淺談貫流鍋爐在日本的應用

1鍋爐結構特點中流鍋爐在美國發明，并在第二次世界大戰后廣泛應用于機織機列車的加熱。以后被日本引進用做通用工業鍋爐,其技術在日本得到迅速發展。自七十年代以來,貫流鍋爐在日本的銷量持續上升,1990年日本本國銷量達到二萬臺。貫流鍋爐生產使用在日本不受有關政府部門監檢,不需要幾年一次的檢查,甚至不需要司爐工。現在,這種形式鍋爐在中國、韓國都有生產。所謂“貫流鍋爐”是由設計排列的長管子組成,給水泵在管子一端給水,水(工質)在管內經過加熱水段、蒸發段、(過熱段),從管子另一端產生所需的蒸汽。它不同于立式水管自然循環鍋爐。貫流鍋爐由鍋爐本體(本體由上下集箱、列管等組成)和水泵、油泵、燃燒器、汽水分離器等部件組成。貫流鍋爐的結構決定了它的性能特點。歸納起來,它有以下主要特點:(1)保有水量少(1t/h鍋爐約為140L),所以產生蒸汽快,一般產生額定壓力蒸汽需5分鐘左右。但因為保有水量少,蓄能少。鍋爐壓力隨負荷變動大,這就要求有一套可靠的反應迅速的燃燒自動控制裝置及給水裝置。(2)由于列管可以自由排列,因此結構緊湊,燃燒方式特殊,使體積大為縮小。但是爐膛容積熱負荷大,水在一根管子內完成加熱到蒸發,循環倍率接近1,并有可能發生傳熱惡化,所以要求嚴格控制管壁溫度在安全工作范圍內。(3)這種鍋爐結構緊湊、維修性差。貫流鍋爐本體幾乎是不可維修的。這就要求嚴格控制制造質量,執行嚴格的質量管理體系。另外,它對給水水質要求較高,應嚴格控制給水水質,以保證其壽命。(4)鋼材耗量小,貫流鍋爐鋼汽比約為1.1噸鋼/蒸噸,而普通煤爐約為4～6噸鋼/蒸噸。(5)一般認為,這種結構形式的鍋爐蒸發量適合在4t/h以下。如果再往上,它與其他形式的鍋爐(如臥式內燃鍋爐)相比優越性小。這種鍋爐常只做到2t/h。國內最大容量一般在3t/h以下。2熱力設計及結構在設計貫流鍋爐時,要針對前述特點選型、設計,確保其安全性。如對于保有水量少、水泵起動頻繁,就要求在燃燒器、配套水泵、水處理設備選型時選擇可靠產品。在進行熱力計算、結構設計時,我們應注重以下幾個方面:①合理的受熱面布置;②強化傳熱與爐內壓之間的關系;③水位高低與蒸汽品質之間的關系;④鍋爐測點控制;⑤高智能化控制的實現方法。2.1輻射受體面布置在貫流鍋爐受熱面布置方式上,曾經有采用兩排管、煙氣一回程螺旋通過的布置,即煙氣出爐膛后溫度由高到低一次通過對流層。但相比較起來,現在采用的ω流程受熱要均勻些。在布置輻射受熱面時,除要計算輻射受熱面的大小外,還要按照火炬直徑和長度來校核爐膛尺寸,這對于爐膛尺寸較小的貫流鍋爐是必要的。輻射受熱面列管中心圓應大于火炬直徑,爐膛高度應大于火炬長度,否則火炬碰到爐膛將冒黑煙,在調試過程中,出現空氣過剩系數正常或偏大,但CO含量卻很高,就是這種情況。國內資料一般推薦中心圓直徑為火炬直徑的1.1倍。進口的貫流鍋爐如三蒲鍋爐,采用特制燃燒器、高壓風機,進行強化傳熱,減小鍋爐體積。標準火炬較細較長,改變燃燒器一次風與二次風的配比則能改變火炬形狀,計算火炬形狀的理論可向燃燒器廠商查詢。而爐膛高度遠小于火炬長度,增加一次風的比例,使細長的火炬變粗變短。標準火炬的長度與直徑可在樣本上查到。按火炬基本特性公式可大致計算出火炬長度與直徑,再以此布置輻射受熱面。比如,雙良4t/h貫流鍋爐爐膛高約為1900mm,而標準火炬長度為2.7～3.3m,一次風采用旋流配風,一次風量占總風量的15%左右,以得到合適的回流區。另外,在爐膛出口處外圍管子,應校核鰭片中心與管壁溫度。當鰭片寬度不大于20mm時,可不校核鰭片溫度。2.2對煙氣流速和對回流熱系數的修正意見進口的貫流鍋爐都采用提高爐內壓、擴大傳熱面的方法來提高傳熱效率。國內采用槍式燃燒器的鍋爐體積明顯偏大。三蒲1t/h(發熱量539,000kcal/h)鍋爐的實測爐內壓在2300Pa左右。雙良貫流鍋爐采用特殊燃燒器、高壓風機,在對流環內,貫流鍋爐結構較為特殊,煙氣流速、對流放熱系數都無現成的計算方法。怎樣修正這兩參數,只能通過實驗分析。我們經過實驗測試,認為:①在計算對流環流速時,應采用兩圈管子之間的平均截面積折算成當量間距所在流通面積作為計算截面積;②采用偏心結構時,應以對流環局部阻力近似相等為原則,而不是以等速為原則;③采用三排管時,建議不采用偏心結構。與貫流鍋爐相配的一般用高壓風機,爐內壓可達2500Pa以上,煙氣流速達35m/s左右。在提高爐內壓強化傳熱同時,應注意:①煙氣阻力(爐內壓)與煙氣速度成平方關系。煙氣速度的增加會使阻力很快地增加,這就需要大功率的風機。所以應考慮鍋爐強化傳熱與電機功率增加的矛盾。②對流放熱系數計算中,煙速的指數小于1。阻力與煙速是二次方關系。隨煙速的增加,阻力的增加要比傳熱系數的增加快得多。因此,在進行鍋爐結構布置時應先確定爐內壓,再調整爐內壓、煙速、放熱系數等之間的關系,盡量使整個鍋爐最經濟。2.3關于汽化空間的位置水位的確定對蒸汽品質、水冷壁受熱情況都有影響。為了保護管子,防止傳熱惡化,水位不宜過低。但如果水位過高,則蒸發段不夠,有可能帶水。在其他結構形式(汽水分離器,蒸汽空間等)都已確定的情況下,應使水位盡可能的抬高。有人認為,貫流鍋爐爐膛熱水不均勻,列管中的水位高度也不相等。其實,在貫流鍋爐列管內,并不存在嚴格的汽水分界面。在確定蒸汽出口處蒸汽含汽率后,也可以確定列管中水位與平衡筒中的水位高低。但建議采用試驗值,計算值可作為校核。按《安規》中規定,水管鍋爐的最低安全水位,應高于最高火界100mm。設置最低安全水位的意義在于保證鍋爐運行中各蒸發面都得到可靠冷卻。貫流鍋爐平衡筒中水位是低于火界的。在確定最低安全水位后,應確保鍋爐管能得到可靠冷卻。2.4對雙良貫流鍋爐的控制方式貫流鍋爐是一種鋼汽比小、容積熱負荷大的鍋爐。它的安全性與可靠性是通過一套完善的測點保護、自動化控制來實現的。自控系統由測量顯示部份、運算控制部份、執行部份組成。測量顯示部份動態測量鍋爐運行中各參數如蒸汽壓力、煙氣溫度等。運算控制部份由單板機或PLC組成,在程序控制下,比較各參數狀態,確定需控制狀態,它是自動控制的關鍵。執行部分一般由電磁閥、繼電器、聲光報警裝置等組成。雙良貫流鍋爐在控制方式上,采用PLC作運算控制部份,觸摸屏作為人機界面。采用PLC,即可以控制開關量,又可以控制少量的模擬量,并可方便地擴展,PLC具有豐富的通用通訊接口。采用PLC與觸摸屏作為工業鍋爐控制方式,有其獨特的優越性,缺點是成本昂貴。對貫流燃油蒸汽鍋爐,安全保護測點至少有:①固定程序掃氣;②超壓保護;③低水位保護;④爐水濃度檢測。其中,①、②、③條是從安全性來考慮的,第④條是從鍋爐壽命來考慮的。完善的自控系統是全自動燃油貫流鍋爐的附加值所在。國內廠家生產的貫流鍋爐一般對鍋爐運行自動化程度比較關心,而對鍋爐的安全保護檢測如水質(如爐水的含鹽量,PH值)、運行工況(如是否將發生干燒)等鍋爐總體性能、可靠性研究不多,與進口同類型鍋爐水平的差異也就在此。我們認為,對于貫流鍋爐這種結構的鍋爐,完備的檢測與可靠的自控是