Flexible Small-Scale Generation Empowered by Once-Through Boiler Technology

分布式發電與間歇性可再生能源發電相結合，滿足了對高度靈活的小型（小于100兆瓦）發電資源日益增長的需求。電站設計者面臨的限制因素是，傳統的熱回收蒸汽發生器（HRSG）無法實現現代電網系統所要求的快速發電。John Cockerill Energy的立式直流鍋爐填補了這一技術空白——當快速啟動/停止、負荷跟蹤或對電網中斷作出瞬時響應時，燃汽輪機不再受制于HRSG的慢熱性能。此外，與傳統的現場安裝的HRSG相比，直流鍋爐的模塊化特性降低了安裝成本。

熱電聯產、聯合循環和熱電聯產技術通常用于100兆瓦以下的靈活的小型電力設施。這些設施的開發商都有一個共同的設計目標，即最大限度地提高電廠的運行可靠性和效率，同時最大限度地降低電廠的生命周期成本。John Cockerill Energy公司（JCE），作為全球領先的HRSG供應公司，推出了一種新的模塊化直流鍋爐（OTB），將改變未來小型發電項目的設計方式。

每個分布式發電系統的核心是其HRSG。然而，HRSG也是電廠熱性能的限制因素，特別是在啟動/關閉期間和應對電網瞬態時。對于一些制造商來說，解決方案是調整管子和鍋爐汽包的金屬厚度以減少熱應力。然而，增加鋼材也會增加熱容，從而減慢HRSG的熱響應，使現場安裝進一步復雜化，并增加材料成本。而JCE則采用直流鍋爐（OTB）設計，避免了這些設計和操作上的隱患。

直流鍋爐內部

最理想的HRSG是滿足三個具體要求的設計。首先，設計必須利用模塊化制造的效率來降低HRSG的首次成本和現場安裝時間。其次，設計必須降低HRSG的復雜性，以提高電廠的可靠性，降低維護成本。最后，現代HRSG設計必須能夠常規地執行快速啟動、停機和瞬時操作。在下面的章節中，我們將根據這些設計考慮因素來評估JCE垂直式OTB，然后考慮一個最近安裝的垂直OTB的案例研究。

模塊化制造降低了安裝成本。幾十年來，聯合循環電廠一直采用傳統的臥式或立式HRSG設計。這些HRSG的特點是由多個現場安裝的省煤器、蒸發器和過熱器模塊與大量的外部管道、儀表和控制組成。使安裝更加復雜的是多壓式HRSG中增加的節數。每個厚壁鍋爐汽包限制了啟動和瞬時運行時的壓力變化率，從而限制了電廠的升壓速度。每個HRSG模塊內的溫度限制也限制了電廠的靈活運行，因此為了避免傳熱面的熱損耗，必須避免常規的循環，否則電廠的HRSG壽命會降低（圖1）。

此外，OTB是作為單一壓力部件制造的，因此現場安裝時間和成本可降到最低。對于這些項目，單個OTB模塊在車間制造并在裝運時安裝了蛇形管和管板，并在裝運前進行了全面的壓力測試。管板作為管子的支撐，以恒定的管間距集成到模塊箱中。管板由主柱上的懸臂支架支撐（圖2）。

通過這種設計，具有多個模塊的OTB的裝配順序被大大簡化。單個模塊，如圖2所示，可以組合起來產生所需的蒸汽量。特定模塊的長度只受運輸限制。雙壓式OTB也可以使用，將獨立的蛇形管系統布置在一個模塊中。最后要注意的是，由于減少了懸掛多個重型鍋爐汽包和相關的鍋爐外部管道的需要，所以減少了現場安裝的結構鋼量。單個壓力部件模塊OTB只需要三到五周的時間進行安裝，包括平臺、樓梯和密封焊，因此可為業主節省大量的現場安裝成本。

直流鍋爐的設計：JCE的OTB設計的一個顯著特點是，水在一個蛇形管組中被加熱、蒸發和過熱（圖3）。這種設計方法不需要單獨的省煤器、蒸發器和過熱器模塊以及相關的互聯管道和儀表。

OTB是為干式啟動和運行而設計的。這種設備設計方法提供了一個經濟和操作的優勢。在傳統的HRSG的情況下，通常在聯合循環電廠中發現的每個燃燒渦輪機(CT)必須空轉或保持在部分負荷狀態，以根據制造商的要求預熱HRSG，這延長了啟動演變的時間。

OTB作為蒸汽生產的單一連續工藝技術，具有提高熱回收效率的特點。OTB在啟動過程中不要求CT暫停，也不會因為蒸汽溫度或壓力的限制而限制CT的升溫速度。同時，OTB可以隨時關閉和重新啟動，而不會降低CT的負荷。如果電廠配置有汽輪機，那么從OTB產生的初始蒸汽將被減溫并旁路到冷凝器，直到達到合適的蒸汽溫度和壓力。此后可將蒸汽引入汽輪機。

與傳統的HRSG設計不同，OTB的設計可以在可變蒸汽流量下運行，低至約30%的CT負荷，同時保持過熱溫度。蛇形管芯由管板支撐的模塊化設計，降低了OTB的熱質量，使其能夠快速響應CT負荷變化。熱質量的降低主要是由于取消了厚壁鍋爐汽包，因為它增加了蒸汽生產回路的熱容。

這樣做的最終效果是完全解除了蒸汽循環與CT的耦合，使CT能夠保持其快速啟動能力，以應對負荷變化或瞬時的電網條件。這種非常理想的特性在傳統的HRSG設計中是不存在的，但對于現代靈活的發電廠來說是必不可少的，因為這些發電廠連接到了具有間歇性可再生能源發電的電網。

OTB的瞬態運行：現代化的電廠必須靈活運行，以度過不可預見的電網瞬變，并且必須在電網運營商要求時快速啟動/關閉。OTB啟動速度更快，因為CT遵循其標準啟動協議，而且OTB可以干式運行。

OTB的正常運行始于CT與電網的標準啟動和同步。OTB的熱啟動順序從CT處于滿負荷狀態和線圈組處于氣體溫度開始。OTB控制系統首先緩慢地加入給水，然后按照規定的坡度增加流量，直到給水冷卻OTB的入口。當OTB升溫時，蒸汽過熱條件由給水流速設定。啟動和負荷瞬態響應不再受汽包金屬溫度的限制，因為立式OTB可以啟動和干運行。

一旦達到設計過熱條件，OTB控制定值就會根據管子金屬溫度和各種控制算法切換到溫度控制。此時達到設計溫度曲線，煙囪溫度趨于正常。同時，"干燥區 "的位置也將趨于穩定（圖4）。

選擇合適的管道材料是干式運行OTB的關鍵。鐵素體材料SA178A或SA213 T11/T22是標準材料。如果OTB只想 "濕運行"，可以指定傳統汽包鍋爐中使用的管子材料。當然，管子和翅片材料的選擇是基于CT的排氣溫度、蒸汽溫度和壓力以及蒸發器入口溫度。

管板孔之間的區域在OTB中承受著最顯著的熱應力。有限元分析用于正確設計OTB干式運行模式的這些高應力區域。管板由集成到模塊箱中的管板支架固定到位。在這些管板的垂直方向和水平方向上，管板都是以恒定的管間距安裝的。

為了延長管子的使用壽命，還必須保持適當的鍋爐水化學成分，以盡量減少鍋爐管子的點蝕、腐蝕、結垢和沉淀。傳統的汽包鍋爐需要水處理化學品（如磷酸鹽）和定期吹掃以去除懸浮固體和底部淤泥，以避免內部管道損壞。OTB采用了一種不同的方法，取消了傳統HRSG裝置中用于保持冷凝水質量的化學處理和吹掃系統。相反，OTB裝置使用的冷凝液純化槽通常安裝在冷凝器和HRSG入口之間。這種方法降低了整個系統的維護和化學成本，同時延長了鍋爐管的使用壽命。

案例研究：西非加納Bridge Power

Bridge Power項目預計將為加納不斷增長的經濟提供高效、可靠、低成本的電力。該設施目前分兩期建設。第1A階段包括5臺快速部署的通用電氣(GE)TM2500+燃氣輪機，以簡單循環模式運行(TM代號代表熟悉的LM2500+的車裝的版本)。第1B階段將增加52兆瓦的聯合循環能力，安裝一臺蒸汽輪機和5臺JCE OTB（圖5）。

橋電設施（Bridge Power）需要最大限度的運行靈活性，計劃將已經運行的單循環汽輪機轉換為聯合循環運行，施工時間非常緊張。OTB是該項目理想的選擇，因為它能夠干式運行，使CT與蒸汽循環脫鉤。模塊化的壓力部件箱OTB設計通過將100%的壓力部件預裝到一個模塊中，最大限度地提高了車間制造能力。

2019年1月，GE—主承包商—授予John Cockerill Energy五臺雙壓OTB的合同。JCE的工作范圍包括鍋爐的設計、工程、制造和供應。壓力部件在韓國制造。GE將鍋爐安裝分包給Metka。該廠以液化石油氣（LPG）為燃料，餾出油為備用燃料。OTB高壓蒸汽條件為512C/64.8 barA，低壓環路為232C/4.6 barA。該廠預計在基本負荷下運行，定期進行循環操作。該項目計劃于2020年12月基本完成。

-Ravi Krishnan是Krishnan & Associates Inc.的創始人和總經理，該公司是一家專業的能源行業營銷咨詢公司。

Translated by Lincoln