1、山東電力技術SHANDONH&IANIjnSHU2 0(年第 5期總第14期)余熱鍋爐分類及各組件常見問題的分析AnalyosnA e rangemHRSGanffiene rPar loblfe mGs omponeonHtR SG郭艷貞，趙秀英，王璋，許善濤山東煙臺發電廠，山東 煙臺 264002摘要：對余熱鍋爐常規布置形式臥式、立式)優缺點進行了比較，并介紹了新的直流余熱鍋爐。同時對余熱鍋爐各組件如過熱器、省煤器、蒸發器、管道燃燒器等常見的問題及改進措施進行了分析和闡述。關鍵詞：余熱鍋爐；布置形式；組件；常見問題；分析AbstrTScad i aircrnageme noHrRS

2、G (hori aoifta Itanaal r)(e ompaane(aninnovHRSG-e OTSGntrocSuocmae(S .so e su o nceodmponoeHilt SG, ucahssuperhn比ono m，vnpo，也 utdotr sn erestaraenalyzed.Ke yvorCHsR S;Garrang e ynpontpon; eenntesp aob;lama lysis中圖分類號：TK2 2文獻標識碼：E文章編號：10 0歹0(2 0 005 0 40 山東電力技術SHANDONH&IANIjnSHU2 0(年第 5期總第14期)山東電

3、力技術SHANDONH&IANIjnSHU2 0(年第 5期總第14期)0概述燃氣一蒸汽聯合循環發電是當今世界上發展極 為迅速的一種高效、低污染發電技術，它己成為發達 國家新建熱力發電廠的首選系統。余熱鍋爐作為聯 合循環總能系統中的一個重要的有機組成部分，很大程度上影響了聯合循環的效率和運行安全，本文對余熱鍋爐常規布置形式臥式及立式)優缺點進行了比較，并介紹了新的直流式余熱鍋爐。同時對余熱 鍋爐各組件如過熱器、省煤器、蒸發器、管道燃燒器除氧器的給水箱 ，由給水箱岀來的低壓飽和水一路 流經低壓蒸發受熱面后又回到給水箱，一路經高壓給水泵壓力升高后，流經高壓省煤器，進入高壓汽 包，在高壓蒸發

4、受熱面中循環受熱蒸發，產生飽和蒸汽。高壓汽包中的大部分飽和蒸汽經兩級高壓過 熱器，成為過熱蒸汽進入汽機作功，其余飽和蒸汽注入除氧器，加熱凝結水，維持除氧器的常壓。 為防 止過熱器金屬管壁超溫，少量低壓飽和水進入噴水減溫器和過熱蒸汽混合，降低過熱蒸汽的溫度，煙 氣和汽水系統的流程圖如圖1山東電力技術SHANDONH&IANIjnSHU2 0(年第 5期總第14期)LI:伶胃N水 凝 拎等常見的問題及改進措施進行了分析和闡述。1余熱鍋爐的類型燃氣黑汽聯合循環中使用較多的為雙壓余熱鍋爐。其典型結構由高溫過熱器、高壓汽包、高壓蒸發受熱面、高壓省煤器、除氧器(氐壓汽包)和低壓蒸發受山東電力技術S

5、HANDONH&IANIjnSHU2 0(年第 5期總第14期)t .unki.ncl熱面組成。燃氣輪機排岀的島過I島過2高溫煙氣順次流經兩級高壓過熱器、高壓蒸發受熱面、高壓省煤器及低壓蒸發受熱面，溫度逐漸降低，最后從煙囪排岀。為了使HRS有較高的熱回收效率，受熱面一般布置為逆流形式。由熱井來的冷凝水經凝結水泵加壓后注入到© 1China Academic Journal Elttironic Publishi高壓叢發受熱鹵高壓省煤器低圧蕭發受熱面圖1余熱銀爐汽水及悄氣流程圖按照煙氣流動的方向，余熱鍋爐典型的分成兩 種：臥式的和立式的。在國外，大多數北美的余熱鍋爐是臥式的；而

6、歐洲則普遍是立式的，這兩種都有一定的優點，又都有一定的缺點。1.1臥式余熱鍋爐All righ臥式余熱鍋爐的特點就是自然循環，典型的由多壓蒸汽系統組成。小機組象尖峰機組經常是雙壓 系統，大機組、三壓機組通常將中壓和再熱系統結合 起來使用以提高熱效率。用于F級燃機的典型余熱鍋爐燃氣流量可達 1 3 6 2溫度接近6 21 對應于鍋爐，將立式設計的負荷調整能力和自然循環的高循環效率有機地結合起來，只是在短暫的時間內需要循環泵。這種設計的發展商CM公司稱此為“輔助循環”。立式余熱鍋爐原來需要強制循環蒸發段來保山東電力技術SHANDONH&IANIjnSHU2 0(年第 5期總第14期)這些煙

7、氣側條件，鍋爐不帶補燃，大約可產生 18 2、t/hffi蒸汽產生后是同一方向流動。這在啟動階段特別山東電力技術SHANDONH&IANIjnSHU2 0(年第 5期總第14期)4天燃藝慮業泊補槌和過t£肇豐，高出髀爐施咼陣水螳.b需士料迢丁 一區化醴轉枚陣忙俸足列技莘黑遅&中F過育圧障u is jo.中巒惴爐區底降水wji.中圧輝馬窩"中壓臂包，沾低更武魚(內徙與集水器相連螯畫hlh畢水當I* 門“煙冋*1亂斥件平訐.刼檢聊1.2立式余熱鍋爐立式余熱鍋爐在歐洲很流行，它的支持者認為立式的余熱鍋爐比臥式的設計更適合用于調峰和 負荷跟蹤。立式余熱鍋爐有下列優點

8、：可通風的蛇形管有時候叫長號式管)布置，允許自由膨脹。(2) "殼體加溫(warmcas)f設計，可保證 殼體的膨脹與管束一致，以減少熱應力。(3) 水容量較少，因此熱慣性較小。4疏水系統有效且易拆卸，最低的壓力點離地約6 m左右。以往立式余熱鍋爐的不利之處就是它們需要 強制循環。而由強制循環泵帶來的額外的電負荷消 耗降低了聯合循環的效率。但是，新的立式的余熱項目立式臥式水循環強制自然啟動時間短較長占地面積小較大結構較復雜簡單操作運行較復雜簡單廠用電較多少燃料適應性強較弱初投資較高低1.3直流式余熱鍋爐一種創新的余熱鍋爐，直流式余熱鍋爐OTS)G既可用于水平布置又能用于垂直布置。給水

9、直接被轉變成過熱蒸汽而不設任何汽包。領先的OTS的制造商是加拿大安大略省劍橋市的創新蒸汽科技 (InnovaStie/ aeT echno)l, 它在 ies 過去1(年間已售岀 6多臺這樣設備。盡管 OTSG© 1994-2007 China Academic Journal Elcctrcjnic Publishing House12.4MPG的過熱蒸汽和 2 2 7、2/ K75 M再熱 蒸汽。若煙道燃燒器提供補燃，用于同樣的 F級的燃 機，可以產生 4 5 4的/熱蒸汽。常見的臥式余熱鍋爐布置圖如下所示： 重要。反向流能導致在省煤器內汽化 ，帶來嚴重的 破壞后果。隨著設計蒸汽

10、壓力的升高 ，直到高壓段 壓力達到 10M P都需要保留強制循環 ，超過此值 后，自然循環就成為可能。因為較高框架結構的三壓系統中，在框架結構的頂部的汽包和煙囪底部的 蒸發器管束之間就有了足夠的壓頭。在英國的一個立式的三壓不再熱余熱鍋爐項目中，通過給高壓循環泵加設旁路，使得自然循環得以實現。在新的輔助循環設計中，啟動裝置是在流體流過的一個平行支流里的一個小泵。從汽包下來安排了一個4 5斜下降管，與連接到的蒸發器管束聯箱 的另一個向上的坡型管連接。當水從汽包中流下 時，一部分被引到地面布置的泵中，泵給V型底部的噴口供水，將水打入省煤器聯箱。啟動時，每個蒸汽系統的小泵都在持續運行，直到建立了平穩的

11、蒸汽工況 通常需要 1分鐘。之后泵自動停運 ，自 然循環得以實現。臥式自然循環與立式強制循環余熱鍋爐對比 如下：山東電力技術SHANDONH&IANIjnSHU2 0（年第 5期總第14期）傳統上被限制在基于航空派生的項目和小型工業燃機上，但現在新的設計已經發展到了能匹配較大 結構的燃氣機。因為沒有帶厚壁的部件，熱瞬變引起的應力大大減少。因此從調峰的角度來看，OTS設計是頗具優勢的。其另一優點是可長時間干燒的能力。這就允許余熱鍋爐與燃機同步啟動，或者在燃機帶滿負荷后啟動聯機。通常在燃機啟動后，這種OTSG停機過程中形成的冰。在排氣溫度大約149（OTSG安裝了旁路將被干熱啟動，以保證管

12、路暖管并除掉可能在上次2.2省煤器通常省煤器是強制循環熱交換器，常見的問題就 是省煤器蒸發，多發生在小流量階段 J如啟動時；或排 氣流速較高時 一如在燃機負荷變化期間。 省煤器蒸發 是不希望發生的，因為局部過熱會引起爆管，管溫瞬變會產生應力。大部分用戶在啟動和帶部分負荷時候 有過省煤器蒸發的經歷。省煤器蒸發可能是設計不良的結果，或是由煙氣旁路引起的，如煙氣擋板不合適或故障。有些用 可在帶部分負荷運行時候移去余熱山東電力技術SHANDONH&IANIjnSHU2 0（年第 5期總第14期）岀口溫度），給水流速隨燃機加載負荷而逐漸上升。當采用熱啟動和水流低于設計流量的9 3時，OTS將產生

13、與入口燃機排氣同樣溫度的過熱蒸 汽。當加負荷，且水流在燃機運行工況額定點的 8 5%一9時候，給水將根據過熱溫度反饋轉入閉 環控制。在平穩的條件下，過熱溫度能維持在額定點上下5C范圍內。對瞬變采用前饋法，根據燃機排氣溫度和流速將給水流量設置為一個預測值。在送到凝汽器之前將旁路蒸汽降溫并進行壓力調節，將系統損失降至最小。直流式余熱鍋爐設計是惟一有能力延伸到超 臨界蒸汽工況 大于2 2MF以上的技術。2余熱鍋爐部件常見問題及改進方案2.1過熱器不管余熱鍋爐是臥式或是立式，壓力部分的選材都是非常重要的。尤其是過熱器，需要特別注意。 因為過熱器位于蒸發段的上游，管子暴露在最熱的煙氣中，因此管材溫度最高

14、。除了燃氣輪機排氣工 況的急劇變化所引起的熱疲勞，過熱器部分也承受蠕變破壞，這大大加速了整體疲勞損壞的過程。采用穿透焊以及管道-聯箱的適度的撓性對于 過熱器是非常重要的。另外，過熱器應選擇高蠕變強度的材料以減少聯箱厚度和蠕變積增，單這一步即可使過熱器疲勞破壞得到最大限度的減少。如果余熱鍋爐和排氣溫度超過5 9®的燃氣輪機配合，象7F或9F級別，過熱器岀口聯箱和 蒸汽管道必須采用改進型9%各，也叫P9o1由 2.2鉻g制成的聯箱 ，叫P2,2將很難適應這些 機器的冷啟動和燃氣輪機跳閘特性。即使余熱鍋爐用于不那么苛刻的蒸汽工況，甚至是中等的聯合循環水平，P9也是比較好的材料。鍋爐部分。早

15、期的余熱鍋爐通常是高壓 片壓省煤器管道共 用一個聯箱。這些機組被設計成帶基本負荷運行，開停機時具有大熱膨脹差的瞬變是很少見的。許多這 種布置的機組已經從調試期開始改善聯箱布置，把高壓腫壓聯箱部分分開，以減少調峰時的熱應力。在省煤器調峰的系列問題中，傳遞應力是最普通和被廣泛理解的，因發生在熱省煤器被冷水沖擊 的情況下，故也稱“省煤器激冷”。這種應力在中等 溫差一象6 5C015 0情況下就有破壞力 ，壁厚不 是主要因素，但盤管幾何形狀很重要，不良的幾何形狀能引起撓度不佳和應力聚集點。對于余熱鍋爐用戶來說，傳遞應力象穿透應力對于常規鍋爐的運 行人員一樣常見。省煤器流量分布的不平衡也是在余熱鍋爐調

16、峰過程中出現的另一種形式的破壞，省煤器流量分布的不平衡引起管對管應力。在相同的盤管內，有些管流量和流向都正常，另外一些管內流向正常而流速很低，還有些管內實際上岀現了反向流。用戶 證實這種破壞機理是造成那些非腐蝕損壞的管道 故障的原因。運行5年的電廠在日常調峰中已經碰 到這些問題。熱電偶顯示在平穩運行狀態個別管中 溫度能連續波動 10®。2.3蒸發器余熱鍋爐的蒸發段在飽和狀態下產生蒸汽。蒸發器中的沸騰水向上流過上升管，進入各自的汽包。通常蒸發器是單路設計的。對蒸發器應主要關注內管壁 水側）的沉淀，多發生在上游管束。推薦 密切監測傳熱性能以盡早發現此問題并多重視水 的化學特性。許多廠都沒

17、有提供合適的水化學特性：一些用戶借口回收凝結水水質不良使他們廠水化學特性山東電力技術SHANDONH&IANIjnSHU2 0（年第 5期總第14期）© 1China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, hllpww-utikilIIuI4 4山東電力技術SHANDONG&IANIjnSHU20（年第 5期 總第 14期）不好，但這是不能接受的。任何人都明白不經過正 確的處理任何原水水質都是不滿足鍋爐要求的，然而他們仍假設凝結水回收是可以接受的。管理者們應主動的 T經常取

18、樣和檢驗回收的凝結水，如果需要，需采取積極的凝結水處理工藝。2.4煙道燃燒器對于商業運行或工藝蒸汽負荷需要更高的產 蒸汽能力的機組來說，煙道燃燒器 （due bur）正變成越來越普遍的部件。比如說，夏天經常用煙道燃燒器對燃氣輪機在高周邊環境溫度下的性能 降低進行補償。煙道燃燒器的容量范圍很廣，系列供貨商包括：加利弗尼亞Efulir的g m e公i司；德克薩 斯州卡羅頓的 Fori司y;還有康涅狄格州舍爾 頓的托德（To d燃燒集團。相對小些的煙道燃燒系 統可以提供 2 1GJJ的附加熱能，它使用煙道 或 “墻式”）燃燒器。大的燃燒器可以提供幾百GJ/的h熱量，通常利用橫跨整個管道的線性柵型）燃

19、燒器以提供更多平穩的排氣流熱量。總的來說，煙道燃燒器不是昂貴的維護部件。 定期清潔過濾器和濾網，在疏水管的低點對凝結水進行疏水，以及堅持定期潤滑通常即可保證燃燒器 以及附件長期、可靠的服役。但煙道燃燒器的運行 仍存在一定的問題，現場實際也得到了一些經驗和 教訓。比如，有用戶曾岀現腐蝕和火焰穩燃器通常指蝙蝠翼）超溫問題，導致部分或全部的區域損失。 這個蝙蝠翼對良好的火焰特性和排放是非常重要 的。一些用戶已經在蝙蝠翼上應用熱障罩衣來減輕 這些問題和延長其壽命。當燃氣輪機或煙道燃燒器本身增容改造的時候，煙道燃燒器可能會岀現另一個問題：更大的熱容量會導致合成氣溫度分布不均，還發現帶左側和右側燃機 排氣

20、的相同的余熱鍋爐間存在溫度分布不均現象。精心設計及增設流量控制葉片可以減少這些問題。火焰對煙道燃燒器下游設備的沖擊也是個問 題。曾有煙道燃燒器下游內襯被火焰沖擊破壞的歷 史案例，這主要是由于流量分布不良。然而，煙道燃燒器設計的靠墻側防護不夠也促成了火焰沖擊，該設計造成了一個低壓區將煙氣也是火焰）吸到壁上。為改進其性能 ，業主進行了了煙道內襯修補并對防護設計進行改進以防止類似事件再次發生。有些帶有附屬風機的“新鮮空氣燃燒”余熱鍋 爐也有生產，可允許煙道燃燒器運行而無需燃氣輪 機在用。機組煙道裝配一臺空感應通風風機及在燃 機后安裝彈簧式新鮮空氣門，這就允許燃汽輪機跳閘時可以平穩地向轉換為新鮮空氣燃燒。3 蒸汽溫度控制er聯合循環電廠通常都在給定的蒸汽溫度下運 行。對于大部分的低合金鋼來說，當管道金屬溫度超過它們最大的允許溫度一6 4®時，經常可使蒸汽溫度超過目標值。當機組在不帶負荷下點火時，過熱器頭排管的上游的帶大管道燃燒器的余熱鍋 爐曾發生過這種過熱情況。其結果是導致了快速蠕變破壞和爆管，甚至還有無負荷點火造成了更大破 壞的情況，需要