燃气—蒸汽联合循环超临界余热锅炉设计研究与计算

摘要

随着燃气—蒸汽联合循环发电技术的快速发展及燃气轮机排气温度的不断提高，为了进一步提高燃气轮机排气的余热利用率和联合循环效率，提出了燃气—蒸汽联合循环的底循环采用三压再热超临界蒸汽系统，高压系统采用超临界蒸汽参数，中低压系统采用亚临界自然循环蒸汽参数。 燃气—蒸汽联合循环采用397MW燃气轮机，分别以超临界蒸汽参数27MPa/585℃和亚临界蒸汽参数 13.5MPa/585℃为联合循环底循环的高压参数，计算了联合循环的底循环效率和联合循环效率，结果表明：中低压蒸汽参数不同时，超临界蒸汽参数的底循环效率比亚临界蒸汽参数提高了4.52个百分点，底循环输出功率占联合循环机组输出功率的百分比由 30.4％增加到了 32.91％，联合循环净效率提高了 2.34个百分点；中低压蒸汽参数相同时，超临界蒸汽参数的底循环效率比亚临界蒸汽参数提高了2.93个百分点，底循环输出功率占联合循环机组输出功率的百分比由31.42％增加到了32.91％，联合循环净效率提高了1.46个百分点。 基于燃气—蒸汽联合循环的蒸汽系统采用超临界蒸汽参数，首次提出了超临界余热锅炉整体采用双层烟道卧式结构，其中高压蒸发器采用垂直对流蒸发管束穿过烟道隔板跨上层烟道和下层烟道布置，管内工质由下而上，下层为热水段，上层为过热段，中间为烟道隔板，上层与下层同一受热管的直径大小不同，下层管径小于上层管径，中间采用变管径连接。通过对高压直流蒸发管束进行计算及分析，结果表明：高压直流蒸发管束上层高度23m，下层高度21m，既保证了合理的工质质量流速又保证了合理的烟气流速。 采用传热及水动力计算模型确定了高压直流蒸发管束的内壁温度、压降及流量。工质压力达到27MPa时，在远离拟临界焓值区，高压直流蒸发管束内壁温度随焓值的增大而升高；在拟临界焓值区，存在传热强化，内壁温度随焓值变化平缓。高压直流蒸发管束下层热水段工质比容小于上层过热段，下层工质质量流速高，流动阻力大，导致下层管内工质压降高于上层管内工质压降。高压直流蒸发管束管内工质流量呈现正流量响应特性，中间位置受热最强，质量流速最大。 根据热力学计算模型对超临界余热锅炉进行热力计算及烟气阻力计算。由超临界余热锅炉受热面的烟气放热系数、烟气阻力、钢材消耗及占地面积确定了超临界余热锅炉受热面的环形肋片管排数及肋片结构，得到超临界余热锅炉热力计算相对误差小于2%，超临界余热锅炉烟气阻力为3110.1Pa，符合余热锅炉设计标准。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 燃气—蒸汽联合循环发电技术国内外研究现状

1.2.1 燃气轮机及联合循环发电现状

1.2.2 余热锅炉研究现状

1.2.3 超临界压力下传热及水动力特性研究现状

1.3 本文研究的主要内容和目的

第2章 燃气—蒸汽联合循环余热锅炉的理论分析

2.1 余热锅炉介绍

2.1.1 余热锅炉基本类型

2.1.2 余热锅炉联合循环基本方案

2.2 余热锅炉联合循环理论分析

2.2.1 燃气轮机能量平衡关系

2.2.2 余热锅炉能量平衡关系

2.2.3 蒸汽轮机能量平衡关系

2.3 本章小结

第3章 燃气—蒸汽联合循环超临界蒸汽系统性能分析

3.1 超临界蒸汽系统模型建立及参数确定

3.1.1 模型建立

3.1.2 参数确定

3.2 超临界蒸汽系统评价指标

3.2.1 余热锅炉效率

3.2.2 蒸汽轮机效率

3.2.3 燃气—蒸汽联合循环厂用电率

3.2.4 燃气—蒸汽联合循环效率

3.3 超临界蒸汽系统计算

3.3.1 超临界余热锅炉双层烟道设计方案

3.3.2 超临界蒸汽系统设计参数

3.3.3 超临界蒸汽系统计算结果及分析

3.4 超临界蒸汽系统余热锅炉双层烟道设计优化

3.4.1 换热特性分析

3.4.2 热力性能分析

3.5 本章小结

第4章 高压直流蒸发管束传热及水动力特性研究

4.1 超临界压力区工质物性参数

4.2 高压直流蒸发管束设计

4.2.1 设计方法及计算

4.2.2 设计结果及分析

4.3 高压直流蒸发管束传热特性

4.3.1 数学模型建立

4.3.2 传热特性分析

4.4 高压直流蒸发管束水动力特性

4.4.1 压力计算

4.4.2 流量分配计算

4.4.3 工质出口温度计算

4.5 本章小结

第5章 超临界余热锅炉热力计算及阻力计算

5.1 超临界余热锅炉热平衡计算

5.2 超临界余热锅炉热力计算方法

5.3 超临界余热锅炉烟气阻力计算方法

5.4 超临界余热锅炉结构优化

5.4.1 超临界余热锅炉基本结构

5.4.2 超临界余热锅炉受热面结构

5.5 超临界余热锅炉计算结果及分析

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续工作建议和展望

参考文献

读硕士学位期间发表的论文及其他成果

致谢

附录 超临界余热锅炉烟气放热系数、烟气阻力、钢材消耗和占地面积图