西门子V94.3A燃气轮机配套余热锅炉设计

2006年第1期上谬电力大型燃气轮机发电技术西门子V94. 3A燃气轮机配套余热锅炉设计郭琴琴，杨震，刘忠楼（上海锅炉厂有限公司，上海200245）摘 耍：华能上海石阀口燃机电厂燃气一蒸汽联合循环工程选用西门子V94.3A型燃气轮机，余热锅炉是国 内设计生产的第一台配该教号燃机的余热慚炉.由于机组整体性能由西门子保证，故余热锅炉的系统设计必 须考虑満足西门子提出的相关要求.介绍/余热锅炉主要设备的结构特点,详细介绍了配V94.3A型燃机的 余热悯炉设计技术数据可为国内大教联合備环机组余热锅炉的设计提供齧考.关词：V94.3型燃气轮机；余热锅炉；联合循环;材料#2006年第1期上谬电力大型燃气轮机发电技术中图分类号:TK229iTM611.31文标识国：A华能上海石洞口燃机电厂3X400 MW燃气 一蒸汽联合循环机组选用SIEMENS V94. 3A型 燃机，燃用天然气，余热锅炉为上海锅炉厂有限公 司在引进ALSTOM公可6B9H等级的联合循 环机组余热锅炉技术的基础匕，进行的第套9F 级余热锅炉设计由ALSTOM澳大利亚分公司 提供技术支持.1设计參数与系统介绍华能上海石洞口燃机电厂余热锅炉为三压再 热、卧式布置、无补燃、白然循环式.在性能保证 工况（环境温度15. 8 °C,大气压力101. 63 kPa, 相对湿度79%）下，余热锅炉主要设计和性能参 数如下：燃机排气流屋，665. 17 kg/s燃机排气温度，587. 7 °C燃机排气成分（体积百分比）02：12.52%n2：74.19%co2：3.76%S()2 :0h2o：& 66%Ar：0. 87%高压蒸汽流量：73. 89 kg/s髙压蒸汽温度；567. 5 °C高压蕉汽绝压：13.08 MPa再热蒸汽流量：87.74 kg/s再热蒸汽温度：551.5 °C再热蒸汽绝压：3. 07 MPa冷段再热蒸汽流屋：72. 34 kg/s冷段再热蒸汽温度：370.3 °C冷段再热蒸汽绝压：3. 21 MPa中压蒸汽流就：1532 kg/s中压蒸汽温度：334 °C中压蒸汽绝压：3. 36 MPa低压蒸汽流最：13. 14 kg/s低圧蒸汽温度：240. 7 °C低压蒸汽绝压；0. 37 MPa低压给水温度，32. 7 °C锅炉效率：87.4 %排烟温度：90 °C烟气阻力：3. 3 kPa余热锅炉髙压、中压和低压系统分别由省煤 器、蒸发器和过热器组成。高压过热蒸汽进入汽 机高压缸作功；中压过热蒸汽与汽机高压缸排汽 汇合后进入再热器，再热器出口蒸汽进入汽机中 压缸；低压过热蒸汽与汽机中压缸排汽一起进入 汽机低压缸。锅炉的低压给水由汽机凝结水泵供给，高、中 压给水由低压给水经二级低乐给水加热器加热后 供给，锅炉采用2台100%容量的给水泵，高压给 水取自给水泵岀口，中压给水取自给水泵中间抽 头。锅炉水循环采用自然循环方式，高、中、低压 水循环系统各由汽包、下降管、蒸发管和上升管组 成。在性能保证工况下，髙、中、低压水循环倍率 分别为6. 0J4. 7.23. 9,具有较大的安全裕度。高压过热蒸汽和再热蒸汽温度调节采用喷水 减温方式，各设置二级减温器。高压一级減温器 位于高压过热器1和高压过热器2之间，末级减温器位于出口主蒸汽管道上。再热一级减温器位 于两级再热器之间，末级减温器位于再热器出口 蒸汽管道上。高压过热蒸汽和再热蒸汽正常运行 工况下主要通过一级减温器减温。末级减温器主 要用于启动工况下的滅温。低压过热蒸汽不设滅 温器。余热锅炉配冇低压给水再循环泵系统、低压 给水旁路系统、启动旁路除氧器系统、高压省煤器 旁路系统和疏水排污系统等辅助汽水系统。低压给水再循环系统用来提离低压给水加 热器的进口水温，防止受热面发生低温腐蚀。低 压给水旁路，用来防止部分工况下，给水加热器出 口水温过高，发生汽化现象。启动旁路除氧器系统用于启动时满足给水品 质要求。高压省煤器旁路系统用于防止高压省煤 器汽化和调节其烟气出口温度。疏水排污系统用 于启停时锅炉的疏水、放水及正常运行时的排污'受热面各部件根据性能设计需要间列布蜀, 沿烟气流动方向的受热面布置见图1。由于SIEMENS汽机采用100%蒸汽旁路系 统,所以与常规设计不同，该联合循环机组不设旁 路烟囱，所有燃机排气经余热锅炉后排出。锅炉 烟气系统主要由进口烟道、连接炉墙、过渡烟道、 烟囱等组成。区域的烟道 烟囱后排出，余热锅炉出口烟气经过渡烟道引至进口烟道用于扩散燃机排气至余热锅炉入口 截面上分布尽量均匀，连接炉墙用于组成受热面2主要设备与结构特点2.1受热面. 余热锅炉所冇受热面采用开口螺旋鰭片管, 错列布置。管束为Harp型的管排结构。需合理 选择赠片管规格，以保证高换热效果和低造价。 基管除再热器采用外径044. 5 mm管外，其余受 热面采用外径©38.1mm管。在烟气高温区采用 SA213 T91.SA213 T22管材，在低温区采用 SA210 A1管材。绪片厚度均为1 mm,宽度均为 4 mm,高度分16 mm和13 mm两种，节距随受热 面不同而变化。在烟气高温区鳍片材料采用不锈 钢，低温区采用碳钢。设置了梳形定位管夹对鳍 片管定位防止发生震动和碰撞。2.2受热面小集箱和汇合集箱每排受热面管上下两端各布置一只受热面小 集箱。每只集箱只与单排管屏相连，可以减少小 集箱热应力，同时避免单集箱多排管设计中蒸发 器后排较冷管可能发生的倒流现象。另外，与多 排管相比，管与集箱的焊接更为方便，焊接质量可 以得到充分保证.小集箱外径采用01143mm 和刖& 9 mm两种规格。对应于不同烟温区域的 受热面，分别采用SA213 P91.SA213 P22和 SA106B 材料。过热赛减温水高压过热器2再热»2再减高压过热器3匸烟气流向亠中压省煤器T 一高压省煤贱37T高压省煤器21=高压WI煤器低压M发K至旁路除氧黔给水加热器1给水加热器2高JK给水低压蒸汽钮路除氣対图1 "水液程图锅炉各部位汇合集箱设计采用柔性连接，以 吸收受热面管束的热膨胀和热应力；采用多管道 引入引出结构，使集箱壁温分布更加均匀合理。 对应于不同的烟气温度区域，分别采用SA213 P91.SA213 P22、SA213 P11 和 SA106B 材料。2.3汽包高压汽包规格为钿981 mm（内径）X 124 mm（最小壁厚），中压汽包为机372 mm（内径） X25 mm（最小壁厚），低压汽包为机524 mm（内 径）X12mm（最小壁厚）。髙压汽包材料为SA- 299,中、低圧汽包为SA-516Gr70o高压汽包封头 为半球型，中、低压汽包为半椭球型.汽包内部装 置与常规锅炉相似。高、中压汽包内设置旋风分 离器，低压汽包由于压力低，汽水分离比校容易， 所以只采用简单的标准三通和波纹板干燥箱。由于启动时从燃机排岀的急速大量热量会使 汽包内水发生膨胀现象，造成水位大幅波动，因此 设计汽包内部容积足够大，可以滅少冷态启动中 可能产生的水面波动，高、中、低压汽包水位维持 时间分别可以达到33、&131.6 min.汽包内 部布置足够数量的分离器，可以保证蒸汽品质。 2.4减温器高压过热蒸汽和再热蒸汽各布置2级喷水减 温器。高圧过热蒸汽减温水取自高压给水，即给 水泵岀口；再热蒸汽减温水取自中压给水，即给水 泵中间抽头。高压蒸汽减温器和再热二级减温器 采用SA213 P91材料，再热一级减温器采用 SA213 P22 材料。2.5启动除氧器出于SIEMENS燃机对启动时汽水品质的要 求，设置启动除氧器。启动除氧器在启动时负荷 低于50%时投运，以保证给水含氧量小于等于 7pg/L。采用立式一体化式除氧器。除氧蒸汽 由低压汽包供给。2.6烟道系统烟道系统包括始于燃机膨胀节法兰处的进口 烟道、组成受热面区域烟道的连接炉墙和受热面 区域出口至烟囱的过渡烟道。进口烟道与连接炉 墙由碳钢外护板、保温层和内护板组成在厂内组 装，热段的内护板材料为不锈钢。受热面区域出 口至烟囱的过渡烟道采用不保温的碳钢罩壳。烟 道上布置适量的入孔、测莹孔等。进口烟道采用变角度设计，既可以满足余热 锅炉受热面入口处烟气分布尽可能均匀的要求， 又可以缩短入门烟道长度，节约成本。烟道内布置防震隔板和烟气挡板，以合理分 配烟气，防止产生震动，保证较好的换热。余热锅炉采用冷态炉墙结构、内保温方式。选取合适的保温材料和厚度，保证炉墙外部温度 最高不超过50 °C。2.7模块支撑结构受热面采用模块化布置，共15只模块，横向 3列纵向5排。最重模块约为160 t0模块支撑 方式采用钢架支撑悬吊结构，模块中受热面管屏 向下膨胀。高压过热器、再热器区域模块支撑由其上汇 合集箱上吊耳通过方形销轴直接悬于受压件支撑 钢梁上，销轴孔的设计能满足热态时模块向两侧 自由膨胀；其余模块的支撑由管屏上部小集箱通 过连接板和吊拳式吊杆与支撑钢梁相焊，整个模 块的受力平衡由中间的销紧螺母进行调廿。3烟代侧和汽水侧溫度在性能保证工况下的烟气侧和汽水侧温度分 别如表1和图2所示.高、中、低压蒸发器节点温 差分别为10.12.10 °C；高、中、低压接近点温豊分 别为 6、10、8°C<« 1性能保证工况下的烟*度设备温度/c设备温度厂C奇压过热器】538575低压过热器252248再热器1575558离压省煤器3248244高用过热器2558-530中压省煤器244235再热器2530499高压省煤器4235228高压过热器3499456高压省煤器5228194奇压集发器456343低压蒸发器194154中压过热器343337给水加热器1154121高压省煤器1337321给水加热器2126 90高尿省煤器2321290烟囱90中压蒸发器2902521拈2热 发 热煤煤发&KI煤发热热 »»» 器器器SSSUS銀舉器23123 4512图2性能保证工况下的汽水侧温度4调峰运行能力为适应联合循环机组频繁启停和快速变负荷运 行的要求，余热锅炉的设计采取了以下设计特性；（1）每一集箱只有单排管屏；（2）无弯头的缩片管；（3）上集箱与汽包间用柔性管圈连接；（4）集箱内不设隔板；（5）高温区采用高蠕变强度材料（P91、 T91）,（6）采用小直径集箱，可以降低60%的热应 力；（7）过热器和再热器每个集箱都有多个管道 引入引出，使集箱壁温分布更加均匀；（8）强化的疏水布置可防止燃机吹扫时过 热器和再热器内部的冷凝水积留。余热锅炉允许启动次数如表2所示.同时可 以达到25%100%的负荷条件和15 MW/min 的负荷变化率要求。余落锅炉允杵启动次敛启动方式毎年/次寿命期/次冷态启动（停机时闾72 h）5125温态启动（10 hV停机时间=72 h）1503 600热态启刃停机时间V】0 h）2005 000极热态启动（停机时何h）375总计3588 8005结语由于石洞口燃机工程余热锅炉是上海锅炉厂 有限公司设计的第一台大型余热锅炉产品，同时 也是国内第一台配西门子V94. 3A燃机的余热锅 炉，在国内尚无可以借鉴的经验，针对本工程的具 体特点，在设计中重点考虑了以下事项：（1）由于本工程燃机和汽机均为SIEMENS 产品，机组整体性能由SIEMENS保证，所以余热 锅炉的系统设计必须考虑满足SIEMENS提出的 相关要求。如不设旁路烟囱，采用启动除氧器，过 热器、再热器疏水系统采用疏水器尊.（2）由于性能考核试验是基于冬测试误差， 测羞结果不考虑测辛误差和仪表误差的修正，因 此余热锅炉的出力设计痔虑了适当的附加余量。 同时，根据烟气温度和工质温度特性，对受热面的 流程和布賈进行了优化设计。（3）在材料选用方面，为适应联合循环机组 快速启停和变负荷运行的要求，虽然高压和再热 蒸汽压力较低（分别为12. 98 MPa和2. 97 MPa），但考虑到蒸汽温度较高（567. 5 °C和551. 5 °C）,岛温过热器和高温再热器的材料选用高蠕变 强度材料T91,相应的连接管道和主蒸汽管道选 用P91材料.对低压蒸发器的出口联箱和上升 管，为避免管内的高速磨损，材料选用P11-（4）为防止省煤器汽化，要求始终有二定的 接近点温差。为比，对高压省煤器和低压省煤器 分别设置了高压省煤器旁路和低压给水加热器旁 路以保证所有负荷工况下不发生汽化现象。收稿日期：2005-12 30作者筒介：郭琴琴（卩74），女，山西人工程师.从亨锅炉技 能设计,021-64302391 X 8375 ；杨 （1968-），另.江苏人，高 圾工租师，从亨锅炉设计、低NOx排021-64302391 X 8327$刘忠（1969 ）. 江苏人，高级工程师，从*电站锯 炉、余热儁炉设计与研究.021-64302391X 8375.（责任鳗:尹蜻士）152006年第1期上谬电力大型燃气轮机发电技术#2006年第1期上谬电力大型燃气轮机发电技术Design of heat recovery steam generator fitted to Siemens V94. 3A gas turbineGUO Qin-qin , YANG Zhen , LIU Zhong-lou(Shanghai Boiler Works, Ltd. , Shanghai 200245, China)Abstract: The Siemens V94. 3A type gas turbine was selected by the gas-stcam combined cycle project of the Shidongkou Gas Turbine Power Plant. The locally designed and manufactured heat recovery steam generator is the first one of such kind that is fitted to the above type gas turbine. As the overall performance of the generating unit is to be guaranteed by Siemens 9 the system of the hent recovery steam generator mu»t be designed to meet the related needs fluggested by Sie - mens The structure fcatucs of the main equipment of the heat recovery steam generator* and the technical design data of the heat recovery steam generator fitted to the V94 3A gas turbine are recommended in detail, offering useful reference data for the design of the heat recovery steam generator of the large-size combined cycle generating unit of our country. Key words： V94 3A type gas turbine; heat recovery steam generator; combined cycle; material#