新颖大型燃油气热水锅炉设计研讨.pdf

． 研究与开发 一种新颖大型燃油气热水锅炉设计研讨 5 文章编号 1 0 0 4 - 8 7 7 4 2 0 0 4 0 6 - 0 5 - 0 4 一 种新颖大型燃油气热水锅炉设计研讨 韩 伟， 刘 蕾 天津市宝成机械集团有限公司 天津 ， 3 0 0 3 5 2 摘要 介绍一种新研制开发的5 8 M W以上燃油气热水锅炉的结构、 性能和特点， 该炉型借 鉴了国外新型技术 ， 在国内同类产品中未见报道。 关键词 大型燃油气热水锅炉 ； 膜式水冷壁 ； 强制循环 ； 上烟箱 ； 锅壳 ； 隔热套管。 中图分类号 T K 2 2 9 文献标识码 A De s i g n a n d Di s c u s s i o n o n On e No v e l t y La r g e Ca p a c i t y Oi l＆ Ga s - fir e d Ho t W a t e r Bo i l e r HAN W e i ， L I U L e i T ia n j i n B a o c h e n g M a c h i n e r y G r o u p C o m p a n y L im i t e d ， T i a n J i n 3 0 0 3 5 2 ， C h i n a 第一作 者 韩伟 ， 高 级 工 程 师 ， 1 9 8 8年 毕业于哈尔滨理工 大学热能专业， 现任 天津市宝成机械 集 团有 限公 司锅 炉设 计部部长。 Ab s t r a c t Th e p a p e r I n t r o d u c e d s t r u c t u r e a n d c h a r a c t e r i s ti c o f o n e n e w o i l＆ g a s - fir e d h o t wa t e r b o i l e r wh i c h i s a b o v e 5 8 MW ， i t u s ed f o r r e f e r e n c e o f o v e r s e a s n e w t e c h n i c， a n d h a d n’ t b e e n r e p o r t ed a t h o me y e t ． Ke y wo r d s La r g e c a p a c i t y o i l g a s - fi r e d h o t wa t e r b o il e r； M e mb r a n e wa l l ； Fo r c e d c i r c u l a t i o n ；Up p e r s mo k e b o x ； S h e l l ； He a t i n s u l a ti o n b u s h i n g ． 1 前言 随着国家环保政策的不断深入， 尤其是像北京 等国内大城市对环保要求的不断提高， 以前小型燃 油气锅炉为主的改造项目正在逐年递减， 大型燃油 气集中供热项 目则呈现出迅速递增的趋势。例如， 北京自2 0 0 4年开始2 9 MW 以上的大型燃气热水锅 炉改造项 目至少有几十个， 仅 1 1 6 MW 的热水锅炉 就有十几台， 市场的需求量非常大， 经济效益可观， 国内外各大型燃油气锅炉生产厂家齐聚北京争夺市 场。但是， 就目前市场销售情况看， 国外产品由于发 展早、 炉型新颖、 结构紧凑、 有业绩等特点， 得到了国 内用户的肯定， 很多大型项目基本采用了如芬兰、 美 国等国家的产品。国内生产厂家早期没有针对燃油 气大型热水锅炉进行开发和研究， 没有具备一定竞 争力的新颖炉型， 很多产品是从燃煤锅炉基础上改 进而来， 炉体大， 结构复杂， 所以国内各厂家在竭力 开发新品的同时， 都在积极与国外公司联系购买技 术进行生产， 耗费了很多资金。同时， 由于国外产品 收稿 1 3 期 2 0 0 4 4 3 9 - 2 7 工艺技术复杂， 也给国内生产厂家带来了诸多困难， 造成锅炉的售价非常高。所以， 国内锅炉企业开发 适合自己生产的新品已迫在眉睫。 2 D H S型燃油气锅炉结构特点 2 0 0 3年天津市宝成机械集团有限公司投人大 量人力物力开发 5 8 M W 以上的燃油气热水锅炉 ， 至 今公司已开发出两大系列的产品， 涵盖 2 1 、 2 9 、 4 2 、 5 8 、 8 7 、 l 1 6 M w。本文将介绍一种最新型产品， 在国 内尚未发现有类似产品的发布。该产品从结构、 制 造、 性能等方面分析均优于国外产品， 将在市场竞争 中取得突破。 该型产品为 D H S 型燃油气热水锅炉 如图 1 ， 它采用前置膜式水冷壁炉膛 ， 后置烟管对流受热面 的兀型布置型式， 是一种水火管混合式锅炉。该型 结构借鉴了芬兰诺维特 N WF B型锅炉 如图2 的结 构特点， 同样应用了立式烟管结构的对流换热面。 但 在燃烧方式和烟气流程上有较大区别。D H S型锅 炉采用前置燃烧器、 上部转弯烟道、 向下冲刷对流烟 管的结构， 完全区别于诺维特炉型的上置燃烧器反 烧， 下置转弯烟道直接烧对流烟管下管板的结构， 可 维普资讯 6 工业锅炉 2 0 0 4年第6期 总第8 8 期 完全杜绝下部管板沉积水垢产生过热破坏的弊病。 同时， 它还具有诸多优点 ， 本文将一一阐述。 冷风 排 烟 图 1 图2 D H S型锅炉主要 由上锅筒、 膜式水冷炉膛、 竖直 烟管对流换热锅壳三大部件组成。燃烧器采用前墙 上下布置， 炉膛截面为长方形结构， 在保证燃烧火焰 有效宽度的基础上延长炉膛深度方向的尺寸， 以 确保火焰不直接冲刷后墙水冷壁。 另外， 还可采用 在后水冷壁铺设卫燃带进行保护。 炉膛 膜式水冷壁结构由 上下两侧纵 亍f 』 上 集箱、 下 横集箱、 下集 箱连通管、 上锅 中 筒和水冷管组成， 在炉膛后墙出烟13 中l 上牟 位置将后水冷壁管拉稀为多排凝渣 T l 争 管束 如图3 ， 并相应设计出后折焰 一 一 角结 构， 可 使冲向 后水冷壁的高 温烟 f ； 气在向上流动的过程中进一步向前 占 十 冲刷， 不仅延长了 高温烟气的 停留时 l 间， 保 证 燃料的 完全 燃 尽， 而 且能 够 。 。 。 。 。 。 。 。 。 薹 。 更好地利用炉膛各水冷壁， 充分吸收 火焰辐射热量。另外， 该炉膛结构可 图 根据炉膛容积热负荷水平和火焰形状， 在设计上灵活 布置炉膛的高度、 宽度、 深度， 以适应各种容量和燃料 的火焰在炉膛内正常燃烧， 保证其停留时间。炉膛膜 式水冷壁采用全密封结构 ， 可保证锅炉在微正压下运 行， 提高锅炉运行效率。在凝渣管束后面两侧炉墙各 设有两套重力防爆门系统， 可有效地减小炉膛爆燃对 锅炉本体的破坏。炉膛膜式水冷壁外采用轻型保温 敷面材料和薄瓦楞护板结构， 重量轻， 安装简单。在 凝渣管束后面， 该炉型没有采用类似诺维特N WT B型 锅炉全密封的环形膜式水冷壁连通烟道 如图4 设 计 ， 其环形集箱、 异型膜式水冷壁、 复杂循环系统会大 大增加锅炉的设计制造难度， 而 D H S型锅炉的连通 烟道采用内敷鳍片水冷管保温炉墙全密封烟箱结构， 将上烟箱外护板与连通烟道的外护板焊接成整体， 通 过护板的密封达到锅炉微正压运行的要求。这种结 构在国内小型水火管微正压燃油气锅炉上普遍使用， 效果较好， 所以， 借鉴到该炉型设计上将使制造、 安装 更加简单可靠。 图4 该炉型引人上锅筒的设计， 是为了更简单地布置 锅内的水循环流程和各种管座设置。它将水冷壁系 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 研究与开发 一种新颖大型燃油气热水锅炉设计研讨 7 统和对流烟管锅壳系统通过连通水冷管紧密相连， 回 燃室的所有上升水冷连通管可直接引入上锅筒， 在锅 筒内部设置相应的水室隔板， 达到两系统间更加合理 的循环流程。同时， 较大上锅筒有利于布置安全阀管 座、 出水管座、 放汽管座、 压力表和温度表插座等， 具 备集汽和汇总热水的功能， 其功能优于芬兰诺维特 N WT B型锅炉的上联箱结构， 只是增加部分钢耗量。 竖直烟管对流换热锅壳采用上进烟下排烟结构， 主要是为了杜绝下管板积污过热问题。该炉型不同 于诺维特 N W T B型锅炉采用小直径平管板多筒体的 设计 ， 而是根据产品压力 1 ． 6 2 ． 5 M P a 和容量选择 大直径单 双 筒体锅壳结构， 一般7 0 M W 以内锅炉 为单锅壳， 7 0 MW以上锅炉采用双锅壳 如图5 ， 这 种设计结构简单、 部件通用水平高、 容量变化灵活可 靠， 也便于安装和制造。锅壳由上下平管板、 筒体、 螺 纹烟管组成， 锅壳下部两侧设有回水管座和检查人 孔， 整个锅壳由下部支撑结构和筒体四周支撑座支撑 在地面和大型钢架上。螺纹烟管直径可根据烟气流 速设计调整， 在满足烟气流速的要求下， 通过增加锅 壳高度增加对流受热面积， 以达到锅炉所需的受热面 要求。螺纹烟管在烟火管锅炉上已经广泛使用， 其具 有高强度扰动换热性、 自清灰性， 结构简单， 使产品设 计范围更宽、 灵活性更强 ， 是一种较好的对流受热面 布置方式。国内在大型D Z L型燃煤热水锅炉设计上 大量使用了对流螺纹烟管结构， 通过控制烟气流速已 经很好的解决了积灰和换热系数低的问题， 并且取得 了很好的运行效果， 所以， 在大型燃油气锅炉上使用 螺纹烟管也将会有很好的表现。 图 5 多年来烟管结构存在着高温管板裂纹的弊端， 尤其燃油气锅炉炉膛出口烟温在 1 0 0 0 C l2 _k， 高温 烟气直接作用到管板和烟管端部， 形成局部高温受 热区， 加之管子与管板间的工艺缝隙形成的汽室效 应， 使管端和管板产生过热裂纹现象， 该 问题在 WN S型锅炉上尤其明显。自2 0世纪9 0年代开始， 随着制造工艺的不断提高， WN S型锅炉采用胀焊 胀、 开坡E l 管端焊接、 控制伸出端长度等工艺技术， 大大消除了管端过热现象， 基本杜绝 了管板裂纹的 发生。在 D H S型锅炉上， 也采用了上述成熟 的管板 工艺焊接技术， 因锅壳为立式结构， 上下管板水平放 置， 该炉独特地在上管板表面铺设一层耐火保温材 料， 进一步降低管板受热程度； 另外， 每个烟管进口 采用类似空气预热器防磨套管的不锈钢隔热套管结 构， 降低了烟管管端的受热程度。通过以上两种办 法进一步有效地防止 了上部管板过热裂纹的发生， 将大大优于WN S型锅炉管板结构。 锅壳系统与上锅筒的连接是通过多根大直径上 升受热管、 回燃室四周水冷壁上升管， 以及为防止管 板中心烟管部位水流速度慢， 可能产生的汽化阻碍 管板换热所设置的多根至上锅筒的引出管组成， 其 结构在保证管内水速满足强制循环要求外， 还充分 考虑了上管板循环水的均布引出特性 。回燃室四周 水冷壁设计一定的鳍片来减少高温烟气的散热损 失， 以减薄耐火保温层的设计厚度， 还有效地支撑起 回燃室顶棚和四周耐火保温层。该回燃室结构类似 WN S型半湿背后烟箱结构， 在很多大型 WN S锅炉 上应用效果理想。锅壳的下部管板处烟温 排烟温 度 很低， 即使进入锅壳内的水沉积下较厚的水垢， 也不会造成管板过热， 大大提高了锅炉的使用寿命； 同时也降低了锅炉对水质的要求， 增强了锅炉的适 应性能 ， 这是该型锅炉的一大特点。另外， 在下管板 沿回水流动方向最容易沉积杂质的位置设计了多个 排污管座， 可加强下管板的排污， 降低积污的可能 性。而下转烟室则采用简单保温措施， 排烟E l 可从 锅炉后下部或地下烟道引出。 D H S型热水锅炉的钢架系统采用型钢组合刚性 规则框架结构， 所有受热面、 炉墙护板、 平台扶梯完全 由该框架支撑， 对于膜式水冷壁采用上部吊挂、 向下 膨胀的结构， 上锅筒、 上集箱、 四周水冷壁吊挂等通过 支撑座直接落在钢架上部横梁上。而锅壳部分由于 重量过大， 只靠钢架支撑对钢架的要求过高， 所以， 采 用型钢支撑架直接支撑在锅壳下部管板四周， 部分锅 壳重量直接作用在基础上， 四周还用两层支座将重量 分布到钢架上。锅壳为向上膨胀， 所以， 其四周支座 还起到轴向固定作用， 保证了锅壳的稳定性要求。 D H S型热水锅炉的水流程采用全强制循环方式， 维普资讯 w w w . b z f x w . c o m 8 工业锅炉 2 0 0 4年第 6期 总第 8 8期 回水直接引人锅壳下侧部， 向上流动与烟气呈逆流换 热方式， 这样有利于提高对流换热效率， 降低排烟温 度。流向上锅筒的热水通过多根大直径上升受热管、 回燃室四周水冷壁上升管、 管板中心区引出管进人上 锅筒密封水室， 强制进人炉膛前后水冷壁向下循环至 下横集箱， 再通过连接两侧下纵集箱的连通导管平均 分配到两侧下纵集箱， 通过炉膛两侧水冷上升循环到 上纵集箱， 最后引人上锅筒由出水管座引出。该水循 环系统采用全强制循环方式， 不仅各炉膛受热面循环 水速得到可靠保证， 而且循环回路简单， 无须单独的下 降管路， 简化了锅炉结构。另外， 由于锅壳内水流速非 常低， 不仅有利于回水中的杂质沉降， 而且基本可忽略 循环阻力， 只有水冷壁的两回程水阻力， 循环回程数 少， 所以， 锅炉整体循环阻力小、 循环回路简单可靠， 有 利于降低循环泵耗电功率， 减少检修难度。 D H S型锅 炉燃烧 系统设计 在炉前下部 如 图 6 ， 呈上下排列， 此种布置相比顶置结构更有利于 燃烧器的人员监控， 而且， 燃烧器火口可作为进人炉 膛的检查孔使用， 免除了在膜式水冷壁上开检查孔， 简化了水冷壁的制造。燃烧器的送风道可采用地上 或地下型式， 地上风道可挂靠到钢架两侧， 从锅炉后 部引到炉前。燃烧器采用国外具有低 N O 功能的 先进燃烧器， 以满足环保要求。结合先进的电脑控 制系统组成完备的集中供热加热机组。 对于大容量双锅壳的 D H S型锅炉 如图 5 ， 基 本是简单的模块组合方式设计， 即用两台5 8 M W锅炉 并列组成一台 l l 6 M W 锅炉， 除炉膛水冷壁系统和上 锅筒需要修改外， 其他部件如锅壳、 钢架、 上下烟箱、 风道等完全可以通用， 锅炉性能参数与单锅壳锅炉应 该基本相同， 使设计管理、 生产组织、 配套标准件等更 加简化， 容易实现产品的系列化、 通用化设计。 图6 3 D H S型锅炉的优越性 该 D H S型锅炉优越性总结如下 1 炉型新颖， 结构简单 ， 结构尺寸变化灵活， 适合大容量系列化设计； 2 模块式组合设计， 通用性强， 设计变化简 便； 3 锅炉整体结构紧凑， 工厂组装程度高， 现场 安装时间短， 占地面积小； 4 简单的炉膛膜式水冷壁结构 ， 开孔少、 现场 组装方便 ； 5 炉膛容积大， 受热面多， 火焰呈 s型流动， 炉内停留时间长， 炉膛容积热负荷低， 易于重、 渣油 燃料的完全燃尽， 减少凝渣管结焦可能； 6 凝渣管束后设有较大的回燃室空间， 有利 于燃料的完全燃尽和烟灰的迅速冷却， 减少高温灰 在烟管端部的集结 ； 7 独特的立式螺纹烟管锅壳对流受热面， 结 构整体性强， 厂内烟管焊接， 现场焊接工作量少， 螺 纹管换热强度大， 烟气竖直向下冲刷， 不仅有很好的 自清灰能力， 有利于保持螺纹烟管的高换热系数， 而 且可完全避免锅炉低负荷运行时在烟管内集结的尾 部结露对管壁的腐蚀； 8 锅壳上管板无水中杂质沉积结垢的可能， 加之管板上铺设耐火保温材料和隔热套管， 进一步 免除了管板和管端过热的隐患， 杜绝管板过热裂纹 现象的发生； 9 对流烟管上部管板均布引出上升管， 避免 了锅壳上管板下方积气 汽 的产生， 保证了上管板 各部位的水流速度， 避免了上管板的过热； 1 0 锅壳内烟管换热均匀， 水容量大， 循环水 速非常低， 有利于水中杂质的沉降， 这也同时保证了 水冷壁管进水的纯净度， 降低了水冷壁管结垢过热 现象发生的可能性； 1 1 锅壳下管板因所处烟温较低， 即使沉积较 厚的泥污， 也不会造成管板和管端的过热裂纹。 加之 该部位布置多个排污管座， 因此该型锅炉对循环水 质要求较低； 1 2 该型锅炉烟气流程简单， 除需保证烟管内 较高流速外， 烟气流程内沿程和局部阻力很小， 因 此， 总阻力相对较低； 1 3 该型锅炉水循环流程清晰简单， 回程数少， 采用全程强制循环方式， 不仅各部位受热面水速得到 保证， 防止了管子过热现象的发生， 而且水阻力很低； 下转第 l l页 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m ． 研究与开发 一台8 0 0万k c a l ／ h有机热载体炉系统的特殊要求 1 1 排烟温度 省煤器前 2 2 8 ． 2 6 C 排烟温度 省煤器后 1 5 8 ． 1 7 ℃ 锅炉烟气氮氧化物浓度 未测出 很小 辅机噪音8 0 d B A 该锅炉经过将近一年的运行， 状况良好， 性能稳 定。有 1 0 ％的超负荷能力 ， 调试报告显示在 1 1 0 ％ 额定负荷时各项指标均符合要求， 得到了用户的好 评， 并于2 0 0 3年 5 月为用户生产制造了第二 台同型 号的锅炉。囤 上接 第 8页 1 4 较大上锅筒内容易合理布置隔水槽板， 有 较大的空间布置安全阀、 出水阀、 放气阀、 压力表等 管座， 便于前后两受热面的连接， 方便锅内检修， 阀 门布置灵活 ； 1 5 受热面膨胀方向性简单， 弯制的连通管有 较好的吸收膨胀作用 ， 便于钢架的简化布置； 1 6 燃烧器前墙上下布置， 有利于锅炉运行的 管理和检修， 打开燃烧头还可作为炉膛水冷壁的检 查孔使用。 4 结束语 综上所述， 该新型 D H S 立式水火管大型燃油气 参考文献 [ 1 ] 林宗虎， 陈立勋． 锅内过程[ M] ． 西安 西安交通大学出 版社 ， 1 9 9 0 ， 7 ． [ 2 ] 陈立勋， 曹子栋． 锅炉本体布置及计算 [ M] ． 西安 西安 交通大学出版社， 1 9 9 0 ， 1 0 ． [ 3 ] 宋贵良 锅炉计算手册[ M] ． 辽宁科学技术出版社， 1 9 9 5 ， 1 0 ． [ 4 ] 燃油燃气锅炉房设计手册编写组． 燃油燃气锅炉房设计 手册[ M] ． 机械工业出版社， 1 9 9 8 ， 6 ． 热水锅炉具有先进的结构特性， 它充分借鉴了国外 产品的优点， 融合了国内的设计制造技术， 是一种非 常适合大型热水锅炉的设计结构， 对于国内的燃油 气热水锅炉设计有很好的启发和借鉴作用。圄 参考文献 [ I ] 郭印诚， 滕树龙． 北京市大气污染总量控制和降低机制 研究[ A ] ． 中国可持续能源项 目手册[ C ] ． 2 0 0 4 ， 9 ． [ 2 ] 松长茂． 北京市无燃煤区的建设与政策[ J ] ． 节能环保， 1 9 9 9 ， 1 ． [ 3 ] 章燕谋， 李俊东． 大型下置锅壳式水火管燃煤热水锅炉 的研制与开发[ J ] ． 工业锅炉， 2 0 0 3 ， 6 8 1 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