亞臨界熱水鍋爐的水循環(huán)設(shè)計(jì)

黎毅榮

摘要： 介紹了亞臨界熱水鍋爐的結(jié)構(gòu)形式及水循環(huán)的方式，對該類型鍋爐的水循環(huán)設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的見解。

Abstract： This paper introduces the structure of subcritical hot water boiler and the way of water circulation， and puts forward the corresponding view on the water cycle design of this type of boiler.

關(guān)鍵詞： 亞臨界；熱水鍋爐；水循環(huán)

Key words： subcritical；hot water boiler；water cycle

中圖分類號：TK229.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）01-0154-03

0 引言

目前我國熱水鍋爐主要用于采暖，壓力一般不超過2.5MPa，出口水溫不超過160℃。亞臨界參數(shù)熱水鍋爐的設(shè)計(jì)與應(yīng)用在國內(nèi)外極少，該種鍋爐主要用于國防、軍工及科研試驗(yàn)方面，作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用。本文介紹的亞臨界熱水鍋爐是我司根據(jù)中核集團(tuán)某研究所要求進(jìn)行定型設(shè)計(jì)的。

該鍋爐設(shè)計(jì)燃料為0號輕柴油，額定工作壓力17.5MPa，額定熱功率30MW，額定出水溫度334℃。為滿足實(shí)驗(yàn)變工況的特性，鍋爐要求在10-100%負(fù)荷范圍內(nèi)可調(diào)，并在可調(diào)范圍內(nèi)任一工況點(diǎn)能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

考慮到鍋爐房的基建投資，本鍋爐采用臥式布置。

1 鍋爐結(jié)構(gòu)介紹

按煙氣流程依次布置有爐膛、省煤器和節(jié)能器；在鍋爐爐膛上設(shè)計(jì)有檢查門、防爆門及窺視孔等門孔裝置；并在爐膛、省煤器及節(jié)能器的相應(yīng)位置上設(shè)有煙氣壓力、溫度及氧量等測定便于進(jìn)行燃燒負(fù)荷的調(diào)整與控制。

由燃料系統(tǒng)供應(yīng)的燃油及助燃空氣在燃燒機(jī)內(nèi)混合后在爐膛內(nèi)燃燒，經(jīng)與爐膛水冷壁及后墻凝渣管換熱后產(chǎn)生的950℃左右的高溫?zé)煔饨?jīng)省煤器、節(jié)能器冷卻到170℃以下由煙囪排入大氣。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 鍋爐額定參數(shù)

額定熱功率：30MW 額定水循環(huán)阻力：205kPa

額定工作壓力：17.5MPa 設(shè)計(jì)燃料：0#輕柴油

額定供水溫度：334℃ 燃料熱值：Qnet，ar=43074kJ/kg

額定回水溫度：300℃ 燃料消耗量：2977kg/h

額定循環(huán)水量：535t/h 排煙溫度：<170℃鍋爐效率：91.8%

2.2 鍋爐校核運(yùn)行工況參數(shù)（業(yè)主給定）

鍋爐除可在額定工況下運(yùn)行外，還可以在表1工況安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)

3.1 循環(huán)方式的選擇

鍋爐的水循環(huán)方式多種多樣，有自然循環(huán)、強(qiáng)制循環(huán)及復(fù)合循環(huán)等，循環(huán)方式的選擇與鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式等密切相關(guān)。由于本鍋爐壓力較高，鍋水的密度差較低，同時(shí)鍋爐采用臥式布置，循環(huán)高度受限，采用自然循環(huán)動(dòng)壓頭較小，有可能存在循環(huán)不良的情況；同時(shí)該鍋爐主要應(yīng)用于試驗(yàn)臺，變負(fù)荷操作頻繁。根據(jù)以上情況，最終確定該鍋爐的水循環(huán)方式采用強(qiáng)制循環(huán)。

3.2 本鍋爐的循環(huán)系統(tǒng)介紹

循環(huán)水循環(huán)流程具體文字描述為：

回水經(jīng)循環(huán)泵加壓后進(jìn)入鍋爐的進(jìn)水集箱（進(jìn)水集箱設(shè)置在爐膛前壁上部），然后進(jìn)入前壁的上集箱，流經(jīng)前壁換熱管后進(jìn)入前壁的下集箱，而后循環(huán)水分別進(jìn)入左、右膜式壁的下集箱，由于左右膜式壁上下集箱內(nèi)布置了隔斷裝置，循環(huán)水沿著左、右膜式壁從前向后依次被左、右膜式壁管加熱。經(jīng)4個(gè)流程后，循環(huán)水進(jìn)入后壁凝渣管的下集箱，流經(jīng)凝渣管換熱后進(jìn)入凝渣管的上集箱，至此完成循環(huán)水在爐膛內(nèi)的循環(huán)、吸熱過程。采用該種水循環(huán)布置的優(yōu)點(diǎn)是增大了循環(huán)水溫度與飽和水溫度之間的差值，避免造成過冷沸騰，有利于水循環(huán)的安全。

經(jīng)爐膛加熱后的循環(huán)水由6根Φ219x20管子引到低溫省煤器的進(jìn)口集箱。循環(huán)水經(jīng)低溫省煤器和高溫省煤器后，最后進(jìn)入出水集箱，滿足工藝要求的熱水被輸入到用戶端。

3.3 循環(huán)阻力計(jì)算表

額定工況及5種校核工況下，鍋爐水循環(huán)阻力匯總?cè)绫?。

4 鍋爐水循環(huán)可靠性分析

4.1 前后墻水冷壁水動(dòng)力分析

前后墻水冷壁的結(jié)構(gòu)屬于多進(jìn)多出的形式，流量分布比較均勻。但是其受熱區(qū)域各管子的受熱長度不一樣，因此管子的出口介質(zhì)溫度有所區(qū)別，其管壁溫度也有所區(qū)別。校核計(jì)算中各管子流量取平均值，溫度主要計(jì)算受熱段最長管子的出口水溫和管壁溫度。各工況前后墻水冷壁的計(jì)算參數(shù)如表3。

4.2 尾部對流受熱面水動(dòng)力分析

尾部對流受熱面的結(jié)構(gòu)屬于倒L型，倒流模式，因此介質(zhì)溫度和煙氣溫度最高處都在煙氣進(jìn)口處。倒L型結(jié)構(gòu)有一定的流量偏差，離出口集箱的介質(zhì)出口端最遠(yuǎn)的管子中流量最低，本受熱面的最小流量系數(shù)為0.96。計(jì)算的結(jié)果如表4。

4.3 側(cè)墻水冷壁水動(dòng)力分析

側(cè)墻水冷壁管組中各根管子的局部阻力系數(shù)、長度、內(nèi)徑、高度都是一樣的，因此流量的偏差主要受集箱靜壓的影響。

沿集箱長度方向上某點(diǎn)分配集箱、匯流集箱的靜壓為：Pfx=Pf+ax Phx=Ph+bx

式中：Pfx、Phx——沿分配集箱、匯流集箱長度上某點(diǎn)的靜壓，kgf/cm2；

Pf、Ph——分配集箱入口、匯流集箱出口處的靜壓，kgf/cm2；

ax、bx——沿分配集箱、匯流集箱長度上某點(diǎn)的靜壓增量，kgf/cm2[3]。

根據(jù)沿集箱長度方向上的各管子進(jìn)出口的靜壓差，可以得出Z型結(jié)構(gòu)的管組中各管中流量不均勻系數(shù)計(jì)算式：endprint

η={1+Ax{ε[2（X2-0.281）+σαf（X3-0.149）/3]-0.76（1-X）2-0.221}+[αf（1-X）3/3-0.104]}0.5

式中：Ax——系數(shù)，Ax={[2vf/（vf+vh）]/（λl/d+∑ξ）}（Fg/ff）2

ε——集箱動(dòng)壓比；

σ——集箱摩擦系數(shù)比；

αf ——分配集箱摩擦系數(shù)；

X——計(jì)算點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的相對長度，0～1；

vf、vh ——分配集箱、匯流集箱的介質(zhì)比容，m3/kg；

λ——管子的每米摩擦阻力系數(shù)，1/m；

l ——管子長度，m；

d ——管子內(nèi)徑，m；

∑ξ ——管子的總局部阻力系數(shù)；

Fg ——管組中管子的總流通截面積，m2；

Ff ——分配集箱流通截面積，m2；

側(cè)墻水冷壁分為四組，其結(jié)構(gòu)為Z型，屬于流量偏差比較大的結(jié)構(gòu)形式，因此對側(cè)墻水冷壁的各部分進(jìn)行流量偏差和相應(yīng)的溫度偏差的校核計(jì)算。

4.4 停電保護(hù)

對強(qiáng)制循環(huán)鍋爐，在突然停電的情況下，有可能導(dǎo)致水循環(huán)突然停頓造成爐水汽化的現(xiàn)象，導(dǎo)致鍋爐換熱管壁超溫從而造成損壞，所以當(dāng)鍋爐在運(yùn)行過程中突然停電，應(yīng)當(dāng)人工開啟各循環(huán)回路頂部的排氣閥門，在泄壓的同時(shí)也加強(qiáng)了各回路的水循環(huán)，確保鍋爐換熱管壁不超溫。

考慮到停電后，爐內(nèi)的高溫?zé)煔庖矔?huì)對爐膛管壁有傳熱的情況出現(xiàn)，爐膛的容積是128立方米，假設(shè)爐膛煙溫從1100°C降到350°C，煙氣冷卻，煙氣的體積會(huì)明顯縮小，冷空氣會(huì)補(bǔ)充進(jìn)來相互中和，這時(shí)煙氣將釋放約5000kcal，此熱量直接把水加熱，爐膛水容積為4立方米，煙氣的余熱將水溫整體提升1.4°C?？梢姛煔鈱λ募訜崃肯喈?dāng)有限。

4.5 水動(dòng)力分析結(jié)果

根據(jù)以上分析對鍋爐水循環(huán)進(jìn)行計(jì)算，綜合計(jì)算結(jié)果表明：

①在額定工況下鍋爐水循環(huán)是可靠安全的。

②在非額定工況1-5下，管子內(nèi)最小流速：

1）前墻 工況4 （介質(zhì)向下流動(dòng)） Wmin=1.1m/s；

2）后墻 工況4 （介質(zhì)向上流動(dòng)） Wmin=1.5m/s；

3）側(cè)墻 工況4 側(cè)墻第一管組數(shù)據(jù)（介質(zhì)向上流動(dòng)）第一根 Wmin=0.710m/s；

4）側(cè)墻 工況4 側(cè)墻第二管組數(shù)據(jù)（介質(zhì)向下流動(dòng)）第二根 Wmin=1.159m/s；

5）省煤器管 工況4 （介質(zhì)水平流動(dòng)） Wmin=0.87m/s。

以上數(shù)據(jù)滿足最小流速安全工況：（按經(jīng)驗(yàn)保守?cái)?shù)據(jù)）

向上 W>0.5m/s ，向下W>1.0m/s，水平 W>0.7m/s[3]。

5 結(jié)束語

由于本鍋爐的工作壓力為亞臨界壓力，同時(shí)鍋爐出水溫度較高，整個(gè)系統(tǒng)的定壓非常關(guān)鍵。鍋爐系統(tǒng)要保證鍋爐管道的足夠壓力，從而避免鍋爐的爐水因壓力下降而產(chǎn)生汽化的危險(xiǎn)。另外，鍋爐循環(huán)水的流量控制一定要得到保證，這也是避免鍋爐的爐水因循環(huán)水量的不夠而產(chǎn)生汽化的危險(xiǎn)。

目前該鍋爐已交由客戶使用2年有余，運(yùn)行狀況良好，水循環(huán)安全，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

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