陳鐵君 孫連啟 張文勝

(1.張家口電產(chǎn)品發(fā)展有限公司075000;2.張家口市特種設備監(jiān)督檢驗所075000;3.張家口三北·拉法克鍋爐有限公司，075000)

0 引 言

隨著近些年國家對環(huán)保要求的更加嚴格及對能源政策進行了調(diào)整，鼓勵并推廣使用燃氣鍋爐.另一方面，我國近年來大儲量天然氣氣田的勘探和開發(fā)工作取得很大進展以及西氣東輸?shù)墓こ蹋烊粴夤o張的局面得到很大緩解.國內(nèi)燃氣鍋爐的市場份額逐年上升，特別是WNS系列燃氣鍋爐以其結構緊湊、高效節(jié)能、自動化程度高、環(huán)保性能突出、基建費用少等優(yōu)勢在燃氣鍋爐中占據(jù)了主導地位，廣泛應用于國民經(jīng)濟建設的各行各業(yè).然而，目前一些燃氣鍋爐產(chǎn)品處于模仿已有產(chǎn)品的水平上，缺乏技術創(chuàng)新，尤其在產(chǎn)品系列化生產(chǎn)中存在很多問題.本文以此為端倪探討了鍋殼燃氣鍋爐系列化設計中幾個關鍵要素的關系和設計匹配原則.

1 燃氣鍋爐傳熱面積的設計和匹配原則

隨著鍋爐容量的增加，鍋爐本體傳熱面積也要相應增加，但兩者之間最佳匹配關系到底如何仍需進一步研究.

1.1 現(xiàn)有WNS系列燃氣鍋爐傳熱面積與鍋爐容量匹配關系

根據(jù)某鍋爐公司多年生產(chǎn)WNS系列燃氣鍋爐的實踐經(jīng)驗，其傳熱面積與鍋爐容量匹配關系見表1：

表1

在WNS燃氣鍋爐系列化設計中，由于對流受熱面(第二、第三回程煙管)部分交錯或全部使用強化傳熱的螺紋煙管，鍋爐總傳熱面積與鍋爐容量并不完全按比例相應增加.

1.2 爐膽與鍋爐容量匹配原則

臥式內(nèi)燃鍋殼鍋爐中輻射受熱面集中于爐膽，爐膽的結構尺寸與鍋爐容量有著特殊的關聯(lián)關系，從以下幾方面進行考慮：(1)WNS系列燃氣鍋爐結構緊湊，燃燒器火焰在爐膽內(nèi)做受限射流沖刷，其爐膽(輻射受熱面)熱負荷較高，遠高于文獻[1]中的1200 KW/m2；與一般鍋爐輻射受熱面不同的是，除了強輻射換熱外，較高的煙氣沖刷速度使對流換熱也占有一定份額(約占爐膽吸熱量的8—16%)[2]，這樣導致爐膽受熱面在總受熱面中的份額雖然較小，但爐膽內(nèi)的輻射換熱和對流換熱總量在鍋爐總換熱量中占相當大的比重(約55%～60%)[1].

(2)爐膽作為燃燒室界面還承擔著促進和引導火焰燃燒的功能，爐膽的結構和尺寸必須和燃燒器火焰相匹配.具體來說，爐膽直徑應稍大于火焰直徑；爐膽長度應大于最大火焰長度.因此，在選擇燃燒器時應使兩者盡量匹配，并使爐膽的結構形式適應火焰的形狀和尺寸以保證合理的爐膛出口煙溫水平[2].(3)為了防止爐膽出口(即第二回程入口管板與管端)處超臨界熱負荷及傳熱惡化，爐膽出口煙溫不宜超過950 ℃，也就是說隨著鍋爐容量的增加應該保證必要爐膽長度，這一點對于熱水鍋爐尤其重要.

(4)考慮到燃氣火焰黑度較燃油時有所減弱，爐膛出口煙溫偏高，燃氣鍋爐系列化設計中，爐膽傳熱面積應較同容量燃油鍋爐適當增加.

2 燃氣鍋爐熱效率的設計和影響因素

高效燃氣鍋爐對于節(jié)約能源發(fā)揮著重大作用，鍋爐熱效率的設計計算又有其自身的規(guī)律.影響鍋爐熱效率的因素很多.

2.1 鍋爐熱損失的確定

采用反平衡法確定燃氣鍋爐熱效率前，應先確定以下各項熱損失：

(1)干燃燒產(chǎn)物熱損失；

(2)由空氣中水分引起的熱損失；

(3)由燃料中水分引起的熱損失；

(4)由燃料中氫燃燒后所生成的水分引起的熱損失；

(5)由未燃盡可燃物引起的熱損失；

(6)向周圍的輻射熱損失；

(7)其它熱損失；

以上(1)—(4)項就是通常所指的排煙熱損失q2，(5)項熱損失包括化學不完全燃燒熱損失q3和機械不完全熱損失q4，(6)、(7)兩項對應散熱損失q5和灰渣物理熱損失q6.

2.2 燃氣鍋爐熱損失的特點

對于燃煤鍋爐，燃氣鍋爐熱損失中q4和q6兩項為零，且鍋爐密封性一般較好，q5項損失一般也很小(一般在1～3.6%[4]，國外有的鍋爐甚至小于1%[1])，并且隨著鍋爐容量的增大而減小.燃氣鍋爐熱效率可由下式給出：

η=100-q2-q3-q5

η——鍋爐熱效率，%；

q2——排煙熱損失，%；

q3——化學不完全燃燒損失，%；

q5——散熱損失，%；

其中q2由下式計算：

q2=[(Ipy-αpy·I0lk)/Qr]x100

Ipy——排煙熱焓，KJ/Nm3；

αpy——排煙處過量空氣系數(shù)，/；

I0lk——冷空氣焓，KJ/Nm3，

Qr——每標米燃氣送入爐內(nèi)熱量，KJ/Nm3；

q2是燃氣鍋爐熱損失中最大的一項，它取決于排煙溫度和排煙量，而排煙量決定于過量空氣系數(shù).目前WNS系列燃氣鍋爐一般選用國外品牌燃燒器，過量空氣系數(shù)小，一般在1.05～1.1之間.與燃煤鍋爐顯著不同的是燃氣鍋爐排煙熱損失占據(jù)鍋爐總熱損失的主要份額，見表2(某鍋爐公司W(wǎng)NS燃氣鍋爐熱力計算數(shù)據(jù))：

表2

從表2中可以得出：WNS系列燃氣熱水鍋爐排煙熱損失約占鍋爐總熱損失68～78%，而且隨著鍋爐容量增大，排煙熱損失份額有一定程度的增大.排煙熱損失與排煙溫度有直接關系，進而得出鍋爐熱效率很大程度上取決于選取排煙溫度的高低.以WNS2.8—0.7/95/70—Q燃氣鍋爐為例，其鍋爐熱效率與排煙溫度關系見表3、圖1：

表3

由表3擬合的鍋爐熱效率與排煙溫度關系曲線為：

η=98.49-0.043θpy從擬合公式可以得出：WNS系列燃氣鍋爐排煙溫度每降低10 ℃，鍋爐效率可以提高0.43%.

圖1 WNS燃氣熱水鍋爐熱效率與排煙溫度關系曲線

從擬合公式及圖中可以得出：WNS燃氣熱水鍋爐排煙溫度降低25～50 ℃，鍋爐熱效率約可提高1～2%.鍋爐熱效率還受到其它方面因素制約，必需綜合考慮.筆者總結在WNS燃氣鍋爐系列化設計中鍋爐熱效率的確定應注意以下幾點：

(1)目前WNS燃氣熱水鍋爐排煙熱損失占鍋爐總熱損失份額偏大，對于7 MW以下燃氣熱水鍋爐使其排煙熱損失份額隨鍋爐容量增加匹配在65～70%為宜；

(2)散熱損失對燃氣鍋爐熱效率的影響不可低估，提高鍋爐密封性與加強保溫成為目前燃氣鍋爐制造過程中應特別重視的一個環(huán)節(jié)，由于散熱損失與鍋爐負荷成反比，運行中也應引起用戶的足夠重視；

(3)同一容量的蒸汽鍋爐比熱水鍋爐熱效率低2%左右，WNS系列熱水鍋爐鍋內(nèi)介質(zhì)為未飽和水，而蒸汽鍋爐(由于鍋爐壓力的關系)，鍋內(nèi)介質(zhì)溫度要比同容量的熱水鍋爐高出近100 ℃.為了維持尾部受熱面一定的傳熱溫壓，蒸汽鍋爐排煙溫度相對于熱水鍋爐來說有很大程度的提高；

(4)蒸汽、熱水鍋爐各自系列內(nèi)，隨著鍋爐容量的增加，鍋爐壓力一般也有所增加，鍋爐內(nèi)介質(zhì)溫度相應提高，鍋爐熱效率也受運行壓力的影響；

(5)過量空氣系數(shù)對鍋爐熱效率影響比燃油時大，燃氣鍋爐系列化設計時要注意選用低過量空氣系數(shù)的燃燒器(1.025～1.05)；

(6)由于天燃氣中氫的含量很高，質(zhì)量百分數(shù)約20～25%，煙氣中水蒸氣份額很大(近20%)，水蒸氣帶走熱量約占燃料高位發(fā)熱量的10%.因此，針對目前WNS天燃氣熱水鍋爐排煙溫度偏高(一般在180 ℃以上)的現(xiàn)象，有必要降低排煙溫度利用煙氣顯熱以提高鍋爐熱效率，相應地采用螺紋煙管、管內(nèi)擾流子等強化傳熱措施，強化傳熱的同時節(jié)約了金屬耗量.同時天燃氣中硫份含量極少，燃燒后煙氣露點溫度遠遠低于排煙溫度，可以采用爐外冷凝回收裝置充分利用煙氣潛熱進一步提高鍋爐熱效率.

3 結束語

WNS系列燃氣鍋爐在我國經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)成為燃氣鍋爐中一個重要系列，在鍋爐本體結構布置、燃燒器匹配、強化傳熱、高溫煙室管板焊接、尾部積水處理、低噪環(huán)保運行等方面取得了長足進步，目前廣泛應用于生產(chǎn)、生活中的各個領域.筆者就其系列化設計中幾個設計要素進行綜合分析并提出設計改進建議，希望能促進燃氣鍋爐生產(chǎn)及應用領域新的研究和進一步發(fā)展.

參 考 文 獻

[1]趙欽新,惠世恩.燃油燃氣鍋爐[M].西安交通大學出版社,2000

[2]張文勝,等.臥式內(nèi)燃燃油(氣)鍋爐爐膛出口煙溫的確定,工業(yè)鍋爐[J].2001.4

[3]陳學俊,陳聽寬.鍋爐原理[M].西安交通大學出版社,1994

[4]鍋爐機組熱力計算標準方法[M].機械工業(yè)出版社,2001

[5]車得福.冷凝式鍋爐及其系統(tǒng)[M].機械工業(yè)出版社,2002