立式余熱鍋爐受熱面布置選型

程　稚， 高靈鋒， 何海華

(東方菱日鍋爐有限公司， 浙江嘉興 314036)

燃?xì)廨啓C(jī)(簡(jiǎn)稱燃機(jī))做功后排出的煙氣溫度一般在450 ℃以上，在早期建成投運(yùn)的電廠中多數(shù)只利用了燃機(jī)做功發(fā)電，尾氣直接排入大氣。隨著節(jié)能與環(huán)保要求的提高以及聯(lián)合循環(huán)技術(shù)的不斷提升，單循環(huán)電廠開(kāi)始改建為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率目前已經(jīng)達(dá)到50%～61%，甚至更高。而作為聯(lián)合循環(huán)中連接燃機(jī)、汽輪機(jī)的中間紐帶，余熱鍋爐的性能對(duì)于整個(gè)聯(lián)合循環(huán)效率的提升、減少污染物的排放發(fā)揮著非常重要的作用。

余熱鍋爐是余熱利用的關(guān)鍵設(shè)備，目前世界上燃機(jī)電站余熱鍋爐按受熱面布置型式劃分主要有臥式和立式兩種，臥式鍋爐主要適用燃料為天然氣或輕油，而立式余熱鍋爐燃料適用性稍廣。對(duì)于燃料為油類等比較惡劣的工況，立式爐管束水平布置，翅片的方向垂直，有利于防止煙塵堆積，同時(shí)也可使吹灰器獲得較好的吹灰效果；立式余熱鍋爐受熱面以模塊出廠，工廠模塊化程度高，現(xiàn)場(chǎng)焊口少、建設(shè)周期短、項(xiàng)目見(jiàn)效快。

早期的立式余熱鍋爐蒸發(fā)器部分考慮到受熱面水平布置，沒(méi)有重力壓差，為防止倒流，保證安全運(yùn)行，通常會(huì)為蒸發(fā)器配置循環(huán)泵。不過(guò)隨著技術(shù)水平的提升，循環(huán)泵也逐漸取消，歐洲早在十幾年前已經(jīng)有自然循環(huán)立式余熱鍋爐的業(yè)績(jī)，當(dāng)絕對(duì)壓力小于12.414 MPa時(shí)，可不再配置循環(huán)泵，且要求下降管至蒸發(fā)器入口集箱的高度至少2 m以上[1]。

隨著市場(chǎng)需要，立式余熱鍋爐的市場(chǎng)化程度越來(lái)越高，針對(duì)立式余熱鍋爐的研究也在逐步深入。立式余熱爐的布置主要考慮原則是燃料種類(主要是硫分含量)、煙氣阻力及蒸汽參數(shù)要求等，筆者結(jié)合一個(gè)典型的9E級(jí)單循環(huán)改聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目案例，簡(jiǎn)述了在確保以上三個(gè)原則不變的情況下，不同的受熱面管徑、受熱面排列、翅片管高度等因素對(duì)受熱面布置的影響。

1　項(xiàng)目設(shè)定

1.1 燃機(jī)基本情況選定

余熱鍋爐為單循環(huán)改聯(lián)合循環(huán)，雙壓、一體式除氧、無(wú)再熱、無(wú)補(bǔ)燃立式強(qiáng)制/自然循環(huán)，配套燃機(jī)型號(hào)為GE-9171E，燃料類型為天然氣、輕油、重油、原油，輕油為設(shè)計(jì)及考核工況。輕油燃料含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，重油燃料含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%。燃機(jī)排氣參數(shù)及成分見(jiàn)表1。

表1　燃機(jī)排氣參數(shù)

1.2 鍋爐性能考核工況設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

表2　鍋爐性能考核工況設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

1.3 余熱鍋爐額定參數(shù)

輕油工況下余熱鍋爐額定參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　余熱鍋爐額定參數(shù)

2　設(shè)計(jì)計(jì)算

該項(xiàng)目為海外項(xiàng)目，受熱面管徑按ASME材料進(jìn)行選取。ASME標(biāo)準(zhǔn)的受熱面管徑一般取31.8 mm和38.1 mm，管徑對(duì)傳熱系數(shù)影響很大，在流量相同情況下，管徑越小，管內(nèi)介質(zhì)的流速越高，傳熱系數(shù)也越大；對(duì)鍋爐蒸汽壓力≤9.81 MPa的鍋爐，由于汽水兩相介質(zhì)密度差較大，只要給水品質(zhì)滿足要求，并且鍋爐具有一定的水循環(huán)高度，采用小管徑水循環(huán)一般都能達(dá)到要求，在此分別選取31.8 mm和38.1 mm兩個(gè)管徑來(lái)進(jìn)行分析對(duì)比。

翅片強(qiáng)化傳熱有一定的有效范圍，合理選取翅片高度，對(duì)整個(gè)余熱鍋爐的布置有重要影響。表4為翅片參數(shù)推薦值[2]。根據(jù)推薦值，筆者選取13 mm和15.9 mm 2個(gè)翅片高度來(lái)進(jìn)行分析對(duì)比，分別搭配以上2種管徑，總共做出4個(gè)不同的選型方案來(lái)進(jìn)行分析，以期得到最優(yōu)化的選型方案。

表4　翅片參數(shù)推薦值　mm

考慮到輕油為設(shè)計(jì)燃料，重油為備用燃料，翅片的節(jié)距均采用最小距離≥5.08 mm，翅片厚度均按1 mm考慮；受熱面管束全部采用錯(cuò)列布置；翅片管的橫向間距和縱向間距按照經(jīng)驗(yàn)值選取，保證相鄰2個(gè)翅片間距在24～25 mm。

根據(jù)煙氣阻力要求，寬度方向上考慮采用2個(gè)模塊，每個(gè)模塊寬約4 m。從燃機(jī)送來(lái)的煙氣依次流經(jīng)旁路煙囪→高壓過(guò)熱器→高壓蒸發(fā)器→高壓二級(jí)省煤器→低壓過(guò)熱器→高壓一級(jí)省煤器→低壓蒸發(fā)器→低壓省煤器。

為方便比較，各方案節(jié)點(diǎn)和接近點(diǎn)溫差的選取盡量保持接近。節(jié)點(diǎn)溫差是換熱過(guò)程中蒸發(fā)器出口煙氣與被加熱的飽和水汽之間的最小溫差，計(jì)算時(shí)均控制在8 K左右；接近點(diǎn)溫差是指余熱鍋爐省煤器出口壓力下飽和水溫度和出口水溫之間的溫差，計(jì)算時(shí)均控制在4 K左右。

經(jīng)過(guò)熱力計(jì)算，可以得出所需的換熱面積和管排總數(shù)來(lái)進(jìn)行受熱面的基本排列布置。對(duì)于立式余熱鍋爐，省煤器的流程數(shù)與管排數(shù)保持一致，過(guò)熱器和蒸發(fā)器受熱面的布置，應(yīng)該進(jìn)一步通過(guò)水動(dòng)力計(jì)算來(lái)確定管內(nèi)流速。

蒸發(fā)器設(shè)計(jì)布置時(shí)，可按已確定蒸發(fā)量D，假設(shè)循環(huán)倍率K高壓為3～6，低壓為10～20，按初步設(shè)計(jì)的管束結(jié)構(gòu)用軟件計(jì)算出循環(huán)倍率和管內(nèi)流速。循環(huán)倍率用到的主要公式如下[3]：

在醇類燃料中氧分含量較高，因此，燃燒更加充分，燃燒的效率也更高，另外在燃燒過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)大量排放一氧化碳的狀況，但是甲醇本身具有較大的危害性，同時(shí)還有腐蝕性，故而甲醇汽車在現(xiàn)階段很難得到廣泛的應(yīng)用。

(1)

其中，

式中：w0為循環(huán)流速, m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2；C為真實(shí)截面含汽率的修正系數(shù)，高壓取0.8，低壓取0.62[4]；Hhg為管束含汽段高度，m；Hyc為引出管高度，m；XC為管束出口質(zhì)量含汽率；LS為管束總長(zhǎng)，m；Lrq為受熱前管束長(zhǎng)度，m；Lhq為管束含汽段長(zhǎng)度，m；FS為上升管束總流通截面積，m2；Q為管束總吸熱量，MJ/h；∑Z為管束回路折算阻力系數(shù)之和;γ′、γ″分別為鍋筒壓力下飽和水及汽的密度，kg/m3。

3　受熱面布置

典型受熱面布置見(jiàn)圖1。

圖1　典型受熱面布置示意圖

4種方案受熱面尺寸及參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表5。

表5　余熱鍋爐4種方案受熱面尺寸及參數(shù)對(duì)比

從表5可以看出：方案4在鋼材耗量上優(yōu)勢(shì)明顯，不過(guò)高壓蒸發(fā)器的循環(huán)倍率偏低，對(duì)于立式余熱鍋爐，高壓蒸發(fā)器循環(huán)倍率的安全值一般為3～6。根據(jù)熱力計(jì)算方案4高壓蒸發(fā)器所需的總管排數(shù)為30排，采用的高壓蒸發(fā)器受熱面結(jié)構(gòu)為6×5排(見(jiàn)圖2)。為了進(jìn)一步提高循環(huán)倍率，嘗試增加集箱管徑和更改受熱面結(jié)構(gòu)，最終得出單純?cè)黾蛹涔軓綄?duì)循環(huán)倍率影響不大，通過(guò)把受熱面結(jié)構(gòu)改為8×4排，可以將循環(huán)倍率提高到3.9左右，不過(guò)此時(shí)單個(gè)模塊管排數(shù)達(dá)到了16排，且集箱管徑需要選取更大尺寸(見(jiàn)圖3)。單個(gè)模塊最大管排數(shù)一般是根據(jù)運(yùn)輸條件來(lái)進(jìn)行限制，對(duì)于該項(xiàng)目，設(shè)計(jì)時(shí)考慮模塊最大管排數(shù)為14，如運(yùn)輸條件相對(duì)寬松可適當(dāng)增加管排數(shù)。

圖2　方案4高壓蒸發(fā)器受熱面結(jié)構(gòu)

圖3　方案4高壓蒸發(fā)器受熱面結(jié)構(gòu)改進(jìn)

4　結(jié)語(yǔ)

筆者主要介紹了立式余熱鍋爐的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及方法，通過(guò)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)建立了幾種常用的模型并進(jìn)行初步的核算，對(duì)不同方案的換熱面積、循環(huán)倍率、模塊重量進(jìn)行了重點(diǎn)比對(duì)，為后續(xù)具體設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)；通過(guò)對(duì)比4個(gè)方案，得出以下結(jié)論：

(1) 經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的方案4為最優(yōu)方案，其總質(zhì)量最低，模塊數(shù)最少，安裝周期短；通過(guò)增加集箱管徑和更改受熱面結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了高壓蒸發(fā)器的循環(huán)倍率，確保機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

(2) 綜合考慮換熱面積及循環(huán)倍率，方案2和方案3相對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定，有利于鍋爐長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；且方案3所需換熱面積最少，可作為備選方案。

立式余熱鍋爐自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它與其他形式的余熱鍋爐有著不同的熱力特性。對(duì)蒸發(fā)器來(lái)說(shuō)，水循環(huán)的循環(huán)倍率尤為重要，布置時(shí)首先要考慮這一點(diǎn)。在實(shí)際工程實(shí)施中，還要考慮翅片高度及間距的選擇是否符合工藝的具體要求或其他方面的特殊要求等。

參考文獻(xiàn)：

[1] FONTAINE P. Cycling tolerance-natural circulation vertical HRSGS[C]//2003 International Joint Power Generation Conference. Atlanta, Georgia, USA: ASME, 2003.

[2] 王德慧. 采用小管徑受熱面的大型燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐設(shè)計(jì)[J]. 鍋爐技術(shù), 2000, 31(9): 8-12.

[3] 顧利平, 強(qiáng)明剛, 董祖康. 余熱鍋爐水平管束的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J]. 工業(yè)鍋爐, 2011(5): 6-11.

[4] 上海發(fā)電設(shè)備所.電站鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法: JB/Z 201—1983[S]. 上海: 上海發(fā)電設(shè)備所, 1984: 43-46.