一个是传过去的热量。这三个热量是相等的，人们用热平衡方程式来表示前二个热量，用传热方程式来表示后一个热量，现分别叙述之。（一）热平衡方程式烟气经过某受热面所放出的热量，扣除散到周围的散热量，就是烟气的有效放热量，公式如下：Qp = V(I I ) J/s或W （1）式中：Qp一烟气有效放热量； 一保热系数，考虑散热量的影响，通常取098099；V一烟气流量kgs；I 一烟气进口焓， Jkg；I 一烟气出口焓，Jkg。管流体在
17、某受热面所吸收的热量，用下式表示：QwG(i一i) Js或W （2）式中：Qw一管流体吸热量；G一管流体流量kgs；i一流体出口焓，Jkg；i一流体进口焓，Jkg。热平衡方程式就是：Qp Qw 通常写成 V(I I ) = G(i一i) （3）分析（3）式，可以看到烟气侧改变任何一个物理量的大小，都影响管流体的吸热量，也就是影响管流体的物理量的大小。例如：燃气轮机降负荷，烟气量V减少，如果烟气的进口和出口焓不变，整个烟气放热量减少。此时管流体吸热量要减少，如果流体的流量G不变，进口流体焓i不变，那么流体的出口焓i就要减小。同样的理由，改变烟气焓也会影响流体的出口焓。对于省煤器和过热器来看，管水
18、或汽的流量G不随烟气放热量而变，只改变水或汽的出口焓，也就是改变流体的出口温度，而对蒸发器则不同，烟气放热量的变化会使蒸汽产量发生变化以及蒸汽压力发生变化，这些都是运行中需要重视的参数。公式（3）中，烟气流量是随燃气轮机负荷而改变，烟气进口焓也与燃气轮机负荷有关，烟气的出口焓则与传热量大小有关，所以只有热平衡方程式还不能确定烟气放热量，还需要通过传热方程式来计算传热量，最后确定烟气放热量。上面已提到，放热量和吸热量和传热量三者是相等的，如果传的热量少，烟气的放热量和流体吸热量都会随之减少，这说明传热量是很重要的，计算传热量采用传热方程式。图6 肋片管的尺寸符号 图7 受热面的温度分布 （a）逆
19、流 （b）顺流（二）传热方程式。从“传热学”中知道传热方程式的基本形式是：QK tA J/s或W （4）式中：Q一传热量；K一传热系数，W/(m2 )； t一平均温差，；A一管子的传热面积，m2。传热系数K的计算复杂，见（四）节容介绍。1肋片管子的传热面积计算肋片管子的尺寸符号见图6。管外壁的总传热面积包括肋片的表面积和无肋片区的管外壁面积。令Af为肋片表面积，AWb为无肋片区的管外壁面积，每米管长的总面积A0AfAWb，m2/m。 （5） （6）式中：n一每米长度上肋片的数目。（注：假定肋片端部绝热。）2平均温差 t的计算受热面都是由多排的水平管圈组成，沿着管子长度各点的流体温度是逐渐变化的
20、，同时对应的各点的烟气温度也是逐渐变化的，因此只能求出整个受热面的平均温差。图7表示三种受热面烟气和管流体的温度分布情况。进入受热面的烟气温度为T1，经过放热后的烟气温度降到T2。进入受热面的水（或汽）的温度为t1，吸热后温度升高，离开受热面时温度为t2。图7中表示出（a）、（b）、（c）三种情形。（a）表示热流体（烟气）与冷流体（水或汽）的流动方向是相反的，称为“逆流”。两种流体的高温段位于受热面同一侧，低温段也位于受热面的另一侧。从（a）上可以看到，被加热的冷流体的出口温度t2可以高于热流体的出口温度T2，此时，沿受热面的各处温度差（Tt）比较一致，其数值比较大。这就是“逆流”布置的一个优
21、点。现在余热锅炉的省煤器和过热器是采用“逆流”布置，热烟气自下而上流动，水（或汽）自上而下流动。（b）表示热流体与冷流体的流动方向是相同的，称为“顺流”，可以看到，冷流体的出口温度t2不能与热流体的出口温度T2相同，至少要保持一个差值即（T2t2）0。同时沿受热面的温差（Tt）的变化大，开始温差大，后逐渐减小，整个受热面的温差的平均值比较小。（c）表示冷流体温度没有变化，这种受热面就是蒸发器。因为当水变成蒸汽的过程中，饱和温度是不变的。不论采用“逆流”布置或“顺流”布置，其温差的数值是相同的。所以余热锅炉的蒸发器可采用”“顺流”布置。管子的平均温差用下列公式计算 （7）式中： td一热、冷流体
22、温差的最大值； tx一热、冷流体温差的最小值。上述符号的意义表示在图7上。公式（7）称为“对数平均温差”，是根据理想条件下推导出的。理想条件包括：单管、流体比热不变、对流换热系数不变。而实际受热面是多管的，流体比热随温度而变化，对流换热系数也是在变化的，所以实际使用时，用修正系数进行修正，得到实际受热面的对数平均温差是 t。余热锅炉各受热面的蛇行管的弯曲数都超过四流程，所以修正系数 接近1。例题1：已知省煤器进口水温是110，出口水温是180，烟气进口温度是230，出口温度降到185，试计算逆流及顺流布置时的对数平均温差。解：顺流布置时， td230110120， tx1851805于是，逆流
23、布置时， tx23018050， td18511075于是，例题一的答案表明，顺流布置时，对数平均温差要小。如果传过同样的热量，从公式（4）可以看出，需要的受热面的面积大，需增大72左右，所以余热锅炉中采用逆流布置。（三）肋片管的传热过程1清洁管壁面的传热过程图8表示了肋片管的传热，假定金属壁面是清洁的，没有污垢层，可以认为传热有三个阶段，现分别叙述如下：图8 肋片管的传热图9 肋片效率Ef（1）第一个阶段：烟气对金属壁的传热。烟气的温度是T，分别与肋片壁与管外壁接触，管外壁的温度是twb，肋片壁的温度是tx。可以根据公式（4）的形式，分别写出传热量公式，Q1是传给助片壁的热量，Q2是传给管外
24、壁的热量。 （8） （9）烟气总传热量 （10）上式中的肋片壁温tx是一个平均温度值，距离管外壁近的肋片根部的温度接近管外壁温twb，而在肋片顶端处的温度要比管外壁温twb高，所以采用平均值。tx的数值与以下物理量有关：管外壁温度、管子尺寸、肋片尺寸、金属壁的导热系数、烟气的换热系数等。经数字推导并加整理，得到助片效率Ef和系数B。 （11） （12）两者的关系Ef = f（B）示于图9中。式中： b金属壁的导热系数，W/(m) 1烟气对壁的换热系数W（m2）。其余符号见图6及图8所示。肋片效率Ef 的物理意义表明金属本身的热阻的影响。从公式（11）中可以看到，当金属有热阻时，tx大于twb，
25、Ef是一个小于1的数值。在理想情况下，金属没有热阻，tx 等于twb，肋片效率Ef = 1。将（11）公式中的（Ttx）代人公式（10）中，得到第一阶段传热量为： （13）（2）第二个阶段：从管外壁到管壁的传热量为： （14）式中：b管壁厚度，m；tnb管壁温度，；Ab用平均直径计算的管子平均面积，m2。（3）第三个阶段：从管壁到管流体的传热量为： （15）式中： 2 管流体的换热系数，W/（m2）； Anb管壁面积，m2 t管流体的平均温度，。在稳定传热过程中，上述的三个阶段的传热量是相等的，得到QQIQIQIII，将各Q值代入后，加以整理，得到根据得到（16）可以写成公式（4）的通用形式，
26、（17）式中：A0肋片、管外壁总面积，A0Af Awb ； t对数平均温差，K总传热系数，W/（m2）。其计算见（四）节容2壁面有污垢的传热过程图（10）表示有污垢时的传热，由于污垢层的热阻大，使管外壁温twb降低，依此类推，最终使冷流体的温度降低，达不到预定的加热温度。当余热锅炉受热面存有污垢时，就有此现象产生，污垢厚度越厚，此现象越严重。污垢层的传热量可按照公式（14）的形式工程上直接用污垢系数来表示污垢层的热阻。Rw表示外壁的污垢系数，Rwbrw/ rw；Rn表示壁的污垢系数，Rnbrn/ rn。考虑到污垢层比较薄，近似认为AwwA0，AnwAnb，九得到： （18） （19）将以上两式
27、与其他三项传热量合并后，得到： （20）比较公式（16）与公式（20），可以看出，由于等号左边增加了两项，使数值变大，等号右边的（Tt）的差值也变大，表示冷流体被加热的温度要降低，即余热锅炉产汽量或蒸汽出口温度均要降低，这说明受热面结垢对运行是不利的。（四）肋片管的传热系数计算将公式（20）写成通用形式：得到传热系数： （21）上式第一项是烟气换热的热阻，第二项是烟气侧壁面的污垢热阻，第三项是金属管壁热阻，第四项是管壁污垢热阻和管流体换热的热阻。计算传热系数K，首先要计算 1、 2、以及Rw、Rn、 b。现分别叙述如下。1金属管壁导热系数 b。对于碳钢的管材，当温度为20时， b 46W/（m
28、），随着温度升高而略有降低，当温度在100200之间， b 40W/（m）。对于含铬钢管，当温度在400时，导热系数 b 38W/（m），过热器常采用铬钢来制造。2管外壁和管壁的污垢系数管外壁的污垢包括氧化膜及积灰，其污垢系数Rw随燃料气的性质而定，燃用天然气时，Rw可取0.00035m2W，燃用油时，Rw 可取0.0008m2W管壁的污垢包括氧化膜及水垢，采用水处理的软化水作为锅炉给水时，污垢系数Rn可取0.00010.0002m2W。当软化水质量不合格，水垢层厚度会变厚，使污垢系数随运行时间增加而增加。所以要保证锅炉给水的质量。3烟气换热系数 1 肋片管采用正三角形错列布置时，换热系数 1
29、可用布里格斯的实验公式。 （22）式中：Sf ，Y，Df ，Dw结构尺寸见图6；Re雷诺数，Pr普朗特数， w烟气在最小通流截面处的流速，m/s 烟气密度，kg/m3 烟气粘度（粘性系数），Pa scp烟气定压比热，J/kg 烟气导热系数，W/m 当肋片管的结构尺寸确定后，其余物理量都与烟气温度有关，其中烟气流速还与烟气流量有关。通常烟气的换热系数 1 的数值围是几十，所以其热阻大，是决定传热系数的主要因素，余热锅炉运行时的负荷变化也取决于烟气换热系数，例如，当烟气流量增加，烟气流速就增大，雷诺数Re增大，换热系数 1就加大，传热系数K也变大，传热量增加，使余热锅炉的产汽量增加。反之，烟气流量减少，换热系数也减小，传热量就少，产汽量也少。注：关于一般的传热计算，传热系数K，热阻，热阻中的关键项烟气侧对流换热系数。例题2：已知某处烟气流速17m/s，温度375，当烟气（质量）流量不变，温度升高到450时，分析换热系数 1的变化。解：按布里格斯的实验公式，计算结果如下：温度 Pr / wRe3750.04890.70257.410617296167Dw4500.05380.70669.1410619274391Dw得： 450 / 375 1.043注：质量流量不变，通流面积不变，烟气的体积与绝对温度成正比，流速也就与绝对温度成正比，从而得
