★張剛，張懷濤，張玉雷（信發(fā)集團(tuán)，山東聊城252100）

摘要：本文介紹了燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐的性能、型式及國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況，并對(duì)余熱鍋爐的研究方向進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：燃?xì)狻羝宦?lián)合循環(huán)；余熱鍋爐；研究

1 前言

大半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)都在積極發(fā)展高效發(fā)電技術(shù)。為了提高循環(huán)效率，發(fā)展了超臨界參數(shù)火電機(jī)組和燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，并在此基礎(chǔ)上還發(fā)展了以發(fā)電為核心的總能利用多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)和以煤氣化為核心的發(fā)電、煤化工綜合能源利用系統(tǒng)^[1]。隨著西部大開(kāi)發(fā)政策的實(shí)施，天然氣“西氣東輸”，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)以熱效率高、造價(jià)低、污染小、占地少和運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)勢(shì)受到了廣泛的重視、研究和運(yùn)用。而余熱鍋爐是聯(lián)合循環(huán)電站的三大主要設(shè)備之一，在聯(lián)合循環(huán)電站中，在燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)之間起到承上啟下的作用。它的技術(shù)水平直接影響聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的發(fā)電效率、設(shè)備可用率和單位造價(jià)。因此，對(duì)余熱鍋爐的性能特性和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，全面提高燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的技術(shù)水平十分必要。

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電站的余熱鍋爐，其系統(tǒng)布置、受熱面結(jié)構(gòu)、熱力特性與運(yùn)行工況等與常規(guī)鍋爐比較起來(lái)有很大的差別。如汽水系統(tǒng)的優(yōu)化，節(jié)點(diǎn)溫差、接近點(diǎn)溫差的選取，降低排煙溫度和煙氣側(cè)壓損系數(shù)的優(yōu)化以及余熱鍋爐的變工況特性等都是需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐概述

2.1 燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐的組成和型式

余熱鍋爐通常是由省煤器、蒸發(fā)器、過(guò)熱器、再熱器（有再熱蒸汽循環(huán)時(shí)）以及集箱和鍋筒等換熱管族和容器等組成。大型燃?xì)庹羝h(huán)余熱鍋爐主要有自然循環(huán)（如圖1所示）和強(qiáng)制循環(huán)（如圖2所示）兩種技術(shù)流派。

圖1 自然循環(huán)余熱鍋爐

1、煙氣進(jìn)口2、過(guò)熱蒸汽出口3、汽包4、給水進(jìn)口5、煙囪6、省煤器7、蒸發(fā)器8、過(guò)熱器

圖2 強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐

1、煙氣2、過(guò)熱器3、蒸發(fā)器4、省煤器5、給水6、汽包7、循環(huán)泵8、蒸汽

兩類余熱鍋爐各有其優(yōu)缺點(diǎn)和局限性，但從聯(lián)合循環(huán)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，人們使用較多的是臥式的自然循環(huán)技術(shù)。分析原因大約在以下幾個(gè)方面，一是操作較容易，且對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)排氣熱力波動(dòng)的適應(yīng)性和自平衡性都強(qiáng)，熱流量不易超過(guò)臨界值；二是可用性高（為99.95%），而強(qiáng)制循環(huán)只有97.5%^[2]。三是垂直管束結(jié)垢情況比水平管束均勻，不易造成塑性形變和故障，同時(shí)也減緩了結(jié)垢量高而使余熱鍋爐性能下降等問(wèn)題。從國(guó)際上來(lái)看，臥式余熱鍋爐在北美比較普遍，而在歐洲立式布置較為廣泛。選擇何種型式，必須具體問(wèn)題具體分析，深圳南山熱電有限公司燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐則是采用中壓自然循環(huán)和低壓強(qiáng)制循環(huán)鍋爐兩相結(jié)合的鍋爐型式。

2.2聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐的熱力特性

（1）加熱熱源的不同

余熱鍋爐和常規(guī)鍋爐比較起來(lái)，最大區(qū)別是加熱熱源的不同。余熱鍋爐的熱源可能是高溫?zé)煔庥酂帷⒒瘜W(xué)反應(yīng)余熱、可燃廢氣余熱甚至是高溫產(chǎn)品余熱等。由于工藝、燃料的不同，化工、制造業(yè)中所使用的余熱鍋爐通常具有熱負(fù)荷不穩(wěn)定、煙氣中含塵量大、有腐蝕性等特點(diǎn)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，聯(lián)合循環(huán)中使用的是潔凈的氣體或液體燃料，基本上沒(méi)有粉塵，一般不考慮磨損問(wèn)題。

（2）變溫顯熱源

聯(lián)合循環(huán)中燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑢?shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用。在高溫段通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或電能，低溫排氣進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽或熱水，用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)或其它熱力設(shè)備，余熱鍋爐所利用的煙氣的顯熱。燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度一般在700oC以下，某些帶回?zé)岬男⌒凸ξ⑿腿細(xì)廨啓C(jī)的排氣溫度甚至不到300oC，因此余熱鍋爐中的換熱主要依靠對(duì)流，輻射傳熱可以忽略不計(jì)，而在常規(guī)鍋爐中輻射換熱量占全部吸熱量的40%~50%，甚至更多。從而，余熱鍋爐往往要布置比常規(guī)鍋爐更多的受熱面，體積也較大。

（3）中溫大流量工質(zhì)

聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐煙氣進(jìn)口溫度一般為500~610oC（無(wú)補(bǔ)燃時(shí)），或?yàn)?00~780oC（補(bǔ)燃時(shí)），流量多為120~600kg/s。同時(shí)，燃?xì)廨喤艢馐峭耆l(fā)展的紊流，流速和溫度都很不均勻，有余熱鍋爐進(jìn)口截面上，煙氣流速變化有時(shí)為±400%，溫度不均勻度達(dá)±55oC。常規(guī)鍋爐中煙氣流量與蒸汽流量之比為1~1.2，而余熱鍋爐為4~10^[3]。因此，余熱鍋爐中燃?xì)獾牧魉俦容^高，氣流的湍流度大。流速的提高促使對(duì)流換熱系數(shù)提高，有助于傳熱，但同時(shí)煙氣側(cè)阻力將增加，使燃?xì)廨啓C(jī)背壓升高，降低系統(tǒng)的效率。

（4）汽水系統(tǒng)的多樣性

當(dāng)組成余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)選定時(shí)，余熱鍋爐的蒸汽系統(tǒng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，有五種類型（單壓、雙壓、雙壓再熱、三壓、三壓再熱）可供選擇。早期采用的多是簡(jiǎn)單的單壓、無(wú)再熱汽水系統(tǒng)，雖然這樣的余熱鍋爐設(shè)備費(fèi)用低，但熱效率也低。對(duì)于新一代高溫、高性能燃?xì)廨啓C(jī)，排氣溫度很高（>580oC），余熱鍋爐可采用更加完善的三壓再熱汽水系統(tǒng)。這樣不僅能采用高的蒸汽參數(shù)，而且能使排煙溫度比較低，平均傳熱溫差小，余熱回收非常充分。但多壓系統(tǒng)要處理好不同壓力參數(shù)匹配優(yōu)化的問(wèn)題。

（5）變工況熱力特點(diǎn)

由于負(fù)荷和大氣溫度的變化，燃?xì)廨啓C(jī)一直都在變工況下運(yùn)行，因此燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度和流量都發(fā)生很大的變化。這樣，余熱鍋爐熱力特性也隨之變動(dòng)，其產(chǎn)汽量、蒸汽溫度的壓力等都會(huì)發(fā)生變化。然而蒸汽側(cè)的熱力參數(shù)通常要求比較穩(wěn)定，即使是滑壓運(yùn)行，變動(dòng)量也不是很大，且還有許多工程和熱力學(xué)上的約束，如省煤器不能出現(xiàn)汽化現(xiàn)象（或接近點(diǎn)溫差不能出現(xiàn)零值或負(fù)值），排煙溫度不能低于露點(diǎn)等。起停過(guò)程燃?xì)鈧?cè)熱力變化也很大，這樣，變工況過(guò)程余熱鍋爐燃?xì)夂驼羝麅蓚?cè)熱力變化不協(xié)調(diào)就構(gòu)成它的又一個(gè)熱力特性：熱源頭（燃?xì)廨啓C(jī)）熱慣性比較小，而余熱鍋爐的熱慣性相對(duì)大得多。

3 聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐的發(fā)展

（1）國(guó)內(nèi)聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐的發(fā)展

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組在國(guó)內(nèi)使用時(shí)間雖然較短，但研究這種發(fā)電技術(shù)的余熱鍋爐已有三十多年的歷史，尤其從20世紀(jì)70年代后期起，由杭州鍋爐廠先后開(kāi)發(fā)研制了雙鍋簡(jiǎn)自然循環(huán)、單鍋筒強(qiáng)制循環(huán)和單鍋簡(jiǎn)自然循環(huán)式的燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐，容量從最早研究的8t/h、2.75MPa余熱鍋爐到目前配MS6000系列燃機(jī)的65t/h、3.82MPa余熱鍋爐。鍋爐的壓力級(jí)數(shù)從單壓發(fā)展到目前已能設(shè)計(jì)制造三壓級(jí)新型高效燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐。余熱鍋爐研究所于20世紀(jì)80年代初建成了大型傳熱風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了螺旋翅片管的熱力特性和阻力特性的試驗(yàn)研究，獲得了可普遍應(yīng)用的翅片管熱力和阻力計(jì)算準(zhǔn)則公式及其它研究成果。與此同時(shí)，上海、成都等地的廠家也試制成功了螺旋翅片管，這些工作為開(kāi)發(fā)燃機(jī)余熱鍋爐奠定了基礎(chǔ)。特別是2000年自行開(kāi)發(fā)并已成功運(yùn)行的配MS9001系列（E級(jí)）燃機(jī)的余熱鍋爐，實(shí)現(xiàn)了大型燃機(jī)余熱鍋爐的國(guó)產(chǎn)化目標(biāo)，正在追趕世界先進(jìn)水平^[4]。

（2）國(guó)外聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐技術(shù)進(jìn)展

在燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電站中，余熱鍋爐處于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電循環(huán)和蒸汽輪機(jī)發(fā)電循環(huán)結(jié)合點(diǎn)的位置。它是將燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱轉(zhuǎn)換為蒸汽輪機(jī)的熱能從而實(shí)現(xiàn)熱能回收的設(shè)備。它的技術(shù)水平直接影響聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的發(fā)電效率、設(shè)備可用率和單位造價(jià)。因此，世界各國(guó)都對(duì)余熱鍋爐技術(shù)進(jìn)行多方面的研究并取得了寶貴成果。

國(guó)外聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代末。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前，美國(guó)、英語(yǔ)、日本等許多發(fā)達(dá)國(guó)家的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)已比較成熟，其供電效率已達(dá)到50%以上。如美國(guó)CE公司為53%左右；ABB公司為48%~51.9%；三菱重工為51%~52%。許多公司（如美國(guó)Texco公司、比利時(shí)CMI公司等）都具有比較成熟的聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐性能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生產(chǎn)制造技術(shù),而且已經(jīng)完全掌握了聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐的熱力特性和運(yùn)行特性^[5]。

燃?xì)廨啓C(jī)的初溫不斷提高，功率增大，余熱鍋爐的高壓循環(huán)蒸汽壓力和溫度也不斷提高，蒸汽系統(tǒng)也更為復(fù)雜；為了提高環(huán)保性能，有的余熱鍋爐在適當(dāng)溫度區(qū)安裝了脫硝裝置；為了提高傳熱效率，有的鍋爐受熱面用鋸齒形翅片管代替整體形翅片管，減小了翅片間距，結(jié)構(gòu)更緊湊；有的系統(tǒng)取消了旁通煙囪，燃機(jī)與鍋爐同步啟停。英國(guó)Cottam電廠的余熱鍋爐則采用了直流蒸發(fā)器并取消了汽包，在水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方面也有獨(dú)到之處^[6]。

4 聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐研究方向

4.1 螺旋鰭片管的設(shè)計(jì)和換熱計(jì)算方法的選取

變溫顯熱源和中溫大流量熱力特性決定了聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐傳熱的特殊性，那就是余熱鍋爐中的換熱主要依靠對(duì)流，輻射傳熱可以忽略不計(jì)。因此，在余熱鍋爐中，煙氣與汽水介質(zhì)間的換熱溫壓較一般余熱鍋爐低很多，為布置緊湊，節(jié)省鋼材，受熱面大量采用螺旋鰭片管替代光管。螺旋鰭片管束傳熱與阻力特性研究對(duì)于余熱鍋爐的強(qiáng)化傳熱有著很重要的意義。

在螺旋鰭片管的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)中，翅片高度和翅片節(jié)距通常被作為衡量翅化程度大小的標(biāo)志。在同樣的煙氣介質(zhì)、煙氣溫度和煙氣速度下，管徑越小，翅片越高、節(jié)距越密，則傳熱效果越好。一般來(lái)說(shuō)，翅片管的傳熱及制造工藝主要依靠大量的試驗(yàn)研究，從而獲得適用于工程的結(jié)構(gòu)尺寸^[7]。

關(guān)于聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐螺旋鰭片管的換熱計(jì)算方法，由于目前還沒(méi)有成熟和規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)制造廠家的鍋爐熱力計(jì)算，一般采用美國(guó)燃燒工程公司（CE公司）性能標(biāo)準(zhǔn)（針對(duì)螺旋翅片管省煤器）和前蘇聯(lián)鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)并借鑒國(guó)內(nèi)外資料和試驗(yàn)成果中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以完善^[8]。國(guó)內(nèi)外在污染系數(shù)的修正方面都做了一定的工作，但具體運(yùn)用方面一些研究還有待深化：一是結(jié)構(gòu)參數(shù)，如管束節(jié)距和翅片規(guī)格的優(yōu)化；二是對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)排污特性對(duì)換熱計(jì)算的影響；三是翅片管的換熱與焊接方法和焊著率關(guān)系的研究。

4.2 煙氣流動(dòng)特性研究

由于中溫大流量工質(zhì)，使得聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐的煙氣流動(dòng)特性研究越來(lái)越重要。目前國(guó)內(nèi)的研究一種是對(duì)余熱鍋爐的入口煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，現(xiàn)在通用的是FLUENT等流體計(jì)算軟件，可得到直觀的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布，并進(jìn)行優(yōu)化；二是通過(guò)冷態(tài)空氣動(dòng)力試驗(yàn)裝置，校核煙道形狀特性。

國(guó)內(nèi)外都有不少科研機(jī)構(gòu)對(duì)余熱鍋爐煙氣流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬及試驗(yàn)研究。中南工業(yè)大學(xué)物熱系用k-ε方程模擬了余熱鍋爐內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，利用SIMPLE算法，給出了余熱鍋爐內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，為研究余熱鍋爐爐內(nèi)流動(dòng)和傳熱、傳質(zhì)提供理論依據(jù)^[9]。哈爾濱鍋爐廠以STHOMAL公司S109FA聯(lián)合循環(huán)的余熱爐為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)鍋爐模型，采用冷態(tài)空氣模化試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算兩種方法，以求優(yōu)化鍋爐及其入口煙道的結(jié)構(gòu)形狀，為余熱鍋爐的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)據(jù)^[10]。但總體來(lái)說(shuō)，這些研究的應(yīng)用范圍和推廣還需要進(jìn)一步深化。

4.3適應(yīng)聯(lián)合循環(huán)的快速啟動(dòng)特性研究

聯(lián)合循環(huán)裝置三大部件的典型冷起動(dòng)時(shí)間為：燃?xì)廨啓C(jī)τ_GT=10~20分；余熱鍋爐τ^HRSG=30~90分；汽輪機(jī)τ_ST=90~120分^[11]。為適應(yīng)快速起動(dòng)，一是要進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)布置方式的優(yōu)化研究。目前大型聯(lián)系循環(huán)裝置多采用1拖1（1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、1臺(tái)余熱鍋爐、1臺(tái)汽輪機(jī)）、單軸（燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)共用一臺(tái)發(fā)電機(jī)）及無(wú)旁路煙道等。二是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，有一系列具體的研究方向。如鍋筒要求具有更大更合理的容量尺寸，防止在啟動(dòng)中涌入大量汽水；汽水裝置多采用水下孔板型式，以適應(yīng)啟動(dòng)過(guò)程中鍋筒水位的較大變化；水位計(jì)要求有較大量程，并充分考慮報(bào)警水位和保護(hù)水位的要求；煙道和護(hù)板結(jié)構(gòu)也盡量減少熱慣性，煙道多采用軟性的非金屬膨脹節(jié)；螺旋鰭片管束要求盡量采用小管徑、薄管壁、熱慣性小的材質(zhì)。另外，余熱鍋爐的循環(huán)型式、煙氣擋板的控制方式也與快速啟動(dòng)有關(guān)。目前快速啟動(dòng)的研究主要還是在運(yùn)行方面，如浙江鎮(zhèn)海發(fā)電公司就根據(jù)運(yùn)行總結(jié)了不少經(jīng)驗(yàn)^[12]。

4.4熱力參數(shù)優(yōu)化的研究

聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐參數(shù)優(yōu)化，就是根據(jù)不同的燃?xì)馀牌麉?shù)，以聯(lián)合循環(huán)熱效率最佳為前提，確定最佳的蒸汽參數(shù)。參數(shù)優(yōu)化是聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐設(shè)計(jì)和研究中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

4.4.1參數(shù)優(yōu)化的基本方法

參數(shù)優(yōu)化常用的方法主要有以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的熱平衡方法，以“熱效率”為指標(biāo)；以綜合熱力學(xué)第一、第二定律作為依據(jù)，從能量的數(shù)量和質(zhì)量角度分析循環(huán)中由于不可逆性而引起的做功損失的程度，研究熱的可用性與它的貶值問(wèn)題的熵和火用平衡方法，以“做功能力損失和火用效率”為其指標(biāo)^[13]。

理論分析最常用的優(yōu)化方法是建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)建模一般是先確定要研究的系統(tǒng)，然后根據(jù)熱力學(xué)基本定律以及能量守恒、動(dòng)量守恒等物理學(xué)基本原理建立數(shù)學(xué)模型，最后利用先進(jìn)的優(yōu)化理論求解。余熱鍋爐的建模主要包括設(shè)計(jì)工況和變工況建模。前者主要用于熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行方案研究，通過(guò)計(jì)算比較各種設(shè)計(jì)方案的合理性和整個(gè)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性，從而設(shè)計(jì)出一個(gè)比較完善的系統(tǒng)及進(jìn)行最終熱力設(shè)備的選型；后者則是在所有基本換熱設(shè)備都已經(jīng)選定的情況下，研究煙氣參數(shù)發(fā)生改變時(shí)對(duì)每個(gè)系統(tǒng)的影響^[14]。東南大學(xué)在數(shù)字仿真方面^[15]以及清華大學(xué)在可視化建模方面^[16]都做了一定的研究。

在理論分析的基礎(chǔ)上往往要對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)合熱力學(xué)分析和投資經(jīng)濟(jì)分析，從而尋出最優(yōu)化參數(shù)。

4.4.2參數(shù)優(yōu)化的一些關(guān)鍵問(wèn)題

（1）汽水系統(tǒng)的優(yōu)化

一般根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)排煙煙氣流量和進(jìn)入余熱鍋爐的燃?xì)鉁囟葋?lái)確定汽水系統(tǒng)是單壓、多壓以及是否有再熱，并進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)比較。國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)是，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)排煙煙氣流量大于120kg/s和進(jìn)入余熱鍋爐的燃?xì)鉁囟雀哂?10oC時(shí)，可選擇雙壓或三壓的汽水系統(tǒng)；當(dāng)進(jìn)入余熱鍋爐的煙溫高于560oC時(shí)，可考慮采用三壓循環(huán)的汽水系統(tǒng)。美國(guó)GE公司采用再熱系統(tǒng)主要根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的排煙溫度。排煙低于560oC時(shí)，不采用再熱，排煙高于560oC時(shí)，采用再熱循環(huán)。

（2）節(jié)點(diǎn)溫差、接近點(diǎn)溫差和排煙溫度的確定

圖3為典型的單壓汽水系統(tǒng)余熱鍋爐的T-Q圖。如圖所示，節(jié)點(diǎn)溫差ΔTP減小時(shí)，余熱鍋爐排汽溫度降低，有助于提高余熱鍋爐熱效率，但平均傳熱溫差也隨之減小，致使總的受熱面積增加。同樣，在節(jié)點(diǎn)溫度選定后，接近點(diǎn)溫差ΔTa增大時(shí)，省煤器的對(duì)數(shù)平均溫差有所增大，但為防止低負(fù)荷或起動(dòng)過(guò)程中省煤器出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，額定工況下ΔTa不能取為零。節(jié)點(diǎn)溫差和接近點(diǎn)溫差是余熱鍋爐設(shè)計(jì)中十分關(guān)鍵的因素。

圖3 單壓汽水系統(tǒng)余熱鍋爐的T-Q圖

總體來(lái)說(shuō)，要綜合投資費(fèi)用和循環(huán)最佳效率等因素來(lái)選擇節(jié)點(diǎn)溫差、接近點(diǎn)溫差和排煙溫度。清華大學(xué)焦樹(shù)建等人對(duì)節(jié)點(diǎn)溫差和接近點(diǎn)溫差的選取進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并給出了理論依據(jù)[14]。徐傳海用換熱量增減法對(duì)節(jié)點(diǎn)溫差和接近點(diǎn)溫差的相互關(guān)聯(lián)性以及和受熱面之間的關(guān)系進(jìn)行了優(yōu)化分析，提出了新的選取方法^[17]。

（3）變工況運(yùn)行特性研究

在實(shí)際運(yùn)行中，燃?xì)廨啓C(jī)因外界環(huán)境溫度和負(fù)荷變動(dòng)，很難維持在額定設(shè)計(jì)工況，而多處于變工況狀態(tài)，故與之匹配的余熱鍋爐變工況特性顯得格外重要。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所蔡睿賢等人對(duì)余熱鍋爐變工況計(jì)算做了大量的研究，給出了兩種解析算法^[18、19]。

（4）余熱鍋爐與蒸汽輪機(jī)的匹配

汽輪機(jī)循環(huán)熱效率隨著主蒸汽壓力和溫度的提高而提高，而主蒸汽參數(shù)是由進(jìn)入余熱鍋爐的燃?xì)鉁囟纫约八胁贾玫腻仩t經(jīng)濟(jì)受熱面決定的。焦樹(shù)建對(duì)不同壓力聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐與汽輪機(jī)的匹配做了大量的研究，并根據(jù)“使汽輪機(jī)的做功量為最大”這個(gè)原則,來(lái)優(yōu)化選擇蒸汽參數(shù)的最佳匹配關(guān)系^[20~23]。

（5）煙氣側(cè)壓阻系統(tǒng)優(yōu)化

一般來(lái)說(shuō)，燃?xì)廨啓C(jī)背壓每增加1Kpa，其功率下降0.6~0.7%，熱耗率會(huì)增大0.6~0.7%。目前燃?xì)廨啓C(jī)加裝余熱鍋爐后，排氣背壓約增高1.4~2.5Kpa，因此燃?xì)廨啓C(jī)功率就降低0.9~1.6%，熱耗率增大0.9~1.7%。當(dāng)采用減小節(jié)點(diǎn)溫差ΔT_p和多壓汽水系統(tǒng)來(lái)提高余熱鍋爐熱力性能時(shí)，由于余熱鍋爐傳熱面積的增加致使煙氣側(cè)流阻增大，從而導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)功率和效率下降，因此，余熱鍋爐煙氣側(cè)壓損系數(shù)應(yīng)全面權(quán)衡得失，而加以優(yōu)化。一般余熱鍋爐燃?xì)鈧?cè)阻力在1.37~2.45Kpa左右。

4.5 余熱鍋爐的其他研究

這些研究包括余熱鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究、余熱鍋爐專用設(shè)備研究，以及附件如三通擋板閥、煙氣消聲器、防雨擋板和強(qiáng)制循環(huán)泵的選擇和研究等。近些年隨著環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，補(bǔ)燃技術(shù)（如降低NO_X排放的催化劑）及CO的還原裝置也得到了廣泛的重視。

5 結(jié)語(yǔ)

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)因其熱效率高、啟動(dòng)速度快、環(huán)保條件好、安裝周期短、投資費(fèi)用低等一系列優(yōu)點(diǎn)，加上近年來(lái)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)功率也不斷加大，聯(lián)合循環(huán)研究已經(jīng)引起世界各國(guó)的重視和實(shí)施。

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐研究雖然取得了一定的成果，但在傳熱特性、參數(shù)優(yōu)化、煙氣流動(dòng)特性等許多方面的研究還有待進(jìn)一步深化。

作者簡(jiǎn)介:

張 剛  （1981-），男，山東聊城人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于信發(fā)集團(tuán)，研究方向是循環(huán)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、煤電化一體化、綠色低碳技術(shù)創(chuàng)新、多產(chǎn)業(yè)融合等。

張懷濤 （1972-），男，山東聊城人，碩士，現(xiàn)就職于信發(fā)集團(tuán)，主要從事低碳節(jié)能、發(fā)電、氯堿、電石、有色等系統(tǒng)穩(wěn)定、優(yōu)化提升、工業(yè)固廢資源化利用等方面研究工作。

張玉雷 （1980-），男，山東聊城人，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于信發(fā)集團(tuán)，主要從事熱工自動(dòng)化控制、電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定等研究。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年10月刊