新型水火管锅炉及其锅炉房的技术经济分析

107新型水火管锅炉及其锅炉房的技术经济分析李柏生1董德智2大连本德锅炉有限公司，北京花家地供热厂摘要：新型水火管锅炉是对老型的完善、发展和提高，是用科研成果使之成为新型结构，强化燃烧，强化传热，水循环安全可靠。通过产品开发、制造、安装及运行表明，此种炉型具有出力足、运行可靠、检修方便、节约能源、减少大气污染、明显降低锅炉房造价等经济效益和社会效益，是具有中国特色的先进炉型。上海工业锅炉厂1965年开发出来的水火管锅壳式锅炉（以下简称老型DZL），以其独具一格的结构和特点，受到广大用户的欢迎。而近20年来，高等院校、科研院所及工厂的科技人员，用科研成果解决了老型水火管锅壳式锅炉的问题，研制和开发出新型水火管锅壳式锅炉（以下简称为新型DZL），就更倍受各界的重视和青睐。目前，这种锅炉产量已超出全国锅炉总产量的一半以上，几乎有80%的锅炉制造厂（包括具有B级、C级、D级生产许可证的工厂）生产这种炉型。不少锅炉厂，譬如大连本德锅炉有限公司（原大连轻工机械总厂）、营口绿原锅炉厂、沈阳清华锅炉有限公司、泰安锅炉厂等，都把这种炉型作为主导产品，有的年产值近亿元，并且开发出大容量（到63MW，90t/h），参数高（≤2.5MPa），各种燃煤、燃油、燃气的蒸汽锅炉，高温水和低温水热水锅炉，以及汽水两用锅炉，形成产品系列化、生产规模化、制造专业化，装配工装化。为不断提高产品水平和科技含量，不少工厂还招收人才，聘请专家，成立研究所，加大科研和开发力度，使产品精益求精，不断进步，形成自己的品牌。表1列出大连本德锅炉有限公司开发的新型水火管锅炉的部分产品。表1大连本德锅炉有限公司新型水火管锅炉系列产品摘录序号型号容量MW（t/h）压力Mpa※温度℃η%※※Ql/Q%※※※Hf/H%※※※HdⅠ/H%※※※HdⅡ/H%出厂型式1DZL7.0-1.0/115/70-AⅡ（DZL10-1.25-AⅡ）7.0（10）1.0(1.25)115/70(饱和)80.54610.410.279半组装2DZL10.5-1.0/115/70-AⅡ（DZL15-1.25-AⅡ）10.5（15）1.0(1.25)115/70(饱和)81.34510.98.680.4半组装3DZL14-1.0/115/70-AⅡ（DZL20-1.25-AⅡ）14（20）1.0(1.25)115/70(饱和)81.849.810.86.882.3半组装4DZL21-1.25/130/70-AⅡ（DZL30-1.25-AⅡ）21（30）1.25130/70(饱和)81.947.810.75.983.4半组装5DZL29-1.25/130/70-AⅡ（DZL40-1.25-AⅡ）29（40）1.25130/70(饱和)82.347.810.39.380.4半组装6DZL46-1.6/130/70-AⅡ461.6130/7082.5489.99.680.5半组装7DZL63-1.6/130/70-AⅡ631.6130/7082.843.69.710.380半组装108※：对热水锅炉为出水温度/回水温度※※：是螺纹烟管吸热量与锅炉吸热量之比※※※：H—锅炉总受热面；Hf—辐射受热面；HdⅠ—第一对流受热面；HdⅡ—第二对流受热面新型DZL已经遍及东北、华北和西北地区，很多用户把它作为大容量首选炉型。不少热力公司，譬如北京昌平供暖公司、密云供暖公司，1994年便开始全部采用这种锅炉，锅炉房也由4.2MW、7.0MW逐步提升到10.5MW、14MW、21MW；大庆油田和辽河油田燃油锅炉改为燃煤，也独钟新型DZL，2001年大庆北辰集团的一个锅炉房便采用6台29MW新型DZL，充分体现出市场就是锅炉产品的试金石。1新型水火管锅炉的结构、技术以及特点。下面图1示出表1系列锅炉产品中的DZL7.0-1.0/115/70-AⅡ的典型结构。图17.0MW新型水火管锅炉结构简图煤在炉排上燃烧后，新型拱使高温烟气形成强烈扰动的火焰，燃尽可燃物质后的烟气先经一个灰尘分离装置，降尘后折向炉膛后部两侧的由水管组成的第Ⅱ回程，经前烟箱的低于800℃的烟气，再进入高效传热元件—螺纹烟管（第Ⅲ回程）。水流程也很清晰简单。近90%的锅炉回水经两侧下集箱引射装置（对Ⅲ型新型DZL；对Ⅱ型是布置在下降管入口处）后，沿两侧的上升管进入锅筒。另一股约10%的锅炉回水冲向前管板内侧，扰动前管板处的锅水。锅壳内部的水，经螺纹烟管加热，以自然循环方式，达到额定出水温度后流向用户。由水火管锅壳锅炉的结构不难看出，无论新型DZL和老型DZL，结构型式的特征是，第一，锅炉总体型式是装有烟管的锅壳成纵向布置，锅壳中的烟管的受热面是DZL型锅炉的主要受热面，约占总受热面的80%，其传热量占锅炉总吸热量50%左右（见表1）；第二，位于锅炉顶部以DZ型出现的锅壳，是整个锅炉水流程的枢纽，就是说锅炉水循环的每一个回路都要通过这个锅壳联系起来；第三，锅炉各受压件，都系在DZ这个锅壳上，上升管、下降管、集箱、前后拱管，省煤器等，无一不连在锅壳上。这就说明，不能把水管锅炉结构，外部加个拱型管板炉内除尘器回水引射装置螺纹烟管Ⅱ回程109锅壳式省煤器（我公司的双锅筒纵置式水管锅炉便采用这种结构简单的省煤器），而套用水火管锅炉的名称，按工业锅炉型号编制办法规定，还是以总体型式为双纵，称谓水管锅炉的SZ。2新型DZL的特点2.1技术含量高。新型DZL是发展、创新和改变了老型DZL。新老型DZL相同之处只是上文提及的水火管锅壳式锅炉的结构型式的三个特征，而其它方面二者的差异十分显著（详见表2）[2]。由表2的分析可见，是科研成果的应用[1]，是科技含量的提高，才产生了新型DZL产品。表2新老型水火管锅壳式锅炉比较表项目老型水火管锅壳式锅炉新型水火管锅壳式锅炉锅壳结构有拉撑，柔性差无拉撑，柔性好锅壳直径2.8MW为直径φ1800mm7.0MW为直径φ1800mm管板型式有拉撑，平管板无拉撑，凸型（拱型或椭球形）管板烟管光管螺纹烟管Ⅱ回程形式烟管水管组成翼形烟道锅壳内烟气回程数二回程一回程高温管板进口烟温＞1000℃≤800℃高温管板温度分布Ⅱ、Ⅲ回程烟气温差-300℃单回程烟气，无烟气温差锅炉容量≤6t/h（4.2MW）大型化到90t/h（63MW）热力计算标准方法标准方法加新公式烟风阻力计算标准方法标准方法加新公式水循环计算标准方法标准方法加集箱水动力学等方法技术含量传统技术传统技术加10项新技术高效传热元件——螺纹烟管是对传热、流阻、磨损、积灰、疲劳及强度的三年的科研成果，再经工业试验，才在工业上得到了大量应用，才能使新型DZL大型化到63MW（90t/h），才使锅炉收到出力终生不变，效率终生不变，做到锅炉不积灰；拱型管板的应用给锅炉带来结构简单、增加柔性；大集箱水动力学和引射技术，使水动力收到明显效果，锅炉安全可靠。如表2所示，传统的计算方法，只适于老型DZL和水管锅炉，是得益于参考文献[1]建立的有关螺纹烟管的流阻和放热系数的计算公式；磨损、积灰、刚度的计算公式，以及水动力计算公式，才能对新型DZL进行设计和计算，没有技术和计算方法的突破，也就无从谈起新型DZL的产品的开发。2.2新型结构。由图1的分析及对老型DZL的对比，不难看出，新型和老型DZL结构变化很大，这种结构上的不同，不是因为诸如水管锅炉的锅筒单横变单纵，双纵变双横，或者水管锅炉尾部加个锅壳式省煤器，或热管式省煤器等等，只是锅炉布置的不同，但无论怎样布置，其计算方法没变，技术含量没变。新型DZL结构的变化，是因为应用10项技术，经过精心设计而开发出来的一种新的合理的结构型式。而这种新的结构型式又能产生强化燃烧，强化传110热，提高水循环的安全可靠性的效果。正是这种不断提高科技含量，不断完善锅炉结构设计，才使科研3年、开发17年的新型DZL，由Ⅰ型、Ⅱ型结构，发展到Ⅲ型、Ⅳ型、Ⅴ型结构，才使90年刚开发的运行在北京大学的两台7.0MW锅炉，收到各界好评后，很快的开发出14MW、21MW和29MW，直到2001年已开发到46MW、58MW、63MW。2.3安全可靠的混合循环。回水经简单的引射装置，用约0.02MPa的流动压头，上升管便有0.5~0.6米/秒的水速，再考虑到集箱效应，使上升管的安全可靠性得到了保证，消除了爆管的可能性。采用6个技术措施解决高温管板开裂：分析新型DZL的优化设计，得出高温管板进口温度≤800℃是充分发挥高效传热元件螺纹烟管的作用，减少Ⅱ回程水管数量，使锅炉结构合理，防止过冷沸腾，收到最佳技术经济指标的一个优化数字；回水量的10%冲刷前管板，造成锅水的扰动，是防止过冷沸腾的第二个措施；由于采用拱型管板，增加了锅炉的柔性；采用单回程螺纹烟管减少了管板的温度应力；制造时消除管板管孔与螺纹烟管的间隙，同时又使螺纹烟管伸出焊缝的管端保持在0~1.5mm等四项技术措施，在结构上、制造上解决了高温管板的开裂。锅炉设计要用技术经济指标去衡量，设计者的思路便在于不断用技术含量的提高，带来经济效益的增加，带来锅炉的更加安全可靠性，而不能舍本求末和不按标准办事。要相信锅炉房的管理水平也会与时俱进，否则，即或高温管板烟温降到400℃，锅水杂质积满前管板，管板也会照样开裂。2.4结构紧凑，制造容易，便于组装和快装出厂。由图1可见，和水管锅炉相比，新型DZL结构紧凑，对称性强，大量制造容易的螺纹烟管组装在锅壳中作为主要受热面，水冷壁管形状简单，尺寸较短，很容易制造，便于组装和快装，分析对比得出，水火管锅炉的结构和零部件的制造，要比水管锅炉简单。2.5锅炉重量轻，高度低。正是由于锅炉结构紧凑，而且靠高效传热元件减少了大量对流换热的受热面，再加上有效的自支承，使钢材耗量远低于水管锅炉。表3列出一些新型DZL和水管锅炉的外形尺寸和钢材耗量的比较表。对新型DZL每蒸吨（或每0.7MW）的钢材耗量为1.5~2吨，而水管则为4~5吨。至于锅炉的外形尺寸，新型DZL深度和高度都低于水管锅炉，一台相当90t/h的63MW锅炉，水管锅炉要比新型DZL高出5米左右，图2示出北京望京小区锅炉房一个锅炉房的29MW的水管和新型DZL锅炉的尺寸图。表3同容量新型DZL和水管锅炉外形尺寸及重量比较表14MW(21t/h)21MW(30t/h)29MW(40t/h)46MW(65t/h)63MW(90t/h)容量项目水火管水管水火管水管水火管水管水火管水管水火管水管长9.8913.410.515.011.313.711.313.012.415.9宽4.385.265.678.26.210.09.511.2511.614.8外形尺寸(米)高6.9117.014.08.014.710.515.7213.117.21111130013700※重量(吨)31857012090200150325210460※：本表重量不包含炉排重量29MWDH型水管热水锅炉29MWDZ型新型水火管锅炉图229MWDH型和DZ型尺寸对比图2.6自支承。正是由于结构紧凑，对称性强等优点，新型DZL的重量全由下降管和上升计算软件在计算机上进行校核，设计合理时，用下降管和上升管承重，自支承还有很大裕度。这也是大容量新型DZL钢耗量低的一个原因。2.7出水温度≤130℃时不布置尾部受热面，出水温度高出150℃也只在锅炉烟气出口的轴线上高架一个螺纹烟管省煤器，并且这个省煤器可根据锅炉房的尺寸布置在锅炉房的付跨或锅炉的左右侧，对减少锅炉房跨度，方便锅炉的检修均带来很大方便。2.8便于检修和维护。大量的直管螺纹烟管装焊于前后管板，Ⅱ回程水管量又不大，排数又少，炉膛的水冷壁管和拱管均有较大空间，因而每根管，每个受热面都能“摸得着，看得见”，便于观察，检修和更换，远比水管锅炉的密集对流管束来方便得多。2.9漏风少，散热损失少。大量的对流受热面包围在不与空气接触的锅壳中，而且锅炉对称性强，便于砌筑施工，在很大程度上能减少锅炉的漏风量。北京望京小区对29MW锅炉的监测，排烟空气过剩系数为1.38[4]。由于高度远低于同容量水管锅炉大量螺纹烟管又无散热损失，因而新型DZL的散