亚临界热水锅炉的水循环设计

黎毅荣

摘要： 介绍了亚临界热水锅炉的结构形式及水循环的方式，对该类型锅炉的水循环设计提出了相应的见解。

Abstract： This paper introduces the structure of subcritical hot water boiler and the way of water circulation， and puts forward the corresponding view on the water cycle design of this type of boiler.

关键词： 亚临界；热水锅炉；水循环

Key words： subcritical；hot water boiler；water cycle

中图分类号：TK229.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）01-0154-03

0 引言

目前我国热水锅炉主要用于采暖，压力一般不超过2.5MPa，出口水温不超过160℃。亚临界参数热水锅炉的设计与应用在国内外极少，该种锅炉主要用于国防、军工及科研试验方面，作为实验设备使用。本文介绍的亚临界热水锅炉是我司根据中核集团某研究所要求进行定型设计的。

该锅炉设计燃料为0号轻柴油，额定工作压力17.5MPa，额定热功率30MW，額定出水温度334℃。为满足实验变工况的特性，锅炉要求在10-100%负荷范围内可调，并在可调范围内任一工况点能够安全、稳定运行。

考虑到锅炉房的基建投资，本锅炉采用卧式布置。

1 锅炉结构介绍

按烟气流程依次布置有炉膛、省煤器和节能器；在锅炉炉膛上设计有检查门、防爆门及窥视孔等门孔装置；并在炉膛、省煤器及节能器的相应位置上设有烟气压力、温度及氧量等测定便于进行燃烧负荷的调整与控制。

由燃料系统供应的燃油及助燃空气在燃烧机内混合后在炉膛内燃烧，经与炉膛水冷壁及后墙凝渣管换热后产生的950℃左右的高温烟气经省煤器、节能器冷却到170℃以下由烟囱排入大气。

2 设计参数

2.1 锅炉额定参数

额定热功率：30MW 额定水循环阻力：205kPa

额定工作压力：17.5MPa 设计燃料：0#轻柴油

额定供水温度：334℃ 燃料热值：Qnet，ar=43074kJ/kg

额定回水温度：300℃ 燃料消耗量：2977kg/h

额定循环水量：535t/h 排烟温度：<170℃锅炉效率：91.8%

2.2 锅炉校核运行工况参数（业主给定）

锅炉除可在额定工况下运行外，还可以在表1工况安全稳定的运行。

3 锅炉水循环系统

3.1 循环方式的选择

锅炉的水循环方式多种多样，有自然循环、强制循环及复合循环等，循环方式的选择与锅炉的设计参数、结构形式等密切相关。由于本锅炉压力较高，锅水的密度差较低，同时锅炉采用卧式布置，循环高度受限，采用自然循环动压头较小，有可能存在循环不良的情况；同时该锅炉主要应用于试验台，变负荷操作频繁。根据以上情况，最终确定该锅炉的水循环方式采用强制循环。

3.2 本锅炉的循环系统介绍

循环水循环流程具体文字描述为：

回水经循环泵加压后进入锅炉的进水集箱（进水集箱设置在炉膛前壁上部），然后进入前壁的上集箱，流经前壁换热管后进入前壁的下集箱，而后循环水分别进入左、右膜式壁的下集箱，由于左右膜式壁上下集箱内布置了隔断装置，循环水沿着左、右膜式壁从前向后依次被左、右膜式壁管加热。经4个流程后，循环水进入后壁凝渣管的下集箱，流经凝渣管换热后进入凝渣管的上集箱，至此完成循环水在炉膛内的循环、吸热过程。采用该种水循环布置的优点是增大了循环水温度与饱和水温度之间的差值，避免造成过冷沸腾，有利于水循环的安全。

经炉膛加热后的循环水由6根Φ219x20管子引到低温省煤器的进口集箱。循环水经低温省煤器和高温省煤器后，最后进入出水集箱，满足工艺要求的热水被输入到用户端。

3.3 循环阻力计算表

额定工况及5种校核工况下，锅炉水循环阻力汇总如表2。

4 锅炉水循环可靠性分析

4.1 前后墙水冷壁水动力分析

前后墙水冷壁的结构属于多进多出的形式，流量分布比较均匀。但是其受热区域各管子的受热长度不一样，因此管子的出口介质温度有所区别，其管壁温度也有所区别。校核计算中各管子流量取平均值，温度主要计算受热段最长管子的出口水温和管壁温度。各工况前后墙水冷壁的计算参数如表3。

4.2 尾部对流受热面水动力分析

尾部对流受热面的结构属于倒L型，倒流模式，因此介质温度和烟气温度最高处都在烟气进口处。倒L型结构有一定的流量偏差，离出口集箱的介质出口端最远的管子中流量最低，本受热面的最小流量系数为0.96。计算的结果如表4。

4.3 侧墙水冷壁水动力分析

侧墙水冷壁管组中各根管子的局部阻力系数、长度、内径、高度都是一样的，因此流量的偏差主要受集箱静压的影响。

沿集箱长度方向上某点分配集箱、汇流集箱的静压为：Pfx=Pf+ax Phx=Ph+bx

式中：Pfx、Phx——沿分配集箱、汇流集箱长度上某点的静压，kgf/cm2；

Pf、Ph——分配集箱入口、汇流集箱出口处的静压，kgf/cm2；

ax、bx——沿分配集箱、汇流集箱长度上某点的静压增量，kgf/cm2[3]。

根据沿集箱长度方向上的各管子进出口的静压差，可以得出Z型结构的管组中各管中流量不均匀系数计算式：endprint

η={1+Ax{ε[2（X2-0.281）+σαf（X3-0.149）/3]-0.76（1-X）2-0.221}+[αf（1-X）3/3-0.104]}0.5

式中：Ax——系数，Ax={[2vf/（vf+vh）]/（λl/d+∑ξ）}（Fg/ff）2

ε——集箱动压比；

σ——集箱摩擦系数比；

αf ——分配集箱摩擦系数；

X——计算点到坐标原点的相对长度，0～1；

vf、vh ——分配集箱、汇流集箱的介质比容，m3/kg；

λ——管子的每米摩擦阻力系数，1/m；

l ——管子长度，m；

d ——管子内径，m；

∑ξ ——管子的总局部阻力系数；

Fg ——管组中管子的总流通截面積，m2；

Ff ——分配集箱流通截面积，m2；

侧墙水冷壁分为四组，其结构为Z型，属于流量偏差比较大的结构形式，因此对侧墙水冷壁的各部分进行流量偏差和相应的温度偏差的校核计算。

4.4 停电保护

对强制循环锅炉，在突然停电的情况下，有可能导致水循环突然停顿造成炉水汽化的现象，导致锅炉换热管壁超温从而造成损坏，所以当锅炉在运行过程中突然停电，应当人工开启各循环回路顶部的排气阀门，在泄压的同时也加强了各回路的水循环，确保锅炉换热管壁不超温。

考虑到停电后，炉内的高温烟气也会对炉膛管壁有传热的情况出现，炉膛的容积是128立方米，假设炉膛烟温从1100°C降到350°C，烟气冷却，烟气的体积会明显缩小，冷空气会补充进来相互中和，这时烟气将释放约5000kcal，此热量直接把水加热，炉膛水容积为4立方米，烟气的余热将水温整体提升1.4°C。可见烟气对水的加热量相当有限。

4.5 水动力分析结果

根据以上分析对锅炉水循环进行计算，综合计算结果表明：

①在额定工况下锅炉水循环是可靠安全的。

②在非额定工况1-5下，管子内最小流速：

1）前墙 工况4 （介质向下流动） Wmin=1.1m/s；

2）后墙 工况4 （介质向上流动） Wmin=1.5m/s；

3）侧墙 工况4 侧墙第一管组数据（介质向上流动）第一根 Wmin=0.710m/s；

4）侧墙 工况4 侧墙第二管组数据（介质向下流动）第二根 Wmin=1.159m/s；

5）省煤器管 工况4 （介质水平流动） Wmin=0.87m/s。

以上数据满足最小流速安全工况：（按经验保守数据）

向上 W>0.5m/s ，向下W>1.0m/s，水平 W>0.7m/s[3]。

5 结束语

由于本锅炉的工作压力为亚临界压力，同时锅炉出水温度较高，整个系统的定压非常关键。锅炉系统要保证锅炉管道的足够压力，从而避免锅炉的炉水因压力下降而产生汽化的危险。另外，锅炉循环水的流量控制一定要得到保证，这也是避免锅炉的炉水因循环水量的不够而产生汽化的危险。

目前该锅炉已交由客户使用2年有余，运行状况良好，水循环安全，达到设计预期。

参考文献：

[1]TSG G0001-2012，锅炉安全技术监察规程[S].

[2]锅炉机组热力计算标准方法（1973版）.

[3]JB/Z201-83，电站锅炉水动力计算方法[S].

[4]JB/T8659-1997，热水锅炉水动力计算方法[S].endprint