余热锅炉概念.ppt

余热锅炉HRSG,Heat Recovery Steam Generator（热回收蒸汽发生器）,“废热”，“余热”Waste Heat,设备：Equipment工艺流程：Process低热值煤气：LHV Gas(Low Heat Value),化工 Chemical industry造纸 paper making冶金 metallurgy窑炉 kiln and stove炼油 Oil refinery水泥 cement柴油机 diesel engine燃气蒸汽联合循环 STAG CC,1 燃气轮机余热锅炉 杭州锅炉厂2 垃圾焚烧余热锅炉 3 焦炉煤气余热锅炉 4 高炉煤气余热锅炉 5 气氛转炉余热锅炉6 加热炉余热锅炉7 有色冶金余热锅炉8 低热值尾气余热锅炉9 硫酸余热锅炉10 玻璃窑余热锅炉11 小化肥造气余热锅炉12 造纸碱回收余热锅炉13 炼油催化余热锅炉14 水泥窑余热锅炉15 柴油机余热锅炉16 其他余热锅炉,联合循环中的余热锅炉HRSG in Combined-Cycle,发电 to generate electricity供热 to supply heat联供（热、电、冷）Cogeneration heat,electricity,refrigeration,燃气轮机 三大件：压气机、透平、燃烧室,燃气轮机简单循环,汽轮机,上图所示是一台重型多缸汽轮机，有两个汽缸，一个高压、中压缸和一个双流的低压缸。蒸汽在高压级和低压级中的流动方向相反，以抵消部分轴向推力。低压缸是双流向的，因为低压蒸汽的体积流量很大。由于是这样的总体布置，所以采用向下排汽。,E-技术单轴配置，燃气轮机是热端输出功率。注意汽轮机采用轴向排汽,F-技术单轴配置，燃气轮机是冷端输出功率，这个布置方便与HRSG的连接,单轴燃气蒸汽联合循环Single-shaft STAG CC,燃气轮机，进气道（进气过滤室）Gas turbine，inlet ducts（intake filter plenum）汽轮机 Steam Turbine发电机 Generator余热锅炉烟囱 HRSGStack控制系统 Control system 控制间 Control Cabin,STAG 109FA单轴配置,余热锅炉型联合循环combined cycle with HRSG,这种配置是目前最广泛使用的燃气蒸汽联合循环配置。所有技术均为成熟技术。目前，汽轮机功率大约是燃气轮机功率的一半以上。这样，联合循环的热效率大约是燃气轮机简单循环热效率的1.5倍。图中示出的是一个双轴布置，燃气轮机和汽轮机各自带动自己的发电机。,排气补燃型联合循环 排气助燃supplementary firedcombustion supporting,排气补燃型联合循环 烟道补燃flue fired,上述两种补燃配置的比较,主要差别是补燃燃料的数量，其次是燃料注入的位置。二者没有本质的区别。对于烟道补燃，注入的燃料通常比较少。对排气助燃型，注入锅炉的燃料变化很大，可以比较少，也可以很多。对后一种情况，汽轮机的功率可以大大超过燃气轮机的功率。,增压燃烧锅炉型联合循环pressurized boiler,增压燃烧锅炉是这个配置的关键设备。它必须承受压气机排气的压力。锅炉是一个庞然大物，因此强度和密封是主要的技术问题。它也有优点，在压力下，可以强化传热。常规电站燃煤锅炉通常在微负压下运行，以免火焰、炉灰喷出炉外。这个负压很小，几个毫米水柱。在增压锅炉配置中，水和蒸汽取代了压气机出口的空气，用于冷却高温烟气，使之符合进入透平的要求。汽轮机的功率可以大大超过燃气轮机的功率。在这个配置中，汽轮机是主要的发动机。注意燃气轮机透平的排气用于预热给水，这降低了透平排气的温度，提高了联合循环的热效率。,燃气轮机的发展The development of Gas Turbine,汽轮机与航机两条思路 尖峰、备用基本 燃气初温和压比，功率，相应的排气温度燃料、环保,燃气轮机的发展,轴向紧凑布置主要通过提高燃气初温来提高热效率，辅之以适当的压比。同时，广泛使用先进的冷却技术、隔热层和各种叶片成形技术。功率不断增长。与汽轮机组成联合循环后，热效率大大提高。目前，联合循环的热效率可高达60。使用诸如计算流体力学、电子学、材料、控制理论等学科的新理论、新成果。注意，目前引进的燃气轮机转速为300rpm，因此压气机压比不太高（16左右）,燃气轮机循环与朗肯循环gas turbine cycle and Rankine cycle,燃气轮机简单循环,4个基本过程：12：空气在压气机中的绝热压缩过程23：燃烧室中的定压加热过程34：高温、高压的燃气在透平中的绝热膨胀过程41：透平排气在大气中定压冷却过程,汽轮机简单循环 朗肯循环,凝结水在水泵中被绝热压缩水在锅炉中加热变成蒸汽（通常是过热蒸汽）蒸汽在汽轮机中绝热膨胀作功排汽在冷凝器中被冷却水冷却凝结，凝结水通常是略有过冷度的水。,一些注释,水一般被认为是不可压缩的，因此水经水泵压缩后的焓升很小。凝结水通常是过冷水，但是这个过冷度应当尽量小。对冷凝式汽轮机，排汽湿度通常在10左右。注意真空度和凝结水温度的关系。,水蒸汽water vapour,水蒸汽是人类在热力发动机中应用最早的工质之一，它易于获得，有适宜的热力参数，不易污染环境，至今仍是工业上应用广泛的主要工质。应当注意的是，热力发动机中用作工质的水蒸汽距液态不太远，而且在工作过程中有物质集态的变化，因此在工程计算中不能当作理想气体处理，而必须应用水蒸汽热力性质的图表进行计算。,水蒸汽的（定压）形成过程formation process,水蒸气的温熵图temperature-entropy,临界点critical point,临界压力pc为22.12MPa临界温度tcr为374.15,水蒸汽的焓熵图 enthalpy-entropy,水和水蒸汽热力性质图表以及拟合公式,工业用1967年IFC公式 1963年在纽约召开的第六届国际水蒸汽性质会议组成的国际公式化委员会（IFC）制定了工业用1967年IFC公式。目前工程上广为采用的水蒸汽的热力性质图表正是根据这套公式编制的，其范围达到800，100MPa。,计算对比焓的公式,余热锅炉的基本形式basic type,按布置：室内、室外 indoor，outdoor 立式、卧式 Vertical，horizontal,自然循环余热锅炉的模块式结构1膨胀节 2进口烟道 3内部保温材料 4锅筒5烟囱 6出口烟道 7膨胀节 8省煤器段 9下降管 10蒸发器 11过热器段 12人孔 13整体结构钢 14上升管,强制循环余热锅炉的模块式结构1蒸发器和过热器 2省煤器3上部过渡段 4烟囱 5锅筒 6钢架7弯烟道（侧向进口）8进口段,两种布置的比较,强制循环的优点,最主要的优点是冷态起动时间可以比较短。一般冷态起动时间为2025分钟。(在开始起动时，循环泵可以立即投入，建立循环。而自然循环需要等到流体被充分加热后才能开始。)占地面积较小烟囱长度可以短一些,西门子HRSG,立式与卧式HRSG的比较,立式HRSG(烟气流动方向垂直)大多数采用强制循环占地面积小，布置灵活受热面容易维护卧式HRSG(烟气流动方向水平)自然循环占地面积较大采用补燃时在布置上有一定的灵活性高可用性设备费用较低 只有一个主平台设计为顶部或底部支承,按循环：,自然 natural circulation强制 forced circulation直流 once through,强制循环的缺点,需要较多的辅助电力由于有循环泵，可用性较低维护要求高（循环泵）设备费用高备件费用高,某电站配置,BKW:1S.94.3 A 单轴锅炉：3压再热蒸汽出口设计参数：HP 蒸汽：565 C,130 bar a,75 kg/sIP 蒸汽：330 C,32 bar a,13 kg/s再热器：550 C,30 bar a,87 kg/sLP 蒸汽：235 C,4.5 bar a,10 kg/s,单压立式余热锅炉,直流式余热锅炉,卧式双压余热锅炉,关于整体式除氧器,关于整体式除氧器integrated deaerator,除氧器水箱与低压汽包合而为一。低压蒸汽部分的或全部用于除氧。一般，蒸发器出口的汽水混合物先经过汽水分离，水回到水箱，蒸汽进入除氧器。,卧式单压余热锅炉示意图,关于循环倍率,K=G/D强制循环：K5自然循环：K=1520自然循环的循环倍率大的原因：1 自然循环的动力：密度差2 蒸发器单流程并联流动阻力小,按压力：,单压双压双压再热三压三压再热,单压无再热循环的余热锅炉 的汽水系统 1省煤器 2蒸发器 3过热器 4锅筒,余热锅炉的汽水系统1余热锅炉 2除氧器 3凝汽器 4汽轮机5发电机 6燃气透平 7燃烧室 8压气机 9高压过热器 10高压蒸发器 11锅筒 12高压省煤器 13低压蒸发器,强制循环余热锅炉双压无再热汽水系统1高压过热器 2高压蒸发器 3高压省煤器4低压蒸发器 5低压省煤器 6低压锅筒7给水传送泵 8高压锅筒,强制循环余热锅炉双压有再热汽水系统1高压蒸发器 2低压过热器 3高压省煤器4低压蒸发器 5低压省煤器 6低压锅筒7给水传送泵 8高压锅筒 9高压过热器 10再热器,三压无再热带整体除氧器的余热锅炉的汽水系统,卧式三压再热余热锅炉示意图,立式三压再热余热锅炉,上海漕泾卧式余热锅炉热力系统示意图,注意 notices,锅炉各个压力系统的联系 linkage给水传送泵BFWP：省煤器，汽包低压蒸汽用于除氧高压过热器与再热器的位置关系 合理布置受热面,多压系统各系统之间的联系：低压省煤器出口 低压汽包下面给水传送泵：单泵，带分支 两台泵各压力系统总体上并联 给水系统（各省煤器）大体上串联 全部给水均经过低压省煤器也有其他的布置,关于再热问题reheat,汽轮机压力与温度的增长不同步排气湿度再热的主要目的温度材料问题再热压力适当选取可提高效率概括性卡诺循环,考虑余热锅炉多压系统和汽轮机功率的综合优化,注意,卧式余热锅炉蒸发器：蒸发器管道垂直布置，自然循环不可能采用蛇形管汽水混合物不得自上而下流动因此，蒸发器各管道均为：单流程 single pass 并联 parallel 自下而上流动 from bottom to top,uprise,水平式余热锅炉中的蒸发器,关于余热锅炉进口段,均匀，减速 uniform,decelerate使烟气均匀进入余热锅炉，流经全部换热面积。加装导流片、进口段出口装均布栅格。(baffle,grid)使烟气速度降低，减少通过余热锅炉时的流动阻力。,关于补燃问题,补燃，无补燃 Fired，Unfired为什么要补燃 Why need to为什么能补燃 Why can do为什么不补燃 Why not to,燃气轮机排气补燃,燃气轮机的过量空气系数 C+O2=CO2 2H2+O2=2H2O空气中O2摩尔（体积）含量：21理论空气量燃气初温：T3*补燃的优点和必要性补燃的缺点,无补燃,燃气轮机的发展排气温度过量空气系数 excess air coefficient,立式余热锅炉中蒸发器为顺流布置,汽水混合物，弯头 elbow汽水侧温度不变关于顺流和逆流,顺流 逆流 蒸发器 Parallel Flow Counter flow evaporator,对数平均温差logarithm average temp.diff.,当td=tx时,0比0型td=tx+Ln(1+x)x,节点温差，接近点温差，Q-T图,热点温差：approach 30节点温差：pinch 10，最小温差接近点温差：sub-cool 10，省煤器安全,关于热端温差,过热器处于余热锅炉中的最高温度区，因此它需要采用高级耐热合金钢制造，如果这个温差取得过小，这意味着过热器需要较大的换热面积，需要更多的昂贵材料，需要更大的投资。同时请注意，合金钢的热阻比普通碳钢要大一些，而且过热器内的过热蒸汽的换热系数较小。,节点温差：过大：锅炉当量效率低 过小：换热面积增加投资接近点温差：过大：总换热面积增加 过小：不安全锅炉进口烟气温度下降时，接近点温差减少。,关于节点温差,节点温差是不补燃的余热锅炉中最小的传热端差。如果节点温差过大：余热锅炉的效率将降低，回收余热的效果较差。如果节点温差取得过小，锅炉效率将改进，能够回收更多的热量。但是，锅炉的投资也将增加。同时，锅炉换热面积的增加也将增加烟气流动的阻力，增加了燃气轮机排气的背压，减少了燃气轮机的出力，这将导致联合循环整体效率的下降。,通常，节点温差取为10随着技术的进步和能源的紧缺，这个温差有进一步减少的趋势。传热基本方程：Q=KTA当节点温差减少时，要传递同样的热量Q，换热面积必须增加，这意味着投资的增加。通常变工况范围内，传热系数K 变化不大。,关于节点温差 1,节点温差变大时，锅炉效率变化的粗略分析：当工质流量相同，并且给水温度相同时，如果节点温差增加，锅炉的排烟温度将增加，这意味着回热量的减少和锅炉效率的下降。上面的图示出了节点温差变大的一种情况：汽水系统吸热曲线大致向下平移。,关于节点温差 2,接近点温差安全与费用,当HRSG烟气进口温度随燃气轮机负荷的减少而下降时，接近点温差将减少。如果设计的接近点温差过小，则在部分负荷条件下，接近点温差将减少为0，省煤器内部分水可能变成蒸汽，造成管壁过热，产生故障。所选择的接近点温差也影响到省煤器和蒸发器换热面积的设计。当蒸汽流量不变时，如果接近点温差太大，省煤器所少吸收的热量势必转嫁给蒸发器，这将导致蒸发器换热面积的增加，而且这个增加量远大于省煤器面积的减少，总体来说换热面积增加，投资增加。,接近点温差随余热锅炉烟气进口温度和烟气流量的变化,余热锅炉进口烟气温度下降时接近点温差的减少,锅炉进口烟气温度下降蒸发量减少汽水流量减少当烟气流量不变时，烟气放热线将变得更为平缓。因此，在锅炉进口传热温差减少的同时，锅炉尾部的温差减少的就要小。由于汽水流量的减少，而省煤器吸收的热量减少的不是那么多（没有按比例减少），因此单位流量的工质吸热量反而增加了。这样就使得省煤器出口温度增加，减少了接近点温差，甚至可能将该温差减少到0。,接近点温差增加引起的节点温差的减少条件：蒸发量（即吸热量不变）,接近点温差与总换热面积的关系,QT图上各条线的斜率：将定压比热容看作常数，则 Q=Mcpt，Q与T为线性关系 由此可知，图中各线均为直线。如果横坐标改为换热面积A，则 TA图上各线变为曲线 温差大的地方曲线斜率（绝对值）大。,常规火电厂燃煤锅炉normal power plant coal-fired boiler,常规燃煤电站锅炉,上面的图仅用于比较。燃煤锅炉最高温度在炉膛，这里敷设水冷壁，即蒸发器。烟气与汽、水之间的温差很大，因此Q-T图不用于分析该类锅炉的热力过程。一般来说，最小温差在给水入口处（省煤器入口，如果没有空气预热器的话）。由于烟气温度高，单位质量流量烟气的放热量大，相应的烟气流量与汽、水流量相比就不那么大,为什么要采用多压系统multiple-pressure,余热锅炉的目的：多回收热量，多产汽 不全面。联合循环发电机组多发电 根本目的。在多发电的前提下，单压系统难以承担此任务分析,常规非补燃单压余热锅炉型联合循环性能简化分析,余热锅炉与汽轮机（均相对于燃气轮机1kg燃料而言）,余热锅炉能量平衡,Qex：燃气轮机排气携带的热量 Qw：给水携带的热量Qsteam：蒸汽带走的热量QHRSGex：余热锅炉排烟带走的热量 从上式可得：,汽轮机能量平衡,PST：汽轮机功率Qconden：汽轮机排汽在冷凝器中放热,汽轮机的循环效率为 余热锅炉的当量效率为,综合考虑汽轮机和余热锅炉，使汽轮机功率最大,在燃气轮机排气参数和大气参数一定的条件下，上式括号内为定值。于是，汽轮机的功率取决于汽轮机和余热锅炉效率的乘积。就汽轮机而言，循环效率取决于蒸汽参数，蒸汽参数越高，效率越高。就余热锅炉而言，其当量效率取决于排烟温度。排烟温度越低，效率越高，但是相应的蒸汽参数也越低。因此，要适当兼顾，使两个效率的乘积最大。对单压余热锅炉而言，蒸汽的压力、流量要适中。,结论,要想进一步提高余热锅炉的效率，即提高燃气轮机排气热量的回收率，在以发电量最大为优化目标的条件下，单压余热锅炉不能达到这个目的。因此，余热锅炉应当采用多压系统。,N=Mh，功率蒸汽流量实际焓降power=flow rate actual enthalpy drop,由F型燃气轮机组成的联合循环的性能参数performance parameters,GE公司建议的单压和双压循环系统的蒸汽参数规范 steam parameter specification,GE公司建议的三压循环系统的蒸汽参数规范steam parameter specification,当联合循环由单压无再热改为三压再热的汽水循环时，机组热效率增加3个百分点，机组功率增加6个百分点。当联合循环由单压无再热改为双压无再热的汽水循环时，机组热效率增加1.7个百分点，由双压无再热改为三压无再热的汽水循环时，机组热效率只能增加0.6个百分点。由无再热改为有再热的汽水循环时，机组热效率也只能提高0.6到0.7个百分点。,多压系统中的蒸汽流量Steam Flow Rate in Multiple-pressure system,高压蒸汽为主中、低压蒸汽只占2030左右低压蒸汽可用于：除氧器 汽轮机低压缸,联合循环余热锅炉的特点：,快速启动：熱应力、熱膨胀问题；thermal stress,expansion中温大流量熱侧工质。working fluidQT图曲线的斜率 slope of curve,联合循环中汽轮机的特点,一般无回热(regenerative cycle)为什么？排汽流量大于高压缸进汽流量适应燃气轮机快速启动的特点可以采用轴向排汽axial exhaust一般采用滑压配汽滑压运行slide pressure operation,余热锅炉的供热,单纯供热：燃气轮机排气余热的利用能量的梯级利用：全能量系统 step usage能量的不同品级grade：热能thermal、机械能mechanical（和电能electricity、光能light等）能量的转换transformation方向性和代价direction and cost,补充,假定燃气轮机燃用天然气，其LHV（低热值）为50,000kJ/kg，空气和燃气的定压比热容近似均取为 1kJ/kgK，压气机出口空气温度为 400，那么理论燃烧温度为：1mol 2 mol大气中氧的摩尔（体积含量）为21%，这样1摩尔天然气完全燃烧需要 2/0.219.5238 摩尔空气。空气的平均分子量 28.97,1摩尔即16kg天然气完全燃烧需要 275.9 kg 空气。折合到1kg天然气需要17.244 kg 空气，产生18.244 kg 燃气。于是，燃空比=5.8.所得到的“纯燃气”的温度是：t3141.,使用压气机排气对该高温燃气进行冷却，如果要求燃气初温为1300,则过量空气系数是：3.16.这样，1kg燃料(天然气)需要17.2443.1654.49 kg 空气。燃空比=1.8.当=3.16时，排气中的含氧量大约为：如果要求燃气初温900,则 5.74，排气含氧量为17.34%.如果燃气初温是1500，则2.58，排气含氧量为12.86%.,重要结论,与空气流量相比，燃料流量很小。大过量空气系数是燃气轮机循环的特征。燃气轮机排气中还有相当比例的游离氧，这使得补燃成为可能。进一步分析表明，随着燃气初温的提高，排气中的含氧量下降。这就使得补燃既比较困难又没有必要。,