14MW冷凝式真空锅炉的研制开发.pdf

研究与开发 1 4 M W 冷凝式真空锅炉的研制开发 1 7 文章编号 1 0 0 4 - 8 7 7 4 2 0 1 3 叭- 0 0 1 7 - 0 5 1 4 MW 冷凝式真空锅炉的研制开发 张雪岩 ， 祁红卫， 李月梅 ， 刘敬敏 ， 刘洪章 中国石油冀东油田公司机械公 司， 河北 唐山 0 6 3 2 0 0 摘要 根据用户需求及 目前的节能减排能源政策研发的 1 4 M W 冷凝式真空锅炉， 具有结 构紧凑、 安装方便、 节约材料、 节能环保、 运行安全可靠等优点， 且能够组装运输 ， 安装周期短。 通过实际应用表明其运行状态良好 ， 节能效果显著。 关键 词 冷凝 ； 真空锅炉 ； 研发 中图分类号 T K 1 7 5 文献标识码 A An a l y s i s a n d Ap p l i c a t i o n o f t h e 1 4 M W Co n d e n s i ng Va c u u m Bo i l e r 第一作 者 张 雪 岩 1 9 7 7一 ， 工 程 师 ， 工程学士， 从事油气 集输设备的研发设 计工作。 Z H A N G X u e - y a n ，Q I H o n g w e i ， L I Y u e me i ，L I U J i n g rai n ， L I U H o n g z h a n g P e t r o c h i n a J i d o n g O i l fi e l d Ma c h i n e r y C o m p a n y ， T a n g s h a n 0 6 3 2 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e 1 4 MW Co n d e n s i n g V a c u u m B o i l e r w a s 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 t h e c u r r e n t e n e r g y s a v i n g a n d e mi s s i o nr e d u c t i o n p o l i c y ．I t h a d ma n y a d v a n t a g e s ，s u c h a s e a s y i n s t a l l a t i o n，e n e r gy s a v i n g a n d e n v i r o n me n t f r i e n d l y ，r u n n i n g s a f e l y a n d r e l i a b l e ．I t s h o w e d g o o d o p e r a t i o n s t a t u s a n d e f f e c t i v e e n e r g y s a v i n g r e s u l t s t h r o u g h r e a l u s a g e ． Ke y wo r d s c o n d e n s i n g；v a c u u m b o i l e r； RD O 前言 随着建筑与住宅 的不断增多 ， 冀东油 田唐海矿 区集 中供暖锅炉房采 暖负荷也呈逐年上升趋势 ， 这 给完成供暖任务带来较大压力。锅炉房内两台煤改 气锅炉运行 已超过十年 ， 特别是锅炉实施煤改气后 ， 炉膛 内防火墙易烧塌 ， 可靠性不高， 维修工作量大 。 为 了满足扩容需求 ， 促进节能降耗工作 的开展 ， 2 0 1 1 年初冀东油 田决定新增两台 1 4 MW 高效采暖锅炉 ， 替换两 台煤改气锅炉。 1 设计方案制定 通过了解锅炉房供暖状况 ， 2 0 1 1 年最冷月份 1 月 ， 实际运行中锅炉出水温度控制在 6 8℃左右 即 可满足采暖需求 。为保证住宅 室内获得适宜温度 ， 管理部门实测并制定 了采暖回水温度与室外温度 的 对应关系， 如图 1 。 这样的供回水温度， 具有两方面优势 一是可以 采用真空锅炉经济地 满足此供水温度 ； 二是可 以通 过使用烟气换热器 ， 让烟气与低温回水换热 ， 充分利 用排烟余热， 甚至使烟气中的部分水蒸气冷凝 ， 释放 相变潜热 ， 以获得 良好的节能效果。 收稿 日期 2 0 1 2 -08 -09 U - 3- 儿J -1 室外温度／ ℃ 图 1 锅炉回水温度与室外温度对应关系 基于上述分析， 我们确定了将真空锅炉与烟气 冷凝技术相结合的设计方案， 结合多年的设计和现 场应用经验 ， 研制了 1 4 MW 冷凝式真空锅炉 ， 锅炉 总装图如图 2 。 2 设计简介 2 ． 1 真空锅炉工作原理 真空锅炉利用 的是水吸热蒸发、 水蒸气冷凝放 热 的相变换热原理 ， 与热管工作原理相同 ， 即燃料燃 烧产生烟气， 通过受热面与锅壳内的水换热， 水吸热 蒸发， 上升至冷凝段， 蒸汽与换热器冷水换热冷凝成 水， 依靠重力作用滴落回水空间， 继续吸热蒸发， 如 此循环往复 ， 在锅壳 内形成动态平衡。运行过程 中 锅筒内蒸汽压力始终不高于外界大气压， 确保设备 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 工业锅炉 2 0 1 3年第 1 期 总第 1 3 7期 7 4 3 1 一炉体2 一燃烧器3 一真空阀4 一烟道5 一换热器6 一水位计7 一烟箱 图 2 1 4 M W 锅 炉总装 图 运 行安 全 。 该真空锅炉工作时无需真空泵， 运行过程均靠 炉体及其附件 自动调节 。锅炉炉体上采用 真空阀 其工作原理与 自重式安全 阀相同 ， 该阀设计有足 够大的泄放面积且在微正压状态下阀芯即启跳。运 行过程中锅筒内蒸汽压力始终保持在 一 0 ． 0 1～ 0 ． 0 2 MP a ， 壳体无爆炸破损隐患。设备首次运行 时， 先通 过控制柜调整锅筒压力， 当锅筒压力高于真空阀设 定的启跳压力 ， 真空阀打开 ， 自动进行排空过程 ， 水 蒸气携带着锅 壳 内原有 的空气 主要是不 凝性气 体 高速排 出。排空过程约十分钟 ， 开启采 暖流程 ， 随着蒸汽冷凝， 锅壳内压力迅速下降， 当低于真空阀 启跳压力后 ， 真空阀阀芯回位 ， 真空 阀关闭， 此时调 整锅炉的压力控制功能 ， 使其保持在排空状态运行 参数 ， 此后运行过程中锅筒内保持真空状态。 2 ． 2 冷 凝式 锅炉 工作原 理 传统锅炉中， 排烟还具有相 当高的温度 1 0 0～ 2 5 0 o C ⋯ ， 烟气中的水蒸气仍处于过热状态 ， 如果 增加冷凝换热器 ， 将排烟温度降到足够低 ， 烟气中的 水蒸气就会凝结 ， 凝结水的汽化潜热就能得 以利用 ， 从而提高锅炉的热效率。能够把烟气 中的水蒸气冷 凝 ， 释放出汽化潜热并加 以利用 的锅炉称为冷凝式 锅炉。 2 ． 3 锅炉本体结构组成 该锅炉本体主要 由锅壳、 炉胆、 烟管、 回燃室、 换 热器、 底座等部件组成 ， 如图 3 。 3 结构特点与优化创新 3 ． 1 燃烧系统 燃烧系统采用卧式 内燃两 回程结构 ， 采用波形 炉胆结构 ， 有效地吸收炉胆受热产生的轴向膨胀 ； 烟 管为单回程布置， 采用单头螺纹烟管结构， 较普通平 直烟管的传热系数可提高近一倍 ， 而且易于加工。 1 一 锅壳2 一炉胆3 一烟管 4 一 回燃室5 一底座6 一换热器 图3 1 4 M W 真空锅炉本体结构图 3 ． 2异型换 热器 换热器两端管板、 管箱设计成弓形结构 ， 这样能 够充分利用锅炉蒸汽空间， 尽量缩小整体外形尺寸。 由于管板 、 管箱部分属于压力容器范畴 ， 因此其强度 计算依据是 G B 1 5 0 --1 9 9 8 钢制压力 容器 。弓形 法兰为异形结构 ， 没有相应计算标准或依据 ， 计算过 程只能参照相似结构的计算方法。法兰强度计算分 别参照 HG 2 0 5 8 2 --1 9 9 8 钢制化工容器强度计算规 定 中矩形法兰、 椭圆法兰 的计算 和 G B l 5 0 一l 9 9 8 钢制压力容器 等效 圆法兰计算 ， 得 出计算结果 。 以上三部分的计算过程均是套用公式或查表得到的 结果 ， 为了进一步验证这些结果的准确性 ， 利用三维 机械设计 软件S o l i d wo r k s进行 三维实体建模 ， 并利用其子模块s i m u l a t i0 n对其进行有限元分 析。通过分析计算， 验证了理论计算结果， 没有出现 不可接受的偏差 。 以管箱法兰为例 ， 由于法兰的结构比较特殊 ， 首 先对法兰与管板的装配体进行了模拟计算。方法与 锅壳的计算相同， 压力值设为 1 ． 6 MP a ， 两结构的连 接方式为螺栓连接， 计算得到的结果如图4 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 1 4 MW 冷凝式真空锅炉的研制开发 1 9 蕞型名 蒋 t 装配 悻1 算倒名韩 算 倒 t 田● 碘 越 一 静矗 节应力 应力 变形 傅 Il 图 4 法兰与管板装配体分析结果 由分析结果可知 ， 法兰处 于 1 ． 6 MP a的内部压 力时没有发生明显的变形， 即此结构可靠。 3 ． 3 冷凝换热器 采用冷凝技术能提高锅炉 的热效率 J ， 回收的 烟气余热中， 4 0 ％ ～ 5 0 ％是由排烟温度降低引起的 显热回收带来的， 其余的5 0 ％ 一 6 0 ％是水蒸气汽化 潜热 回收的结果。根据 国外资料报道⋯ ， 排烟温度 降低到露点之前的显热回收可使锅炉系统效率提高 2 ％ ～ 5 ％ 。若将烟气冷却到露点 温度 以下 ， 由于挽 回了潜热损失， 因此可使锅炉热效率提高 1 1 ％ ～ 1 5 ％ 以上 。 下面以具体燃料作进一步定量分析。锅炉采用 冀东油田南堡联合站外输干气作为燃料， 其特性见 表 1 。烟气 中水蒸气凝结不同份额 时对锅炉热效率 的影响见表 2 。 表 1 冀东油田南堡联合站外输干气特性 从表 2 可以看出， 每凝结 1 0 ％的水， 锅炉热效 率可提高 1 ． 0 7 个百分点。因此， 可以通过增加冷凝 设备将排烟温度降至 1 0 0 c C 以下， 将凝结水的汽化 潜热回收加以利用， 使锅炉的热效率进一步提高。 表 2 水蒸气凝结不同份额引起的锅炉热效率的提高值 凝结份额 锅炉效率提高的百分点 相对 Q 相对 Q ， 鉴于上述设计思路 ， 在锅炉系统尾部增加 烟气 冷凝换热器 ， 用于加热采暖 回水 ， 同时 ， 冷凝水 可以 吸收烟气 中的二氧化硫等有害气体 ， 大大减少 大气 污染 。传统锅炉热效率达到 9 0 ％ 以上⋯ ， 该锅 炉系 统加装冷凝换热器， 将排烟温度降至 5 5 ℃左右， 设 计热效率 达 9 5 ％ 以上 ， 能更好 地实 现节能 降耗 目 标。 冷凝换热器是由圆柱形简体、 翅片管换热管束、 前后管箱 、 烟气通道等构成 ， 图 5为冷凝换热器结构 图。在结构设计上巧妙地利用管壳式换热器 的成熟 结构 ， 有效地降低采暖回水的压力降 ， 使得烟气流经 u型烟道与采暖回水借助翅片管充分换热。换热管 采用不锈钢材质， 管板采用不锈钢复合层结构 ， 避免 换热管的低温腐蚀问题， 强化烟气侧的换热效果。 1 一 简体2 一翅片管换热 管束3 一前管箱 4 一后管箱5 一烟气通道 图 5 冷凝换热器结构图 3 ． 4 管板开裂问题的考虑 卧式内燃锅壳锅炉回燃室管板与烟管的连接处 容易发生管端与孔桥开裂 问题 ， 且损坏型式 多种多 样。真空锅炉属于卧式内燃锅壳锅炉， 需要重点考 虑防止发生管端与孔桥开裂问题。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m