中国火管锅炉的革新与发展

94中国火管锅炉的革新与发展李之光王昌明北京之光锅炉研究所，北京电工技术经济研究所摘要:本文论述了占我国工业锅炉总容量半数以上的两种主要火管锅炉的全面技术革新情况,包括(1)新型水火管锅炉二十年来的技术进展与向大容量发展的趋势以及近几年的研究成果与经验总结;(2)采用单回程烟管、拱形管板的新型卧式火管燃油（气）锅炉的结构特点与技术内容。关键词：火管锅炉;新型水火管锅炉;新型卧式火管燃油（气）锅炉;单回程烟管;螺纹烟管;高温管板保护;回水引射;水位局部升高;评价１前言以火管（firetube）○1作为主要受热面（其传热量、钢耗在各受热面中均占首位）的锅炉属于火管锅炉。水火管锅炉、卧式火管燃油（气）锅炉均属于火管锅炉。目前这两种火管锅炉的在用总容量占我国工业锅炉总容量的半数以上，而工业锅炉的在用总容量（86.7万MW）为电站锅炉（38.2万MW）的2.3倍[1]，可见，对上述两种火管锅炉进行深入研究、全面革新的意义十分重大。水火管锅炉是于1965年在我国上海首先开发的。由于优点突出：适于燃煤、结构紧凑、效率较高等，故得到广泛采用[2,3]。前二十年采用的旧型结构对锅炉水质较为敏感，因水质欠佳所导致的管板开裂、锅壳底部鼓包、水冷壁爆管等事故时有发生。另外，单台容量不大，最大约为10t/h(7MW)。从1983年开始，对此种炉型进行深入理论分析、大量实验研究、长期运行验证，至今又经历了二十年。由于新型结构采用了一系列新技术：螺纹烟管、拱型管板、回水引射、自身支承、炉内除尘等，不仅使旧型结构存在的上述缺点得到了有效克服，并使其优点更加突出：钢材耗量、工艺量、安装量、原始排尘浓度也明显下降。另外，单台容量不断增大：20t/h(14MW)、40t/h(29MW)锅炉已大批量投运，65t/h(46MW)也已投运多台，正向90t/h(63MW)发展。可见，近二十年来的技术革新使水火管锅炉的面貌发生了深刻变化［3~7］。卧式燃油（气）锅炉是在上述新型水火管锅炉取得大量成熟经验基础上进行革新的。将旧型结构中两个回程烟管改为单回程烟管，将原来采用的拉撑平板改为无拉撑低应力拱形管板，从而使锅炉钢耗、工艺量明显下降，锅壳内检修空间、汽水分离空间明显增大。新炉型采用经验成熟的直燃式（非回燃式）炉胆、运行可靠的湿背结构；热水型高温管板采用了有效保护措施，蒸汽型水位前部脹起较高现象得到消除。另外，新炉型也消除了锅炉尾部滴水现象。1~20t/h(0.7~14MW)系列容量新型卧式火管燃油（气）锅炉［8］已得到国内外厂家高度95重视。2新型水火管锅炉1)≤10t/h(7MW)≤10t/h(7MW)新型水火管锅炉采用的技术措施如表1所示。表1≤10t/h(7MW)新型水火管锅炉采用的技术措施注○1仅适用于热水锅炉;○2仅适用于蒸汽锅炉。新近开发出的≤7MW容量新型水火管热水锅炉结构如图１所示。取消了前部下降管，回水引射置于两侧下集箱后部的下降管出口处，从而使水冷壁水动力可靠性得到充分保証［详见本文４之４)］。八字烟道使高温管板入口烟温下降以及部分回水充分冲刷高温管板，使高温管板可靠性得到充分保証［详见本文４之２)］；八字烟道也使锅壳底部避免炉膛高温烟气与炽热火床的直接辐射，有效的防止了锅壳底部鼓包现象。以上措施使锅炉对水质的适应性明显增大。≤10t/h新型水火管蒸汽锅炉的结构与图１所示热水锅炉大致相同。锅炉的前部两根下降管也可取消，可使八字烟道出口处的烟气流动不受阻碍[5.9]。为降低排烟温度，在锅炉尾部一般増设铸铁省煤器或内螺纹外翅片式铸铁空气预热器［１０］。_____________________________________________________○!火管（firetube）为平直烟管（platefiretube）、螺纹烟管(corrugatedfiretube)的通称。以上锅炉的运行热效率达78~80%，由于炉膛出口处的烟气转向室（烟尘沉降室）有明显除尘作用，锅炉原始排烟浓度均能达到环保标准要求。措施作用目的消除双回程烟管引起的管端焊缝热应力防止管板开裂提高柔性从而减小管端焊缝热应力防止管板开裂1单回程螺纹烟管强化传热从而明显减少烟管根数与缩小锅壳直径节省钢材降低高温管板入口烟温从而减缓过冷沸腾防止管板开裂2八字烟道（翼形烟道）减小锅壳底部热负荷防止鼓包3凸型管板提高柔性从而减小管端焊缝热应力防止管板开裂4部分回水引向高温管板○1降低水温与提高水速从而防止过冷沸腾防止管板开裂5回水引射○1提高上升管水速从而防止过冷沸腾防止爆管6给水引向烟管前部水面以下○2降低烟管前部高水位防止蒸汽带水7炉内烟尘粗分离惯性分离烟尘降低原始排尘浓度963.380图17MW容量新型水火管热水锅炉结构简图1-炉排２-锅壳３-拱形管板４-螺纹烟管５-下降管６-回水管７-下集箱；８-回水引射９-八字烟道10-烟尘沉降室11-高温管板冲刷管2）15t/h(10.5MW)~30t/h(21MW)15t/h(10.5MW)~30t/h(21MW)新型水火管锅炉的结构彼此基本相同,它们与≤10t/h(7MW)容量锅炉(图1)相比,区别在于八字烟道受热面与水冷壁受热面之间增设中间集箱，后者与锅壳、八字烟道受热面形成一个组件。增设中间集箱便于增大八字烟道受热面，从而使高温管板入口烟溫与锅炉排烟温度降低。另外，也便于减少水冷壁管根数，从而提高水速。图２所示为14MW新型水火管热水锅炉的结构简图。尽管上部锅壳（包括其中烟管、水以及外部绝热层等）的全部重量较大—达65t，但由于４根Φ273×10mm下降管的支承作用颇大，故取消主钢架采用自身支承方式．其安全可靠性足可保证［11］。由图2可见，锅炉十分紧凑。21MW容量新型水火管热水锅炉的长：宽：高也仅为10400：5617：7590mm[40]。图214MW新型水火管热水锅炉结构简图1-螺纹烟管2-八字烟道3-上升管97由于螺纹烟管高效传热，热水型锅炉即使水溫为130/70℃也无需尾部受热面，蒸汽型仅需增设少许尾部受热面。锅炉热效率达80~82%。由于炉膛空间较大以及炉膛后部设置烟气转向室，使锅炉原始排尘浓度低于国家环保标准要求[12]。3)40t/h(29MW)~90t/h(63MW)为便于制造、安装，采用了三锅壳结构，63MW三锅壳热水锅炉见图3。三锅壳蒸汽锅炉的锅壳间需设置蒸汽平衡管与水平衡管[6]。63MW新型水火管热水锅炉尽管水溫为150/90℃而且无尾部受热面，锅炉热效率仍达81%以上[41]。由图3可见，锅炉十分紧凑，高度仅为12.5m。29MW容量锅炉的长：宽：高为11300：7870：8500mm；46MW容量锅炉的长：宽：高为11300：11600：10500mm。图363MW新型水火管热水锅炉结构简图近两年又开发出29MW双锅壳结构[13]，见图4。双锅壳共用4根Φ273×12mm下降管支承[14]。双锅壳结构进一步节省钢材，锅炉宽度比三锅壳结构也有所减少，另外，蒸汽型锅炉锅壳间无需设置蒸汽平衡管与水平衡管。图429MW双锅壳新型水火管热水锅炉结构简图983新型卧式火管燃油（气）锅炉1)结构长期以来，国内外容量约为1t/h(0.7MW)以上的卧式火管燃油（气）锅炉大多采用单回程炉胆，再配以双回程烟管的结构形式，一般称为三回程卧式火管锅炉。当采用普通平直烟管时，因烟管传热系数较低，采用双回程烟管才能使排烟温度降至可以接受的程度（约250℃）。因此，上述三回程结构已成为传统结构形式。双回程烟管占据了大量空间，为保证有足够的剩余空间以便于检修、汽水分离等，致使锅壳直径明显增大。国内大量同类锅炉为了不使锅壳直径增大，降低壁厚，便于制造，随导致锅壳内剩余空间相对国外同类锅炉偏小，见图5a)。螺纹烟管具有明显高效传热性能，较普通平直烟管的传热系数可提高近一倍。当用于燃油（气）锅炉时，不存在燃煤锅炉可能遇到的与烟速有关的积灰、磨损问题。因此，螺纹烟管应使卧式火管燃油（气）锅炉的结构、性能产生重大变化。笔者突破传统结构，在大量优化设计［15］基础上，开发出1~20t/h(0.7~14MW)新型单回程火管燃油（气）蒸汽型与热水型锅炉。其突出优点是充分发挥了螺纹烟管的高效传热特点，锅炉钢耗与工艺量均有所下降—至少下降15%，另外，在锅壳直径、长度基本不变条件下，锅壳内的剩余空间明显增大。此外，由于烟管改为单回程，使1~20t/h(0.7~14MW)锅炉皆为同一简单结构形式,见图5b)，而且很容易向大容量锅炉发展，容量愈大，其优点愈明显。此外，采用力学性能明显优越的拱型管板，并取消拉撑件，使锅壳内的剩余空间更大。图5卧式火管燃油（气）锅炉a)双回程烟管b)单回程烟管1-锅壳2-炉胆3-圆形回烟室4-跑道形回烟室5-拉撑平管板6-斜拉杆7-无拉撑拱形管板8-Ⅰ回程烟管9-Ⅱ回程烟管10-单回程烟管11—检查孔12-燃烧器13-排烟道2)热力与流阻99烟管由双回程改为单回程,减去了双回程之间的烟气转向室及第二回程的入口、沿程、出口阻力。在相同的燃烧器背压条件下，可以提高单回程烟管中的流速或加大螺纹高度，从而充分发挥螺纹烟管的传热特点[15]。锅炉设计时,充分考虑了防止尾部产生滴水现象。锅炉投入运行后，绝大多数不可能经常在满负荷与额定参数下运行。因此，它们的实际排烟温度经常低于原设计值，而热效率高于原设计值。锅炉设计选取排烟温度时，理应考虑此情况。否则，为了单纯追求高的设计效率（满负荷与额定参数下的效率），而将排烟温度设计值过于降低，必然导致绝大多数锅炉在更低的排烟温度下长期运行[19]，锅炉尾部产生滴水现象的主要原因正在于此。应该正确处理好绝大多数与少数情况的关系。螺纹烟管受热面热力计算裕度过大是导致锅炉尾部滴水的另一原因[19]。3）锅内设备（1）热水型锅炉水质必需满足我国锅炉水质标准的要求，但有些锅炉用户并未完全作到。本锅炉设计时充分考虑了这一现实情况。对水质最敏感的高温管板给予了足够关注：用大量回水（约占回水总量的15%，因烟温高达1000℃）由下向上冲刷高温管板。为保证能够确实均匀的冲刷高温管板的任一部位，凡有可能旁通的区域皆设置挡水板，另外，出水罩的位置、尺寸亦给予合理配合[35]。本锅炉内部的水阻力主要集中在回水分配管的小孔上，锅内全部水阻力不超过0.2~0.3大气压。（2）蒸汽型螺纹烟管入口附近为高水位区，本锅炉全部给水引至此高水位区，使水位降至平均水位。另一高水位区在炉胆前部，为此，本锅炉出汽罩设在锅炉偏后位置。该处水位至出汽罩的距离达350mm以上，可确保蒸汽湿度不超过要求值[36]。4主要技术问题二十年来，新型火管锅炉技术在不断完善与提高[3，16，17]。本文着重介绍近几年来的新发展与需特别关注的问题。１）螺纹烟管愈来愈明显地证实了，工艺十分简单的单头螺纹烟管给我国工业锅炉面貌带来了明显变化。长期以来，已有数十万台锅炉在设计中采用下述公式计算流阻系数与放热系数[18,19]：（1）阻系数λ0=λ／d(1)(8/λ)0.5=2.5〔ln(d/(2e)〕+0.868(e/d)-0.33(t/e)0.366100×[1+0.0296(lnRe-9.48)2]exp〔-0.005(t/e)〕-3.75（2）热系数α=(λy/d)Nu(2)Nu=StRePrSt=(λ/8)0.5÷{2.5ln〔d/(2e)〕+10.77(e/d)0.33(t/e)0.096×[(e/d)Re(λ/8)0.5]0.273Pr0.5-3.75}Re=wd/ν式中λ0—单位长度流阻系数，l/mλ—流阻系数d—螺纹管内径（不考虑存在螺纹），me—螺纹高度（由管内壁起算），mt—螺纹节距，mα—放热系数，w/(m2.℃)λy—烟气导热系数，w/(m.℃)ν—运动粘度，m2/sw—流速（不考虑存在螺纹），m/sNu—努谢尔特准则St—斯坦顿数Re—雷诺数Pr—普朗特数式（1）、（2）的实验范围：Re=6×103～3×104;e/d=0.0196～0.0682;t/d=0.324～0.092。在制定上述公式时，至少留有5%的裕度[20]。如果由