分布式能源余熱鍋爐省煤器管內(nèi)流程型式分析

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(東方菱日鍋爐有限公司,浙江 嘉興 314001)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，制冷、供熱和電力需求量加大，但我國能源相對短缺，供需矛盾突出，必須合理用能和提高能源利用效率，天然氣分布式能源項目就是很好的用能方式[1-2]。分布式能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)大容量、遠距離、大電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)相比，具有投資經(jīng)濟、系統(tǒng)可靠、適應(yīng)性強、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點[3-5]。而作為分布式能源主要形式之一的聯(lián)合循環(huán)分布式能源系統(tǒng)具有技術(shù)成熟、高效節(jié)能等優(yōu)勢，在分布式能源系統(tǒng)中占據(jù)主體地位。聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐作為燃氣分布式能源電廠的重要組成部分，其相對于大型聯(lián)合循環(huán)電廠余熱鍋爐，結(jié)構(gòu)更為緊湊，其對受熱面的低溫傳熱要求更高。受熱面的余熱利用效果將直接影響項目的運行效率和投資成本。相對于大型燃機電廠余熱鍋爐，分布式能源聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐出力相對較小，受熱面管內(nèi)工質(zhì)流速偏低，一定程度上降低了受熱面的傳熱能力。為強化傳熱，主要從受熱面管外和管內(nèi)兩個方向優(yōu)化。目前受熱面管外均采用螺旋開齒翅片管[6]結(jié)構(gòu)提高傳熱效率，在管外結(jié)構(gòu)比較成熟的情況下，管內(nèi)工質(zhì)的流程型式將直接影響受熱面的傳熱效果。本文將主要分析余熱鍋爐省煤器管內(nèi)工質(zhì)不同流程型式傳熱性能，探討提高傳熱效率以降低投資成本的方式。本文中使用符號如下：

a——壓力加速損失系數(shù)；

C1——煙氣阻力試驗修正系數(shù)；

d1——受熱面管內(nèi)徑/m；

f——煙氣摩擦系數(shù)；

g——重力加速度/m·s-2;

Gn——管排凈流通面積煙氣質(zhì)量流量；

hw——水側(cè)流動阻力損失壓頭/m;

hm——沿程阻力損失壓頭/m;

hn——局部阻力損失壓頭/m；

lm——直管長度/m；

N1——煙氣縱向管子排數(shù)/根；

Re——雷諾準(zhǔn)則數(shù)；

Pr——普朗特準(zhǔn)則數(shù)；

ν——受熱面管內(nèi)工質(zhì)流速/m·s-1；

αk1——管內(nèi)對流傳熱系數(shù)/W·m-2·℃-1；

λ1——管內(nèi)介質(zhì)熱導(dǎo)率/W·m-1·℃-1；

λm——沿程阻力損失系數(shù)；

ρb——煙氣平均密度；

ρw——水的標(biāo)態(tài)密度/kg·m-3;

ζn——局部阻力損失系數(shù)；

Δp——煙氣阻力損失/Pa；

Δh——煙氣阻力損失壓頭/m；

1 聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐省煤器流程類型選擇

余熱鍋爐的省煤器設(shè)計主要分為圖1半蛇形管結(jié)構(gòu)、圖2單管屏結(jié)構(gòu)兩種。半蛇形管結(jié)構(gòu)的管屏端部存在180°回轉(zhuǎn)彎頭，易產(chǎn)生FAC流動加速腐蝕[7]；管屏只能整體布置，不能獨立分開，膨脹相互影響；流體不能及時在集箱進行混合再分配，容易引起管排溫差較大。單管屏結(jié)構(gòu)的管屏懸吊結(jié)構(gòu)布置簡單，相鄰管屏膨脹不受限制；流體及時在端部集箱混合再分配，管排傳熱均勻；不存在回轉(zhuǎn)彎頭，有效預(yù)防FAC發(fā)生。因此省煤器推薦采用單管屏結(jié)構(gòu)形式。

通過增加單管屏流程數(shù)量提高傳熱效率，根據(jù)內(nèi)部不同流程型式，可分為圖3單管屏單流程、圖4單管屏雙流程、圖5單管屏三流程。

圖1 半蛇形管結(jié)構(gòu)

圖2 單管屏結(jié)構(gòu)

圖3 單管屏單流程

圖4 單管屏雙流程

圖5 單管屏三流程

2 不同流程結(jié)構(gòu)性能參數(shù)分析

2.1 不同流程受熱面?zhèn)鳠嵊嬎惴治?/h3>

計算分析模型以某分布式能源項目為例，該項目采用GE公司LM6000機組，余熱鍋爐為雙壓一體式除氧臥式布置型式。為統(tǒng)一對比基準(zhǔn)，三種型式的受熱面管均采用統(tǒng)一規(guī)格螺旋開齒翅片管，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1螺旋開齒翅片管參數(shù)。受熱面以模塊型式布置于換熱室內(nèi)部，管束為錯列布置，橫向節(jié)距95 mm，縱向節(jié)距82 mm，以此進行建模并核算結(jié)果。

表1 螺旋開齒翅片管參數(shù)

首先分析低壓省煤器不同流程型式引起的受熱面變化情況。為直觀反映傳熱性能變化情況，該模型將不同流程結(jié)構(gòu)受熱面煙氣側(cè)和水側(cè)邊界條件均設(shè)定為一致，由此，受熱面積的區(qū)別直接反映傳熱性能的優(yōu)劣及變化趨勢。

煙氣側(cè)進口溫度166.6 ℃、出口106.7 ℃，水側(cè)進口溫度45 ℃、出口163.8 ℃。具體參數(shù)見表2低壓省煤器煙氣側(cè)及水側(cè)參數(shù)表。計算并對比受熱面布置情況及翅片管相關(guān)參數(shù)，詳見表3低壓省煤器受熱面參數(shù)表。

表2 低壓省煤器煙氣側(cè)及水側(cè)參數(shù)表

根據(jù)傳熱學(xué)[8]基礎(chǔ)理論，計算模型的管內(nèi)對流傳熱采用常見公式如式(1)

(1)

表3 低壓省煤器受熱面參數(shù)表

管外煙氣阻力計算采用美國ESCOA公司的螺旋鰭片管阻力推薦公式，并在原有公式上增加了試驗修正系數(shù)C1。修正計算公式如式(2)和式(3)

Δh=C1(f+a)Gn2N1/(1.083×109ρb)

(2)

Δp=ρwgΔh

(3)

隨著管內(nèi)流程的增加，管內(nèi)對流傳熱能力逐步加強，換熱面積將相應(yīng)減少，同時煙氣阻力略微下降，其中煙氣阻力采用適合本項目的最合理方式進行計算[9]。由模型導(dǎo)出的受熱面參數(shù)表可以看出，增加管內(nèi)流程以提高工質(zhì)流速后，強化了傳熱能力。以單流程結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，雙流程結(jié)構(gòu)受熱面積減少1 838 m2，減少幅度為11.2%，煙氣阻力降低了56 Pa；三流程結(jié)構(gòu)受熱面積減少2 864 m2，減少幅度為17.4%，煙氣阻力降低92 Pa。高壓省煤器流程參數(shù)對比也采用上述方法，設(shè)定相同邊界條件后，對受熱面參數(shù)進行詳細對比，計算結(jié)果見表4高壓省煤器受熱面參數(shù)表。

表4 高壓省煤器受熱面參數(shù)表

由以上受熱面參數(shù)表可以看出，增加管內(nèi)流提高工質(zhì)流速后，強化了傳熱能力。以單流程結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，雙流程結(jié)構(gòu)受熱面積減少204 m2，減少幅度為3.03%，，煙氣阻力降低8 Pa；三流程結(jié)構(gòu)受熱面積減少574 m2，減少幅度為8.49%，煙氣阻力降低23 Pa。從對比結(jié)果可以看出隨著流程數(shù)增加，受熱面?zhèn)鳠嵝阅艿靡蕴嵘?，鋼材耗量得以?jié)省，投資成本得到了降低。對整臺余熱鍋爐省煤器進行對比分析，詳細對比情況見表5整臺鍋爐省煤器不同流程型式對比表。

表5 整臺鍋爐省煤器不同流程型式對比表

2.2 不同流程汽水阻力分析比較

對于水側(cè)阻力，主要和水側(cè)流量有關(guān)，省煤器流程修改后，水側(cè)流程變化必然引起省煤器內(nèi)部流程阻力變化。為防止流程阻力變化引起給水泵揚程升高而增加電耗，需要進行詳細計算分析。水側(cè)流動阻力損失由沿程阻力損失和局部阻力損失組成，采用的計算公式如式(4)

hw=∑hm+∑hn

(4)

其中

(5)

(6)

各型式流程的水側(cè)流動阻力均根據(jù)結(jié)構(gòu)特性和參數(shù)分別按上述公式建模計算。當(dāng)前分布式能源經(jīng)濟性利用原則，通常低壓省煤器受熱面采用一體式供熱模式，不同工況時，低壓省煤器的水側(cè)流量變化極大。以低壓省煤器為例，下面分純凝和供熱情況分別討論分析。

2.2.1 純凝機組低壓省煤器

分別對這三種型式省煤器進行建模并核算各自流程阻力。機組純凝運行時，低壓省煤器內(nèi)水流量較小，水流程阻力影響較小。相較單流程，雙流程和三流程受熱面水側(cè)阻力分別增加0.005 5 MPa和0.028 2 MPa。增加幅度較小，對電廠輔機設(shè)備投資及運行影響很小。相應(yīng)結(jié)果見表6受熱面汽水阻力對比表。

表6 受熱面水側(cè)阻力對比表

2.2.2 供熱機組低壓省煤器

不同項目一體式低壓省煤器供熱水流量通常不一樣，為詳細對比各種情況，下面分別計算一體式低壓省煤器[10-11]對外供熱水流量0 t/h、30 t/h、60 t/h、90 t/h、120 t/h這5種工況，對水側(cè)流通阻力進行對比分析，詳見表7水側(cè)阻力對比表。

表7 不同供熱水量下水側(cè)阻力對比表

圖6 多流程水側(cè)阻力變化圖

圖6多流程水側(cè)阻力變化圖顯示供熱量較小時流通阻力相差較小，但根據(jù)流體阻力特性，隨著供熱水流量的增大，受熱面工質(zhì)流通阻力不斷增加。

2.3 多流程結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項

雖然多流程型式能夠降低受熱面積，但水側(cè)阻力增加也是必須考慮的一個重要因素。同時，由于多流程設(shè)計時，煙氣側(cè)和水側(cè)換熱類似于交叉流，對于燃機余熱鍋爐這種低溫壓傳熱，并不是流程數(shù)越多越好。建模時，一般采用管屏的平均傳熱溫壓進行計算，隨著流程數(shù)的增加，受熱面的橫向溫差加大將導(dǎo)致傳熱計算失真，最終影響計算結(jié)果的可靠性。計算分析依托的該項目在綜合考慮煙氣阻力，投資成本及水側(cè)阻力等多個因素后，最終設(shè)計方案采用了三流程型式，該項目已于2015年投入商業(yè)運行，機組運行情況優(yōu)良。

3 結(jié)論

本文對分布式能源聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐的省煤器水側(cè)流程相關(guān)特點的分析，分布式能源余熱鍋爐采用雙流程及三流程省煤器布置型式，能夠有效降低受熱面積，減小煙氣阻力，降低鍋爐成本，減小燃機排氣背壓，提高燃機出力，帶來可觀的經(jīng)濟效益。對于高壓省煤器和不供熱水的低壓省煤器，管內(nèi)工質(zhì)流速較低，因此可以考慮采用三流程結(jié)構(gòu)以降低投資成本；對于需要供熱等水側(cè)大流量機組，采用多流程需同時考慮特定供熱水量時，因水側(cè)阻力增加而引起的給水泵功耗增加，并核算其對成本影響之后，再確定流程型式。

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