Flexible Small-Scale Generation Empowered by Once-Through Boiler Technology分布式發(fā)電與間歇性可再生能源發(fā)電相結(jié)合，滿足了

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

分布式發(fā)電與間歇性可再生能源發(fā)電相結(jié)合，滿足了對(duì)高度靈活的小型（小于100兆瓦）發(fā)電資源日益增長(zhǎng)的需求。電站設(shè)計(jì)者面臨的限制因素是，傳統(tǒng)的熱回收蒸汽發(fā)生器（HRSG）無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電網(wǎng)系統(tǒng)所要求的快速發(fā)電。John Cockerill Energy的立式直流鍋爐填補(bǔ)了這一技術(shù)空白——當(dāng)快速啟動(dòng)/停止、負(fù)荷跟蹤或?qū)﹄娋W(wǎng)中斷作出瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)，燃汽輪機(jī)不再受制于HRSG的慢熱性能。此外，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)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(lián)產(chǎn)、聯(lián)合循環(huán)和熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)通常用于100兆瓦以下的靈活的小型電力設(shè)施。這些設(shè)施的開發(fā)商都有一個(gè)共同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，即最大限度地提高電廠的運(yùn)行可靠性和效率，同時(shí)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(lǐng)先的HRSG供應(yīng)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(fā)電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方式。

每個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)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(dòng)/關(guān)閉期間和應(yīng)對(duì)電網(wǎng)瞬態(tài)時(shí)。對(duì)于一些制造商來說，解決方案是調(diào)整管子和鍋爐汽包的金屬厚度以減少熱應(yīng)力。然而，增加鋼材也會(huì)增加熱容，從而減慢HRSG的熱響應(yīng)，使現(xiàn)場(chǎng)安裝進(jìn)一步復(fù)雜化，并增加材料成本。而JCE則采用直流鍋爐（OTB）設(shè)計(jì)，避免了這些設(shè)計(jì)和操作上的隱患。

直流鍋爐內(nèi)部

最理想的HRSG是滿足三個(gè)具體要求的設(shè)計(jì)。首先，設(shè)計(jì)必須利用模塊化制造的效率來降低HRSG的首次成本和現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間。其次，設(shè)計(jì)必須降低HRSG的復(fù)雜性，以提高電廠的可靠性，降低維護(hù)成本。最后，現(xiàn)代HRSG設(shè)計(jì)必須能夠常規(guī)地執(zhí)行快速啟動(dòng)、停機(jī)和瞬時(shí)操作。在下面的章節(jié)中，我們將根據(jù)這些設(shè)計(jì)考慮因素來評(píng)估JCE垂直式OTB，然后考慮一個(gè)最近安裝的垂直O(jiān)TB的案例研究。

模塊化制造降低了安裝成本。幾十年來，聯(lián)合循環(huán)電廠一直采用傳統(tǒng)的臥式或立式HRSG設(shè)計(jì)。這些HRSG的特點(diǎn)是由多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)安裝的省煤器、蒸發(fā)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(fù)雜的是多壓式HRSG中增加的節(jié)數(shù)。每個(gè)厚壁鍋爐汽包限制了啟動(dòng)和瞬時(shí)運(yùn)行時(shí)的壓力變化率，從而限制了電廠的升壓速度。每個(gè)HRSG模塊內(nèi)的溫度限制也限制了電廠的靈活運(yùn)行，因此為了避免傳熱面的熱損耗，必須避免常規(guī)的循環(huán)，否則電廠的HRSG壽命會(huì)降低（圖1）。

此外，OTB是作為單一壓力部件制造的，因此現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間和成本可降到最低。對(duì)于這些項(xiàng)目，單個(gè)OTB模塊在車間制造并在裝運(yùn)時(shí)安裝了蛇形管和管板，并在裝運(yùn)前進(jìn)行了全面的壓力測(cè)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(shè)計(jì)，具有多個(gè)模塊的OTB的裝配順序被大大簡(jiǎn)化。單個(gè)模塊，如圖2所示，可以組合起來產(chǎn)生所需的蒸汽量。特定模塊的長(zhǎng)度只受運(yùn)輸限制。雙壓式OTB也可以使用，將獨(dú)立的蛇形管系統(tǒng)布置在一個(gè)模塊中。最后要注意的是，由于減少了懸掛多個(gè)重型鍋爐汽包和相關(guān)的鍋爐外部管道的需要，所以減少了現(xiàn)場(chǎng)安裝的結(jié)構(gòu)鋼量。單個(gè)壓力部件模塊OTB只需要三到五周的時(shí)間進(jìn)行安裝，包括平臺(tái)、樓梯和密封焊，因此可為業(yè)主節(jié)省大量的現(xiàn)場(chǎng)安裝成本。

直流鍋爐的設(shè)計(jì)：JCE的OTB設(shè)計(jì)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，水在一個(gè)蛇形管組中被加熱、蒸發(fā)和過熱（圖3）。這種設(shè)計(jì)方法不需要單獨(dú)的省煤器、蒸發(fā)器和過熱器模塊以及相關(guān)的互聯(lián)管道和儀表。

OTB是為干式啟動(dòng)和運(yùn)行而設(shè)計(jì)的。這種設(shè)備設(shè)計(jì)方法提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)和操作的優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)的HRSG的情況下，通常在聯(lián)合循環(huán)電廠中發(fā)現(xiàn)的每個(gè)燃燒渦輪機(jī)(CT)必須空轉(zhuǎn)或保持在部分負(fù)荷狀態(tài)，以根據(jù)制造商的要求預(yù)熱HRSG，這延長(zhǎng)了啟動(dòng)演變的時(shí)間。

OTB作為蒸汽生產(chǎn)的單一連續(xù)工藝技術(shù)，具有提高熱回收效率的特點(diǎn)。OTB在啟動(dòng)過程中不要求CT暫停，也不會(huì)因?yàn)檎羝麥囟然驂毫Φ南拗贫拗艭T的升溫速度。同時(shí)，OTB可以隨時(shí)關(guān)閉和重新啟動(dòng)，而不會(huì)降低CT的負(fù)荷。如果電廠配置有汽輪機(jī)，那么從OTB產(chǎn)生的初始蒸汽將被減溫并旁路到冷凝器，直到達(dá)到合適的蒸汽溫度和壓力。此后可將蒸汽引入汽輪機(jī)。

與傳統(tǒng)的HRSG設(shè)計(jì)不同，OTB的設(shè)計(jì)可以在可變蒸汽流量下運(yùn)行，低至約30%的CT負(fù)荷，同時(shí)保持過熱溫度。蛇形管芯由管板支撐的模塊化設(shè)計(jì)，降低了OTB的熱質(zhì)量，使其能夠快速響應(yīng)CT負(fù)荷變化。熱質(zhì)量的降低主要是由于取消了厚壁鍋爐汽包，因?yàn)樗黾恿苏羝a(chǎn)回路的熱容。

這樣做的最終效果是完全解除了蒸汽循環(huán)與CT的耦合，使CT能夠保持其快速啟動(dòng)能力，以應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化或瞬時(shí)的電網(wǎng)條件。這種非常理想的特性在傳統(tǒng)的HRSG設(shè)計(jì)中是不存在的，但對(duì)于現(xiàn)代靈活的發(fā)電廠來說是必不可少的，因?yàn)檫@些發(fā)電廠連接到了具有間歇性可再生能源發(fā)電的電網(wǎng)。

OTB的瞬態(tài)運(yùn)行：現(xiàn)代化的電廠必須靈活運(yùn)行，以度過不可預(yù)見的電網(wǎng)瞬變，并且必須在電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商要求時(shí)快速啟動(dòng)/關(guān)閉。OTB啟動(dòng)速度更快，因?yàn)镃T遵循其標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)協(xié)議，而且OTB可以干式運(yùn)行。

OTB的正常運(yùn)行始于CT與電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)和同步。OTB的熱啟動(dòng)順序從CT處于滿負(fù)荷狀態(tài)和線圈組處于氣體溫度開始。OTB控制系統(tǒng)首先緩慢地加入給水，然后按照規(guī)定的坡度增加流量，直到給水冷卻OTB的入口。當(dāng)OTB升溫時(shí)，蒸汽過熱條件由給水流速設(shè)定。啟動(dòng)和負(fù)荷瞬態(tài)響應(yīng)不再受汽包金屬溫度的限制，因?yàn)榱⑹絆TB可以啟動(dòng)和干運(yùn)行。

一旦達(dá)到設(shè)計(jì)過熱條件，OTB控制定值就會(huì)根據(jù)管子金屬溫度和各種控制算法切換到溫度控制。此時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)溫度曲線，煙囪溫度趨于正常。同時(shí)，"干燥區(qū) "的位置也將趨于穩(wěn)定（圖4）。

選擇合適的管道材料是干式運(yùn)行OTB的關(guān)鍵。鐵素體材料SA178A或SA213 T11/T22是標(biāo)準(zhǔn)材料。如果OTB只想 "濕運(yùn)行"，可以指定傳統(tǒng)汽包鍋爐中使用的管子材料。當(dāng)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(fā)器入口溫度。

管板孔之間的區(qū)域在OTB中承受著最顯著的熱應(yīng)力。有限元分析用于正確設(shè)計(jì)OTB干式運(yùn)行模式的這些高應(yīng)力區(qū)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(zhǎng)管子的使用壽命，還必須保持適當(dāng)?shù)腻仩t水化學(xué)成分，以盡量減少鍋爐管子的點(diǎn)蝕、腐蝕、結(jié)垢和沉淀。傳統(tǒng)的汽包鍋爐需要水處理化學(xué)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(nèi)部管道損壞。OTB采用了一種不同的方法，取消了傳統(tǒng)HRSG裝置中用于保持冷凝水質(zhì)量的化學(xué)處理和吹掃系統(tǒng)。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(gè)系統(tǒng)的維護(hù)和化學(xué)成本，同時(shí)延長(zhǎng)了鍋爐管的使用壽命。

案例研究：西非加納Bridge Power

Bridge Power項(xiàng)目預(yù)計(jì)將為加納不斷增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)提供高效、可靠、低成本的電力。該設(shè)施目前分兩期建設(shè)。第1A階段包括5臺(tái)快速部署的通用電氣(GE)TM2500+燃?xì)廨啓C(jī)，以簡(jiǎn)單循環(huán)模式運(yùn)行(TM代號(hào)代表熟悉的LM2500+的車裝的版本)。第1B階段將增加52兆瓦的聯(lián)合循環(huán)能力，安裝一臺(tái)蒸汽輪機(jī)和5臺(tái)JCE OTB（圖5）。

橋電設(shè)施（Bridge Power）需要最大限度的運(yùn)行靈活性，計(jì)劃將已經(jīng)運(yùn)行的單循環(huán)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)換為聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行，施工時(shí)間非常緊張。OTB是該項(xiàng)目理想的選擇，因?yàn)樗軌蚋墒竭\(yùn)行，使CT與蒸汽循環(huán)脫鉤。模塊化的壓力部件箱OTB設(shè)計(jì)通過將100%的壓力部件預(yù)裝到一個(gè)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(tái)雙壓OTB的合同。JCE的工作范圍包括鍋爐的設(shè)計(jì)、工程、制造和供應(yīng)。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(huán)路為232C/4.6 barA。該廠預(yù)計(jì)在基本負(fù)荷下運(yùn)行，定期進(jìn)行循環(huán)操作。該項(xiàng)目計(jì)劃于2020年12月基本完成。

-Ravi Krishnan是Krishnan & Associates Inc.的創(chuàng)始人和總經(jīng)理，該公司是一家專業(yè)的能源行業(yè)營(yíng)銷咨詢公司。

Translated by Lincoln