（广州发展鳌头分布式能源站 广东广州 510940）
摘要：燃气-蒸汽联合循环由于做到了能量的梯级利用，得到了更高的能源利用率；采用天然气为燃料的机燃气轮机组更具有节省占地面积、污染小、效率高等优势，在世界上得到快速发展。本文通过燃气-蒸汽联合循环余热锅炉尾部烟气回收应用的案例，针对结合实际需要如何降低排烟温度，获得更大的热量回收，以进一步提高燃气-蒸汽联合循环机组的综合能源效率等问题进行了探讨。
关键词：燃气-蒸汽联合循环；余热锅炉；尾部烟气；节能
前言
余热锅炉效率是影响燃气-蒸汽联合循环机组经济性的一个重要指标，而排烟损失则是影响余热锅炉循环关键因素，约占余热锅炉热损失的70%以上。因此降低余热锅炉排烟温度，可以显著提高燃气-蒸汽联合循环机组的综合能源效率。
燃气-蒸汽联合机组的余热锅炉排烟温度选择与烟气含硫量有较大的关系。为了防止余热锅炉尾部受热面发生低温腐蚀，一般设计余热锅炉排烟温度比硫酸露点温度高10℃左右。在燃烧无硫或硫含量极少的燃料时，则以在尾部受热面不凝水为原则，即余热锅炉排烟温度比水露点温度高10℃左右。当前燃气-蒸汽联合余热锅炉排烟温度一般控制在110-130℃左右，燃烧无硫或硫含量极少的燃料时可控制在80-90℃左右。
1.简介
广州发展鳌头分布式能源站是以天然气为燃料，采用“以热定电”方式，通过燃气-蒸汽联合循环机组对工业园区周围热用户进行集中供热，年平均综合能源利用率大于 70％，是一个低碳排放和能源综合高效利用的环保节能项目。现装有2台南京奥能锅炉有限公司生产的双压、卧式、无补燃、自然循环余热锅炉（HRSG），额定蒸汽流量27.3 t/h、压力2.5MPa、温度250℃。目前余热锅炉排烟温度123℃左右，其损失的热量可达全部输入燃料热量的6%左右。
能源站按设计对热用户供热后回收约60%温度在85℃左右的冷凝水。由于热用户本身需要，冷凝水停止回收，因此能源站需用常温的软化水（25℃左右）替代85℃左右的冷凝水，从而降低了锅炉给水温度，增加了给水除氧加热的蒸汽量，大幅降低了经济性。同时因全部软化水进入给水预热器，机组启动初期给水预热器温度可能低于50℃，在给水预热器管外产生凝水，造成低温腐蚀；软化水未经除氧进入给水预热器将产生管内腐蚀；另外因补水采用自来水，软化水含氯离子较多，加速给水预热器腐蚀损坏，影响锅炉安全运行。
为减少用户停止供应蒸汽冷凝水的影响，计划对余热锅炉进行改造，充分回收余热锅炉尾部烟气废热进行再利用，以提高余热锅炉效率，降低生产成本，同时需防止余热锅炉给水预热器和烟囱发生腐蚀。
2.烟气余热回收及锅炉改造方案
目前余热锅炉排烟温度123℃左右，对于燃料为含硫极低的天然气烟气露点温度约为 45 ℃，排烟温度原则上只要高于露点 10℃即可完全避免排烟段受热面的低温腐蚀，即有68℃的降温空间；因此，可以通过降低锅炉排烟温度的方法，对余热锅炉尾部烟气废热充分回收与利用，以提高锅炉综合效率。
锅炉给水原来的设计工况是60%冷凝回水，40%软化水。冷凝水加热天然气后经给水预热器加热到75℃左右进入除氧器；软化水经板式换热器加热到70℃左右，不进入给水预热器，直接进除氧器加热除氧。如果停供冷凝水后，进入预热器的全部是软化水，水温较低、含氧量和含氯量较高，会导致给水预热器加速腐蚀损坏。因此余热锅炉改造后既要满足提高给水温度要求，以减少除氧器加热蒸汽，又要防止给水预热器的溶氧腐蚀、低温腐蚀和氯腐蚀，以保证锅炉安全。
另外，余热锅炉给水预热器管屏与烟囱之间过渡段较短，按现场测量安装位置只能加装一组管屏，经测算排烟温度可降至90℃左右，可以满足防止低温腐蚀要求，但未达到完全利用尾部烟气废热的效果。
3.给水预热器的改造
原有的给水预热器采用GB3087低中压锅炉用无缝管，可以满足之前使用要求，但该钢材对CL-腐蚀比较敏感，改造后的补给水含氧量、含氯量较高，温度较低，容易对GB3087低中压锅炉用无缝管造成管内腐蚀穿孔，影响设备的安全经济运行。因此需将原给水预热器管屏拆除，换为抗氧化性、抗腐蚀性更优越的304SS不锈钢，以避免给水预热器管内壁腐蚀，并将原一组给水预热器管屏扩容增加一组给水预热器ADD管屏器（如图1）。
4.热力计算
余热锅炉尾部扩容增加一组给水预热器ADD管屏后，烟气阻力增加约50Pa。燃机排烟压力103.29kPa，经咨询燃气轮机厂家，因此增加的烟气阻力对燃气轮机负荷影响可忽略不计。
按以上方案改造完成后，在热用户停供冷凝水情况下，能源站的补给水需全部采用25℃软化水，与除氧器再循环水混合后温度约为45 ℃，混合后进入给水预热器，吸收烟气余热后，预热器出口给水温度为82℃，排烟温度降低为89℃左右，高于天然气烟气露点温度45 ℃。在设计工况下，除氧汽包不需要额外蒸汽加汽，增加的给水预热器管屏吸收热量可以抵消停止凝结水回收损失的热量。计算建模结果如图2。
5.补给水系统的配套改造
余热锅炉改造后，补给水系统需相应进行变更优化，以满足余热锅炉补水要求，改造方案主要有：
1）在化水车间增加除氯装置，以去除补给水中的CL-。
2）原板式换热器取消不使用。
3）因软化水温度较低，为防止给水预热器管外壁内的低温冷凝腐蚀，循环泵保留使用，以提高进入给水预热器前的软化水温度。
4）原软化水泵、冷凝水泵、循环水泵出口压力相同，满足并列运行条件。将原有冷凝水和软化水两路补水及循环水汇集成一路，使25℃左右的软化水与除氧器再循环水混合后温度提高至45 ℃以上，经过给水预热器加热后进入除氧器。
5）三路水源汇集后同时通过给水预热器，需考虑管道通流量，如果通流量过小可能造成锅炉补水不足，影响机组出力。
6.烟囱防腐
余热锅炉设计为钢结构烟囱，直径2米，高度40米。烟囱内壁喷涂二层耐热底漆，二层耐热面漆。烟囱外层在11米处的烟囱挡板以下均装设保温，以减少散热损失。
燃气轮机以清洁能源天然气为燃料，并采用先进的低氮燃烧技术，烟气含硫量低，NOX排放低于40mg/m3。同时余热锅炉排烟温度120℃以上，不会在烟囱内凝水，烟气的酸腐蚀对烟囱影响很小，设计的防腐漆能满足原运行要求。定期检查烟囱的实际腐蚀量也不大。
改造后排烟温度将降至90℃以下，烟气中水分含量高，湿度很大；烟气中含有的酸性氧化物也降低了烟气的露点温度；烟气中的低浓度酸液渗透性强，对钢结构的烟囱有极强的腐蚀性；尤其酸液温度在40-80℃时，对钢材的腐蚀速度比其他温度高3-4倍。因此，余热锅炉改造后应配套进行烟囱内壁防腐，以保证设备的安全。
结合能源站余热锅炉烟气湿度大、粉尘少、酸性物质含量低等特性，综合考虑可采用施工周期较短、造价较低的在原烟囱内衬防腐涂料方案。锅炉烟囱防腐涂料有极好的耐酸碱腐蚀，耐温腐蚀；同时附着力极强，耐久性好；损坏的涂层可以方便地进行修补，适合当前能源站改造应用。
7.经济性分析
按上年度平均冷凝水回收量13.2吨/小时计算，在热用户停止供应冷凝水后，需增加给水除氧消耗的蒸汽量约1.15吨/小时。
计算过程：
冷凝水焓值：H＝356kj/kg（85℃/0.2MPa）
软化水焓值：H＝105kj/kg（25℃/0.2MPa）
蒸汽焓值：H＝2880kj/kg（250℃/2.5MPa）
冷凝水回水量：13.2吨/小时
冷凝水转换为软化水的总焓降：△H总＝13200×（356－105）＝3313200 kj
总焓降转换为加热蒸汽量：3313200÷2880＝1150 kg/h＝1.15吨/h
改造后，除氧器补给水全部采用25℃左右的软化水，进入除氧器前的温度为82℃，已高于原有补给水系统进入除氧器前温度，不需要额外增加加热蒸汽，即至少节约加热蒸汽量1.15吨/h以上。
结束语
通过在在余热锅炉烟道尾部扩容增加一组给水预热器ADD管屏，不占用现场空间，不影响设备美观，回收尾部烟气热量用于加热锅炉补给水，达到烟气余热回收应用效果。在热用户停供冷凝水情况下，仍可维持给水除氧消耗的蒸汽量不变，在设计工况下除氧汽包不需要额外补汽，提高了余热锅炉的综合效率，降低了机组的能耗，有显著的经济效益。
参考文献：
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[2]吕丽华 浅谈燃气-蒸汽联合循环余热锅炉设计要点 电工文摘 2012年4月
[3]陈伟 燃机余热锅炉尾部烟气深度利用的分析及系统优化 余热锅炉 2015年3月
[4]王晓玲 燃煤锅炉烟气脱硫中的烟囱防腐研究 大氮肥 2012年10月
论文作者:钟文彬
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/20
标签：余热论文; 锅炉论文; 预热器论文; 烟气论文; 温度论文; 蒸汽论文; 烟囱论文; 《电力设备》2019年第3期论文;