1、前  言
    余熱鍋爐( HRSG)是燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站中的一個重要的有機組成部分。聯(lián)合循環(huán)是指對高溫熱源使用燃氣輪機，對低溫熱源使用蒸汽輪機的發(fā)電循環(huán)，具有一般火力發(fā)電廠所無法達到的極高的熱效率。燃氣輪機輸出功率大、啟動時間短、易于控制，且這類電站還具有很強的調(diào)峰能力，特別有利于改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這對于緩解我國長期以來各電網(wǎng)的峰谷差問題是非常有利的，而HRSG正是聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中被普遍采用的一種能量轉(zhuǎn)換設備。
    HRSG的結(jié)構(gòu)、性能以及參數(shù)在很大程度上影響到整個聯(lián)合發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)中其它設備的性能參數(shù)、熱效率等。合理的設計和布置HRSG的非受壓部件對余熱鍋爐適應快速起停和變工況運行的要求具有重要的影響。
    華能上海某廠3 x400 MW的燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組中的HRSG為上海鍋爐廠有限公司采用引進的阿爾斯通( ALSTOM)公司技術(shù)進行設計與制造的。該HRSG所配燃機為西門子V94. 3A型單軸布置。HRSG為三壓再熱、無補燃、臥式露天布置、自然循環(huán)鍋爐。部件采用OCC模塊出廠形式。非受壓件部件主要有非受壓件模塊、墻板、連接墻板、膨脹節(jié)及功能各異的擋板等組成，富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
2、余熱鍋爐的熱力特點
    在燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，HRSG是以燃機的排氣余熱作為熱源，來產(chǎn)生推動汽輪機運轉(zhuǎn)所需蒸汽的換熱設備。由于燃機負荷的不斷波動，因此其排氣的溫度、流量和壓力等工況往往會發(fā)生較大的變化，而適應這種變工況特性，保證蒸汽側(cè)的熱力參數(shù)相對穩(wěn)定，正是對HRSG的一個重要要求。此外，中溫、大流量工質(zhì)也是HRSG的顯著的熱力特性。燃氣輪機的排氣是完全發(fā)展的紊流，流速和溫度場分配很不均勻，雖經(jīng)過排氣擴散段的初步整理，但在HRSG進口煙道的截面上其排氣流速和溫度仍有很大的差異。HRSG的熱面受熱主要是以對流傳熱為主，輻射傳熱很小。因此，HRSG這種煙氣流量大、高紊流度的氣動特性對傳熱是有利的，但這也會導致HRSG受熱面產(chǎn)生受熱不均、磨損、膨脹不均勻和振動及噪音等不利現(xiàn)象。所以，在HRSG部件特別是非受壓部件的設計中要充分考慮HRSG特有的熱力特性，采取有效的措施來緩解甚至消除這些不良現(xiàn)象的發(fā)生。
3、余熱鍋爐非受壓件的設計
    石洞口燃機電廠鍋爐為9F級余熱鍋爐，配備有低、中和高壓3個汽水系統(tǒng)，每個系統(tǒng)由鍋筒、蒸發(fā)器、省煤器、過熱器、再熱器等組成。鍋爐還配備有給水加熱器再循環(huán)泵、啟動旁路除氧器、除氧器泵和排污擴容器以及疏水罐等。非受壓件采用單排框架結(jié)構(gòu)，鍋筒由爐項鋼架支撐，除氧器由輔助鋼架支撐在HRSG本體左側(cè)，其余的受壓件均為懸吊結(jié)構(gòu)，受熱后可自由膨脹。進口煙道鋼架按煙氣流量的性能計算要求呈變角度喇叭形對稱布置。
    鋼架的立柱與墻板組合為非受壓件模塊，這是HRSG非受壓件設計的一個顯著特點，其優(yōu)點在于：模塊化制造均在車間進行，大大減少了工地安裝的工作量，縮短了安裝周期，由于大多數(shù)焊口、保溫材料的安裝在制造廠內(nèi)完成，焊接質(zhì)量和保溫材料的鋪設質(zhì)量得到了更有效地保證。
    為了方便運輸及安裝，HRSG本體的模塊和墻板在同一區(qū)間是采用背對背的出廠模式，如圖1。鍋爐的非受壓件模塊包括墻板和鋼架。墻板由內(nèi)護板、保溫層和外護板組成，墻板構(gòu)成了HRSG氣密性的煙氣通道（即HRSG本體的外圍框架）。
3.1墻板與模塊
    墻板一般由內(nèi)護板、保溫層和外護板構(gòu)成；模塊由墻板與鋼架立柱或橫梁組合而成。墻板的構(gòu)成形式如圖2所示，外護板按一定的縱、橫節(jié)距焊有電焊螺柱，內(nèi)護板則通過電焊螺柱上的螺母及特制的墊圈來固定，保溫材料填充在內(nèi)、外護板之間，保證HRSG運行中墻板的結(jié)合而不出現(xiàn)局部熱點（超溫）。內(nèi)護板在外護板上螺柱的相應位置開設圓孔，該孔的大小應足以滿足當內(nèi)護板受熱后的自由膨脹而不影響電焊螺柱使其產(chǎn)生的偏移。對于不設置膨脹中心的HRSG而言，每一個區(qū)間的膨脹都是相對獨立的。因此，每一個區(qū)間內(nèi)護板的膨脹都是自由多向的，這給內(nèi)護板之間的連接帶來了一定的困難。為此，設計時應對每一塊內(nèi)護板設置膨脹中心。
    考慮到安裝順序及墻板和模塊在HRSG中的不同位置，設計中墻板和模塊是交替布置的（如圖3）。如果右側(cè)的模塊布置在第1、3、5區(qū)間，則左側(cè)墻的模塊布置在2、4區(qū)間，余下的均為獨立的墻板，從而右側(cè)墻的第1、3、5區(qū)間的模塊與左側(cè)墻的第1、3、5區(qū)間的墻板背靠背出廠，反之亦然。這樣設計的目的在于安裝時先將模塊（柱底板在車間焊于鋼架立柱底端）用地腳螺栓固定于基礎面上，然后拆下模塊背面的墻板并移至模塊同區(qū)間的對立面并固定就位，這樣就能方便地將一個區(qū)間的模塊和墻板安裝到位了。而底部的模塊是由底部墻板和位于其左右兩側(cè)的鋼架底部橫梁構(gòu)成的，布置在第1、3、5區(qū)間，2、4區(qū)間則為獨立的墻板。在兩側(cè)墻的同區(qū)間模塊和墻板安裝就位后即吊入底部模塊并與之進行剛性連接，最后吊裝同區(qū)間的爐頂主梁，這一區(qū)間的框架式結(jié)構(gòu)必須在基礎灌漿并養(yǎng)護后，方可進行受壓件模塊的吊裝。進口煙道側(cè)墻模塊組成形式是由墻板與位于其后側(cè)的進口煙道鋼架立柱單邊組合而構(gòu)成。頂部和底部的模塊則是與位于其前側(cè)的進口煙道的頂部和底部的鋼架橫梁單邊組合而構(gòu)成，因此也只有側(cè)墻最后端和頂部及底部的最前端才是獨立的墻板結(jié)構(gòu)。
    為使墻板在煙氣壓力波動時不產(chǎn)生變形，保證煙氣流通的截面不發(fā)生變化，同時能滿足墻板在運輸及吊裝過程中不產(chǎn)生撓曲變形，并能承受風載和地震載荷等因素，在設計中應結(jié)合煙氣壓力理論上的瞬時峰值以及上述的風載和地震等參數(shù)進行計算，合理地選取和布置加強筋以增加墻板的整體剛性。立柱間連接的橫梁是用于模塊的定位并與模塊同時出廠，而并非墻板的加強筋。
    除了上述帶有保溫和內(nèi)護板的墻板外，爐頂墻板是由單獨的外護板構(gòu)成，并且組裝在受壓件模塊的支吊梁底部，隨受壓件模塊一起出廠的。爐項墻板之所以不設計為帶有內(nèi)護板的結(jié)構(gòu)，是因為其布置在受壓件的小集箱上方，不構(gòu)成HRSG的煙氣通道。爐頂墻板上的保溫在工地安裝，便于留出足夠的空間給連接相關(guān)管道的工地安裝及調(diào)整，達到結(jié)構(gòu)緊湊的目的。爐頂墻板焊有保溫抓釘（保溫抓釘在車間內(nèi)平貼在外護板上，在工地安裝保溫再彎至垂直于墻板位置）如圖4所示。爐項墻板按總體布置要求開設有許多大小不等的穿墻孔，這些大小不等的孔在工地用膨脹節(jié)或管套與穿墻管焊接密封。
3.2連接墻板
    HRSG側(cè)墻的連接結(jié)構(gòu)是由模塊與墻板直接相互連接的，除此之外，包括爐底、爐頂、進口煙道、連接煙道，它們之間的相互連接以及進口煙道與燃機擴散段的非金屬膨脹節(jié)的連接均由連接墻板來完成。連接墻板包括內(nèi)護板、保溫材料和保溫抓釘，是在工地安裝的。設計考慮的是連接墻板的安裝能滿足煙氣流向即順流布置。另外，在側(cè)墻連接板上布置有為防止受壓件模塊晃動而設置的限位裝置。此裝置由鋼管、筋板和型鋼組成，見圖5。連接墻板與其他墻板的連接均為栓接結(jié)構(gòu)，保證膨脹暢通。
3.3擋板
    在整個HRSG非受壓件部件中包含了許多功能各異的擋板，按其在HRSG中的功能分類，一般有以下3類：(1)防震消音隔板，(2)消音擋板，(3)煙氣擋板，如圖6所示。
3. 3.1防震消音隔板
    防震消音隔板為折邊的波形板形式，分別穿插在受壓件模塊內(nèi)鰭片管之間( Segmented  Baffle)和受壓件模塊與模塊的鰭片管之間( Solid  Baffle)，通過U型螺栓、墊片及螺母固定在鰭片管上。防震消音隔板的布置是依據(jù)HRSG爐膛寬度方向的受壓件模塊數(shù)量來決定的。通常，沿爐膛寬度方向布置2組受壓件模塊時，防震消音隔板( Solid Baf-fle)放置1組；當爐膛寬度方向布置了3組受壓件模塊時，則放置2組。防震消音隔板( Solid  Baffle)類似一堵墻板將模塊隔開。另一種模塊，內(nèi)防震消音隔板( Segmented Baffle)是按受壓件模塊的寬度1：2不對稱布置的，這一點非常重要。隔板位置的合理布置是使HRSG減少震動，避免共振和降低噪音的有效保證。
3. 3.2消音擋板
    消音擋板( Cavity Baffle)由帶有加強筋的金屬薄板構(gòu)成，布置在2個區(qū)間相對應的受壓件模塊之間。有時按需要，在HRSG最后一個區(qū)間與煙囪進口框架之間也布置有消音擋板。消音擋板在爐膛寬度方向的布置數(shù)量與模塊間防震消音隔板( Solid  Baffle)相同，通過防震消音隔板( Solid  Baffle)兩端的開孔，用螺栓把消音擋板固定在防震消音隔板上。如果在最后一個區(qū)間與煙囪進口框架之間也需要設置消音擋板，那么其數(shù)量與HRSG爐膛內(nèi)的消音擋板數(shù)量是相等的。其一端與最后一個區(qū)間的防震消音隔板連接，另一端與煙囪進口框架連接。消音擋板的布置高度與受壓件模塊的高度相等，上下?lián)醢逯�間的連接應該是設有間隙的，保證擋板膨脹暢通，這對消音擋板而言是很重要的。
3.3.3煙氣擋板
    煙氣擋板在HRSG中可分成幾種且功能各異，包括位于受壓件小集箱和端部的U型擋板(UBaffles)，管子到集箱的擋板(Tube to Header)，導流擋板( Diverter)，空腔處（前、后模塊之間）上、下集箱過道擋板( Vestibule Blocker Baffles)和安裝于墻板上的煙氣擋板( Channel Baffles)。它們的功能是使高溫煙氣集中于模塊鰭片管，從而提高受熱面與煙氣的對流換熱效率并保證密封。U形擋板是懸掛在上、下集箱的端部并緊靠側(cè)墻墻板，形似小集箱的延伸，起到阻止煙氣從小集箱端部與墻板之間的間隙處流失。管子到集箱的擋板安裝于管屏兩端的光管部分，沿模塊深度方向，一片隔一片安裝，避免大量煙氣從光管部分流過。導流擋板的作用是對流經(jīng)小集箱處的煙氣進行導流，減少煙氣流向空腔。過道擋板又分為水平過道擋板和阻流板，水平過道擋板實際上就是HRSG爐膛頂部和底部的煙氣密封擋板，也是HRSG墻板式煙道（煙氣走廊）的一個組成部分，過道擋板分別與相鄰2個區(qū)間的受壓件模塊相連接；阻流板按位置將空腔也劃分為與模塊相對應的5個區(qū)間，阻止流入空腔內(nèi)的煙氣在空腔內(nèi)流動，而對小集箱、匯合集箱及其連接管道等進行非受控的換熱，保證空腔內(nèi)的煙氣相對靜止且相互獨立，并與所對應的模塊區(qū)間保持一個相對恒定的溫度空間。位于側(cè)墻內(nèi)護板上的煙氣擋板主要是將流向兩側(cè)墻與鰭片管間的煙氣導向模塊的受熱面（鰭片管），同時又可減少煙氣對墻板的沖刷而起到密封和保護的作用。這種擋板的布置與側(cè)墻形成一定的順氣流方向的角度，以減少阻力。
3.4膨脹節(jié)
    在聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中布置有2個非金屬膨脹節(jié)，分別位于燃機排氣系統(tǒng)擴散段的出口與HRSG進口煙道之間和HRSG出口與煙囪進口之間，它們的功用是一致的，主要是吸收擴散段與進口煙道之間的熱膨脹位移和HRSG與煙囪之間的膨脹位移。膨脹節(jié)由法蘭、蒙皮和保溫層構(gòu)成一個柔性的連接結(jié)構(gòu)，它能吸收較大的位移量。采用這種柔性的密封連接結(jié)構(gòu)能有效地阻隔（斷）燃機、HRSG和煙囪之間作用力的相互傳遞，對于那些不可預見的破壞性因素出現(xiàn)時，可使這些部件處于獨立的相互不受干擾的狀態(tài)中，不至于產(chǎn)生連鎖性地破壞。
    在HRSG本體中有為數(shù)眾多的各類管道和儀表測量裝置穿出墻板，對于這些穿墻管必須按受熱后膨脹位移量而度身定制大小不等的金屬膨脹節(jié)，起到密封和不影響膨脹的功用。安裝時，膨脹節(jié)事先套入那些需要密封的穿墻管外，在管子對接后實施膨脹節(jié)的密封焊接，為保護膨脹節(jié)的正常工作，在膨脹節(jié)外套入保護套筒并在套筒外進行保溫。
4、結(jié)束語
    本文是以上海某燃機電廠9F級HRSG的設計為實例，對9F級HRSG的非受壓件結(jié)構(gòu)設計及其功能進行說明，隨著我國燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站建設的不斷發(fā)展以及經(jīng)驗的積累，各種先進的理念和更為合理的結(jié)構(gòu)將會不斷出現(xiàn)，有待于我們?nèi)ド钊氲匮芯亢吞接憽?br />