深度冷卻式燃氣熱水鍋爐開發設計及總結

戚仲凱 李晶 王思遠

摘 要：根據用戶提出燃氣熱水鍋爐效率高的要求，設計開發出深度冷卻式燃氣熱水鍋爐。該鍋爐低溫回水運行時，可實現回收煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，熱效率高，并實現了低NOx排放，水循環安全。經過一個采暖周期的驗證，鍋爐優越性能得以很好的體現。

關鍵詞：深度冷卻；低NOx排放；多點疏水；強制循環

前言

燃氣鍋爐的燃料成本遠遠高于煤爐，為降低運行成本，用戶對鍋爐的效率提出更高的要求。北京某熱力公司于2013年在某科技園區投建2臺29MW熱水鍋爐。我公司經過精心設計，開發出高效深度冷卻式熱水鍋爐，經過一個采暖季的運行實踐，鍋爐的良好性能得到了很好的驗證。

1. 鍋爐的設計要求

鍋爐額定功率：29MW

鍋爐額定壓力：1.6MPa

燃料：天然氣（發熱量為8400Kcal/Nm3）

鍋爐出水溫度：130℃

鍋爐回水溫度：70℃

循環水量：413t/h

排煙溫度：80℃（排煙溫度與回水溫度的溫差不大于10℃）

設計效率：96%

NOx排放：＜100mg/Nm3

2. 方案的確定

用戶要求燃氣熱水鍋爐功率為29MW，鍋爐為室內布置，我公司大型燃氣熱水鍋爐主打爐型為角管直流鍋爐和D型鍋爐，為節省鍋爐的高度空間，決定采用D型結構的爐型。

而鍋爐方案的確定需解決如下問題：

(1）D型鍋爐有大量的對流管束，熱水鍋爐的溫差小，密度差小，必須保證鍋爐的水循環的可靠性；

(2）此臺鍋爐要求排煙溫度80℃，與70℃的回水只有10℃溫差，鍋爐整體需要比正常120℃-150℃排煙溫度的熱水鍋爐增加很多的受熱面，鍋爐體積將增加，要保證鍋爐的緊湊性；

(3）在低負荷或啟爐時，鍋爐本體的出口煙溫遠低于額定計算出口溫度，回水溫度較低時會有冷凝水產生，并且排煙溫度會更低，尾部受熱面會有大量冷凝水產生，要做好預防措施；

(4)要求鍋爐煙氣的NOx的排放濃度小于100mg/m3，遠低于北京地區DB11/139《鍋爐大氣污染物排放標準》的150mg/m3排放要求，更低于國家標準GB13271《鍋爐大氣污染物排放標準》400 mg/m3的排放要求。

針對以上分析，鍋爐設計方案如下：

(1）為保證熱水鍋爐的水循環安全性，鍋爐采用強制循環的設計，冷凝器、節能器與本體之間的水流采用串聯形式；

(2）為避免鍋爐體積過大，鍋爐尾部的節能器、冷凝器采用螺旋翅片管形式，使鍋爐在相同體積下擁有更多的受熱面積；

(3）為避免本體的腐蝕，設計要求實現如下：①不管鍋爐是額定負荷還是低負荷時，本體的壁面溫度要高于煙氣露點溫度，在設計鍋爐水流程時，不但要求與出口煙氣（此處煙氣溫度是鍋爐本體最低的部位）換熱的受熱面內熱水有較高的溫度，并且要求鍋爐回水（鍋爐本體水溫最低）要先與溫度較高的煙氣進行換熱；②在鍋爐冷態啟動的初始階段，鍋爐本體的煙氣出口段會有冷凝水產生，節能器與冷凝器都會冷凝水產生，所以鍋爐本體的對流管束區設有疏水管，節能器、冷凝器都設有疏水管，及時將冷凝水排出；③冷凝器是用來回收煙氣中水蒸氣汽化潛熱的部件，在回水溫度低于煙氣的露點溫度（59℃）時，冷凝器會有冷凝水產生，為防止冷凝水對受熱面的腐蝕，冷凝器采用ND鋼螺旋翅片管；

(4)為實現鍋爐低NOx的排放，鍋爐選用低氮燃燒器，為配合低氮燃燒器的燃燒工況，鍋爐采用大爐膛設計，降低燃燒室的容積熱負荷，降低燃燒的溫度場。

下面圖1為鍋爐總圖，表1為本臺鍋爐熱力計算匯總表。

圖1鍋爐總圖

表1 熱力匯總表

3．鍋爐煙氣流程及水流程設計

(1)煙氣流程

燃燒器燃燒天然氣在爐膛內形成高溫火焰對爐膛膜式水冷壁輻射放熱，經過輻射換熱后形成的高溫煙氣進入鍋爐本體的對流管束區進行對流放熱，對流換熱后的煙氣再經過轉彎煙道依次進入節能器、冷凝器進行放熱，被冷卻的煙氣最后排向大氣。圖2為煙氣流程圖。

圖2 煙氣流程圖

(2)水流程

熱水鍋爐的回水先經過冷凝器，吸熱后再進入節能器，最后進入鍋爐本體進行吸熱，在鍋爐本體中，回水依次通過18個水流程進行吸熱達到設計水溫；在設計本體的水流程時，為避免本體受熱面的腐蝕，將從節能器出來的水流先進入爐膛出口的對流段，再進入爐膛水冷壁管吸收輻射熱，從水冷壁出來的水流（此時水溫已經較高）再與鍋爐本體的出口煙氣區進行換熱，這樣煙氣低溫區對流管束的壁溫即便是鍋爐低回水溫度（45℃）運行時也不會產生冷凝水。表2為水阻力計算匯總表。

表2 水阻力計算匯總表

4．鍋爐結構設計

4.1水冷壁

本鍋爐為D型自支撐結構。鍋爐本體的膜式水冷壁、對流管束與上、下鍋筒進行焊接，從而形成一個整體坐落于底座上，從而形成自支撐；鍋爐本體承壓部分采用底座支撐結構，下鍋筒的前端采用固定支座支撐，后部用兩組滑動支座支撐，鍋爐整體一起膨脹，從而解決鍋爐的膨脹問題；鍋爐的冷凝器、節能器通過接連煙道與鍋爐本體連接。

爐膛水冷壁由前墻水冷壁、后墻水冷壁、左側水冷壁及右側的U行水冷壁組成，其中右側的U行水冷壁也充當了上下側的水冷壁；左右側水冷壁直接與上、下鍋筒連接，前墻水冷壁、后墻水冷壁分別與上下集箱連接后再與鍋筒連接；爐膛前后墻水冷壁中心距為9850mm，爐膛左右側水冷壁中心距為2400mm，膜式壁中心線上下的高度距離為2590mm；考慮鍋爐為熱水鍋爐，管內工作溫度低，膜式壁間距選為80mm，膜式水冷壁管子采用φ51x4mm，經計算膜式壁膜片中心溫度最高處為320℃，處于安全工況。爐膛水冷壁的水流程由6個流程組成，3個水流上升區，3個水流下降區，其中水流上升區的平均水流速設計為1.5m/s，水流下降區的平均水流速為2m/s。

另外鍋爐爐膛膜式水冷壁上下側以及右側采用剛性梁進行加固，起到加強爐膛強度并且起到抗震的作用。

4.2對流管束

對流管束與上下鍋筒進行焊接連接，對流管束兩側由爐膛左側水冷壁及鍋爐左側膜式水冷壁包裹密封，形成獨立的對流換熱區，對流管束采用φ51x3mm的管子，材質為20/GB3087，經計算，對流布置330m2的受熱面積可達到預計的本體出口煙溫，故設計的對流管束有880根。對流管束入口采用錯列的拉稀布置形式，從而降低煙氣流速，后部采用正常的順列形式布置。對流管束被設計分為12個水流程，其中6個水流上升區，6個水流下降區；拉稀區的煙氣平均流速為22.4m/s，后部對流管束區煙氣平均流速為17.5m/s；其中水流上升對流管束水平均流速為7m/s,水流下降對流管束的水平均流速為1.3m/s；

4.3節能器

本臺鍋爐的排煙設計溫度較低，與鍋爐回水溫度僅有10℃溫差，這需要有足夠多的受熱面對低溫煙氣進行吸熱，為保證鍋爐尾部受熱面有充足的受熱面積并且要控制尾部受熱面的體積不能過于龐大，鍋爐的節能器與冷凝器都設計成螺旋翅片管結構形式。

節能器每2列螺旋翅片管上下端分別與φ159的小集箱連接，φ159的小集箱再與φ325的大集箱進行插入焊接，形成一個受壓件的整體坐落在鋼架上的支座上，上部的小集箱用U形螺栓與頂部鋼架進行懸吊。螺旋翅片管采用各位φ38x4 20/GB3087的管子，翅片高度為15mm，節距為6.3mm；冷凝器螺旋翅片管也采用規格為φ38x4的管子，管子與翅片的材質都高考鋼。鍋爐采用微正壓運行，為控制鍋爐整體阻力不宜過大，節能器螺旋翅片管采用順列布置，且煙氣流速不可設計的太高，煙氣平均流速最終設計為9m/s；管內工質流速為0.7m/s。

節能器在殼體底部設有儲水槽，儲水槽的底部設有疏水管，確保在鍋爐啟動時冷凝水能夠及時排出。

5．鍋爐運行總結

（1）鍋爐在低負荷，低溫回水時（約45℃）時，只打開鍋爐本體的輸水閥門，輸水管沒有冷凝水流出，證實此時沒有冷凝水產生，鍋爐本體不會被腐蝕，達到了鍋爐設計的目的；

（2）調制完成后，鍋爐整個采暖季運行穩定，沒有出現水擊等異響，也沒有異常震動的發生，驗證了本鍋爐水循環的可靠安全；

（3）鍋爐NOx排放實測小于80mg/Nm3，還小于設計值的100 mg/Nm3，鍋爐低容積熱負荷配合低氮燃燒器達到了低NOx排放的目的。

6．結束語

本鍋爐受熱面布局合理，水循環設計安全可靠，煙氣阻力小，排煙溫度與回水的溫差不大于10℃，熱效率高，NOx排放低，完全滿足了用戶預期的各項指標，受到用戶的一致贊譽。

7．參考文獻

[1] GB13271-2001《鍋爐大氣污染物排放標準》

[2] DB11-139-2007（北京）《鍋爐大氣污染物排放標準》