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应用热工程
用于重建现有蒸汽锅炉的可能性是为了使用来自14MW或17MW燃气轮机的废气
作者：Dragan Tucakovic a,*, Goran Stupar a, Titoslav Zivanovic a, Milan Petrovic a,
Srdjan Belosevic b
1贝尔格莱德大学机械工程学院，Kraljice Marije 16，11120塞尔维亚贝尔格莱德35号
2 贝尔格莱德大学长春核科学研究所实验室。 热工和能源公司 塞尔维亚贝尔格莱德方框522，11001号
强调
bull;利用燃气轮机排气热。
bull;重建现有的蒸汽锅炉，以利用来自14兆瓦燃气轮机的废气。
bull;重建现有的蒸汽锅炉，以利用来自17MW燃气轮机的废气。
bull;选择最有利的解决方案。
文章信息
文章历史：
收到2012年6月1日
接受2013年3月14日
可在线2013年3月28日
关键词：
燃气轮机
废气
蒸汽锅炉
抽象
在基金达的甲醇 - 醋复合物（MVC）的能源系统内，除了过程锅炉和辅助设备之外，还有三台由“米勒科特洛伐克”制造的等同蒸汽锅炉，用于燃烧天然气，燃料油和工艺气体。为了提高MVC 基金达能源装机容量，将安装14MW或17MW的燃气轮机。对于相对高的气体温度和大量来自废气中的空气的未使用的氧气，将废气分成两个相等的流，并将其输入到现有的两个蒸汽锅炉中，每个蒸汽锅炉的产量为16.67 kg / s（60t / h）。为了使用废气热，以及其中所含的氧气，需要更换现有的燃烧器并重新构建蒸汽锅炉垂直对流通道中的热交换器。此外，有必要验证现有的气体风扇是否符合新的运行状态，其中一半的涡轮废气进口到蒸汽锅炉中。
1介绍
在基金达的甲醇 - 醋复合物（MVC）的能量系统内，除了过程锅炉和辅助设备之外，还有三台相同的蒸汽锅炉，每个蒸汽产生的蒸汽量为16.67 kg / s（60 t / h），带有涡轮（过热 蒸汽温度ts 455 ℃和压力pa 77 bar），由“米勒科特洛伐克”制造，专为燃烧天然气，燃油和工艺气体而设计。 蒸汽用于工厂的过程，并运行两台蒸汽轮机。 第一台蒸汽轮机驱动空气压缩机，第二台驱动发电机的电力输出为11.5兆瓦。 为了提高MVC 基金达工厂的能源效率，考虑安装一台14MW或17MW燃气轮机。燃气轮机应更换满足工厂电耗的现有汽轮机。
为了使用来自燃气轮机的热废气的热量（温度在500℃左右），需要安装新的废热锅炉，或者进行两个现有的锅炉的重建。含有大量空气（过量空气为3.3）的废气意图分布在两条相同的流中，并被引入这两个重建蒸汽锅炉（图1）。为了获得蒸汽锅炉的名义生产，保证过热蒸汽的温度保证，需要额外的天然气燃烧。通过使用的热量与蒸汽循环热电联产的废气相比，单个循环可以实现更高的设备效率。联合循环燃气轮机（CCGT）发电厂的效率模型见参考文献。 [1]。文献[2]的作者考虑了循环参数的实际值，考察了CCGT发电厂的热力学效率。论文[3]考虑了城市垃圾燃烧过程中联合循环的能量和能量分析，纸张[4]分析了联合循环与闭环蒸汽冷却的优点。 Bandyopadhyay，参考文献 [5]，将节点作为主导影响联合循环的效率，而雷迪，参考文献[6]另外定义了HRSG出口处的气体温度，单位压降以及环境温度，如流体参数。参考文献作者[7]考虑了发电厂设计效率与成本之间的相关性，而[8]代表了联合循环使用的常年经验。参考文献中的马纳萨尔迪[9]提出了HRSG的最佳设计模型，同时考虑到加热面的几何形状。
组合循环的使用也减少了对环境有害的污染气体的排放[10]。 由于它们的优点，这些循环在全世界使用[11]。
本研究强调了通过实施联合循环可以实现的显着的能源和经济效益。
在本文中，在建议的重建之后，采用两个现有的蒸汽锅炉代替加热回收蒸汽发生器。 这里介绍的蒸汽锅炉的重建考虑了使用适合新的工作条件的新燃烧器更换现有的燃烧器。 燃气轮机和蒸汽锅炉之间通过燃烧器的连接方案如图1所示。 如果需要更大的蒸汽锅炉生产，排气中的氧气量不足时，则使用新鲜空气风扇（图2）。
此外，有必要在蒸汽锅炉的垂直对流通过中完成加热面的重建。由于在燃烧器中将涡轮机废气与额外的天然气燃烧气体产物混合引起的炉内最大温度降低，所以在蒸汽锅炉炉中进行热交换不足以在辐射蒸发器中完全蒸发。因此，需要以斜式蒸发器的形式安装附加的对流蒸发加热表面。还需要拆卸现有的空气加热器，并在其上安装附加的节能器部分。
考虑到具体的重建，该项目的研究包括优化各个加热面，以获得更高的锅炉效率，并保留现有的蒸汽生产和参数。基于在较低投资可能性条件下进行的优化，进行了适当的燃气轮机的选择。
考虑到蒸汽锅炉所需的重建和新的运行状态，其中一半的涡轮废气被引入一个锅炉，有必要检查现有的气体风扇是否能够满足新的条件。
参考文献中提出的规范方法[12]用于未构造和重建的锅炉的热计算，使得热量发射器和接收器的温度与测量的相似。
2蒸汽锅炉技术说明
单鼓立式蒸汽锅炉，最大蒸汽流量16.67kg / s（D 16.67kg / s）如图1所示。炉子前壁上有两个用于天然气，重质燃料油和工艺气体燃烧的燃烧器（1）。蒸汽锅炉炉中燃烧的燃料（2）通过放置在蒸汽锅炉气体管道中的加热表面来释放热量，以获得相应的过热蒸汽的生产。
第一个气体通道代表炉子（2），屏蔽墙壁，天花板和底部，管子彼此非常接近。炉后壁（6）上的每个第三个管在脊之后，形成由一排管组成的第一个管屏（8），而另外两个管位于水平气体通道的两侧，其中过热器并且形成具有两排交错管的第二管式筛（10）。
包括在自然循环回路中的横向蒸汽鼓（15）被放置在蒸汽锅炉的顶部。他的水部分有一个表面蒸汽冷却器（16）。
在两个管式筛网之间，放置在水平（第二）气体通道（9），次级（18）和初级（19）过热器中。调节锅炉出口（16）处的过热蒸汽温度的表面蒸汽冷却器位于过热器之间。在二次超级加热器的最终过热之后，蒸汽流到主蒸汽集管（28）并从那里消耗。
在第二管式筛管之后，流过气体的垂直对流通道（22）穿过引导室（21）。垂直对流通道代表第三个气体通道，气体向下流动。经济器（23和24）内置三部分，三通管式空气加热器（25）位于该气体通道中。用空气风扇抑制的加热空气到达与燃料混合的燃烧器（1），以实现完全燃烧。
烟气被感应风扇运输，并排放到环境中。
3重建技术说明
为了使用来自14 MW或17 MW燃气轮机的热废气而重建的蒸汽锅炉如图1所示。
在炉前壁（2）上，应将其调整到新的燃烧器上，设置两个燃烧器（34）。在燃气轮机废气存在的情况下，燃烧器用于燃烧天然气。来自这些气体的氧气用于蒸汽锅炉炉中天然气的燃烧，并通过蒸汽锅炉降低气体的质量，蒸汽锅炉将通过现有风扇排入烟囱内的大气层。
第一气体通道，即炉（2），水平气体通道（9）和引导室（21）不需要重建。在第二管屏幕之后，流体和废气的混合物流过引导室并进入垂直对流通道（22）。应安装在该通道开头的倾斜蒸发器（36）应连接到蒸汽鼓（15）通过下落和连接管。来自蒸汽鼓的沸水通过下落管进入倾斜蒸发器（36）的下部集管（35），并蒸发。通过引导室后壁上的较大直径的管（37），蒸汽和水混合物进入上集管（38），从其通过连接管带入蒸汽桶，用于相分离。
正在重建现有锅炉的节能器，而空气加热器正在拆卸和拆除。
重建蒸汽锅炉需要在垂直对流通道（22）中设置更多的经济部分（40）。为此，需要在放置空气加热器的部分重新构建蒸汽锅炉钢结构，并将新节能器的最后三个部分安装在其位置。所有垂直对流气体通道（22）检修孔保持功能。
空气通道也需要从锅炉房入口一直到燃烧器进行重建，因为空气加热器的位置现在由节能器的管子取代。 如果新的锅炉没有废气运行，则需要大致相同量的新鲜空气，因此空气通道与重建之前的截面相同。 当燃气轮机工作时，使用富含氧气和冷空气的热排出气体来燃烧天然气。 因此，现有的风扇必须提供额外的冷空气，这将导致新的燃烧器。
现有锅炉预计在气体管道中负压，在锅炉重建过程中必须考虑到这一点。 该负压应与现有的气体风扇一起提供。
- 蒸汽锅炉的热平衡和热计算
蒸汽锅炉的热平衡是为了确定其效率，即燃料消耗量。 对于现有的锅炉，入口热量定义为第一。 在给定的情况下，它包括天然气的较低的热值和其物理热量。 此外，锅炉的质量空气平衡必须定义，这意味着炉出口处空气过剩的系数增加了炉内和锅炉过多的空气，以及泄漏空气量的关系 在加热器和理论空气量，必须假设。
对于重建锅炉，在使用热废气和空气的同时，入口热量由天然气较低的热值，其物理热量和废气热量组成。对于这些条件下天然气的燃烧，实际和理论空气量的比率假定比标准气体的高0.1。熔炉末端的空气过多被定义为废气中未使用的氧残余物与理论空气量的比例。 14MW和17MW燃气轮机正常工作状态的废气过剩空气和温度的数量和体积如表1所示。
蒸汽锅炉的热平衡（表2）用于现有和重建蒸汽锅炉的最大负载（100％）。显示重建蒸汽锅炉的热平衡，当工作时不使用涡轮机排气，最大负载为100％，以及当锅炉运行一半废气时的100％和50％负载的热量平衡进入锅炉之一的燃烧器。消费自然蒸汽锅炉燃烧器中的气体（BF）在热平衡结束时给出（表2），以及燃气轮机（BT）中天然气消耗量的一半和天然气总消耗量的一半蒸汽锅炉（B），m3 / s。
基于现有和重建的蒸汽锅炉的几何特征和表2所示的热平衡，已经对现有和重建的锅炉的不同蒸汽产生了适当的热计算[12]。表3显示了基于热计算给出的单个加热表面之后的气体温度和节能器出口处的水温。也就是说，在确定所需的对流蒸发器和经济加热器表面时，重要的是节能器出口处的水温不高于锅炉工作压力的适当沸腾温度。现有锅炉（58 oC）的这两个温度之间的差异在最大锅炉负荷下是最低的。对于重建的锅炉，在锅炉负荷的50％和使用一半的涡轮废气时，这种差异最小，但对于所有审查的情况，沸点温度未达到。
- 结果与讨论
5.1 使用14 MW燃气轮机的废气
根据重建蒸汽锅炉的计算，在供应14兆瓦燃气轮机的一半热废气和100％负荷的情况下，蒸汽锅炉出口处的气体温度计算为173℃，锅炉过量空气出口为1.36，锅炉效率为89.12％。对于50％负荷，蒸汽锅炉出口处的气体温度为181℃，锅炉出口处的过量空气为2.13，效率为81.37％。在较低的负荷下，通过锅炉的过量空气增加，考虑到不是所有的来自涡轮废气的氧气都被使用，这大大降低了锅炉的效率。在最高的锅炉负荷期间，使用来自涡轮废气的所有氧气，因此必须使用合适的风扇进口新鲜空气。理论空气量只有5％需要进口。基于所有考虑案例的热计算，过热蒸汽表面冷却器的容量低于其最大容量，为4561 kW。
为了检查现有的气体风扇是否满足新的蒸汽锅炉工作条件，考虑到蒸汽锅炉的气体动力学计算[13]是在最不利的条件下进行的，即在最大蒸汽锅炉负荷期间，并提供一半的涡轮废气。它发现流出的气体流量为46.56 m3 / s，校正的计算应力为3145Pa，这些值已经在风扇空气动力特性曲线中绘制（图5）。因此，基于工作点的位置，可以得出结论，现有的风扇将在考虑的条件下满足，前提是入口导叶控制角度为4 z20o。风扇将以有效的效率（约78％，相对于预计的效率）为79.5％。
考虑到较低的锅炉效率，重建后，可能会安装130平方米的额外节能器也考虑了气体管道（位置27，图3）。在这种情况下，在供应14兆瓦涡轮机热废气和100％锅炉负荷的一半时，出口气体的温度将为155摄氏度，锅炉效率为90.29％，在锅炉负荷的50％期间，气体温度为167℃，锅炉效率为82.64％。这样，天然气的消耗量在锅炉将减少0.020立方米/秒（从1.158升至1.138立方米/秒）在100％的锅炉负荷下，和0.013 m3 / s（从0.458到0.445 m3 /s）在50％锅炉负荷。如果在100％锅炉负荷的情况下，使用附加节能器的重建蒸汽锅炉工作时，锅炉负荷100％，出口气体温度为146℃，锅炉效率为91.98％，接近设计值。还应该强调的是，即使在这些情况下，过热蒸汽冷却器的最大容量也是令人满意的。
燃气管道中的节能器导致气道阻力的增加，这就是为什么再次检查气体风扇容量，并且确定现有的风扇不能克服附加电阻。
5.2.使用17MW燃气轮机的废气
根据重建蒸汽锅炉的计算，在供应17MW燃气轮机的一半热废气和100％负荷的情况下，蒸汽锅炉出口的气体计算温度为187℃，锅炉出口处的多余空气是1.36，锅炉效率为86.84％，锅炉燃烧天然气消耗量为1.128 m3 / s。对于50％负荷，蒸汽锅炉出口温度为201℃，效率为76.68％，天然气消耗量为0.439 m3 / s。在考虑的情况下是不需要进口新鲜空气进行燃烧，但风机必须存在，
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