直流锅炉技术带来的灵活的小规模发电技术

Flexible Small-Scale Generation Empowered by Once-Through Boiler Technology分布式发电与间歇性可再生能源发电相结合，满足了

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

分布式发电与间歇性可再生能源发电相结合，满足了对高度灵活的小型（小于100兆瓦）发电资源日益增长的需求。电站设计者面临的限制因素是，传统的热回收蒸汽发生器（HRSG）无法实现现代电网系统所要求的快速发电。John Cockerill Energy的立式直流锅炉填补了这一技术空白——当快速启动/停止、负荷跟踪或对电网中断作出瞬时响应时，燃汽轮机不再受制于HRSG的慢热性能。此外，与传统的现场安装的HRSG相比，直流锅炉的模块化特性降低了安装成本。

热电联产、联合循环和热电联产技术通常用于100兆瓦以下的灵活的小型电力设施。这些设施的开发商都有一个共同的设计目标，即最大限度地提高电厂的运行可靠性和效率，同时最大限度地降低电厂的生命周期成本。John Cockerill Energy公司（JCE），作为全球领先的HRSG供应公司，推出了一种新的模块化直流锅炉（OTB），将改变未来小型发电项目的设计方式。

每个分布式发电系统的核心是其HRSG。然而，HRSG也是电厂热性能的限制因素，特别是在启动/关闭期间和应对电网瞬态时。对于一些制造商来说，解决方案是调整管子和锅炉汽包的金属厚度以减少热应力。然而，增加钢材也会增加热容，从而减慢HRSG的热响应，使现场安装进一步复杂化，并增加材料成本。而JCE则采用直流锅炉（OTB）设计，避免了这些设计和操作上的隐患。

直流锅炉内部

最理想的HRSG是满足三个具体要求的设计。首先，设计必须利用模块化制造的效率来降低HRSG的首次成本和现场安装时间。其次，设计必须降低HRSG的复杂性，以提高电厂的可靠性，降低维护成本。最后，现代HRSG设计必须能够常规地执行快速启动、停机和瞬时操作。在下面的章节中，我们将根据这些设计考虑因素来评估JCE垂直式OTB，然后考虑一个最近安装的垂直OTB的案例研究。

模块化制造降低了安装成本。几十年来，联合循环电厂一直采用传统的卧式或立式HRSG设计。这些HRSG的特点是由多个现场安装的省煤器、蒸发器和过热器模块与大量的外部管道、仪表和控制组成。使安装更加复杂的是多压式HRSG中增加的节数。每个厚壁锅炉汽包限制了启动和瞬时运行时的压力变化率，从而限制了电厂的升压速度。每个HRSG模块内的温度限制也限制了电厂的灵活运行，因此为了避免传热面的热损耗，必须避免常规的循环，否则电厂的HRSG寿命会降低（图1）。

此外，OTB是作为单一压力部件制造的，因此现场安装时间和成本可降到最低。对于这些项目，单个OTB模块在车间制造并在装运时安装了蛇形管和管板，并在装运前进行了全面的压力测试。管板作为管子的支撑，以恒定的管间距集成到模块箱中。管板由主柱上的悬臂支架支撑（图2）。

通过这种设计，具有多个模块的OTB的装配顺序被大大简化。单个模块，如图2所示，可以组合起来产生所需的蒸汽量。特定模块的长度只受运输限制。双压式OTB也可以使用，将独立的蛇形管系统布置在一个模块中。最后要注意的是，由于减少了悬挂多个重型锅炉汽包和相关的锅炉外部管道的需要，所以减少了现场安装的结构钢量。单个压力部件模块OTB只需要三到五周的时间进行安装，包括平台、楼梯和密封焊，因此可为业主节省大量的现场安装成本。

直流锅炉的设计：JCE的OTB设计的一个显著特点是，水在一个蛇形管组中被加热、蒸发和过热（图3）。这种设计方法不需要单独的省煤器、蒸发器和过热器模块以及相关的互联管道和仪表。

OTB是为干式启动和运行而设计的。这种设备设计方法提供了一个经济和操作的优势。在传统的HRSG的情况下，通常在联合循环电厂中发现的每个燃烧涡轮机(CT)必须空转或保持在部分负荷状态，以根据制造商的要求预热HRSG，这延长了启动演变的时间。

OTB作为蒸汽生产的单一连续工艺技术，具有提高热回收效率的特点。OTB在启动过程中不要求CT暂停，也不会因为蒸汽温度或压力的限制而限制CT的升温速度。同时，OTB可以随时关闭和重新启动，而不会降低CT的负荷。如果电厂配置有汽轮机，那么从OTB产生的初始蒸汽将被减温并旁路到冷凝器，直到达到合适的蒸汽温度和压力。此后可将蒸汽引入汽轮机。

与传统的HRSG设计不同，OTB的设计可以在可变蒸汽流量下运行，低至约30%的CT负荷，同时保持过热温度。蛇形管芯由管板支撑的模块化设计，降低了OTB的热质量，使其能够快速响应CT负荷变化。热质量的降低主要是由于取消了厚壁锅炉汽包，因为它增加了蒸汽生产回路的热容。

这样做的最终效果是完全解除了蒸汽循环与CT的耦合，使CT能够保持其快速启动能力，以应对负荷变化或瞬时的电网条件。这种非常理想的特性在传统的HRSG设计中是不存在的，但对于现代灵活的发电厂来说是必不可少的，因为这些发电厂连接到了具有间歇性可再生能源发电的电网。

OTB的瞬态运行：现代化的电厂必须灵活运行，以度过不可预见的电网瞬变，并且必须在电网运营商要求时快速启动/关闭。OTB启动速度更快，因为CT遵循其标准启动协议，而且OTB可以干式运行。

OTB的正常运行始于CT与电网的标准启动和同步。OTB的热启动顺序从CT处于满负荷状态和线圈组处于气体温度开始。OTB控制系统首先缓慢地加入给水，然后按照规定的坡度增加流量，直到给水冷却OTB的入口。当OTB升温时，蒸汽过热条件由给水流速设定。启动和负荷瞬态响应不再受汽包金属温度的限制，因为立式OTB可以启动和干运行。

一旦达到设计过热条件，OTB控制定值就会根据管子金属温度和各种控制算法切换到温度控制。此时达到设计温度曲线，烟囱温度趋于正常。同时，"干燥区 "的位置也将趋于稳定（图4）。

选择合适的管道材料是干式运行OTB的关键。铁素体材料SA178A或SA213 T11/T22是标准材料。如果OTB只想 "湿运行"，可以指定传统汽包锅炉中使用的管子材料。当然，管子和翅片材料的选择是基于CT的排气温度、蒸汽温度和压力以及蒸发器入口温度。

管板孔之间的区域在OTB中承受着最显著的热应力。有限元分析用于正确设计OTB干式运行模式的这些高应力区域。管板由集成到模块箱中的管板支架固定到位。在这些管板的垂直方向和水平方向上，管板都是以恒定的管间距安装的。

为了延长管子的使用寿命，还必须保持适当的锅炉水化学成分，以尽量减少锅炉管子的点蚀、腐蚀、结垢和沉淀。传统的汽包锅炉需要水处理化学品（如磷酸盐）和定期吹扫以去除悬浮固体和底部淤泥，以避免内部管道损坏。OTB采用了一种不同的方法，取消了传统HRSG装置中用于保持冷凝水质量的化学处理和吹扫系统。相反，OTB装置使用的冷凝液纯化槽通常安装在冷凝器和HRSG入口之间。这种方法降低了整个系统的维护和化学成本，同时延长了锅炉管的使用寿命。

案例研究：西非加纳Bridge Power

Bridge Power项目预计将为加纳不断增长的经济提供高效、可靠、低成本的电力。该设施目前分两期建设。第1A阶段包括5台快速部署的通用电气(GE)TM2500+燃气轮机，以简单循环模式运行(TM代号代表熟悉的LM2500+的车装的版本)。第1B阶段将增加52兆瓦的联合循环能力，安装一台蒸汽轮机和5台JCE OTB（图5）。

桥电设施（Bridge Power）需要最大限度的运行灵活性，计划将已经运行的单循环汽轮机转换为联合循环运行，施工时间非常紧张。OTB是该项目理想的选择，因为它能够干式运行，使CT与蒸汽循环脱钩。模块化的压力部件箱OTB设计通过将100%的压力部件预装到一个模块中，最大限度地提高了车间制造能力。

2019年1月，GE—主承包商—授予John Cockerill Energy五台双压OTB的合同。JCE的工作范围包括锅炉的设计、工程、制造和供应。压力部件在韩国制造。GE将锅炉安装分包给Metka。该厂以液化石油气（LPG）为燃料，馏出油为备用燃料。OTB高压蒸汽条件为512C/64.8 barA，低压环路为232C/4.6 barA。该厂预计在基本负荷下运行，定期进行循环操作。该项目计划于2020年12月基本完成。

-Ravi Krishnan是Krishnan & Associates Inc.的创始人和总经理，该公司是一家专业的能源行业营销咨询公司。

Translated by Lincoln