燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环使用的余热锅炉

摘要

本发明燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环使用的余热锅炉涉及一种大型的受热面只有过热器、高压省煤器、低压省煤器的余热锅炉，梯次利用重型燃气轮机尾气余热加热压水堆蒸汽发生器出口的饱和蒸汽、以分流的方式加热二回路主给水泵出口的高压给水和以分流的方式加热二回路凝结水泵出口的凝结水；可回收部分重型燃气轮机尾气所含水蒸汽的汽化潜热的余热锅炉。利用燃气轮机尾气的热量将二回路主蒸汽温度由272.8℃向上提升，随压水堆产汽量的不同和重型燃气轮机投入的台数、负荷的不同，二回路主蒸汽温度在272.8℃至630℃之间滑温运行，过热器出口烟气温度约降低到300℃；在高、低压省煤器中，烟气温度由300℃进一步降低到40℃。

说明书

(一)技术领域：

本发明燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环使用的余热锅炉涉及一种大型的受热面只有过热器、高压省煤器、低压省煤器的余热锅炉，梯次利用重型燃气轮机尾气余热加热压水堆蒸汽发生器出口的饱和蒸汽、以分流的方式加热二回路主给水泵出口的高压给水和以分流的方式加热二回路凝结水泵出口的凝结水；可回收部分重型燃气轮机尾气所含水蒸汽的汽化潜热的余热锅炉。

(二)背景技术：

压水堆(Pressurized Water Reactor)使用加压轻水作冷却剂和慢化剂，且水在堆内不沸腾的核反应堆。核燃料为低浓铀。是世界公认的大型化技术成熟，运行安全、经济实用的核反应堆型。AP1000可以作为第三代压水堆核电站的代表性产品。

AP1000第三代核电站蒸汽发生器(Steam Generator)的主要参数：

AP1000第三代核电站汽轮发电机的主要参数：

两台蒸汽发生器产生的饱和蒸汽由二回路主蒸汽系统送入汽轮机高压缸，在汽轮机高压缸膨胀做功后排汽进入2台外置式汽水分离再热器；在额定负荷条件下，外置式汽水分离再热器把汽轮机高压缸排汽中所含的10％-13％的湿度减小到大约0.17％或更小；外置式汽水分离再热器设有2级再热器，第1级采用高压缸抽汽为热源，第2级采用主蒸汽为热源，将进入再热器的蒸汽加热到过热状态；蒸汽被加热后通过6根管道进入3台双流的汽轮机低压缸；部分蒸汽从高压缸和低压缸抽出用于对给水和凝结水进行回热。主凝汽器对凝结水进行除氧并将废热传到循环水系统；给水由二回路主给水泵注入蒸汽发生器；汽轮机为6级给水回热提供抽汽；高压缸的抽汽点为1号高压加热器提供抽汽，高压缸排汽向除氧器提供抽汽，低压缸的第3、4、5、6级抽汽点分别向第3、4、5、6号低压加热器提供抽汽，5号低压加热器和6号低压加热器通常布置在凝汽器的喉部。

我国(包括台湾地区)已投入商业运营的核电机组全部为压水堆；从技术、安全、经济、环保和产业特点看，压水堆核电机组不宜参加电网调峰，特别是频繁地进行大幅度负荷调整。

根据工作时燃烧温度的高低和机组功率大小，电站用重型燃气轮机共分为A-B-C-D-E-F-G-H八个级别。燃气轮机的进气温度越高，机组功率越大，级别越高，热效率越高，通常燃气轮机尾气温度也越高，通常燃气轮机尾气温度分布在630℃到710℃区间，同一台燃气轮机带部分负荷时，其尾气温度一般高于满负荷时的尾气温度。

现有技术燃气轮机通常与现有技术的余热锅炉、蒸汽轮机组成燃气-蒸汽联合循环系统；该蒸汽轮机再热或不再热、无回热抽汽口，具有中、低压补汽进口；该蒸汽轮机配有必要的辅机，如凝结水泵、循环水泵、凝汽器、真空泵、冷却塔、润滑油系统、控制油系统、旁路系统等；该余热锅炉通常设计成双压或者三压，分别提供不同压力的过热蒸汽，每一压力均有自己的省煤器、蒸发器、汽包、过热器；通常燃气轮机驱动的发电机所发电量约占燃气-蒸汽联合循环机组的2/3强；蒸汽轮机驱动的发电机所发电量约占燃气-蒸汽联合循环机组的1/3弱。

(三)发明内容：

所要解决的技术问题：

压水堆的蒸汽发生器只能生产二回路使用的饱和蒸汽，没有蒸汽过热能力；外置式汽水分离再热器的主要功能是把高压汽轮机排汽中所含的10％-13％的湿度减小到大约0.17％或更小，为了取得低压缸入口不到90K的过热度，甚至动用了二回路主蒸汽作为外置式汽水分离再热器的热源；压水堆蒸汽轮机的高压缸基本上是一台湿蒸汽汽轮机，各透平级的动叶片在湿蒸汽条件下工作，热效率低下，且不利于动叶片长周期安全运行；低压缸排汽湿度也颇高于燃煤超超临界机组；高压缸、低压缸内效率仅80％左右，其热耗高达10405.7kJ/kWh(扣除电动泵功率)，热效率仅34.6％(扣除电动泵功率)。

解决其技术问题采用的技术方案：

重型燃气轮机与压水堆蒸汽轮机组成联合循环系统，利用燃气轮机尾气的热量将二回路主蒸汽温度由272.8℃向上提升，随压水堆产汽量的不同和重型燃气轮机投入的台数、负荷的不同，二回路主蒸汽温度在272.8℃至630℃之间滑温运行，佘热锅炉过热器出口烟气温度约降低到300℃；烟气温度由300℃进一步降低到40℃，依靠以分流的方式加热二回路主给水泵出口的高压给水和以分流的方式加热二回路凝结水泵出口的凝结水来完成；同时回收了部分燃气轮机尾气所含水蒸汽的汽化潜热。

本发明燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环使用的余热锅炉的技术特征是：包括过热器、高压省煤器、低压省煤器、半汽冷内壳、外壳、燃机尾气入口挡板组、入口烟道、出口烟道、烟道膨胀补偿节、排水泵、钢构架、高压省煤器流量调节阀、低压省煤器流量调节阀、DCS控制系统；卧式布置，半汽冷内壳的汽冷部分只布置在过热器区域；压水堆蒸汽发生器的饱和蒸汽出口与过热器的蒸汽进口相连接；过热器的蒸汽出口经主汽门、调速汽门与蒸汽轮机高压缸的进口相连接；过热器蛇形管受热面水平布置，由低温段受热面、中温段受热面、高温段受热面串联构成，过热器蛇形管与烟气流程呈逆流布置；低温段受热面、中温段受热面、高温段受热面均为光管；各片过热器蛇形管受热面之间经梳型垫块叠置；过热器进口联箱垂直布置，两端进汽；过热器出口联箱垂直布置，两端出汽；过热器系统无喷水减温器，过热器出口汽温通过DCS控制系统控制压水堆的产气量和进入余热锅炉的燃机尾气的质量、温度来实现，过热器出口汽温在272.8℃到630℃之间滑温运行；高压省煤器由水平布置的高度肋化的螺旋鳍片管组成，前后相邻的螺旋鳍片管用180°光管弯头连接组成长蛇形管，180°光管弯头布置在内壳和外壳之间，长蛇形管与烟气流程呈逆流布置；高压省煤器进口联箱垂直布置，两端进水；高压省煤器出口联箱垂直布置，两端出水；低压省煤器由水平布置的高度肋化的螺旋鳍片管组成，前后相邻的螺旋鳍片管用180°光管弯头连接组成长蛇形管，180°光管弯头布置在内壳和外壳之间，长蛇形管与烟气流程呈逆流布置；低压省煤器进口联箱垂直布置，两端进水；低压省煤器出口联箱垂直布置，两端出水；在DCS控制系统控制下，调节高压省煤器流量调节阀控制高压省煤器出口给水温度与高压加热器水侧出口给水温度相接近；在DCS控制系统控制下，调节低压省煤器流量调节阀控制低压省煤器出口凝结水温度与低压加热器水侧出口进除氧器的凝结水温度相接近。

发明的有益效果：

●本发明 燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环使用的余热锅炉使压水堆蒸汽轮机由湿蒸汽汽轮机转变为主蒸汽温度在272.8℃至630℃之间滑温运行的蒸汽轮机，在高主汽温度工况，大幅度提高了压水堆蒸汽轮机主蒸汽的进口焓值，各透平级的内效率也显著提高，在相同进口质量流量的条件下，大幅度提高了压水堆蒸汽轮机的有效焓降，输出轴功率大幅度增加；

●本发明 燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环使用的余热锅炉 在高主汽温度工况，使蒸汽轮机高压缸各透平级消除水蚀风险，安全性明显提高；

●本发明 燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环使用的余热锅炉 在高主汽温度工况，蒸汽轮机低压缸大部分透平级消除水蚀风险，安全性明显提高，末级叶片和末前级叶片湿度显著减小，安全性、经济性明显提高；

●本发明 燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环使用的余热锅炉 在高主汽温度工况，由于末级叶片和末前级叶片湿度显著减小，安全性可控，提供了进一步降低低压缸排汽背压，提高 燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环系统 的热效率的空间；

●本发明 燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环使用的余热锅炉 采用卧式布置 可以有效控制 过热器系统 的压力降，提升燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环的热效率；

●本发明 燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环使用的余热锅炉 高压省煤器 和 低压省煤器 的设置使 余热锅炉过热器 出口的烟气余热得到充分的利用，排烟温度可以降到40℃或者更低，排挤出来的各段蒸汽轮机抽汽可以在 蒸汽轮机高、低压缸内继续做功，转换为有用的轴功率，汽轮机组的视在热耗明显下降；

●燃机尾气与燃煤锅炉排烟相比，具有基本不含SO₃和>

●如将本发明 燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环使用的余热锅炉 的过热器、高压省煤器、低压省煤器吸收的热量全部归算为余热锅炉的有效吸热量，这种没有蒸发器和汽包的余热锅炉的热效率(按低位发热量计算)可高达创记录的100％或更高。

(四)附图说明：

图1为燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环使用的余热锅炉的侧剖面图；

在图1中：

1燃机尾气入口挡板组、 2入口烟道、

3外壳、 4半汽冷内壳、

5过热器、 6高压省煤器、

7低压省煤器、 8出口烟道、

9钢构架、 10烟道膨胀补偿节、

11排水泵。

(五)具体实施方式：

实施例1：

现结合 图1 以一台AP1000第三代核电站蒸汽发生器组、蒸汽轮机 与 三台H级燃气轮机所组成的联合循环机组 所配套使用的余热锅炉 为例说明实现发明的优选方式。

本发明 燃气轮机压水堆蒸汽轮机联合循环使用的余热锅炉 的技术特征是：包括过热器、高压省煤器、低压省煤器、半汽冷内壳、外壳、燃机尾气入口挡板组、入口烟道、出口烟道、烟道膨胀补偿节、排水泵、钢构架、高压省煤器流量调节阀、低压省煤器流量调节阀、DCS控制系统；卧式布置，半汽冷内壳的汽冷部分只布置在过热器区域；压水堆蒸汽发生器的饱和蒸汽出口与过热器的蒸汽进口相连接；过热器的蒸汽出口经主汽门、调速汽门与蒸汽轮机高压缸的进口相连接；过热器蛇形管受热面水平布置，由低温段受热面、中温段受热面、高温段受热面串联构成，过热器蛇形管与烟气流程呈逆流布置；低温段受热面、中温段受热面、高温段受热面均为光管；各片过热器蛇形管受热面之间经梳型垫块叠置；过热器进口联箱垂直布置，两端进汽；过热器出口联箱垂直布置，两端出汽；过热器系统无喷水减温器，过热器出口汽温通过 DCS控制系统 控制 压水堆的产气量 和 进入余热锅炉的 燃机尾气的质量、温度来实现，过热器出口汽温在272.8℃到630℃之间滑温运行；高压省煤器由水平布置的高度肋化的螺旋鳍片管组成，前后相邻的螺旋鳍片管用180°光管弯头连接组成长蛇形管，180°光管弯头布置在内壳和外壳之间，长蛇形管与烟气流程呈逆流布置；高压省煤器进口联箱垂直布置，两端进水；高压省煤器出口联箱垂直布置，两端出水；低压省煤器由水平布置的高度肋化的螺旋鳍片管组成，前后相邻的螺旋鳍片管用180°光管弯头连接组成长蛇形管，180°光管弯头布置在内壳和外壳之间，长蛇形管与烟气流程呈逆流布置；低压省煤器进口联箱垂直布置，两端进水；低压省煤器出口联箱垂直布置，两端出水；在 DCS控制系统 控制下，调节 高压省煤器流量调节阀 控制高压省煤器出口给水温度与高压加热器水侧出口给水温度相接近；在 DCS控制系统 控制下，调节 低压省煤器流量调节阀 控制低压省煤器出口凝结水温度与低压加热器水侧出口进除氧器的凝结水温度相接近。

余热锅炉过热器的特征参数：

余热锅炉高压省煤器的特征参数：

余热锅炉低压省煤器的特征参数：

半汽冷内壳由过热器段汽冷内壳和省煤器段无冷却内壳组成；过热器段汽冷内壳由汽冷鳍片管构成，冷却工质为272.8℃饱和蒸汽；处于余热锅炉底部的鳍片管排，能够承担全部过热器受热面的重量；过热器段汽冷内壳可有效控制余热锅炉的热膨胀量；省煤器段无冷却内壳材质为ND钢；半汽冷内壳与外壳的相对膨胀死点在热端，即燃气轮机尾气进气端；半汽冷内壳与外壳之间允许相对滑动。

外壳底部能承受全部受热面和内壳的重量；外壳有圈梁、纵向刚性梁加固，全部荷重完整传递到钢构架；外壳底部与钢构架之间允许有热膨胀位移；外壳与半汽冷内壳之间充填保温材料。

入口烟道通过 3 套 燃机尾气入口挡板组 分别与 三台H级燃气轮机 的尾气排放管道连接；燃机尾气入口挡板组能有效隔离运行的燃气轮机和停运的燃气轮机；燃机尾气入口挡板组接有冷却风，以保护燃机尾气入口挡板组自身和连接烟道，不受高温尾气返流的损害；入口烟道内侧敷有保温耐火材料。

出口烟道设置有烟水分离器、贮水槽，烟气疏水由排水泵送入二回路循环水冷却系统；出口烟道材质为ND钢，内侧设计有玻璃钢防腐层。