燃气--蒸汽联合循环无旁通烟囱的分析
摘要 分析无旁通烟囱燃气——蒸汽联合循环的特点，指出燃机启动会对余热锅炉产生热冲击，提出根据机组的实际运行情况来确定是否设置旁通烟囱，可供联合循环方案设计者及运行人员参考。
1 引言
近年来，燃气轮发电机组发展得非常迅速，尤其是燃气——蒸汽联合循环在国外已广泛应用。在我国，随着大容量火力发电厂、核电站的相继投产以及油价的上涨，燃机电厂面临着严峻的考验，为了降低成本，提高效率，燃机普遍由单循环改造成燃气——蒸汽联合循环。
通常燃气——蒸汽联合循环都设有旁通烟囱(见图)，它使联合循环运行灵活方便，并对余热锅炉起到保护作用。但随着市场竞争的加剧，经营者千方百计采取措施减少设备的初始投资，取消旁通烟囱(见图)不仅可以节约上百万元的资金，而且机组更为紧凑，节省占地面积。但能否不设置旁通烟囱，还需考虑机组的具体运行情况。
2 对电厂经济效益的影响
如果余热系统无旁通烟囱，那么燃机启动点火锅炉也就随之启动，两者连成了一个整体。因锅炉不能干烧，故燃机不能再以简单循环的方式运行，机动性能变差，若余热系统出现故障需停机检修，燃机也得停止运行。这样机组启停次数将增加，油量消耗也增加。另外，停机检修的时间也会加长，燃机的利用率下降，影响电厂的经济效益。
燃气——蒸汽联合循环的余热锅炉普遍都无补燃装置，进口烟温只有500－600℃，传热过程不复杂，采用的是对流换热管束，没有辐射受热面，而且炉膛是正压，不需安装送风机、引风机，结构简单。因此设备运行可靠，不会发生熄火、爆管等电站锅炉常见的事故。再者，燃气——蒸汽联合循环的余热系统多为中压或高压参数，对于这一参数等级的锅炉、汽轮机及辅助设备国内外技术早已成熟，系统运行稳定，故障率较低。此外，燃气轮机多以天然气和柴油为燃料，含硫量和灰分都低，一般不会引起锅炉受热面低温腐蚀和积灰。
可见，燃气——蒸汽联合循环的余热系统具有运行可靠的特点，设备可用率高，故障停机次数少，设备缺陷也容易消除，如不设置旁通烟囱，它对电厂的经济效益影响并不大。实际运行也表明【1】，因余热系统故障造成燃机停机的比率仅为10%，而且检修所需时间很短，机组很快就能恢复运行。何况今后燃油价格仍将不断上涨，燃机单循环不会产生多大的经济效益。
3 燃机启动对锅炉管子的热冲击
燃机从启动到满速空载这一过程，要经过点火、暖机、升速等几个阶段，其排烟温度有一阶跃变化(见图3)，最高可达530℃，满速后又降到250℃【2】。如不设置旁通烟囱，余热锅炉的换热管束在燃机启动时就处于一个交变温度场中，必然受到热冲击。冲击是否显著取决于冲击的强度及周次。因过热器管子是空的，锅炉其它管束充满了水，而水的比热远大于空气，故燃机启动时过热器受到热冲击的应力强度更大。
计算结果表明【3】，热冲击产生的疲劳热应力强度并不大，冲击周次基本与燃机启动次数相同，锅炉换热管束是可以承受的；再有，在燃机启动过程中压气机的空气流量变化很大，排烟温度达到高峰时的烟气量与满速空载状态下的烟气量相比较小，于是排烟温度最高时烟气流速却较低，管子壁温增加的速率不高，管束金属温度和热应力状态响应并不剧烈。但热冲击毕竟有损于锅炉管束，因此没有旁通烟囱的燃气——蒸汽联合循环应尽量减少机组的启动次数，维持机组稳定运行，尤其是经常启停调峰的机组，应注意启动次数对锅炉寿命的影响。
4 余热锅炉升压面临的情况
锅炉在启动过程中，要严格控制升压速度，很重要的一个原因就是考虑锅筒的安全，要求锅筒壁温差在允许范围之内。实践证明【4】：锅筒上下壁温差只要不超过50℃，就不会产生过大的热应力，锅筒弯曲变形就很小或者不会发生。在锅炉启动升压的初期，锅筒上下壁温差将出现最大值，此时应尽量放缓升压速度。升压时间的确定，以锅筒内水的温升速度不超过1～2
℃/min【4，5】。
燃机从启动点火到满速空载只需几分钟时间，完全自动控制，满速后的排烟温度虽不高，但因压气机已达到额定转速，故烟气量很大。所以对于没有旁通烟囱的余热锅炉，在这一阶段其升压速度无法人为控制。实际运行表明【6】：冷态的余热锅炉在燃机点火后13分钟压力就能升到0.8
MPa，升压速度明显过快，对锅筒的安全不利。如机组经常冷态启动，会使锅筒遭到损坏。
在燃机升至满速、锅炉压力稳定之后的升压速度则可以通过控制燃机加负荷的速度来实现，也就是说燃机加负荷的操作要满足余热锅炉的升压速度。由于锅炉升至全压所需时间较长，因此燃机就得在空载的低负荷下多运行一段时间，不能再象单循环那样很快升至满负荷。这样机组启动的油耗就会增加，若经常启停，就会影响电厂的经济效益，但为了保证锅筒的安全只得如此。
所以不设置旁通烟囱的燃气——蒸汽联合循环在机组停运时，应做好余热锅炉的保压措施，使锅炉多在热态或温态下启动，尽量减少冷态启动的次数，这对保护锅炉和节约燃料都有好处，特别是调峰机组更应对此充分重视。
5 结论
(1)对于经常启停且负荷变化大的燃气——蒸汽联合循环，需根据机组实际面临的运行情况，考虑到设备安全及经济效益，慎重选择不设置旁通烟囱的方案。
(2)启停次数较多的机组，如不设置旁通烟囱，应采取灵活的措施减少锅炉冷启动的次数，尽量使锅炉在热态或温态下启动。
(3)运行负荷稳定、启停次数较少的机组采取不设置旁通烟囱的方案，不仅可以节省投资，而且对设备安全影响不大，是可行的。