鍋殼燃?xì)忮仩t系列化中的匹配設(shè)計(jì)

陳鐵君 孫連啟 張文勝

(1.張家口電產(chǎn)品發(fā)展有限公司075000;2.張家口市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所075000;3.張家口三北·拉法克鍋爐有限公司，075000)

0 引 言

隨著近些年國家對(duì)環(huán)保要求的更加嚴(yán)格及對(duì)能源政策進(jìn)行了調(diào)整，鼓勵(lì)并推廣使用燃?xì)忮仩t.另一方面，我國近年來大儲(chǔ)量天然氣氣田的勘探和開發(fā)工作取得很大進(jìn)展以及西氣東輸?shù)墓こ?，天然氣供?yīng)緊張的局面得到很大緩解.國內(nèi)燃?xì)忮仩t的市場份額逐年上升，特別是WNS系列燃?xì)忮仩t以其結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能、自動(dòng)化程度高、環(huán)保性能突出、基建費(fèi)用少等優(yōu)勢在燃?xì)忮仩t中占據(jù)了主導(dǎo)地位，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各行各業(yè).然而，目前一些燃?xì)忮仩t產(chǎn)品處于模仿已有產(chǎn)品的水平上，缺乏技術(shù)創(chuàng)新，尤其在產(chǎn)品系列化生產(chǎn)中存在很多問題.本文以此為端倪探討了鍋殼燃?xì)忮仩t系列化設(shè)計(jì)中幾個(gè)關(guān)鍵要素的關(guān)系和設(shè)計(jì)匹配原則.

1 燃?xì)忮仩t傳熱面積的設(shè)計(jì)和匹配原則

隨著鍋爐容量的增加，鍋爐本體傳熱面積也要相應(yīng)增加，但兩者之間最佳匹配關(guān)系到底如何仍需進(jìn)一步研究.

1.1 現(xiàn)有WNS系列燃?xì)忮仩t傳熱面積與鍋爐容量匹配關(guān)系

根據(jù)某鍋爐公司多年生產(chǎn)WNS系列燃?xì)忮仩t的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其傳熱面積與鍋爐容量匹配關(guān)系見表1：

表1

在WNS燃?xì)忮仩t系列化設(shè)計(jì)中，由于對(duì)流受熱面(第二、第三回程煙管)部分交錯(cuò)或全部使用強(qiáng)化傳熱的螺紋煙管，鍋爐總傳熱面積與鍋爐容量并不完全按比例相應(yīng)增加.

1.2 爐膽與鍋爐容量匹配原則

臥式內(nèi)燃鍋殼鍋爐中輻射受熱面集中于爐膽，爐膽的結(jié)構(gòu)尺寸與鍋爐容量有著特殊的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從以下幾方面進(jìn)行考慮：(1)WNS系列燃?xì)忮仩t結(jié)構(gòu)緊湊，燃燒器火焰在爐膽內(nèi)做受限射流沖刷，其爐膽(輻射受熱面)熱負(fù)荷較高，遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[1]中的1200 KW/m2；與一般鍋爐輻射受熱面不同的是，除了強(qiáng)輻射換熱外，較高的煙氣沖刷速度使對(duì)流換熱也占有一定份額(約占爐膽吸熱量的8—16%)[2]，這樣導(dǎo)致爐膽受熱面在總受熱面中的份額雖然較小，但爐膽內(nèi)的輻射換熱和對(duì)流換熱總量在鍋爐總換熱量中占相當(dāng)大的比重(約55%～60%)[1].

(2)爐膽作為燃燒室界面還承擔(dān)著促進(jìn)和引導(dǎo)火焰燃燒的功能，爐膽的結(jié)構(gòu)和尺寸必須和燃燒器火焰相匹配.具體來說，爐膽直徑應(yīng)稍大于火焰直徑；爐膽長度應(yīng)大于最大火焰長度.因此，在選擇燃燒器時(shí)應(yīng)使兩者盡量匹配，并使?fàn)t膽的結(jié)構(gòu)形式適應(yīng)火焰的形狀和尺寸以保證合理的爐膛出口煙溫水平[2].(3)為了防止?fàn)t膽出口(即第二回程入口管板與管端)處超臨界熱負(fù)荷及傳熱惡化，爐膽出口煙溫不宜超過950 ℃，也就是說隨著鍋爐容量的增加應(yīng)該保證必要爐膽長度，這一點(diǎn)對(duì)于熱水鍋爐尤其重要.

(4)考慮到燃?xì)饣鹧婧诙容^燃油時(shí)有所減弱，爐膛出口煙溫偏高，燃?xì)忮仩t系列化設(shè)計(jì)中，爐膽傳熱面積應(yīng)較同容量燃油鍋爐適當(dāng)增加.

2 燃?xì)忮仩t熱效率的設(shè)計(jì)和影響因素

高效燃?xì)忮仩t對(duì)于節(jié)約能源發(fā)揮著重大作用，鍋爐熱效率的設(shè)計(jì)計(jì)算又有其自身的規(guī)律.影響鍋爐熱效率的因素很多.

2.1 鍋爐熱損失的確定

采用反平衡法確定燃?xì)忮仩t熱效率前，應(yīng)先確定以下各項(xiàng)熱損失：

(1)干燃燒產(chǎn)物熱損失；

(2)由空氣中水分引起的熱損失；

(3)由燃料中水分引起的熱損失；

(4)由燃料中氫燃燒后所生成的水分引起的熱損失；

(5)由未燃盡可燃物引起的熱損失；

(6)向周圍的輻射熱損失；

(7)其它熱損失；

以上(1)—(4)項(xiàng)就是通常所指的排煙熱損失q2，(5)項(xiàng)熱損失包括化學(xué)不完全燃燒熱損失q3和機(jī)械不完全熱損失q4，(6)、(7)兩項(xiàng)對(duì)應(yīng)散熱損失q5和灰渣物理熱損失q6.

2.2 燃?xì)忮仩t熱損失的特點(diǎn)

對(duì)于燃煤鍋爐，燃?xì)忮仩t熱損失中q4和q6兩項(xiàng)為零，且鍋爐密封性一般較好，q5項(xiàng)損失一般也很小(一般在1～3.6%[4]，國外有的鍋爐甚至小于1%[1])，并且隨著鍋爐容量的增大而減小.燃?xì)忮仩t熱效率可由下式給出：

η=100-q2-q3-q5

η——鍋爐熱效率，%；

q2——排煙熱損失，%；

q3——化學(xué)不完全燃燒損失，%；

q5——散熱損失，%；

其中q2由下式計(jì)算：

q2=[(Ipy-αpy·I0lk)/Qr]x100

Ipy——排煙熱焓，KJ/Nm3；

αpy——排煙處過量空氣系數(shù)，/；

I0lk——冷空氣焓，KJ/Nm3，

Qr——每標(biāo)米燃?xì)馑腿霠t內(nèi)熱量，KJ/Nm3；

q2是燃?xì)忮仩t熱損失中最大的一項(xiàng)，它取決于排煙溫度和排煙量，而排煙量決定于過量空氣系數(shù).目前WNS系列燃?xì)忮仩t一般選用國外品牌燃燒器，過量空氣系數(shù)小，一般在1.05～1.1之間.與燃煤鍋爐顯著不同的是燃?xì)忮仩t排煙熱損失占據(jù)鍋爐總熱損失的主要份額，見表2(某鍋爐公司W(wǎng)NS燃?xì)忮仩t熱力計(jì)算數(shù)據(jù))：

表2

從表2中可以得出：WNS系列燃?xì)鉄崴仩t排煙熱損失約占鍋爐總熱損失68～78%，而且隨著鍋爐容量增大，排煙熱損失份額有一定程度的增大.排煙熱損失與排煙溫度有直接關(guān)系，進(jìn)而得出鍋爐熱效率很大程度上取決于選取排煙溫度的高低.以WNS2.8—0.7/95/70—Q燃?xì)忮仩t為例，其鍋爐熱效率與排煙溫度關(guān)系見表3、圖1：

表3

由表3擬合的鍋爐熱效率與排煙溫度關(guān)系曲線為：

η=98.49-0.043θpy從擬合公式可以得出：WNS系列燃?xì)忮仩t排煙溫度每降低10 ℃，鍋爐效率可以提高0.43%.

圖1 WNS燃?xì)鉄崴仩t熱效率與排煙溫度關(guān)系曲線

從擬合公式及圖中可以得出：WNS燃?xì)鉄崴仩t排煙溫度降低25～50 ℃，鍋爐熱效率約可提高1～2%.鍋爐熱效率還受到其它方面因素制約，必需綜合考慮.筆者總結(jié)在WNS燃?xì)忮仩t系列化設(shè)計(jì)中鍋爐熱效率的確定應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)目前WNS燃?xì)鉄崴仩t排煙熱損失占鍋爐總熱損失份額偏大，對(duì)于7 MW以下燃?xì)鉄崴仩t使其排煙熱損失份額隨鍋爐容量增加匹配在65～70%為宜；

(2)散熱損失對(duì)燃?xì)忮仩t熱效率的影響不可低估，提高鍋爐密封性與加強(qiáng)保溫成為目前燃?xì)忮仩t制造過程中應(yīng)特別重視的一個(gè)環(huán)節(jié)，由于散熱損失與鍋爐負(fù)荷成反比，運(yùn)行中也應(yīng)引起用戶的足夠重視；

(3)同一容量的蒸汽鍋爐比熱水鍋爐熱效率低2%左右，WNS系列熱水鍋爐鍋內(nèi)介質(zhì)為未飽和水，而蒸汽鍋爐(由于鍋爐壓力的關(guān)系)，鍋內(nèi)介質(zhì)溫度要比同容量的熱水鍋爐高出近100 ℃.為了維持尾部受熱面一定的傳熱溫壓，蒸汽鍋爐排煙溫度相對(duì)于熱水鍋爐來說有很大程度的提高；

(4)蒸汽、熱水鍋爐各自系列內(nèi)，隨著鍋爐容量的增加，鍋爐壓力一般也有所增加，鍋爐內(nèi)介質(zhì)溫度相應(yīng)提高，鍋爐熱效率也受運(yùn)行壓力的影響；

(5)過量空氣系數(shù)對(duì)鍋爐熱效率影響比燃油時(shí)大，燃?xì)忮仩t系列化設(shè)計(jì)時(shí)要注意選用低過量空氣系數(shù)的燃燒器(1.025～1.05)；

(6)由于天燃?xì)庵袣涞暮亢芨撸|(zhì)量百分?jǐn)?shù)約20～25%，煙氣中水蒸氣份額很大(近20%)，水蒸氣帶走熱量約占燃料高位發(fā)熱量的10%.因此，針對(duì)目前WNS天燃?xì)鉄崴仩t排煙溫度偏高(一般在180 ℃以上)的現(xiàn)象，有必要降低排煙溫度利用煙氣顯熱以提高鍋爐熱效率，相應(yīng)地采用螺紋煙管、管內(nèi)擾流子等強(qiáng)化傳熱措施，強(qiáng)化傳熱的同時(shí)節(jié)約了金屬耗量.同時(shí)天燃?xì)庵辛蚍莺繕O少，燃燒后煙氣露點(diǎn)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于排煙溫度，可以采用爐外冷凝回收裝置充分利用煙氣潛熱進(jìn)一步提高鍋爐熱效率.

3 結(jié)束語

WNS系列燃?xì)忮仩t在我國經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為燃?xì)忮仩t中一個(gè)重要系列，在鍋爐本體結(jié)構(gòu)布置、燃燒器匹配、強(qiáng)化傳熱、高溫?zé)熓夜馨搴附?、尾部積水處理、低噪環(huán)保運(yùn)行等方面取得了長足進(jìn)步，目前廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活中的各個(gè)領(lǐng)域.筆者就其系列化設(shè)計(jì)中幾個(gè)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行綜合分析并提出設(shè)計(jì)改進(jìn)建議，希望能促進(jìn)燃?xì)忮仩t生產(chǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域新的研究和進(jìn)一步發(fā)展.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]趙欽新,惠世恩.燃油燃?xì)忮仩t[M].西安交通大學(xué)出版社,2000

[2]張文勝,等.臥式內(nèi)燃燃油(氣)鍋爐爐膛出口煙溫的確定,工業(yè)鍋爐[J].2001.4

[3]陳學(xué)俊,陳聽寬.鍋爐原理[M].西安交通大學(xué)出版社,1994

[4]鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2001

[5]車得福.冷凝式鍋爐及其系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2002