低溫余熱電站余熱鍋爐受熱面?zhèn)鳠峒安贾脤?duì)發(fā)電能力的影

1、低溫余熱電站余熱鍋爐受熱面?zhèn)鳠峒安贾脤?duì)發(fā)電能力的影響四川川潤(rùn)動(dòng)力鍋爐股份有限公司總工程師唐宏偉一.前言低溫余熱發(fā)電站的熱力設(shè)備主要由余熱鍋爐和汽輪機(jī)組成。鍋爐吸收低溫廢氣中的熱量加 熱水并使其轉(zhuǎn)化為一定壓力、溫度的蒸汽，然后引入汽輪機(jī)將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。要提高余熱電站的發(fā)電能力不外乎有兩個(gè)途徑：.提高余熱利用率即鍋爐盡可能吸收工藝尾氣中的余熱，增大蒸汽出力；.提高熱力系統(tǒng)循化效率。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算及實(shí)踐驗(yàn)證，提高循環(huán)熱效率的措施有如下三 點(diǎn)：提高汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度即提高鍋爐出口蒸汽溫度；提高汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力即提高鍋爐出口蒸汽壓力；降低汽輪機(jī)排壓力。從上述措施可以看出，除降低汽輪機(jī)排壓力外，其余全部

2、與鍋爐有關(guān)。由于進(jìn)一步降低汽 輪機(jī)排壓力技術(shù)難度較大，提高余熱電站的發(fā)電能力必須要在廢氣參數(shù)已定的前提下，將鍋爐 設(shè)計(jì)成產(chǎn)汽量最大、蒸汽品質(zhì)最高。.余熱鍋爐的傳熱學(xué)基礎(chǔ)一臺(tái)鍋爐的大小及幾何形狀不僅取決于它所需傳遞熱量的多少，而且決定與他單位面積熱 量的傳遞和吸收率。由于溫度的不同而引起物體間或物體內(nèi)部之間熱量傳遞過(guò)程叫熱交換。大多數(shù)教科書(shū)上都 提到三種傳熱方式：對(duì)流、導(dǎo)熱和輻射。這三種傳熱方式包括了許多物理領(lǐng)域，諸如力學(xué)、熱 學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)和電學(xué)。一個(gè)傳熱過(guò)程中通常同時(shí)發(fā)生一種以上的上述傳熱方式。.對(duì)流流體流過(guò)壁面時(shí)同壁面之間產(chǎn)生的熱量交換稱(chēng)為對(duì)流換熱或?qū)α鱾鳠?。?duì)流傳熱在鍋爐中146 應(yīng)用十

3、分廣泛，對(duì)流換熱時(shí)流體與壁面之間的熱交換公式如下:q= a k (t tb)q單位面積在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)對(duì)流傳遞的熱量,w/m 2a -對(duì)流放熱系數(shù)， w/(m2 - K)t 流體溫度，Ctb 壁面溫度，C由上式可知，對(duì)流換熱熱量和對(duì)流換熱系數(shù)和流體與壁面的溫差成正比。對(duì)流換熱系數(shù)是表明換熱過(guò)程強(qiáng)弱的物理量，影響的因素較多，它與流體的質(zhì)量流速、密 度、比熱容、粘度、熱導(dǎo)率等因素有關(guān)，其中質(zhì)量流速是最主要的因素。.導(dǎo)熱導(dǎo)熱是指直接接觸的物體各部分間的熱交換過(guò)程。它可以表示為：入(t1 t2)q=S-q單位面積在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的熱量，又稱(chēng)為熱流密度，w/m2入導(dǎo)熱系數(shù)， w/(m - K)tl、t2

4、壁面兩側(cè)的溫度，C8壁面厚度，m公式表明熱流密度與溫差成正比，壁面厚度成反比，比例系數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù)，它與材料種類(lèi) 有關(guān)。.輻射輻射傳熱是一種電磁過(guò)程，是通過(guò)電磁波的形式傳播熱量的，其傳播速度與光速一樣。當(dāng) 射到某一物體上時(shí)，它具有反射、穿透、吸收的特性，被物體吸收的部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。物體的 輻射能力取決于它的熱力學(xué)溫度，其規(guī)律為：E=(r T4147E輻射熱流密度，其含義為單位面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射的熱量，w/m2黑體輻射總能量的斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67 w/(m - K4)T物體表面的絕對(duì)溫度，K在鍋爐中，煙氣和受熱面都向外輻射熱量，兩者輻射熱量的差額即為受熱面的輻射吸熱量,表不為：q=

5、 d m(Ti4- T 24)q 單位面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射吸熱量，w/m 2b m-煙氣及受熱面折算輻射常數(shù)，w/(m K4)Ti、T2煙氣及受熱面溫度，K.傳熱過(guò)程在工程技術(shù)中，把熱量從熱流體通過(guò)固體壁面?zhèn)鹘o冷流體的過(guò)程稱(chēng)為傳熱過(guò)程，這種傳熱 過(guò)程只通過(guò)一種換熱方式是實(shí)現(xiàn)不了的，常是三種換熱方式的綜合。余熱鍋爐的所有受熱面均 是屬于這種傳熱過(guò)程，都是管子外壁受煙氣的沖刷，熱量通過(guò)管子內(nèi)壁傳給管內(nèi)的工質(zhì)。整個(gè) 傳熱過(guò)程可以描述為：Q=KX HX tQ 傳熱量，J2H受熱面積，mK 傳熱系數(shù)， w/(m2 - K), t 溫壓，C.傳熱系數(shù)在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，受熱面管子外表面會(huì)出現(xiàn)積灰，內(nèi)表面可能

6、會(huì)出現(xiàn)氧化層、垢等情況， 受熱面管子內(nèi)外側(cè)都增加了額外熱阻，降低了傳熱效果。應(yīng)用歐姆定律來(lái)比擬，熱流等于溫差除以熱阻。歐姆定律中的電阻就是傳熱系數(shù)的倒數(shù)。所以流體與流體間的傳熱系數(shù)可以表示為:148S3SmSbO1a i人 3A mAboa 2a 1煙氣對(duì)管壁的放熱系數(shù)；a 2管壁對(duì)管內(nèi)介質(zhì)的放熱系數(shù)；6 3e =T灰污層熱阻，稱(chēng)為沾污系 人3數(shù)，S3、入3分別為管子外表面結(jié)灰層的厚度及導(dǎo)熱系數(shù);Mm、入m 管子金屬的壁厚及導(dǎo)熱系數(shù)；8 B 0、入B 0 管子內(nèi)表面結(jié)垢層的厚度及導(dǎo)熱系數(shù)；在一般鍋爐受熱面中，煙氣側(cè)的熱阻熱阻可以忽略不計(jì)（*=0）。已大大超過(guò)管壁金屬的熱阻詈，所以管壁金屬的在鍋

7、爐正常運(yùn)行情況下，m 8 B。阻入B 0 也可以忽略不計(jì)（0）。內(nèi)部沉積不應(yīng)引起管子熱阻嚴(yán)重增大，因此管子內(nèi)壁積垢層的熱 8 B 0受熱面管子的傳熱系數(shù)可簡(jiǎn)化為149K =1S311 1人。2 2ai=E (ock + ocji)E 利用系數(shù)，考慮煙氣沖刷受熱面的均勻度K、”刀分別為煙氣對(duì)管壁的對(duì)流放熱系數(shù)和輻射放熱系數(shù)對(duì)水泥窯余熱鍋爐，由于煙氣溫度較低，而受熱面管子布置較為密集，基本可以忽略輻射傳熱，即=0。當(dāng)計(jì)算管內(nèi)工質(zhì)為水，以及熱強(qiáng)度較小、管內(nèi)工質(zhì)為汽水混合物受熱面一，11時(shí)，因?yàn)?，管子?nèi)側(cè)的熱阻可以忽略不計(jì)。具體到水泥窯余熱鍋爐的蒸發(fā)器、省煤 1 12 2器、熱水器的傳熱系：1K =1

8、 S3E a k +入 a從上面公式可以看出，要提高傳熱系數(shù)，有兩條途徑：一是提高對(duì)流換熱系數(shù)，對(duì)一臺(tái)特定的鍋爐而言，煙氣成分及工質(zhì)已確定，可以通過(guò)提高 流體沖刷受熱面的速度來(lái)提高對(duì)流換熱系數(shù)，但煙氣速度受限于受熱面布置形式等結(jié)構(gòu)因素以 及由此而加重受熱面磨損和煙氣阻力增大后果，所以煙氣速度的選取原則不是最大，而是綜合 設(shè)備結(jié)構(gòu)、煙氣阻力等因素的一個(gè)合理選擇。二是降低沾污系數(shù)也即減小受熱面管子外壁的積灰厚度，通過(guò)采用合理的結(jié)構(gòu)形式以及通 過(guò)清灰裝置進(jìn)行清灰，可有效減少受熱面積灰。但對(duì)于結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)行模式一定的鍋爐而言， 受熱面的積灰一般來(lái)講是隨時(shí)間推移而加劇的。對(duì)于水泥窯余熱鍋AQC爐，由于廢

9、氣中含塵量較小，受熱面均采用錯(cuò)列布置的螺旋翅片管，未設(shè)清灰裝置；SP爐由于廢氣中含塵量較大，受熱面均采用順列布置的光管，設(shè)振打清灰裝置。由于這些特點(diǎn)，可以肯定水泥窯余熱鍋AQC爐、SP爐受熱面總體傳熱系數(shù)是比較低的，并且隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，熱面的沾污將越來(lái)越嚴(yán)重， 也即是說(shuō)，鍋爐總體傳熱系數(shù)將受越來(lái)越低。溫壓150煙氣與介質(zhì)間只有有了溫差才會(huì)產(chǎn)生熱流。對(duì)數(shù)平均溫壓表示在兩種流體之間的有效的溫 差。它取決于兩種流體經(jīng)受熱面時(shí)的相對(duì)流動(dòng)方向，即兩種流體是相互逆流、順流、還是交叉 流，對(duì)數(shù)平均溫壓按下式計(jì)算：t t1zu2 t1最大溫差，c t2 最小溫差，CA3C爐廢氣及工質(zhì)溫度變化過(guò)程示意圖從能

10、量獲取的角度講，當(dāng)鍋爐廢氣進(jìn)口溫度和鍋爐蒸汽參數(shù)一定的狀況下，為了盡可能的 吸收煙氣中的熱量，盡量多的產(chǎn)生蒸汽，蒸發(fā)過(guò)程的末端廢氣溫度越低越好，也即是說(shuō)溫差窄 點(diǎn)越小越好，由傳熱學(xué)的基本原理，我們知道，廢氣溫度始終會(huì)高于管內(nèi)工質(zhì)溫度，即溫差窄 點(diǎn)始終大于 0C。說(shuō)明鍋爐的排煙溫度與工質(zhì)飽和溫度高低成正比，而鍋爐蒸發(fā)量與蒸汽參數(shù)151 成反比。這樣就出一個(gè)矛盾，一方面，我們因?yàn)樘岣邿嵫h(huán)效率而需要提高蒸汽壓力、溫度參 數(shù)，同時(shí)又希望盡量多利用廢氣余熱，降低廢氣排放溫度。這就必須采用分段吸熱的方式，即 采用不同的工質(zhì)壓力運(yùn)行，形成不同的溫差窄點(diǎn)。傳熱面積在水泥窯余熱爐中全是對(duì)流受熱面，傳熱面積是指

11、受熱面管子的外表面積和擴(kuò)展受熱面的 面積。受熱面的不僅要滿(mǎn)足傳熱的需要，它對(duì)鍋爐整體結(jié)構(gòu)起決定性的影響。受熱面布置形式要 全面平衡受熱面管子的規(guī)格、煙氣沖刷方式、煙氣充滿(mǎn)度、煙氣流速、煙氣阻力、受熱面磨損、 汽、水流速、水循環(huán)的安全性等傳熱性能因素，更要滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地地理?xiàng)l件（大小、防震等） 和氣象條件（海拔、極端氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、雪載等）結(jié)構(gòu)安全因素。才能設(shè)計(jì)一臺(tái)運(yùn)行安全、 性能優(yōu)異的鍋爐。四.水泥窯余熱爐受熱面布置對(duì)發(fā)電量的影響通過(guò)上面的分析，我們知道對(duì)一特定的水泥余熱發(fā)電電站，要提高發(fā)電量，就要提高汽輪 機(jī)進(jìn)汽參數(shù)，提高系統(tǒng)熱效率；并且在最大限度的利用廢氣余熱產(chǎn)生最大量的高參數(shù)蒸汽同時(shí)，

12、工質(zhì)壓力分段運(yùn)行，吸取低溫段廢氣熱量，提高余熱鍋爐熱利用效率。同時(shí)在水泥窯余熱爐設(shè) 計(jì)中要考慮到，由于水泥窯工藝系統(tǒng)波動(dòng)引起的廢氣入爐參數(shù)的波動(dòng)，我們要做到當(dāng)廢氣入爐 參數(shù)高于設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，鍋爐也能將高出設(shè)計(jì)值的廢氣熱量吸收，產(chǎn)生更大量的蒸汽，提高波峰 發(fā)電量，從而提高電站系統(tǒng)總發(fā)電量。另外，我們要充分注意到水泥窯廢氣的特性，以及受熱面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著鍋爐 運(yùn)行時(shí)間的推移，熱面的沾污越來(lái)越嚴(yán)重，傳熱系數(shù)越來(lái)越低。還要預(yù)計(jì)水泥窯生產(chǎn)線產(chǎn)量波 動(dòng)而引起廢氣參數(shù)高于設(shè)計(jì)值時(shí)，溫差窄點(diǎn)也應(yīng)較小。故在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)傳熱系數(shù)K和溫差 t數(shù)值都應(yīng)有所保留。由傳熱方程式Q=KX HX At,為保證鍋爐蒸發(fā)量

13、較大，唯一的措施就是布置足夠大受熱面面積。受熱面只是傳熱部件，一臺(tái)鍋爐還有大量的鋼結(jié)構(gòu)以及其它附件。增大受熱面面積，就意 味著不僅鍋爐受熱面金屬耗量增加，同時(shí)鍋爐外形尺寸也會(huì)有所變大，鋼結(jié)構(gòu)重量也會(huì)加大， 按一般統(tǒng)計(jì)，水泥窯余熱鍋爐內(nèi)換熱管子等受壓換熱件一般大于53%其它梁、柱、樓梯、平152臺(tái)等非換熱受壓件不大于47%如果鍋爐重量太輕，意味著鍋爐受熱面面積不夠，電站實(shí)際發(fā)電能力不能達(dá)到平均設(shè)計(jì)發(fā)電能力的，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，越明顯。有關(guān)單位對(duì)目前已運(yùn)行的水泥窯余熱發(fā)電站進(jìn)行了一次調(diào)查也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。筆者將它們的部分5000t/d6000t/h 水泥窯余熱發(fā)電站的運(yùn)行調(diào)研結(jié)果：余熱鍋爐鋼材重量等有關(guān)參數(shù)與發(fā)電量的關(guān)系并列在附表1中，大家可以非常明顯地看到其中的差異。增大水泥窯余熱鍋爐受熱面面積，鍋爐鋼材耗量增加，鍋爐制造及建設(shè)成本增加，導(dǎo)致水泥窯余熱發(fā)電站總投資加大。但是，我們更應(yīng)看到，鍋爐設(shè)備投資只是一次性投資，余熱發(fā)電是沒(méi)有燃料成本的，它的發(fā)電成本較低，發(fā)電受益是長(zhǎng)效的，只要生產(chǎn)線運(yùn)行就有收益。我們從附表中選擇同于 2008