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116MW燃天然气强制循环热水锅炉开发
发布时间：2013-08-23 08:20 来源：未知
0、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116MW，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116 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，富通新能源销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧木屑颗粒机压制的木屑生物质颗粒燃料。
1、锅炉规范及设计燃料
1.1 锅炉规范
锅炉型号：QXS 116-2. 45/150/90-Q
锅炉热功率：116 MW
锅炉出口热水压力：2.45 MPa
锅炉出口热水温度：150℃
锅炉回水温度：90℃
锅炉循环水量：1 640 t/h
冷空气温度：0℃
热空气温度：约60℃
锅炉负荷调节范围：30% ~100%
锅炉热效率：94%
锅炉本体排烟温度：约110℃（本体出口）
锅炉机组排烟温度：约100℃（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33.93 MJ／m3（标态），其体积成分如表1。
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1。
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人汇水集箱。锅炉水循环流程如图2。
2.2 锅炉基本尺寸
炉膛宽度（两侧水冷壁中心线间距）6800mm
炉膛深度（前后水冷壁中心线间距）7120mm
锅炉最高点标高（连接管中心线）17510mm
运转层标高0 mm
左右外柱中心线间距12000 mm
前后外柱中心线间距17600 mm
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。
3、锅炉基本结构
3.1 炉膛
炉膛四周由膜式壁构成，炉膛宽6 800 mm，深7 120 mm．前后水冷壁的上下集箱的标高差12 000mm。膜式水冷壁管子规格为咖60 x5，管子节距80mm。
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∮530×20，下集箱规格为咖426×20。
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咖325×30，上集箱（汇集集箱）与前后水冷壁上集箱的连接管为∮219×8，共4根。上下集箱规格分别为∮377 x16和咖377×20。
3.2尾部包墙
尾部包墙的四周均为膜式水冷壁，宽6 800mm，深3880 mm。侧包墙管规格为∮73 x8，节距为97mm；后包墙管规格为∮42 x5，节距为85.5 mm；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78片，横向节距85.5 mm，上级省煤器管为38 x3的光管，下级省煤器采用∧38 x3的螺旋翅片管，翅片节距为7.5 mm，高度为12 mm，厚度为1mm;悬吊管为∮42 x5，共78根。为了平衡省煤器蛇形管和悬管之间的水流量（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∮76 x5的小口径管连通。
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，78片省煤器管组全部挂在78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个管箱，管箱高度为2.3 m，管子规格为∮40×1.5，材质为09CuPCrNi -A。设计冷风温度为0℃，热风温度为50～60℃。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，管径咖38 x3，翅片节距7.5 mm，高度12 mm，厚度l mm。节能器的蛇形管为2根并绕，顺列布置，共32片，横向平均节距105 mm，纵向节距120 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100 N130 t/h。当水流量为100 t/h时，管内水流速约为0.56 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2 800 mm，左右2台的中心间距为3 200 mm。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45 MW，适用燃气压力为0.3—0.4 MPa，燃烧效率不小于99.7%。
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孔以方便操作。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间用密封填块、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1.5m/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。
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16.2t，炉膛金属材料重量约为52 t，炉膛内耐火材料重量约为14 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40~50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，各元件间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间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10℃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间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，可以不启劝系统循环泵，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
本锅炉尾部悬吊管同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1200 kN），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，2010年10月投入运行，用户反映运行情况良好。本锅炉于2011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113.15 MW，锅炉热效率为93. 3%，排烟温度112. 95℃，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、排烟温度、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。
