14MW新型角管式燃气锅炉设计开发.pdf

工业锅炉 2 0 1 5年第 5期 总第 1 5 3期 文章编 号 1 0 0 4 8 7 7 4 2 0 1 5 0 5 - 0 0 2 0 - 0 5 D O I 1 0 ． 1 6 5 5 8 ／ j ． c n k i ． i s s n l 0 0 4 8 7 7 4 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 0 4 1 4 MW 新型角管式燃气锅炉设计开发 沈利 明 ， 何旭 ， 赵 晓 东 ， 祁晓辉 ， 王 鹏 ， 赵钦新 1 ． 沈 阳军 区联勤部工程安装大队 ， 辽宁 沈阳 1 3 6 3 0 0 ； 2 ．西安交通大学 ， 陕西 西安 7 1 0 0 4 9 摘要 1 4 MW新型角管式燃气锅炉的设计开发成功地解决了当前锅炉市场上 S Z S型水 管式燃天然气热水锅炉存在的诸多问题 ， 其整体框架式 Ⅱ型结构、 膜式水冷壁阔容辐射受热面 和旗式无穿墙对流受热面及其优异的综合性能为我国水管式 中大容量燃天然气工业锅炉创新 发展 提供 了有益的参考 。 关键词 新型 ； 角管 ； 燃气 锅炉 ； 开发 中图分类号 T K 2 2 9 ． 8 文献标 识码 A Th e De v e l o p m e n t 0 f 1 4 M W Ne w Ty p e Co r n e r ． t u be Ga s - fir e d Bo i l e r s S HEN L i mi n g ，HE Xu ，ZHAO Xi a o d o n g ， Q I X i a o h u i ， WA N G P e n g ， Z H A O Q i n ． x i n 1 ． T h e E n g i n e e r i n g I n s t a l l a t i o n B a t t a l i o n o f P L A S h e n y a n g Mi l i t a r y A r e a S e r v i c i n g De p a r t me n t ，S h e n y a n g 1 3 63 0 0， Li a o n i n g， Chi na； 2 ．X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 4 9 ， S h a n x i ， C h i n a 第 一 作 者 沈 利 明 1 9 7 0一 ， 毕业于吉 林工业大学机械 制 造工艺及设备专业 ， 工程师 ， 现任 沈 阳军 区联 勤 部 工 程 安 装 大队一中队中队长 ， 长期从事锅炉制 造 管理工作 。 Ab s t r a c t T h e 1 4 MW n e w d e v e l o p e d c o r n e r t u b e g a s fi r e d h o t w a t e r b o i l e r s u p p l i e d a n s c h e me wh i c h s u c c e s s f u l l y s o l v e d ma n y d i ffic u l t i e s o f S ZS t y p e n a t u r a l g a s - fi r e d wa t e r t u b e h o t w a t e r b o i l e r s i n p r e s e n t ma r k e t ．Du e t o i t s wh o l e f r a me d H s h a p e s t r u c t u r e ，me mb r a n e wa t e r wa l l r a d i a t i o n h e a t i n g s u rf a c e w i t h l arg e v o l u me a n d fl a g t y p e c o n v e c t i o n h e a t i n g s u r f a c e wi t h n o t u be b u nd l e pe n e t r a t i n g t h e wa l l ，a l s o i t s e x c e l l e n t c o mp r e he n s i v e p e rfo r ma n c e ，i t g a v e a v a l ua bl e r e f e r e nc e s f o r t h e i n n o v a t i o n a n d d e v e l o p me n t o f me d i u m a n d l a r g e c a p a c i t y n a t u r a l g a s fi r e d i n d u s t 6 M b o i l e r s i n C h i n a ． Ke y wor d sne w t y pe；c o r ne r t u be；ga s - fir e d bo i l e r；d e ve l op m e n t O 引言 2 0 1 4年 5月 2 1日， 中国石油天然气集 团公 司 与俄罗斯天然气工业公 司签署协议期限长达 3 O年 的供气协议 ， 自 2 0 1 8年 起 ， 俄 方 向 中方 每 年供 应 3 8 0亿 m 天然气 ， 为 中国能源结构的升级和工业锅 炉的清洁燃烧创造了契机 ， 燃气锅炉的应用 和技术 发展将迎来新 的机遇。为此 ， 我队与西安交通大学 在 2 0 0 6年联合成功开发大容量 系列燃煤 角管式锅 炉的基础上进一步开发研制新型角管式系列燃天然 气锅炉。 近几年来 ， 随着经济社会的快速发展 ， 国家对锅 炉的安全和节能环保性能要求越来越高。2 0 1 0年 8 月 ， 国家 颁布 了 锅炉 节 能技 术监 督 管理 规 程； 收稿 日期 2 0 1 5 -07 1 4 2 0 1 2年 1 0月 ， 国家将原蒸汽和热水锅炉 、 有机热载 体炉三个规程合并后颁布 了 锅炉安全技术监察规 程； 2 0 1 3年 6月全 国人 民代表 大会常务委员会通 过了 中华人民共和国特种设备安全法， 首次将锅 炉的安全和节能环保性 能要求上升到 了法律高度 ； 2 0 1 4年 7月 ， 锅炉大气污染物排放标准 、 锅壳锅 炉 和 水管锅炉 等新国家标准开始实施。因此， 新型系列角管式燃天然气锅炉的开发设计理念就是 通过对当前国内外各种型式的燃气锅炉的结构和性 能进行综合 比较与分析 ， 以使新型锅炉具有安全可 靠与节能环保 的多重技术优势。 角管式锅炉是 由德 国研究水动力方 面 的专家 V o r k a u f 于 1 9 4 4年发明的 ， 锅炉容量在 国外 已发展 到 1 7 4 MW 2 5 0 t ／ h 以上， 在世界各发达国家中的 应用较为普遍 。为改变我 国工业锅炉整体技术水平 落后的现状 ， 推动我国工业锅炉的发展 ， 我国曾先后 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 1 4 MW 新型角管式燃气锅炉设计开发 2 l 两次从 国外先进 的工业化 国家 引进角管 式锅炉技 术 。在 2 0世纪 8 0年代 中期 ， 原上海 四方锅炉厂 即 开始从国外引进角管式锅炉技术， 2 0世纪 9 0年代 中期我国开始实施 G E F中国高效工业锅炉项 目， 第 二次从 国外引进角管式锅炉技术 ， 分别 由国内的三 家锅炉厂从丹麦 V o l u n d公司引进 1 0 t ／ h蒸汽锅炉 、 7 MW 和 5 8 M W 热水锅 炉等三个规格 的角管式锅 炉 。 1 S Z S型水管式燃气锅炉存在的问题 当前锅炉市场上燃天然气水管式锅炉结构大多 采用 S Z S型式 。S Z S型锅炉由上下锅简和对流管束 组成 ， 炉膛两侧 、 上下 和后 墙均采 用膜式水冷 壁结 构 ， 对流管束采用二 回程顺列布置居多 ， 也有采用一 回程结构 ， 如图 1所示。S Z S型锅炉最 突出的优势 就是锅炉结构较紧凑， 尤其是锅炉高度较低， 特别适 用于燃煤旧锅炉房的燃气改造 ， 因此 ， 该型燃气锅炉 在当前 国内应用较广 ， 锅 炉容量也在不断 向大型化 发展。但是 ， S Z S型水管锅炉 因受 自身结 构布置 的 限制 ， 无论在设计制造上还是在运行使用过程 中均 存在一定的问题 。 1 锅炉整体结构布置问题 1 一上 锅筒2 一对 流管束3 一下 锅简 4 一后墙水冷壁5 一侧墙水冷壁 图 1 S Z S型燃天然气锅炉结构简图 如图 1所示 ， S Z S型锅炉 因采用左 右 侧膜式 壁炉膛与右 左 侧双锅筒管束复合型结构布置， 整 体结构布置不均衡。锅 炉对 流受热面布置在上、 下 锅筒之间， 上 、 下锅筒均受热。密集 的对流管束不仅 使上 、 下锅筒的孔桥减弱系数较小 ， 锅筒厚度增加 ， 而且受对流管束及锅筒 环向焊缝 的影 响， 对流管束 侧墙和前后墙较 难采用 同一规 格 的膜式 壁进行密 封 ， 尤其是炉膛前后墙更难密封 。因此 ， 此种型式锅 炉 的炉膛和对流管束只能采用多种规格膜式壁进行 密封 ， 且膜式壁 的手工焊接量较大。不仅如此 ， 受对 流管束节距和筒体 焊缝 的影 响， 对流管束 四周膜式 壁管问局部节距较大 ， 高负荷运行时在 炉膛 出口附 近高温区的膜式壁扁钢存在过热烧损的安全隐患， 易产生高温烟气泄漏 问题。 2 锅炉水循环问题 S Z S型锅炉采用强制水循环方式 ， 在上 、 下锅筒 内设置隔水挡板 ， 锅炉水冷壁和对流管束 内的水按 隔水挡板位置上升或下降流动。由于存在下降流动 受热面循环回路 ， 在锅炉运行负荷较高 的炉膛水冷 壁和炉膛出 口窗部位的对流管束等部位易产生水循 环故障 ， 尤其是 S Z S型锅炉所特有 的采用异形结构 布置的后墙水冷壁处， 更易产生水循环问题。 3 锅炉环保性能问题 S Z S型锅炉因结构 紧凑且高度较低 ， 炉膛 容积 相对较小 ， 辐射受热面积布置相对较少。因此 ， 炉膛 容积热负荷和炉膛内平均温度较高 ， 为 N O 的生成 创造了有利条件 ， 锅炉的环保性能相对较差。 4 对流管束振动问题 S Z S型锅炉对流管束布置在上、 下锅筒之间， 管 束均采用立式布置 ， 稳定性较差 。同时 ， 和燃煤锅炉 相比， 燃气锅炉对流管束 内烟气速度较 高。锅炉容 量越大， 这些 问题也越突出。因此 ， 已投运 的 S Z S型 锅炉普遍存在对流管束振动 问题 ， 其 中有些型号锅 炉振动不明显 ， 多数振动较为 明显。锅炉振动不仅 噪声较大 ， 而且影响锅炉 自身稳定性和可靠性 ， 严重 时会导致对流管束开裂。 5 锅炉运行维护问题 如图 1所示 ， 锅炉管束位于上、 下锅筒之间 ， 采 用多排顺列 或错列 结构 ， 检修与维护极其 困难 。 为了彻底避免当前 S Z S型燃气锅炉存在的诸多 问题 ， 我队与西安交通大学于 2 0 1 3年联合开发了新 型 1 4 MW 角管式燃天然气热水锅炉。 2 锅炉的基本设计参数 本锅炉的基本设计参数如表 1 所示 。 表 1 锅炉基本设计参数 与设计燃料 名称 数值 额定热功-3 ／ MW 工作压力／ MP a 出水温度／ ℃ 回水温度／ ℃ 设计效率／ ％ 设计燃料 燃烧器型号 1 4 1 ． 2 5 11 5 7 0 9 4 天然气[ Q 。 3 5 ． 6 MJ ／ m 标态 ] BCS4 1 4 3 结构特性简介 新型 1 4 M W角管式燃天然气热水锅炉总体布 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 工业锅炉 2 0 1 5年第 5期 总第 1 5 3期 置如图 2所示。锅炉主要 由燃烧器 、 锅炉本体和节 能器等三部分组成。锅炉本体采用角管式结构 ， 单 台燃烧器布置在锅炉前墙 ， 锅炉尾部布置烟气冷却 器 ， 也称节能器 。锅炉热力计算汇总如表 2所示。 1 一燃烧器2 一锅炉本体3 一烟气冷却器 节能器 图2 新型 1 4 M W 角管式燃天然气锅炉总体布置图 表2 锅炉热力计算汇总 3 ． 1炉膛及对流烟道 该锅炉整体为框架式 n型结构， 前部为炉膛 ， 后部为对流烟道 ， 形成膜式水冷壁 阔容辐射受热面 和旗式无穿墙对流受热面， 如 图 3所示 。炉膛 四周 均采用膜式水冷壁全密封结构 ， 锅炉可 以实现正压 燃烧。膜式水冷壁 由 6 0 mm的管子和扁钢通过专 用设备焊接而成 ， 膜式水冷壁节距 为 8 0 mm。燃烧 后产生的高温烟气从后墙上部拉 稀管束 1 8 0 。 折 向 对流烟道 。在对流烟道 内布置一组角管锅炉专用的 旗式无穿墙对流受热面， 采用水平顺列布置。 3 ． 2 锅炉本体 支承 锅炉本体通过焊在左右侧壁下集箱上的四个支 承点 ， 支承在锅炉本体支承上 ， 其中右前支承为固定 点 ， 左前支承允许向左 自由膨胀 ， 右后支承允许 向后 自由膨胀 ， 左后支承允许水平方向 自由膨胀 ， 整 台锅 炉允许 向上 自由膨胀 。 3 ． 3 炉墙保温 本锅炉为全封 闭的膜式水冷壁结构 ， 烟气与外 界完全隔离， 故只需在膜式壁外敷设海泡石涂层和 1 6 0 I T I I I 1 厚的轻型保温材料即可达到设计保温要求 。 轻型保温材料通过焊在膜式壁鳍片上的圆钢和钢丝 网固定在膜式壁外侧， 保温材料外面包覆彩钢护板， 整 台锅炉外表美观 、 整洁。 管 1 一炉膛前壁2 一左右侧壁3 一炉膛后壁 。 4 一旗式受热面5 一连接管 图 3 新型 1 4 MW角管式燃天然气锅炉本体结构简图 3 ． 4 烟气冷却器 因锅炉为微正压燃烧 ， 所 以烟气冷却器采用螺 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 1 4 MW 新型角管式燃气锅炉设计开发 2 3 旋肋片管束结构， 管子选用 5 1 m m锅炉专用管子， 材质采用耐腐蚀 钢 0 9 C r C u S b N D ， 管子横 向和纵 向节距均为 1 0 2 m m。 由表 2可知 ， 冷却器设计进 口烟气温度为 1 6 4 ℃ ， 出 口烟气温度 锅炉排烟温度 为 1 1 9℃。锅炉 运行后， 现场实测烟气冷却器进口烟气温度为 1 5 8 ℃ ， 出 口烟气温 度 锅炉排烟温度 为 1 1 1 ， 与设 计值较接近。 3 ． 5 燃烧器配套 该锅炉配备 国产优质燃 烧器 ， 燃烧器依据紊流 燃烧 的原理 ， 采用内外混相结合的方法， 使得合理设 计 的燃气流与空气流进行充分的混合 ， 加之匹配的 旋 口角度组成的燃烧场 ， 能使燃气充分燃烧 ， 达到高 效 、 节能 、 环保 的效果 。 4 产 品的技术优势 新型 1 4 MW 角管式 燃天然气热水 锅炉的设 计 开发不仅彻底避免了上述 S Z S型锅炉在锅炉整体结 构布置 、 水循环 、 环保性能和运行维护上存在的诸多 问题 ， 而且具有安全可靠 、 环保性能好等技术优势。 4 ． 1 本体结构的优化设计 锅炉本体结构的优化设计是使锅炉具有优 良综 合性能的根本保证 ， 角管式锅炉具有很多的变形结 构设计 ， 从框架结构 自支撑能力、 辐射和对流受热面 布置 的连贯性 和紧凑性及蒸汽锅炉结构适应性 的角 度出发 ， 新型 1 4 M W 角管式燃天然气热水锅炉选取 了无锅筒角管 n 型框架 自支撑全封 闭膜式水冷壁 结构， 如图3所示。锅炉兼有强度、 刚度、 稳定性和 严密性 ， 整体布置经典而富有弹性 ， 锅炉抗地震烈度 8级 以上 。分割屏 炉膛后壁 双面受热构成炉膛后 墙和对流竖井前墙 ， 紧凑 而富有连贯性。锅炉所有 膜式壁均采用同一规格结构， 不仅安全可靠， 而且便 于制作加工、 安装和运行维护。 锅炉对流受热面采用角管式锅炉专有结构 旗式对流受热面 ， 分二级串联布置在对流竖井 内， 大 大减少了穿墙 、 密封和尾部受热面漏风。 4 ． 2 独特可靠的水循环结构 本锅炉采用全上升的可靠的强制水循环方式 ， 锅炉水循环流程为 锅炉总回水 回水旁 路 调节 阀控制 流量 大 小 烟气冷却器 上升 通道后壁 左右侧壁后 部 上升 左右侧壁中部 上升 左右侧壁前部 上升 前壁 炉膛 后壁 上升 至炉顶 出口集 箱。 采用全部上升的水循环方式 ， 炉膛水冷壁各管 屏均为热水上升 ， 各循环 回路 内水流速均大于 0 ． 5 m ／ s 。因此 ， 本锅炉不仅在正常运行 时各受 热面 内 水速远大于最低安全水速 ， 水循环极为可靠 ， 而且在 停 电后锅炉具有按照 自然循环热水锅炉进行可靠水 循环的功能 ， 停电保护能力较强 ， 这是一项重大的结 构设计创新 ， 从而可以有效地防止局部过热汽化 。 为 了进一步提高锅炉 的停电保护能力 ， 本锅炉 在每一个循环回路顶部均设有放气 阀， 停电后可根 据情况依靠放汽阀保持压力或打开进行泄压。 4 ． 3 低 NO 炉膛设计 近年来 ， 国家对燃气锅炉 N O 排放要求越来越 高。2 0 1 4 年 7 月 1日 实施的G B 1 3 2 7 1 --2 0 1 4 锅炉 大气污染物排放标准 将燃气锅炉 N O 排放限值由 2 0 0 1 年标准要求 的 4 0 0 m g ／ m 提高到 2 0 0 m g ／ I n ， 重点地区提高到 1 5 0 mg ／ I 13 。 ， 个别一线城市地方标 准要求更高。因此， 如何提高燃气锅炉的环保性能， 降低 N O 排放已成为新型燃气锅炉设计开发的重 中之重 。 由天然气燃烧时生成的 N O 机理可知， 降低燃 气锅炉 N O 的排放量， 主要是要降低热力型 N O 的 生成 ， 其主要技术措施就是控制炉膛温度。新型 1 4 MW 角管式燃天然气热水锅炉炉膛 的优化设计除 了 考虑燃烧器火焰几何尺寸外， 重点是通过合理增加 辐射受热面积和炉膛容积以降低炉膛温度 ， 减少热 力型 N O 的生成。本锅炉和 同容量 S Z S型锅炉的 炉膛几何和热力特性数据对 比如表 3所示 。 表 3 1 4 MW 锅炉炉膛 几何和热力特性数据对照 从表 3中的对比数据可知， 本锅炉的炉膛几何 和热力特性远优于 S Z S 型锅炉， 不仅可以大大降低 炉膛不完全燃烧热损失 g ， ， 提高锅炉热效率 ， 而且 为减少热力型 N O 的生成创造 了有利条件。因此 ， 本锅炉可配用性价 比较 高的国产燃烧器 ， 锅炉 N O 排放能够达到国内一线城市地方标准的要求 。 4 ． 4 对流管束的稳定性 如图 3所示 ， 本锅炉对流管束采用角管式锅炉 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 工业锅炉 2 0 1 5年第 5期 总第 1 5 3期 专有的且稳定性较好 的水平布置旗式管束结构 ， 旗 式管束由焊接在通道后壁上 的蛇形管组构成 ， 蛇形 管组 的各排管之间通过连接板连接在一起 ， 使 每个 管组形成一个整体。旗式管束下部前端沿锅炉宽度 方向设有水平 支撑管 ， 支撑管 固定 在炉膛后 壁上。 这样 ， 旗式管束与通道后壁 、 支撑管和炉膛后壁共同 形成 了一个稳定 的抗振支撑体系。不仅如此 ， 为进 一 步增加旗式管束 的稳定性 ， 本锅炉还采用 了我们 专有的管束抗振技术 ， 对流管束稳定性极高。 4 ． 5 运行维护简便 本锅炉采用全膜式壁轻型炉墙结构 ， 膜式水冷 壁和旗式对流管束均为焊接结构 ， 可 自由膨胀 ， 伸缩 自如 ， 运行稳定可靠 ， 几乎不需要运行维护 。 4 ． 6 锅炉热工性能测试 新型 1 4 MV - 角管式燃 天然气热水锅 炉的技术 优势获得了锅炉用户的充分肯定和青睐 ， 2 0 1 3年冬 季 已有一台锅炉在北京市某供热公司投入运行 ， 锅 炉运行非常稳定可靠。2 0 1 4年 1月对该锅 炉进行 了热工性能测试 ， 测试结果如表 4所示。 封 面 折 页 封二 封三 封底 前插 1 前插 2 前插 3 前插 4 前插 5 前插 6 前插 7 前插 8 前插 9 前插 1 0 、 1 1 前插 1 2 前插 1 3 前插 l 4 前插 l 5 前插 l 6 表 4 1 4 MW 锅 炉热工性能测试结果 锅 炉出力／ MW 锅炉热效率／ ％ 排烟温度／ ℃ 排烟处过量空气系数 1 4． 06 94． 0 7 l1 0． 9 1． 09 由表 4可知 ， 锅炉 的主要i 贝 0 试指标均达到了设 计要求 ， 用户非常满意。 5 结语 随着国家对工业锅炉安全可靠性和节能环保性 能要求的 日益提高 ， 新 型角管式燃天然气锅炉的开 发 以其优异 的综合性能为我国水管式 中大容量燃天 然气工业锅炉的创新和发展提供了有益的参考 ， 该 结构锅炉市场应用前景非常广阔。翻 参考文献 [ 1 ] 赵钦新 ， 邹小刚， 张吉虎， 等．大容量燃气热水锅炉运行 状况调研及对策[ J ] ．工业锅炉 ， 2 0 1 3 6 1一l 4 ． [ 2 ] 赵大明， 吴晓云， 张陶远．角管式锅炉的开发和研究[ J ] ． 工业锅炉 ， 2 0 1 0 4 6～ 9 ． [ 3 ] 王惠云， 王鹏南 ， 武延华．降低 N O 排放的技术和应用 [ J ] ．工业锅炉， 2 0 1 4 2 3 7 4 1 ． 广告索引 口承 丁 l 斯派莎克工程 中国 有限公司 瑞士瑞特力燃烧器股份公司 北京西山圣通风机有限公司 利雅路热能设备 上海 有限公司 奥林 中国 有限公司 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