116MW燃天然气强制循环热水锅炉开发.pdf

1 2 工业锅炉 2 0 1 1 年第 5期 总第 1 2 9期 文章编号 1 0 0 4 8 7 7 4 2 0 1 1 0 5 1 2 - 0 5 1 1 6 MW 燃天然气强制循环热水锅炉开发 朱 霞 南通万达锅炉有限公司， 南通 2 2 6 0 0 5 摘要 简单介绍了自主开发的国内最大容量 1 1 6 M W燃天然气强制循环热水锅炉的设计 开发、 主要特点及其运行情况。 关键词 热水锅炉 ； 燃天然气 ； 强制循环 中图分类号 T K 2 2 9 ． 8 文献标识码 A De v e l o p me n t o f 1 1 6 M W Na t u r a l - g a s - fir e d Fo r e e d Ci r c u l a t i o n H0 t W a t e r Bo i l e r ZHU Xi a N a n t o n g Wa n d a B o i l e r C o ． L t d ， N a n t o n g 2 2 6 0 0 5 ， C h i n a 作 者 简 介 朱 霞 1 9 6 9一 ， 高级工程 师， 1 9 9 0年毕业于西 安交通大学锅炉专 业 ， 双学士， 毕业 后 一 直 从 事 锅 炉 及 压 力容器的研发工作。 Ab s t r a c t T h e l a r g e s t c a p a c i t y o f n a t u r a l g a s fi r e d h o t wa t e r b o i l e r i s 1 1 6 MW i n C h i n a ，b r i e fl y i n t r o d u c e s t h e s e l f d e s i g n e d 1 1 6 MW f o r c e d c i r c u l a t i o n b o i l e r a n d i t s o p e r a t i n g s i t u a t i o n，e x p l a i n s t h e ma i n c h a r a c t e r s o f t h e b o i l e r ． Ke y wo r d s h o t wa t e r b o i l e r ； n a t u r a l - g a s - fir e d；f o r c e d c i r c u l a t i o n O 前 言 天然气是一种清洁、 优质、 高效 的燃料 ， 可有效 解决锅炉燃煤排放物与环境污染 间的矛盾 。随着我 国改革开放 的不断深化、 国民经济 的高速发展和对 环保要求的不断提高 ， 国内有许 多大 中城市特别是 像北京市在环保方面的投入越来越大 ， 集 中供热已 势在必行。西气东输工程的成功实施 ， 为采用大容 量燃气锅炉进行集中供热提供了有利条件 。目前国 内在用 的燃 天 然 气 热水 锅 炉 的最 大 容 量 为 1 1 6 MW， 锅炉 的形式既有从 国外引进的炉型 ， 也有 国内 锅炉厂家 自主研发的产 品。本公 司顺应市场形势 ， 适时开发了满足市场需要的、 具有 自主知识产权的 1 1 6 MW 强制循环燃 天然气热水锅炉 ， 并 做到当年 开发 、 当年生产安装、 当年运行 ， 取得 了很好 的社会 效益和经济效益。本文就该型号锅炉的研发及运行 情况作一简单介绍。 1 锅炉规范及设计燃料 1 ． 1 锅炉规范 锅炉型号 Q X S 1 1 6 _2 ． 4 5 ／ 1 5 0 ／ 9 0 --Q 锅炉热功率 1 1 6 MW 锅炉出口热水压力 2 ． 4 5 M P a 锅炉出 口热水温度 1 5 0 o C 锅炉 回水温度 9 0℃ 锅炉循环水量 1 6 4 0 t ／ h 冷空气温度 0 o C 热空气温度 约 6 0℃ 锅炉负荷调节范围 3 0 ％ ～1 0 0 ％ 锅炉热效率 9 4 ％ 锅炉本体排烟温度 约 1 1 0 o C 本体出口 锅炉机组排烟温度 约 1 0 0℃ 节能器出 口 1 ． 2 设计燃料 锅炉的设计燃料为天然气 ， 收到基低位热值为 3 3 ． 9 3 M J ／ m 标态 ， 其体积成分如表 1 。 表 1 天然气成 分 名称 C H 4 C 2 H 6 C 3 H 8 n C 4 Hl 0 i - C 4 Hl 0 n 一 lHl 2 i - C 8 Hl 2 N 2 体积 组分 9 4 ． 9 5 1 4 ％ 2 ． 5 8 5 7 ％ 0 ． 4 2 5 7 ％ 0 ． 0 7 5 7 ％ 0 ． 0 7 4 3 ％ 0 ． 0 1 0 0 ％ 0 ． 0 2 8 6 ％ 0 ． 6 0 2 9 ％ 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 1 1 6 MW 燃天然气强制循环热水锅炉开发 1 3 2 锅炉 结构与设计 2 ． 1 锅炉结构 锅炉采用全膜式壁结构 ， 不设锅筒 ； 尾部烟道布 置有两级蛇形管省煤器 ， 上级为光管， 下级为螺旋翅 片管 ， 立式管式空气预热器布置在省煤器下方 ， 热风 道布置在锅炉的底部 ， 应用户要求 ， 在排烟管道上还 配置了节能器 ； 3台燃烧器前墙正三角布置 ； 锅炉为 自承式结构 ， 室内布置 ， Ⅷ度地震烈度设 防； 锅炉按 微 正压设计 。锅炉总图如图 l 。 锅炉为强制循环 。锅炉的回水 由左 、 右侧水冷 壁下集箱的端部进入 ， 在炉膛 内一次上 升， 汇集 到 前 、 后水冷壁的上集箱， 然后分散进入尾部的侧包墙 和后包墙管组 ， 并汇集到后包墙的下集箱 ， 再分别进 入省煤器进 口集箱和悬 吊管 ， 省煤器蛇形管和悬 吊 管的出水在省煤器出 口集箱汇集后进入汇水集箱 。 锅炉水循环流程如图2 。 f I 千n 。 耍 i _ lJ _- 卫 _ 一 { 一 _ H H 炉 膛 l 炉 膛 辍 H 燃 烧 器 ＼ H ；j 吝 三 l j ＼ ＼ 燃烧器 i 霉 l _ H m 坚 r l ～ - 螺旋翅片管省煤器 厂一j_J L1__ 、 L J j 广 空 气 预 热 器 { ‘l 【 虐 ； r1 毋 I ’f ＼ 、 图 锅炉 总图 } 热 水 l I I I I }}}} l 悬 吊 管 {[ 集 集 箱 省 煤 器 出 口 集 籍 l f 省堞器进口集箱 l{ 左 侧 包 墙 下 集 箱 后 包 墙 下 集 葙 。 l 右 侧 包 墙下 集 箱 } l 廿乩 H 肚 l l 图 M w 锅炉水循环流程图 ． 锅炉基本尺寸 炉膛宽度 两侧水冷壁中心线间距 炉膛深度 前后水冷壁中心线间距 锅炉最高点标高 连接管 中心线 1 7 5 运转层标高 左右外柱 中心线间距 前后外柱 中心线间距 2 ． 3 锅炉设计计算数据 锅炉计算数据汇总如表2 、 表3 、 表4 、 表 5 。 表 2 锅炉主要技术经济指标 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 工业锅炉 2 0 1 1年第 5期 总第 1 2 9期 1 烟气阻力 一4 6 ． 6 1 7 2 ． 9 1 6 3 ． 2 3 9 6 ． 8 2 7 7 ． 8 2 6 5 ． 7 1 3 2 3 ． 0 2 空气阻力 3 0 0 0 一 一 一 3 7 9 一 一 2 5 0 3 6 2 9 3 锅炉基本结构 3 ． 1 炉膛 炉膛 四周 由膜式 壁构成 ， 炉膛宽 6 8 0 0 m m， 深 7 1 2 0 m m， 前后水冷壁的上下集箱的标高差 1 2 0 0 0 m m。膜式水冷壁管子规格为 6 6 o 5， 管子节距 8 0 m mO 前后水冷壁共 同与一根上集箱 汇集集箱 和 一 根下集箱 分配集箱 组成 管组 ， 上集箱规 格为 6 5 3 o 2 0， 下集箱规格为 2 6 2 0 。 左右侧水冷壁 的下集箱 分配集箱 与前后水 冷壁下集箱的连接管为 4, 3 2 5 3 0 ， 上集箱 汇集集 箱 与前后水冷壁上集箱的连接管为 1 9 8 ， 共 4 根。上下集箱规格分别为 4 ,3 7 7 x 1 6和 7 7 2 0 。 3 ． 2 尾部包墙 尾部 包 墙 的 四周 均为 膜 式水 冷 壁 ， 宽 6 8 0 0 m m， 深 3 8 8 0 m m。侧包墙管规格为 4, 7 3 8 ， 节距为 9 7 m m； 后包墙管规格为 25 ， 节距 为 8 5 ． 5 m m； 炉膛后水冷壁兼作尾部前包墙用 。 3 ． 3 省煤器管组及悬吊管 省煤器管组采用蛇形管结构 ， 均为 5根并绕 ， 顺 列布置， 共 7 8片， 横向节距 8 5 ． 5 m m， 上级省煤器管 为 4, 3 8 3的光管 ， 下级省煤器采用 4, 3 8 3的螺旋 翅片管 ， 翅片节距为 7 ． 5 mm， 高度为 1 2 mm， 厚度为 1 mm； 悬吊管为 2 5 ， 共 7 8根。为了平衡省煤器 蛇形管和悬 吊管之间的水流量 水阻力 ， 悬 吊管汇 集集箱和省煤器 的上集箱 汇集 集箱 之间采用 4 根 4, 7 6 5的小 V I 径管连通 。 悬 吊管固定在包墙顶部的支撑横梁上 ， 而支撑 横梁架在两侧包墙的上集箱上， 7 8片省煤器管组全 部挂在7 8根悬吊管上。悬吊管承担省煤器的全部 重量 ， 尾部侧包墙支撑悬 吊管 和整个省煤器管组 的 重量 。 3 ． 4 空气预热器 省煤器下部为立式管式空气预热器 ， 共 4个管 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 1 1 6 MW 燃天然气强制循环热水锅炉开发 1 5 箱 ， 管箱高度为 2 ． 3 m， 管子规格为 6 4 01 ． 5， 材质 为 0 9 C u P C r N i A。设计冷风温度为 0℃ ， 热风温度 为 5 0～ 6 0℃。空气侧装设有防振隔板。空气预热 器装有胀缩接头， 用于补偿热态下的膨胀。 3 ． 5 节能器 为尽可能降低排烟温度， 提高锅炉热效率， 节约 宝贵的天然气能源 ， 应用户要求 ， 在锅炉的排烟管道 上设置 了一个节能器 气／ 水换热器 。节能器的结 构类似锅炉 的螺旋翅 片管省煤器 ， 管径 3 83 ， 翅 片节距 7 ． 5 m m， 高度 1 2 mm， 厚度 1 m m。节能器的 蛇形管为 2根并绕 ， 顺列布置 ， 共 3 2片 ， 横向平均节 距 1 0 5 mm， 纵向节距 1 2 0 mm。 回水由节能器下集箱 的端部进入 ， 从上集箱 的 另一端出来 ， 整体成 z字形流动。在 回水管道上装 了一个回水调节 阀 如图 2 ， 调节其开度 以保持节 能器的水流量在 1 0 0～1 3 0 t ／ h 。当水流量为 1 0 0 t ／ h 时 ， 管内水流速约为 0 ． 5 6 m ／ s 。 3 ． 6 燃烧器 每台锅炉在前墙正三角布置有 3台燃烧器 ， 上 下两层的中心间距为 2 8 0 0 mm， 左 右 2台的中心间 距为 3 2 0 0 m m。燃烧 室的结构综合考虑了燃烧器 火焰尺寸 、 炉膛容积热负荷 、 炉膛断面热负荷 、 炉膛 出口烟气温度等参数， 采用的设计数据能确保燃烧 稳定、 高效， 在任何运行工况下， 火焰不偏斜 ， 不直接 冲刷管壁 ， 保证锅炉安全可靠。 燃烧器为德 国扎克公 司生产的分体式低氮化物 气体燃烧器， 单台燃烧器的额定功率为4 5 M W， 适 用燃气压力为 0 ． 3～0 ． 4 MP a ， 燃烧效率不小于 9 9 ． 7％ 。 3 ． 7 钢架、 平台及其它 锅炉采用 自承式结构 ， 即锅 炉的全部重量由水 冷壁和包墙的下集箱支撑 ， 再通过集箱支座将锅炉 的重量传递到基础上 。锅炉外 围的小型钢柱只用于 支撑检修平台和扶梯 ， 不承受锅炉其他部件的重量。 炉膛水冷壁和尾部包墙沿高度方向布置有多层刚性 梁 ， 以增加整个 炉室的刚性。在锅炉需经常观察及 检修处均布置了各类门孑 L 以方便操作。为了锅炉外 表的整洁、 美观 ， 在炉墙保温层外侧全部覆盖 了瓦楞 板 。 3 ． 8 密封与炉墙 锅炉的密封和炉墙 十分重要 ， 尤其对正压运行 的锅炉， 它的严密性及保温性能将直接影响锅炉的 安全性 、 经济性及运行操作人员的人生安全 。 本锅炉各膜式水冷壁之 问用密封填块 、 扁钢或 圆钢焊接密封 ， 无法填充密封的地方 ， 则用密封罩壳 封闭 ， 防止炉膛、 包墙内烟气外泄伤人。完全密封的 炉膛和尾部包墙作为一个整体 向四周膨胀 ， 同时省 煤器的膨胀与尾部包墙 的膨胀基本上没有关联 ， 从 而使锅炉具有 良好 的密封性能 ， 既提高了锅炉运行 的经济性 ， 又保证了锅炉的安全可靠性。 3 ． 9 管路及附件 为确保锅炉安全运行 ， 设置了必要的安全阀、 监 察及检测仪器 、 仪表等附件 ； 在水系统各 回路的最低 点均设置 了放水排污管路 ； 在水系统各 回路的最 高 点设置了排气管路 ； 锅炉热水 出口布置集气罐 ， 将出 水所排气体汇集后统一排 出。 4 锅炉主要特点 1 采用全程强制循环方式 ， 水流程清晰简单 ， 水循环安全可靠 ， 可 以控制热力偏差和水动力偏差。 2 全部采用膜式壁结 构 ， 锅炉整体密封性能 好 ， 漏风小 ， 锅炉热效率高 ； 膜式壁能增强炉膛刚性， 提高锅炉的防爆能力； 膜式壁能采用轻型敷管炉墙， 减轻整个锅炉重量 ， 减小基础荷 载， 降低投资成本； 敷管炉墙蓄热量小 ， 停炉后散热快 ， 有利于锅炉的停 电保护。 3 在尾部增加 了空气预热器 ， 一来 可以降低 锅炉的排烟温度， 提高锅炉热效率， 二来有利于组织 起 良好的燃烧 ， 尤其是在环境温度很低的情况下 ， 能 加强燃料 的燃烧和燃尽 ， 提高燃烧效率 。 4 采 用 自承式结 构 ， 金属耗量 低 ， 占地 面积 小 ， 节约投资成本。 5 合理布置水循环 回路 ， 保证管 内流速较 高 上升大于0 ． 6 m ／ s ， 下降大于 1 ． 5 rn ／ s 以冷却受热 面 ， 不布置外部下降管 ， 使锅炉结构简单 、 紧凑 。 6 通过设 置并 串联 回路、 锅炉本体循环 回路 和回水旁路系统， 使锅炉能适应各种不同的运行工 况 ， 保证锅炉出水温度的稳定。 5 设计 中的相关要点分析 5 ． 1 锅炉的停电保护 对于强制循环 的热水锅炉 ， 一旦突然停 电或循 环系统或循环水泵发生故障 ， 管子中的水不再流动 ， 由于炉内的余热 ， 水温会不断上升， 直至饱和 ， 甚至 产生水蒸气 ， 在锅炉重新启动或注入较低温度 的水 时， 就会发生“ 气塞” 和 “ 水击” 现象 ， 轻微的“ 水击” 表现为锅炉震动和有金属锤击声 ， 严重 的“ 水击 ” 会 使锅炉发出强烈的金属锤击声和剧烈震动 ， 甚至给 锅炉造成严重的破坏。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 工业锅炉 2 0 1 1 年第 5期 总第 1 2 9期 炉内的余热来源一般包括未燃尽的燃料、 锅炉 金属材料的蓄热 、 炉内耐火材料的蓄热等。与 固体 燃料不同 ， 燃气锅炉一旦遇到停 电或循环系统或循 环水泵故障， 或水温超过最高限值 ， 自控系统会立即 关闭燃烧器和切断燃料 的供应 。因此， 燃气锅炉 内 的余热仅来 自金属和耐火材料的蓄热 。 本锅炉炉膛水容量约为 1 6 ． 2 t ， 炉膛金属材料 重量约为 5 2 t ， 炉膛 内耐火材料重量约为 1 4 t 。当锅 炉在满负荷运行时突遇停 电， 炉内的金属和耐火材 料 的蓄热量大于将锅水加热到饱和温度所需要的热 量 ， 但这个过程在理论上需要将近 1 个小时， 也就是 说 ， 锅炉操作人员有 4 O～5 0分钟 的时间来处理故 障。锅炉操作人员在这个 时间内不能离开现场 ， 必 须按照有关操作规程进行处理 。当供电恢复后 ， 锅 炉重新启动时应小负荷和小流量 ， 逐步恢复运行 。 5 ． 2 温度偏差的控制 按照锅炉的水流程图， 炉膛前后 、 两侧水冷壁管 组并联 ， 尾部的两侧包墙与后包墙并联 ， 省煤器管组 与悬吊管并联 ， 由于吸热、 结构和水动力等多方面原 因， 并联系统各 自的水流量和出口水温并不一致 ， 具 体数据如表 4 。 对于热水锅炉 ， 特别是强制循环的热水炉 ， 各水 冷壁的水温是不可能一致的， 膜式水冷壁的管壁和 鳍片的温度也都是不一样的， 因此 ， 各元件问的热膨 胀偏差不可避免 ， 但只要热膨胀偏差所产生的热应 力不超过材料的屈服强度 ， 锅炉仍是安全 的。本锅 炉为控制各元件 问的温度偏差采取 了以下主要措 施 1 根据烟气 温度 和热流 密度 ， 选取安全 的膜 式壁管子节距 ， 以控制管壁和鳍片间的温差； 2 进行详尽 的水 动力计算 ， 将各并联管组 的 出口水温偏差控制在 1 O 以下 ； 3 采用蛇形管省煤器 和悬 吊管结构 ， 将省煤 器 的热膨胀与水冷壁分开处理 ； 4 减少锅炉热膨胀 时的阻碍， 所有需要滑动 面均加装特氟龙板 ， 以减小摩擦力。 5 ． 3 复式循环 系统 除系统循环泵 以外 ， 本锅炉系统增设 了锅 炉循 环泵 ， 即采用复式循环系统 ， 它具有下列优点 1 由于锅炉的水循环本身可以 自行调节， 所 以无论锅炉对外供水 量如何变化 ， 无需复杂的控制 设备 ， 都能确保锅炉 自身 的水流量始终大于锅炉 的 最小安全循环水量， 并使锅炉 自身的水流量在一定 的流量范围内保持不变 。 2 如果系统循环忽然停顿时 ， 锅炉 循环泵还 能在一定的时问内继续保持锅炉内水 的循环 ， 从膨 胀水箱或锅炉出口取水 ， 送至锅炉进 口， 然后再送至 膨胀水箱或锅炉出 口。 3 系统循环泵 的转速可任意调节 ， 而不会 对 锅炉本身的水循环产生不利的影响。 4 在锅炉启动 阶段或调试 阶段 ， 可以不启动 系统循环泵 ， 仅利用锅炉循环泵保持锅炉的水循环 ， 在锅炉的水温达到一定参数后再并 网供热。 5 ． 4 膜式壁顶端承重的稳定性校核 本锅炉尾部悬 吊管固定在包墙顶部 的支撑横梁 上， 而支撑横梁架在尾部侧包墙的上集箱上， 省煤器 管组全部挂在悬 吊管上， 悬 吊管承担省煤器管组的 重量 ， 尾部侧包墙则支撑悬 吊管和整个省煤器管组 的重量 总约 1 2 0 0 k N ， 那么， 侧包墙膜 式壁是否 会因失稳而变形呢 ， 本设计采用 了材料力学 的基本 知识 ， 把侧包墙膜式壁简化为顶端承压的细长直杆 ， 根据材料力学中有关压杆稳定的知识来计算并校核 膜式壁顶端承重的稳定性。缩短压杆长度， 可以减 小压杆的长细比， 使压杆基本许用应力的折减系数 增大 ， 然后校核压杆的计算应力应在安全范围以内。 本锅炉中尾部侧包墙布置的刚性梁数量比较多就是 基于此计算 。 6 锅炉测试结果 本锅炉安装于北京某锅炉房 ， 2 0 1 0年 1 0月投 入运行 ， 用户反映运行情况 良好。本锅炉于 2 0 1 i年 1 月经中国特种设备检测研究 院测试 ， 结果表 明 锅 炉出力为 1 1 3 ． 1 5 MW， 锅炉热效率为 9 3 ． 3 ％ ， 排烟 温度 1 1 2 ． 9 5 o C， 排烟处过量空气系数为 1 ． 1 。 7 结束语 根据锅炉的实际运行情况及有关机构的测试结 果 ， 初步判定 本锅炉产品的 出力、 热效率 、 排炯温 度、 排烟处过量空气系数等基本达到了锅炉设计指 标要求 。同时 ， 在锅炉运行中也发现了如管道震动 、 空气预热器低温腐蚀等一些问题 ， 厂家正在与用户 一 起分析原 因， 制定相应的改进措施 ， 逐步完善、 优 化产品总体性能， 为市场提供更加优质的产品。强 参考文献 [ 1 ]J B ／ T 8 6 5 9 --1 9 9 7热水锅炉水动力计算方法[ S ] ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m