1.4 MW真空相变锅炉的设计.pdf

研究与开发 1 ． 4 MW 真空相变锅炉的设计 2 7 文章编号 1 0 0 4 8 7 7 4 2 0 1 5 0 1 - 0 0 2 7 - 0 4 1 ． 4 MW 真空相变锅炉的设计 岳 东方 青 岛骏鹏石化设备制造有限公司， 山东 青 岛 2 6 6 1 1 1 摘要 根据用户需求和真空相变锅炉的原理 ， 设计了 1 ． 4 MW 燃气真空相变锅炉， 介绍了 该锅炉的结构特点以及热力计算。 关键词 真空相变 ； 锅炉 ； 设计 中图分类号 T K 1 7 5 文献标识码 A De s i g n o f 1 ． 4 M W Va c u u m Ph a s e Ch a ng e Bo i l e r YUE Do n g f a n g Q i n g d a o J u n p e n g P e t r o c h e mi c a l E q u i p m e n t M a n u f a c t u r i n g C o ．L t d ． ， Q i n g d a o 2 6 6 1 1 1 ， S h a n d o n g ， C h i n a Abs t r a c t I n t r o du c e s t h e s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d t he r mo d n a mi c c alc u l a t i on o f t h e 1． 4 MW g a s b u r n i n g v a c u u m p h a s e c h a n g e b o i l e r d e v e l o p e d b a s e d o n t h e u s e r S n e e d s a n d v a c u u m p h a s e c h a n g e b o i l e r t h e o r y ． Ke y wo r d sv a c uum p has e c han ge；boi l e r；de s i gn O前言 相变锅炉是根据水吸热蒸发、 水蒸气冷凝放热 的相变换热原理设计 的“J 。相变锅炉通过在锅筒 的蒸汽空间中加装换热器而成 ， 燃料燃烧产生高温 烟气， 高温烟气通过受热面与锅壳内的水进行换热， 水吸热后转变为蒸汽 ， 蒸 汽通过锅筒 中安装的换热 器 ， 将热量传递给换热器中的介质 ， 蒸 汽冷凝为水 ， 水在重力作用下滴落回水空间 ， 继续吸热蒸发 ， 在锅 内往复循环 。利用蒸汽冷凝 相变 时的强烈换热 ， 使换热器管束受热面积大幅减小， 是相变锅炉经济 性的基础。本文以 1 ． 4 MW 真空相变锅炉为例 ， 介 绍了该类型锅炉的设计思路和结构特点。 1 相变换热锅炉 的结构 、 特点 1 ． 1 相变换热锅炉的结构 卧式燃气真空热水锅炉的整体结构与普通卧式 燃气锅炉一样， 由燃烧室与传热管组成； 其锅壳内装 有传热工质， 锅壳上部为真空室， 其中安装了热交换 器。由于锅炉整体是在负压状态下运行， 故绝对安 全。锅内的传热工质， 在锅炉运行的全过程 中， 不 进 、 不出 、 不增 、 不减 ， 在锅炉的传热管与热交换器之 间传递热量。锅内的传热工质一般是完全脱氧的纯 收稿 日期 2 0 1 4 -0 5 - 2 2 作者 简介 岳 东 方 1 9 7 7一 ， 女 ， 工 程 师 ， 工 学 硕 士 ， 2 0 0 5 年毕业于青岛科技 大学， 从事锅炉设计 工作。 净水 ， 无腐蚀 、 无水垢 ， 使锅炉寿命长达 2 0多年。真 空锅炉采用安装在锅壳上的真空阀来调节锅壳内压 力 ， 该真空阀设计有足够的泄放面积并且在微正压 状态下阀芯即起跳。运行过程中锅壳 内蒸汽压力始 终保持在 一 0 ． 0 1 0 M P a 。当锅壳内压力高于真空 阀设定的起跳压力 ， 真空阀打开， 自动进行排空 ， 水 蒸气携带着锅壳 内原有 的空气 主要是不凝气体 高速排出。当锅壳内压力低于真空阀起跳压力后 ， 真空 阀阀芯回位 ， 真空 阀关闭。使锅壳内始终保持 在真空状态。 我公司应客户的需求设计开发了 1 ． 4 MW 燃气 真空相变热水锅炉 Z K S 1 ． 4 ． 7 ／ 8 5 ／ 6 0 一Q， 其 技 术参数如下 锅炉额定功率 1 ． 4 MW 管程额定 出水压力 0 ． 7 MP a 壳程 真空度 一 0 ． 0 1 0 MP a 额定 回水温度 6 0℃ 额定出水温度 8 5℃ 燃料种类 天然气 低位发热值 3 5 5 6 4 k J ／ m 设计热效率 9 2 ％ 排烟温度 1 3 5 o C 该锅炉的本体结构如图 1所示。主要 由底座 、 锅壳 、 炉胆 、 烟管 、 换热器等部件组成 。该锅炉采用 中心 回燃结构 炉胆部分采用波形炉胆 ， 有效地吸收 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 工业锅炉 2 0 1 5年第 1 期 总第 1 4 9期 炉胆受热产生的轴向膨胀； 烟管采用螺纹烟管 ， 增强 了烟气紊流 ， 提高了烟管的传热系数 ； 燃烧器火焰在 炉胆中发生辐射换热 ， 破坏了层流边界层 ， 燃烧产生 的高温烟气进入螺纹烟管进行对流换热后从烟囱中 排出； 蒸汽空间中的换热器吸收蒸汽的凝结放热 ， 将 换热器内的工质加热至设计温度。 l 一 底 座2 一 锅 壳3 一 炉 胆4 一 烟 管5 一 换 热 器6 ～ 烟气 出 口 图 1 锅炉结构 图 1 - 2 相变换热锅炉的特点 烟气侧的传热系数按公式 2 ． 1 高 效节 能 利 用蒸 汽凝 结 换热， 有 效地 提高 0 ． 0 1 4 4 o -9 2 0 旱 - 0 ．0 8 旱 m ” z 了热效率 ， 换热性能好。 2 采用软化水做介质 ， 无腐蚀 、 不结垢 ， 热交 2 换器采用不锈钢材质。 式中 传热系数 ， W／ m‘ ℃ 3 机组负压运行 ， 安全可靠 。 ． 速 ， H 。 4 结构紧凑， 减少占地面积， 节省空间。 d n 烟管内径一 ． 5 该设备作为常压容器使用 ， 可不 受 锅炉 u 烟气平均温度运动粘度 ， m ／ s 安全技术监察规程 监察 。 p 螺纹节距 ， m 2 主 要 参 数 的 确 定 笔 导 热 系 数 ， 2 1 炉膛出口温度的确定 W／ m． q C 以天然气或油为燃料， 炉膛出口温度 0 按公 通过上述公式， 可以 计算得出炉胆、 烟管尺寸以 式 1 计算 及相应的面积。 ％ ，、 2 ． 3 总传热系数 的确定 0 一 一 ． 一 27 3 f 1、 。 西 l ≮7 尔 _戢 日 啪 巴 5． 6 7 1 0 蜊b 0 】 、 0 6 。 2 ． 3 ． 1 换热器管内对流传热系数 Ⅲ B j ’ 根据 已知条件求水 的物理性值 水 的平均温度 式中 炉膛出口温度， K t ／ 2 ， 据此查得水的物理特性值 A 、 P r ， 计 理论燃烧温度 ， K 算雷诺数 R e w d ／ v 修正系数 1 湍流R e 1 0 0 0 热有效系数 换热器 内水 的对流传热系数 炉膛辐射受热面积， m 。 0 ． 0 2 3 R e P r A ／ d a 1炉膛黑度 2 过渡流R e 2 3 0 0 ～ 1 0 o 0 o 保热系数 换热器 内水的对流传热系数 计算燃料消耗量 ， k g ／ h 0 [ 1 0 ． 0 2 3 1 61 0 ／ R e R e P r A 1 ／ d 炉膛容积， in 3 层流 2 3 0 0 2 ． 2 螺纹烟管对流传热系数的计算 换热器内水的对流传热系数 由于该真空相变锅炉采用螺纹烟管， 因此计算 N u 1 ． 8 6 R e P r d ／ L 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 1 ． 4 MW 真空相变锅炉的设计 2 9 式中t 、 t 2 分别为回水温度和出水温度， ℃ A 导热系数 ， w／ m o C P ， 普朗特数 ‘ ＆雷诺数 d 管 内径 ， i n 管长 ， m 流体平均温度下的粘度 ， P a S 管壁温度下流体的粘度， P a s 2 ． 3 ． 2 换热器管外凝结换热系数 ， 对于横管外的膜状凝结， 选用经典的努赛尔特 N u s s e l t 模型 ] ， 平均凝结换热系数 的计算式为 z 7 2 5 [ ／ z l n a t t ] ⋯ 4 一 式 中n 垂直列上的管数 d 横管外径 ， m t 、 t w 分别为饱和水温度和管壁温度 ，c I r _ _ 一 汽化潜热 ， k J ／ k g p 一饱和水密度 ， k g ／ i n A 饱和水导热系数 ， w ／ m ℃ 饱和水黏度， k g ／ m s 总传热系数 K ， w／ m o C 5 十 十 十 O t 1 A ， 式中O l 管外凝结放热系数 ， W／ m - o C 管 内工质的放热系数 ， W／ i n ℃ R 污垢热阻， In oC／W 管壁厚度 ， I l l A 金属导热系数 ， W／ IT I o C 4 换热器传热面积 日 的确定 H m 6 式中Q 传热量， w 传热系数 ， w／ m ℃ △ 对数温差 ．。 t 一 t 1 一 t 。 ～ t 2 ～ l n t s t 2 2 ． 5 换热器管长的确定 ‘ 根据公式 Hn c r d L得出。 2 ． 6阻力计算 该真空锅炉阻力分为两部分 ， 一部分为换热器 的阻力 ， 另一部分为壳程的阻力。本文主要介 绍换 热器阻力计算。换热器管程及壳程的流动阻力， 常 常控制在一定允许范围内。若计算结果超过允许值 时， 则应修改设计参数或重新选择其他规格的换热 器。流动阻力依据操作压力不同而有所差别， 一般 地， 对液体， 其压力降在 0 ． O 1 ～ 0 ． 1 M P a 范围内； 对 气体 ， 一般为 0 ． 0 0 1 0 ． 0 1 MP a 左右。表 1为换热 器压力降计算公式， 表 2为管壳式换热器允许的压 力降范围。 表 1 换热器压力降计算公式 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 o 工业锅炉 2 0 1 5年第 1期 总第 1 4 9期 3 、管 ZKS I - -o Q 真 空 相 变 锅 炉 ’ 警 翥 ’ 击 一 ＼ l J’儿 、， 0 ， L yr ，y ／I、，lJ l J 、L， 几、 HJ／J ，口u ， 1 ⋯ ,T g m 蠢 柰 鬟 羹 等 嚣 鍪 鳌 票 璺 据 上 述 计 算 公 式 ， 该 真 空 相 二 为 高 盖 磊 ，二 变 J炉 竺 算 结 果 如 下 ， 气 一 1 5 6一 - 1 4 8 “ x 2 4 ” x 3 、 0 一 5 ， 7 ’， 曩 要 一 6 4 5 m N⋯ 2 ．4 “ ／ m 标 态 计 算 ， 一 个 月 节 约 燃 孽 3 5 m 2 ， 5 7 6 0 r j l i． 3 8 2 果 ～ ” 、 换热器总面积 5 1 m ． ⋯⋯⋯ ⋯ 负荷 进V I 水温 出口水温 循环水流量 燃气耗量 排烟温度 真空度 热效率 ／ ％ ／ c C ／ ℃ ／ n l h ／ r i l h 。 标态 ／ ℃ ／ MP a ／ ％ 1 ． 4 M W 真空锅炉现场测试 的数据 与设计值基 本吻合 ， 运行状态 良好 ， 满足用户的需要 ， 节能效果 显著 ， 体现 了真空相变锅炉的优点 ， 以燃气为能源的 真空热水锅炉 ， 具有广阔的市场应用前景 。强 参考文献 [ 1 ] 张雪岩 ， 祁红卫 ， 李月梅， 等 ． 1 4 M W 冷凝式真空锅炉的 研制开发[ J ] ．工业锅炉 ， 2 0 1 3 1 1 7 2 1 ． [ 2 ]李之光， 王昌明． 新型水火管锅壳锅炉开发十七年技术 总结[ J ] ．工业锅炉， 2 0 0 1 1 1 1 3 ． [ 3 ]顾利平， 邵金平． S Z L 1 ． 2 0 ． 4 一AⅡ型相变换热加热炉 的研制[ J ] ．工业锅炉， 2 0 0 3 1 2 7 2 9 ． [ 4 ]张红岩， 赵明海．真空锅炉一一种新型的热水锅炉[ J ] ． 工业锅炉 ， 1 9 9 9 3 5 2 5 4 ． [ 5 ]杨世铭．传热学 第 2版[ M] ．北京 高等教育出版社 ， 1 9 8 0 2 4 2 ． [ 6 ]张宝康． 工业锅炉实用手册[ M] ．江苏 江苏科学技术 出版社 ， 1 9 9 1 2 6 2 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m