余热锅炉基本原理及应用介绍

通常余热锅炉由省煤器、蒸发器、过热器、再热器以及联箱和汽包等换热管组和容器等组成。在省煤器中，锅炉的给水完成预热的任务，使给水温度升高到接近饱和温度的水平；在蒸发器中，给水相变成为饱和蒸汽；在过热器中，饱和蒸汽被加热升温成为过热蒸汽；在再热器中，再热蒸汽被加热升温到所设定的再热温度。余热锅炉汽水侧的流程：给水进入余热锅炉后吸收热量，蒸发后成为过热蒸汽。给水吸收的总热量根据热力学分析可以分为预热热、汽化热和过热热三部分。随着给水温度、蒸汽参数的不同，这三部分热量的比例也不同。压力越高，汽化热的比例越小，预热热和过热热的比例则越大，各类受热面的面积发生相应变化。过热器的作用是将蒸汽从饱和温度加热到一定的过热温度。它位于温度最高的烟气区，而管内工质为蒸汽，受热面的冷却条件较差，从而在余热锅炉各部件中具有最高的金属管壁温度。考虑到启动阶段还存在一定程度的干烧，因此，在过热器设计中需要注意，燃气轮机工况改变带来的热疲劳及高温、高压带来的蠕变问题。省煤器的作用是利用尾部低温烟气的热量来加热余热锅炉给水，从而降低排气温度，提高余热锅炉以及联合循环的效率，节约燃料消耗量。常规锅炉的省煤器分为沸腾式和非沸腾式两种，前者允许产生蒸汽而后者不允许。通常不希望联合循环中的余热锅炉在省煤器中产生蒸汽，因为蒸汽可能导致水击或局部过热。此外，省煤器中的蒸汽进入汽包后如被带入下降管还会对水循环带来不利影响。实际运行表明，在机组刚起动以及低负荷时，省煤器管内工质流动速度很低，此时较容易产生蒸汽。采用省煤器再循环可以增加省煤器中水的质量流量，从而解决这个问题。还有些用户布置烟气旁路系统，在部分负荷时将部分省煤器退出运行，这样也可以增加省煤器的工质流速。当设计不当或烟气挡板存在问题导致烟气走廊的存在时，烟气的流量偏差会引起传热的不均匀，部分受热面吸收较多的热量也会产生蒸汽。

在蒸发器内，水吸热产生蒸汽。通常情况下只有部分水变成蒸汽，所以管内流动的是汽水混合物。汽水混合物在蒸发器中向上流动，进入对应压力的汽包。在立式布置余热锅炉中，由于蒸发器为水平方向布置，当工质流速很低时容易发生汽水分层：管内有水的区域，由于水的换热系数很大，管壁温度保持正常；在蒸汽区域里蒸汽的换热系数是水的5.5%，因此在管壁很容易超温。此外汽水分层的界面常常会上下波动，使得这部分管壁交替地与汽、水接触，壁温的交替变化将使材料产生热应力疲劳，减弱其工作的安全性。因此，水平蒸发器的设计和运行必须防止汽水分层的发展。蒸发器在运行中经常出现的问题是，在水处理不良的情况下，各种杂质在蒸发器的内壁会形成沉淀物，增加管子的热阻，导致局部超温爆管。正常运行的省煤器和蒸发器管内始终有水存在，所以能够被很好地冷却；同时它们所处区域烟气温度较低，所以通常采用碳钢制造。

在自然循环和强制循环的余热锅炉中，汽包是必不可少的重要部件。汽包除了汇集省煤器给水和汇集从省煤器来的汽水混合物外，还要提供合格的饱和蒸汽进入过热器或供给用户。汽包内装有汽水分离设备，可以将来自蒸发器的汽水混合物进行分离，水回到汽包的水空间与省煤器的来水混合后重新进入蒸发器，而蒸汽从汽包顶部引出。汽包的尺寸要大到足以容纳必需的汽水分离器装置，并能适应锅炉负荷变化时所发生的水位变化，因此是很大的储水容器，从而具有较大的水容量和较多热惯性，对负荷变化不敏感。汽包通常不受热，因为在接近饱和温度下运行时抗拉强度和屈服强度是关键的。(www.xing528.com)

联合循环锅炉用户对蒸汽的要求是基本不变的。但在实际运行中由于种种原因，蒸汽的温度总是上下波动，当超过过热器材料的使用温度时还会带来严重的后果。为了控制蒸汽温度而普遍采用喷水减温器。减温器通常位于过热器或再热器出口管组的进口处，如一、二级过热器之间。减温水一般来自锅炉给水泵，为了能够正常的工作，它的压力要比蒸汽压力高2～3MPa左右。减温水通过喷嘴雾化后喷入湍流强烈的蒸汽中，蒸汽的速度和雾化的水滴尺寸是确定减温效果的两个最重要因素。一个设计较好的过热器或再热器，在额定负荷稳定运行时需要很少的喷水量。

在有补燃的余热锅炉中，燃烧器是重要部件。在小型系统中，燃烧器也许只提供5000kW辅助热量；而在大型系统中，为了均匀地加热蒸汽，几万千瓦的热量可能通过几个口喷入炉中。随着补燃量的增加，烟气温度分布不均匀的可能性大大增加；燃气轮机排气方向对烟温分布也有一定影响。增加流动控制叶片可以改善烟温的分布不均匀。在设计燃烧器时，对流场需要仔细考虑，杜绝火焰接触受热面的情况。早期的燃气轮机排气中有14%～15%（体积百分比）的氧气，而新型的只有10%～12%（体积百分比）。氧气浓度低可以降低火焰中心温度，减少NO_x的排放，但同时会增加CO和未燃烬碳氢化合物的绝对排放量。