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Boilersteamrate;
Heatloss;
Excessaircoefficient;
Exhausttemperature;
Thermalefficiency
0、引言
TSGG0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》(以下简称《锅节规》)给出了目前评判定型锅炉产品能效的四个主要指标是在满足锅炉出力的基础上锅炉的过量空气系数;
热效率必须达到《锅炉节能技术监督管理规程》给出指标要求;
锅炉热工测试其实质是检验锅炉设计中热力计算是否与实际运行工况相符合。
检验燃料燃烧所发出的热量能被锅内的工质吸收多少?
目前测试的常用方法是正平衡法和反平衡法。
在大于20吨(14MW)燃煤工业锅炉的反平衡测试、计算中,灰的平衡是至关重要的,它是计算燃料消耗量的方法。
由于反平衡法所测试的是锅炉的各项热损失,使得测试和计算比较简捷,也比较准确。
为提高锅炉热效率,各锅炉厂家采用了各自的新技术、新工艺。
通过对近100台蒸汽、热水锅炉的测试总结,本文以锅炉原理和燃烧理论为依据,从提高燃烧效率和强化传热等方面列出了我国现阶段锅炉设计、运行的亮点和存在的缺陷。
为进一步提高锅炉能效,提出了有益的建议。
1、确定锅炉结构三要素:
R——炉排面积热强度(室燃炉又叫炉膛断面热强度);
qV——炉膛容积热强度;
P——合理的炉体结构和足够的热交换途径)是锅炉结构的三要素。
锅炉定型产品能效测试的首要条件是锅炉出力必须达到设计的额定负荷。
如果锅炉出力达不到额定负荷,测试组必须拒绝对该锅炉的测试。
所以在测试前制造厂必须按GB/T10180-2003《工业锅炉热工性能试验规程》表3的要求,提供要测试锅炉的“锅炉设计数据综合表”:
但有的锅炉厂家在提供锅炉设计文件资料时,没有提供炉排面积和炉排面积热强度;
也不提供炉膛容积和炉膛容积热强度;
这就使测试人员对锅炉的重要设计参数审查少了很重要的一个环节。
只有到现场后才能了解到该锅炉的燃烧是否有足够的炉排面积和组织燃烧的燃烧空间——炉膛容积和炉膛容积热强度的具体数据。
而且这种了解远没有设计时计算结果准确。
为什么有些锅炉厂家提供不出“锅炉设计数据综合表”?
据了解是我国大部分锅炉厂家没有自己的专业人才,自己没有设计能力,主要靠买图纸或抄别人的设计图样进行制造。
出现在测试中的表现是虽然地点、煤种不同,但炉型、燃烧方法、整体结构和受热面积却完全一样。
他们有的把买来的锅炉图纸稍做修改,把各个参数往安全方向变化一点;
有的是把尾部受热面做些修改,把各辅机往自认为好的方向变化一点;
这些锅炉在测试过程中往往比较难以调试到额定工况。
这些状况在一些中小型锅炉制造企业尤为突出。
确实,一个定型产品的确定要做大量的试验,要在多次的锅炉运行实践中才能摸索出最佳的炉排面积和炉排面积热强度;
以及炉膛容积和炉膛容积热强度。
这两件事是相当困难的,我们现在各锅炉厂的热力计算中还基本是源用苏联57、73标准或我国的《工业锅炉设计计算标准方法》[1],而针对每一种炉型的整个热力计算又相当繁琐,所有目前我国各锅炉厂基本都使用计算软件来计算。
这些软件有的是采用C++程序设计语言,有的是采用Visual-basic语言;
有的是使用Java语言;
有的是按《标准方法》自编的EXCEL程序......目前国内使用较多的是采用浙江大学钟威教授编写的BESS《锅炉设计计算程序》;
或是采用杭州伯勒计算机技术有限公司的B-BDCS软件,还有的锅炉厂技术人员是按国外一些现成软件改编过来的“锅炉设计计算程序”;
更有形成自己设计风格的、有独到之处的“锅炉设计计算程序”,比如太原锅炉集团在清华大学岳光溪教授提出的“定态设计”理论指导下,总结了国内数百台锅炉的实际工况及大量数据.完成了以我国燃煤条件为基础的最佳状态参数的“热力性能计算”软件。
特得指出的是有的锅炉厂家采用了目前较先进的AutodeskInventorProfessional2012或“CAXA”三维制图设计,可惜它们都没有和“计算流体力学”软件fluent有机的结合起来。
这应该是我国今后设计的方向。
这些软件和计算程序的使用对提高我国锅炉热力计算的整体水平和计算效率,采用计算机修改锅炉设计做出了相当大的贡献,使我国的锅炉制造水平特别是燃煤锅炉的生产水平达到了国际先进水平。
但是,应该指出的是这些软件没有经过国家的统一论证和考核,基本属于各自占领一块阵地。
另外,我国的锅炉制造厂家太多,工程技术人员欠缺,有些厂家在使用软件“锅炉设计计算程序”的过程中,只知其然而不知其所以然,使计算结果和锅炉结构脱节,燃料特性和燃烧设备匹配不佳等缺陷还是存在。
众所周知,锅炉设计是锅炉制造工作中重要的环节之一,在设计锅炉之前,应根据所给定的锅炉容量、参数、燃料特性有目的地进行调查研究,取得第一手资料,然后进行设计。
一般开始设计时先选定锅炉的总布置,按当地的燃料品质进行燃料消耗量的估算,然后决定燃烧所需要的炉排面积(或断面积)和炉膛结构(确定炉膛体积),进行炉内传热计算;
决定整个炉体的结构形式和热交换的部件及其途径,进行对流受热面的初步传热计算。
在以上的结构设计和传热计算中还须预先选定受热面的材料、管径和壁厚,布置好足够截面的下降管及其汽水循环系统;
在以上计算(称热力计算)结束后,再根据计算结果,计算受压元件的强度及允许的壁温;
进行水循环计算,校核水循环是否安全可靠,进行空气动力计算,校核烟、风道流动阻力是否合理。
经调整修改后的以上五大计算完全合理后,即可进行整体结构设计和计算。
只有在此基础上才能作进一步的细微修改设计,最后定型生产。
初步设计的首要任务就是反复核算确定锅炉结构的三要素:
(1),层燃炉的炉排面积和炉排面积热强度,室燃炉的炉膛横断面积和炉膛断面积热强度;
(2),炉膛容积热强度;
(3),合理的炉体结构和足够的热交换途径。
这里徐旭常、周力行主编的《燃烧技术手册》[7];
冯俊凯、沈幼庭、杨瑞昌主编的《锅炉原理及设计》[3];
2011年1月出版徐通模主编的《燃烧学》对一些燃烧技术的设计细节都有很科学的论证。
多年来,我国火床炉的炉排面积热强度基本上是按林宗虎、徐通模主编的《实用锅炉手册》[4]表7-11所推荐的统计值,或在此基础上做一些变动而已。
而室燃炉的qV——炉膛容积热强度也基本上是按林宗虎、徐通模主编的《实用锅炉手册》[4]表7-5所推荐的统计值,或在此基础上做一些变动而已。
有些锅炉厂家在设计褐煤时也许是按图7-6德国推荐的的室燃炉的qV——炉膛容积热强度,或有些锅炉厂家在设计固态排渣煤粉炉时也许是按图7-7美国推荐的的室燃炉的qV——炉膛容积热强度。
设计时,先查取一个适用的炉排面积热强度、炉膛容积热强度,然后按公式:
W/m2......................公式
(1)
预定一个炉排面积,进行下步计算;
W/m3..................公式
(2)
预定一个炉膛容积,进行下步计算。
其实各国都有自己的试验数据。
比如表7-6是前苏联1988年的qV推荐值[4]:
中国特种设备检测研究院节能研究测试中心就是要以能效测试为起点,组建我国国家级的热工试验平台,研究出符合国情的锅炉试验数据,为我国的高耗能特种设备提供节能技术资源。
2、运用好传热传质三要素
从传热基本公式Q=KHΔt可知(K—传热系数;
Δt—传热系温差;
H—受热面的合理布置;
)是传热三要素。
锅炉热力计算是进行锅炉工况校核的最普通最常用方法。
没有经过热力计算的锅炉,测试结果是不可预料的。
在确定炉膛的辐射传热和炉膛出口温度后,就要确定该锅炉究竟要多少对流受热面?
所以整个热力计算中,计算传热系数是至关重要的,它的计算由于涉及诸多参数和图表,使得传热系数的计算比较繁琐但也特别重要。
但最基本的传热公式是:
传热量正比于传热系数、传热面积、冷热两流体间的温差三者的乘积:
Q=KHΔt..........公式(3)
而锅炉受热面的传热系数与对流换热系数的关系可以表示为
Q=
..........公式(4)
式中H———传热面积;
θ———该传热点的烟气温度;
t———该传热点的吸热工质温度;
αd、αf———管外工质(通常为烟气)的对流、辐射换热系数;
α2———管内工质对流换热系数;
ε———根据受热面不同,选取污染系数ε,热有效系数ψ,利用系数ζ。
、这样就得到传热系数K=
w/m2℃..........公式(5)
从公式(2-3)可知,烟气侧的换热系数α1由辐射换热系数αf和对流换热系数αd两部分组成,而吸热的工质侧只有对流换热系数α2。
对流换热系数是表征对流换热强弱的指标,它与流体的物性、流动状态、温度、管束的布置结构、冲刷方式(纵向、横向或斜向)、管壁温度等因素有关。
锅炉对流受热面中的对流换热是一种气体横向或纵向冲刷管束的强迫对流换热,工程中应用相似理论来进行分析,得到放热系数计算式。
一般表示为努塞尔特准则:
Nu=CRemPrn..........公式(6)
式中C———考虑各种影响因素的修正系数;
Re、Pr———分别为雷诺数和普朗特数。
雷诺数的物理意义是表示惯性力与黏滞力之比,它与流体的流速,流道的几何尺寸和运动粘度有关:
Re=Lw/ν=LρW/μ=LγW/μg..........公式(7)
普朗特数的物理意义是表示热对流与黏滞力之比,它与流体的运动粘度成正比,和流体的导温系数成反比:
Pr=μgCp/λ=ν/a..........公式(8)
对上面公式的分析可知,影响传热的主要因素是雷诺数,次要因素是普朗特数,它们都与流体的运动粘度相关,而运动粘度又会影响到流体的流速。
流道的几何尺寸的变化也直接影响到流体的流速的变化。
《锅炉机组热力计算标准方法》按努塞尔特相似准则列出了下面几个典型计算公式:
(1)锅炉对流受热面内蒸汽在管内均为纵向冲刷,且为过热状态(即为单相介质),所以蒸汽侧和烟气侧我的对流换热系数算式都采用
kW/(m2℃)[3].................公式(9)
式中Cs,CL———管几何布置方式、纵向冲刷管长度相关的修正系数;
d———管径;
λ,Pr———工质的导热系数、普朗特数。
而Wd/ν=Re雷诺数。
(2)烟气横向冲刷顺列管束的对流换热系数为
.......kW/(m2℃)[3].................公式(10)
式中A———常数();
Cs,Cz———管几何布置方式、横向冲刷管排数相关的修正系数;
d———当量管径;
λ,Re,Pr———工质的导热系数、雷诺数、普朗特数。
(3)烟气横向冲刷错列管束的对流换热系数
.......kW/(m2℃)[3]................公式(11)
注意,公式(2-8)的雷诺数指数是,系数A=;
而式(2-9)的雷诺数指数是,系数A=。
在燃气炉中,雷诺数指数是,这是因为无灰粒子的烟气影响。
各类书中公式不少,但基本上就是这三种形式,只不过有的指数变了,有的系数变了。
这都是前辈们通过大量相似理论试验,总结出来的基本数学公式,这对于使用计算机软件带来了极大的方便,也提高了设计的准确性。
烟气中冲刷受热面粒子的大小和密集程度也是影响传热系数的重要因素,所以在沸腾炉的埋管计算时采用了流化速度这一概念,而对螺纹管的对流放热系数计算:
......kW/(m2℃).................公式(12)
此时采用的努塞尔特准则:
Nu=
..........公式(13)
式中P———螺纹节距;
h———管内壁的螺纹深度m;
dn———管内径m;
Re———雷诺数,Re=dnw/νd。
空气预热器空气和烟气两侧的对流换热系统的计算形式是一样的,计算时调用各自的物性参数即可。
在锅炉设计中,各流通截面的流体流速是关键参数。
我们知道随着流速升高,传热系数成比例增大,但它带来的流动阻力却以流速的平方速率在增大。
所以选取最佳的烟气流速就尤为显得重要。
而受热面的合理布置可以形成较理想的烟气流速。
比如受热面的管排列不均,在烟气流道中形成了烟气走廊,则会使旁边的受热面不起作用;
又如在由高温到低温的整个烟气流道中我们选用等烟速流道就比分段等截面流道的烟气流速要优越;
而分段等截面流道又比整体等截面流道来得优越。
无计算机的传统锅炉热力计算中查取对流换热系数的图表很多也很繁琐,为求取各类对流放热系数,总共用到的查取对流放热系数的图表有5处,各类修正系数的图表有13处。
进行图表拟合将需要5000~6000组数据。
计算机的使用把许多图表换成近似公式来计算带来了快捷,采用理论公式来求取对流放热系数,总共需要的数据量在700~800组之间,可见采用计算机软件方法来进行对流放热系数计算的工作量也小得多。
在工程计算中能用数学公式得出的结果是最佳的结果。
它比其他靠近计算法误差要小得多,但它依然会带来一定的误差,如何把这种误差降到最小,就是我们的热能动力工作者和编程人员要共同解决的课题。
2.2、提高传热量的重要因素——增加温差(温压)来实现
由上一节公式(2-1)可知,传热量的大小与温差(为了和电流、电压相配合来理解,又叫温压)有直接的关系,所以锅炉设计者在材质许可壁温条件下尽量把过热器放在炉膛出口的高温烟气区,又把饱和温度的锅炉本体部分分成不同的阶梯形温度段,最大可能的让高温烟气传热给高温工质段,低温烟气传热给低温工质段,在整个传热的各阶段形成许多有较高温差的热交换段。
使每个热交换段之间都存在较大的温差,以节省受热面。
在简化的传热计算中,把传热系数分成辐射和对流两部分,辐射换热系数αf又分两种情况:
一是有灰粒子的辐射,二是无灰粒子的辐射;
它们都与温差的4次方成正比:
有灰粒子的辐射换热系数:
..........公式(14)[4]
无灰粒子的辐射换热系数:
..........公式(15)[4]
注意,这里式(2-13)的指数是,有的书上是,我认为~都行,看你怎么取。
因为一般的烟气中都存在灰粒子,绝对无灰粒子的冲刷只有在燃气的锅炉上才存在。
温差的计算有算术平均温差、对数平均温差两个基本公式,算术平均温差比较简单,只是把流体进、出口的高温流体温度减低温流体温度的两个差值(大温差加小温差)之和除二:
..........公式(16)[3]
锅炉工程上一般采用对数平均温差,特别是在对流换热区段只采用对数平均温差:
..........公式(17)[3]
温差的作用就像电路里的电压一样,电路里如果没有电压,电子就不会流动。
传热也一样,如果两个进行热交换的流体之间没有温差,它们之间的热流也为零,即没有热量的传送。
锅炉内,高温烟气经过炉膛辐射传热,凝渣管、过热器、对流管束的对流热交换之后,在锅炉烟气流道的尾部受热面处,烟气温度几乎降到了接近吸热工质的饱和温度,这时高温流体温度减低温流体温度的两个差值接近于零。
为了使热交换继续进行下去,人们采用了省煤器和空气预热器(简称节能器)来增大两个流体的温差。
所以现代锅炉的烟气尾部都带有节能器,即省煤器和空气预热器。
这里的高温介质温度比较低(一般在200℃左右),与高压饱和水的温度几乎无法进行传热,而对于常温下的空气和20℃左右的给水温度来说,还具有100℃以上的温差。
特别是增加空气预热器后,能把烟气中的这部分热量返回到炉膛内,改善了炉膛内的燃烧条件。
所以我们在能效测试时对带有空气预热器的热水炉一般不进行效率折算,就是这个道理。
特得注意的是在增加节能器的同时要考虑低温腐蚀和低温积灰的问题。
低温腐蚀与烟气结露温度点有密切关系,低温积灰与烟气流速、结露温度点和受热面表面的吸附性有关。
一旦低温受热面表面积灰,就会增大传热的热阻。
所以采用震动的受热表面是设计中的亮点。
因此,采用计算机软件进行热力计算、烟风阻力计算、和水动力计算是目前锅炉设计的亮点,而采用原始的图表手工计算是当前锅炉设计的一大缺陷。
、测试中排烟温度的低或高主要取决于受热面的多或少
热力计算书也是锅炉测试中不可缺少的审查资料。
在确定炉膛的辐射传热和炉膛出口温度后(炉膛出口温度的高低取决于辐射受热面的少或多),接下来就要确定该锅炉究竟要多少对流受热面?
所以整个热力计算中,计算传热系数、传热温差、受热面积是至关重要的几个主要参数,它影响到热工测试中的各项热损失。
定型产品测试中首先就要看该锅炉的出力能否达到设计额定负荷的要求,出力达不到,就说明该锅炉设计不符合《锅节规》的要求,不能出具“能效测试报告”。
定型产品测试中其次就要看该锅炉的能否达到《节规》规定的要求,排烟温度达不到《节规》的要求,说明该锅炉受热面不够,或燃烧工况没有调试到最佳状态。
如果经过多次调试还不能满足要求,也不能出具“能效测试报告”。
我们在测试过程中碰到排烟温度达不到《节规》的要求的还有下面几种情况:
(1)受热面足够,但炉墙砌筑质量差,隔烟墙不密封,耐火混泥土浇注不密实,烟气短路了,使尾部的大部分受热面形同虚设;
(2)对流受热面布置不合理,在烟气的流通道路上存在较大的烟气走廊,这与烟气短路差不多,也使尾部的大部分受热面形同虚设;
在尾部对流受热面中没有设计“节能器”,这里的温差太小,虽然设计了足够的受热面,但温差太小,排烟温度降不下来。
这个问题在额定蒸发量等于小于1t/h的燃煤锅炉上尤为突出。
所以说,排烟温度的低或高主要取决于受热面的多或少,也取决于受热面的合理布置和安装调试每道工序的严格控制。
可以说,能效测试是对整台锅炉的综合效率检测。
3、锅炉必须让燃料得到充分燃烧是节约燃料(能源)的根本
测试中要对燃料、灰、渣等燃烧产物进行取样分析,要对烟气成分在线分析、记录。
这部分主要检测该锅炉燃料的充分燃烧情况。
燃烧热效率是表征燃料在炉内燃烧好坏的指标,测试中它与传热效率是综合起来考虑的。
这里把它单独拿出来讨论也是为了更好地发现我国某些锅炉设计的亮点和存在的缺陷。
、稳定、可靠、先进的给料系统和装置
传统的链条炉排锅炉基本都采用带煤闸门的下煤斗,自从分层给煤装置这一节能产品推广后,我国北方的大部分锅炉都采用了这一结构。
我们这次测试的链条炉排锅炉基本都采用了分层起拢给煤斗。
近年来,我国对分层燃烧技术的加煤装置不断改进完善,已显现出了极大的节能效果。
其机理是:
通过分层加煤装置,使进入到炉排上的燃料煤,大块落在底层,然后中块、小块、粉末依次均匀分布。
这样布置的煤层,具有气隙大、风阻力小、铺设均匀、易于充分燃烧的特点,改变以往那种不分大小块、不分上下层,因而造成燃烧不充分、煤渣含碳量较高的低效率状况。
根据许多用户反映,没加装置前,煤渣含碳量平均要在20%以上,加上该装置后,平均含碳量仅在10%左右。
通过我们近百台链条炉排的测试,链条炉排热水锅炉上加装了分层给煤装置后,其炉渣可燃物含量一般都在12%以下,证实了分层燃烧技术的节能效果在10%左右。
特得指出的是有些厂家使用了在分层效果基础上又增加了一个分垅装置(其实就是在筛子圆钢的一定间隔上加焊一块挡煤角铁),让煤在分层的同时起垅,使炉排面上的煤平面变成波浪面,增大了燃煤与空气的接触面积,这是有利的一面。
然而,我们测试中也发现这种结构有它的害处,那就是在炉排底风的吹力下,有的使用单位出现炉排上垅低谷处冒口穿风,垅高峰处不通风而燃烧不烬,使炉渣可燃物含量反而增高。
笔者认为当煤层厚度在100mm以下时,不宜采用分垅装置,但是,当煤层厚度200mm以上时,在分层效果基础上增加一个分垅装置是否可起到增大煤层表面积的作用而不至于造成穿口和堆积还待进一步实际证明。
在测试过程中,发现链条炉排的给煤斗有单辊分层给煤斗,双辊分层给煤斗,三辊分层给煤斗和多辊分层给
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