余热锅炉 ２０１７．１ ｌ ９ＨＡ级燃机余热锅炉的技术探讨 杭州锅炉集团股份有限公司包丽丽邓峰 摘要作为全球容量最大的９ＨＡ联合循环电厂项目，目前还没有成功商业 运行的先例，国内更是没有任何业绩，与之配套的余热锅炉开发也只能是摸着石头 过河。本文简要探讨在９ＨＡ级余热锅炉的设计过程中遇到的选材等问题及解决方 案。 关键词：９ＨＡ级联合循环余热锅炉设计高温高压大流量空间 １ 前言 环总功率达６００ＭＷ左右，全厂热效率可达 ６０％以上，远远高于其他形式的火力发电机 组（４５％）和其他型号的联合循环机组（Ｆ 燃气．蒸汽联合循环机组（ＣＣＰＰ）以 清洁能源——天然气为主燃料，燃料在燃气 轮机内燃烧做功后，排出的高温乏烟气通过 级５０％）。但是，９ＨＡ级燃机的高排烟参数、 高工质参数也给余热锅炉设计开发带来很 大的挑战和困难。现以巴基斯坦必凯９ＨＡ燃 余热锅炉回收热能产生所需参数的蒸汽，再 将蒸汽送入蒸汽轮机做功发电，或者将部分 发电作功后的乏汽用于供热。ＣＣＰＰ具有 机余热锅炉为例，简单讨论分析设计中遇到 的问题。 发电效率高、启动快、调峰能力强、占地面积 小、建设周期短、污染物排放低等优点，在全 球被广泛应用。其中燃机余热锅炉（ＨＲＳＧ） ２项目介绍 ９ＨＡ级是目前容量最大的联合循环发 电机组。巴基斯坦必凯９ＨＡ联合循环机组 采用２＋２＋１配置，即２台燃气轮机、２台 余热锅炉和１台蒸汽轮机组，总装机容量 为１１８０ＭＷ。燃气轮机是由美国ＧＥ公司生 有机地将燃气轮机的“布雷顿循环”和蒸 汽轮机的“朗肯循环”连接在一起，所以， 余热锅炉的结构、性能以及参数直接影响着 系统中其它设备乃至整个系统的性能。 随着燃机技术的突破及迅速发展，高 效率的大型联合循环机组逐渐成为发电技 术的发展方向。目前，最大的９ＨＡ级联合循 环机组的燃气轮机单循环功率达４００ＭＷ 产的９ＨＡ．０１型燃机，该燃机是目前最先进 的代表机型之一，也是亚洲范围内的首次应 用。经过长达半年的配合，最终杭锅配合哈 电国际成功拿下该项目。随之，杭锅也与哈 电国际签订了余热锅炉的合同。至此，杭锅 左右，与余热锅炉、蒸汽轮机组成的联合循 ２ 余热锅炉 ２０１７．１ 低压蒸汽 医力 ＭＰａ．ｇ ０．５ ５ 成为国内第一家拥有９ＨＡ级余热锅炉项目 的ＨＲＳＧ设计制造商。由于没有项目可参 考，那么如何在设计中攻克高参数带来的新 挑战成为了我们的首要任务。 ４ ５ 出口参数 凝结水 温度 流量 温度 ℃ ｔ／ｈ ℃ ３１８．４ ４４．５ ４５ 入口参数 ３技术难点分析及解决方案 ３．１汽包设计 一 一 ．＋●● Ｉ■ 茸 “ｌ丑 ｌ一 ／１ ｆ、、 ， 由于设计参数高，高压汽包 虽然已采用材料ＳＡ２９９ＧｒＢ，但 是厚度仍高达１５０ｍｍ。为保证性 能要求，横向布置了４个模块， 再加上蒸发量大，高压汽包包括 封头长度近２０米，为避免挠度 过大，采用了三支座的设计。 ・｜ ● 。●＼ ＿ － ● ｝ ｌ Ｉ －ｌＵ ｌ ｝１ 薯 ｉ ■｝ Ｉ－一＿ ＿１●—…＿…—Ｉ － ｌ／ ｊ群 Ⅵ Ｉｌ ｉ 暑 ｆ＿ ８ 一 － √ ‘． ／ｒ ＿ 臣 一一 一一 甥 ！ｒ 凹 二 －一 汽包长度过长也会导致两 端水位差比较大，所以，内装设 图１锅炉总图 表１燃机排气参数 序号 １ ２ 计需采用特殊设置，以保证两端 水位平衡。 数值 ２４ ７０ 名称 环境温度 环境湿度 单位 ℃ ％ ３．２钢结构设计 诚如上述，本项目横向有４个模块，宽 度比原来的９ＦＡ宽了１／３，因此框架所承受 的载荷增加了１／３以上，且由于框架梁跨度 大，挠度也大，因此对主梁和主柱的结构作 了相应的改进。 ３－３管道布置 ３ ４ ５ ６ 燃机负荷 燃机燃料 烟气流量 烟气温度 ％ ｔ／ｈ ℃ １００ ＮＧ ２９３９．９ ６２８．３ 表２锅炉出口蒸汽参数 ９ＨＡ蒸发量大，再热最大蒸发量近４３０ 序号 １ 名称 出口参数 名称 单位 数值 温度 流量 吨，因此管道管径大，同时压力高，温度高， 设计温度下管道许用应力较小，导致管道应 高压主蒸汽 压力 ＭＰａ．ｇ １６．７４ ℃ ５８８．１ 力、开孔补强、管道对集箱和设备的推力等 都很难满足要求，管道布置及应力计算经过 多次调整才通过，和设计院接口的高温管道 更是配合调整了几十次应力分析才得以通 ｉ 。 ｔ／ｈ ３６７．６ ２ 热再主蒸汽 压力 ＭＰａ．ｇ ３．４７ 出口参数 温度 ℃ ５８６．４ 流量 ｔ／ｈ ４１５．７ ３ 冷再入口参数 温度 流量 ℃ ｔ／ｈ ３５９．７ ３６４．６ 余热锅炉 ２０１７．１ ３ ３．４模块设计 模块设计中面临的第一个问题是受热 面选材： 根据各工况的计算，燃机的最高排烟温 元素铌，它可以有效阻止热处理时碳化铬的 析出，进而保证焊后焊缝处材料性能的稳定 性。所以，集箱的管接头采用３４７Ｈ材质，出 口过渡一段Ｐ９１，在出厂前完成，以此保证现 场管道是同种钢焊接。 其次是高压集箱过厚的问题： 度高达７００℃，而余热锅炉出口的蒸汽温度 也接近了６００℃，压力更是达到近１７ＭＰａ， 高温段过热器的受热面管子一方面处于锅 高压系统的过热器、蒸发器以及省煤器 炉入口处，烟气条件最恶劣的地方，另一方 面承受了极高的内压。经过计算，之前常规 用在ＨＲＳＧ中的最高等级材料ＳＡ２１３Ｔ９１， 已经不能满足设计要求，需要用到更高级别 的材料。（根据参考文献【１】，Ｔ９１的最高推 荐使用温度为６５０℃。）在最初的方案中，我 们选用了ＳＡ２１３Ｔ９２，但通过多渠道了解到 Ｔ９２材料在高温下的性能尚不稳定，一些知 名公司不建议选用Ｔ９２材料，最终高温段过 热器我们采用了ＴＰ３０４不锈钢材料，这也是 杭锅在ＨＲＳＧ上首次采用奥氏体不锈钢作 为受热面材料。而对于外部连接管道，由于 不受烟气直接冲刷，仍然采用ＳＡ３３５Ｐ９１已 满足温度压力的要求。 １８Ｃｒ－８Ｎｉ奥氏体不锈钢经高温加热后 缓慢冷却，就会使碳化铬自奥氏体中析出， 固溶处理以后，如在４６０—８００℃温度再加热， 碳化铬的析出过程更强烈，使钢对晶间腐蚀 特别敏感。因固溶处理以后，所得到的奥氏 体是一种过饱和固溶体，它是不稳定的。而 Ｐ９１的焊后热处理温度为７３０～８００℃，正好 处于１８Ｃｒ－８Ｎｉ奥氏体不锈钢的敏化温度区 域内，为避免焊后热处理时出现晶间腐蚀， 就需要一种中间材质进行过渡。经工艺评 定，最终确定采用１８Ｃｒ－１０Ｎｉ奥氏体不锈钢 ３４７Ｈ为过渡材质。由于３４７Ｈ中有一种惰性 的受热面管子与集箱焊接形式，最初我们定 为插入焊形式。在强度计算过程中发现，按 此常规沉孔形式，即使过热器采用不锈钢， 而蒸发器及省煤器也采用了ＳＡ１０６Ｃ材料， 计算所需壁厚仍然非常厚，导致管接头内 径与集箱的内径比超过０．８，有的甚至超过 了１．０，这导致结构布置很困难，甚至无法实 现，更是给焊接和热处理工艺以及检验带来 高难度。经过各专业商讨、综合考虑设计、工 艺、制造难度与成本后，高压部分受热面管 和集箱我们采用特殊的对接焊结构，由此减 小集箱开孔从而减小集箱壁厚，减轻模块重 量，对运行和整个结构设计都非常有利。 第三是模块的吊挂问题： 由于烟温过高，材料在高温下许用应力 急剧降低，而模块重量又大，集箱上吊耳计 算非常厚，而单个模块的宽度与９ＦＡ相同 （此宽度已是单个模块的极限运输宽度）， 这造成集箱吊耳布置起来非常困难。我们在 设计过程中对管接头及吊耳的布置进行了 多次优化调整，才合理地布置了集箱吊耳， 这个问题我们也会在以后的项目中继续从 材料、吊挂形式上做进一步的分析、优化，希 望得出一种更加理想的设计方案。 第四是空间问题： 横向四模块设计大大增加了管接头的 ４ 余热锅炉 ２０１７．１ 数量，同时大流量也增大了管接头的规格， 使得管接头穿墙布置非常困难。尤其是高压 蒸发器模块，在考虑穿墙的同时，还要兼顾 对应管道在汽包上的开孔位置。而人孔门的 布置也需要避开复杂的管道系统的阻挡。对 模块、汽包与管道多次设计配合后，才从有 限的空间里完成穿墙管和人孔门的布置，这 在以后的项目中也有继续优化的空间，或许 可以适当拉大相应模块柱距来解决。 同时为了解决空间问题，我们把底护板 抬高到净高４ｍ以上，有两个原因：其一， ９ＨＡ受热面管壁温度高，而不锈钢的材料线 膨胀系数大，高温模块竖直方向的热膨胀量 达到３００ｍｍ，因此底部膨胀节很长才能吸收 巨大的膨胀量。其二，对外的管道接口及给 水泵、再循环泵等所有设备都放在同一侧， 所有相关管道也都必须布置在一侧空间，加 上管道口径大，炉底又有大量疏水阀门需要 操作。 ４结束语 作为目前容量最大的９ＨＡ联合循环 电厂项目，目前国际上还没有商业运行的先 例，而国内更是没有任何业绩，配套的余热 锅炉只能摸着石头过河，具体设计过程中， 碰到了很多问题，但是，经过各专业的攻关 及配合，都已经妥善解决。这无疑也是给后 续项目提供了宝贵的经验。且随着ＣＣＰＰ的 发展趋势，９ＨＡ级已成为主流，通过在已 完成的项目中吸取经验及教训，我们会不断 地对技术进行改进和完善，以期适应更大的 ＣＣＰＰ机组。 参考文献： ［１］ＡＳＭＥ．ＡＳＭＥ Ｂｏｉｌｅｒ＆Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ Ｃｏｄｅ Ｓｅｃｔｉｏｎ ＩＩ，Ｐａｒｔ Ｄ［Ｓ］，ＡＳＭＥ， ２０ｌ３ ［２］章应霖．奥氏体耐热钢和火电站异 种钢管道的焊接：超（超）临界锅炉用钢及 焊接技术论文集［ｃ］，苏州，２００５：５７．７６
