余热锅炉主要性能参数详解

众所周知，在余热锅炉的热力系统中存在一个热端温差ΔT_s、节点温差ΔT_p和接近点温ΔT_a，本节将重点介绍余热锅炉这三个重要的性能参数。单压余热锅炉的T-Q图如图5-4所示。

1.余热锅炉的热端温差

余热锅炉的热端温差ΔT_s是指换热过程中过热器入口烟气与过热器出口过热蒸汽之间的温差。降低温差，可以得到较高的过热度，从而提高过热蒸汽的品质。但降低热端温差，同时也会使过热器的对数平均温差降低，也就是增大了过热器的传热面积，加大了金属耗量。大量计算表明，当热端温差选择在30～60℃范围内，是比较合适的。

2.余热锅炉的节点温差

余热锅炉的节点温差ΔT_p也叫窄点温差，是换热过程中蒸发器出口烟气与被加热的饱和水汽之间的最小温差，通常是图5-4给出的余热锅炉T-Q图中最窄的部位。

图5-4 单压余热锅炉的T-Q图

图5-5给出了随着节点温差ΔT_p的变化，余热锅炉的相对总换热面积A、相对排气温度T₅、相对蒸汽产量G_s的变化规律。上述所有相对值都是以节点温差ΔT_p选定为10℃时的数值作为比较基础的。由图可知，当节点温差减小时，余热锅炉的排气温度会下降，烟气余热回收量会增大，蒸汽产量和蒸汽轮机输出功都随之增加，即对应着高的余热锅炉热效率，但平均传热温差也随之减小，这必将增大余热锅炉的换热面积。显然，ΔT_p是不允许等于零的，否则余热锅炉的换热面积将为无穷大，这是不现实的。此外，随着余热锅炉换热面积的增大，燃气轮机侧的流阻损失也将增大，有可能使燃气轮机的功率减小，导致联合循环的热效率有下降的趋势。

图5-6给出了单压蒸汽发生系统的余热锅炉的热效率η_HRSG与节点温差ΔT_p以及相对总换热面积A值之间的变化关系。由图可知，当节点温差减小时，由于余热锅炉换热面积的增加幅度较大，锅炉的投资费用就会增大很多。但当节点温差取得比设计点值大时，总投资费用和单位热回收费用的减小程度却要缓和一些。对于多压或多压再热系统，还存在多个ΔT_p优化及其组合的问题。图5-7给出了一个双压余热锅炉的两个ΔT_p（假定它们之和为20℃）不同组合时，蒸汽轮机功率和受热面积之间的关系。双压余热锅炉的两个ΔT_p最佳分配是相等或低压系统的稍高。

图5-5 节点温差对余热锅炉的相对换热面积、排气温度和产汽量的影响

图5-6 单压余热锅炉的效率和节点温差、相对换热面积的关系(https://www.xing528.com)

图5-7 双压余热锅炉节点温差的优化

由此可见，从投资费用以及联合循环最佳效率的角度方面考虑，必然存在一个如何合理地选择余热锅炉节点温差的问题。目前ΔT_p的一般范围为10～20℃，最低的达7℃。

3.余热锅炉的接近点温差

余热锅炉的接近点温差ΔT_a是指余热锅炉省煤器出口压力下饱和水温度和出口水温之间的温差，如图5-8所示。

图5-8 接近点温差对余热锅炉相 对换热面积的影响关系

图中给出了当节点温差选定后，余热锅炉的相对总换热面积A随接近点温差ΔT_a而变化的关系。由图中可以看出，接近点温差增大时，余热锅炉的总换热面积会增加。这是由于省煤器的对数平均温差虽略有增大，致使其换热面积有所减小，但蒸发器的对数平均温差却会减小较多，导致蒸发器的换热面积要增大更多。当然，过热器的换热面积是保持不变的，结果是余热锅炉的总换热面积要增大。由此可知，当节点温差选定后，减小接近点温差有利于减小余热锅炉的总换热面积和投资费用。但是，在设计余热锅炉时，总是使T_w3略低于T_s。这是由于尺寸已定的余热锅炉，当进入的燃气温度T₄*随着机组负荷的减小而降低时，由于余热锅炉滑压运行，T_s下降，接近点温差是会随之减小的。显然，如果设计时接近点温差取得过小，那么在部分负荷工况下或启动过程中，省煤器内就会发生部分给水蒸发的问题，将导致部分省煤器管壁过热现象，对于自然循环余热锅炉则可能导致水动力循环破坏，而对于强制循环余热锅炉则可能导致强制循环泵产生汽蚀。因此，省煤器设计要保证在最低的外界环境温度下运行时，ΔT_a不出现零值和负值，否则要采用烟气侧或水侧旁通办法来避免蒸发。由图5-8所示曲线的斜率变化趋势中可以看到，接近点温差取在5～20℃范围内是合适的。由此可见，在设计余热锅炉时，应该权衡各种因素，按照使联合循环效率或投资费用最优化的设计原则，来考虑节点温差、接近点温差对换热面积的影响关系。

4.余热锅炉的排烟温度

对于余热锅炉来说，降低排烟温度就意味着排烟热量损失减小，也就是燃气轮机排气余热被充分回收，即余热锅炉的当量效率高。但余热锅炉出口的排气温度T₅常不是独立的热力变量，它与所选的蒸汽循环型式、节点温差以及燃料中的硫含量有密切关系。如饱和蒸汽压力和节点温差ΔT_p已定时，它就被确定。如前文所述，当节点温差选得较小时，余热锅炉出口的排烟温度就能降低。当采用双压或三压蒸汽循环时，T₅可以比单压式蒸汽循环的低很多。例如，单压系统排烟温度就比较高，为150～180℃；双压系统为100～150℃；三压系统的排烟温度最低，可达80～100℃。降低排烟温度还要受到露点温度（排烟中蒸汽开始凝结的温度）的制约。因为当燃气轮机燃用含硫较高的燃料时，排气中含有较多的SO₂，蒸汽凝结时它就变为亚硫酸而腐蚀金属壁面，所以余热锅炉的排烟温度应高于露点温度。因而，排烟温度限制又常和燃气轮机燃料中含硫量有关。一般规定，T₅应比酸露点温度高10℃左右。对于烧重油的燃气轮机，无法把烟气中含硫量降得太低（一般为400mg/kg左右），排烟温度一般不宜低于150℃，所以余热锅炉效率就无法设计得更高。

当燃气轮机采用天然气为燃料或是在燃煤的IGCC系统中，则排烟温度不受露点温度的限制，可将余热锅炉的排烟温度降低到80～90℃左右，甚至更低。如当余热锅炉预热供热系统的热水时，则可以降低到52℃左右。