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0、前言
    天然氣是一種清潔、優(yōu)質(zhì)、高效的燃料，可有效解決鍋爐燃煤排放物與環(huán)境污染間的矛盾。隨著我國改革開放的不斷深化、國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和對環(huán)保要求的不斷提高，國內(nèi)有許多大中城市特別是像北京市在環(huán)保方面的投入越來越大，集中供熱已勢在必行。西氣東輸工程的成功實(shí)施，為采用大容量燃?xì)忮仩t進(jìn)行集中供熱提供了有利條件。目前國內(nèi)在用的燃天然氣熱水鍋爐的最大容量為116MW，鍋爐的形式既有從國外引進(jìn)的爐型，也有國內(nèi)鍋爐廠家自主研發(fā)的產(chǎn)品。本公司順應(yīng)市場形勢，適時開發(fā)了滿足市場需要的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的116 MW強(qiáng)制循環(huán)燃天然氣熱水鍋爐，并做到當(dāng)年開發(fā)、當(dāng)年生產(chǎn)安裝、當(dāng)年運(yùn)行，取得了很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文就該型號鍋爐的研發(fā)及運(yùn)行情況作一簡單介紹，富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
1、鍋爐規(guī)范及設(shè)計(jì)燃料
1.1  鍋爐規(guī)范
    鍋爐型號：QXS  116-2. 45/150/90-Q
    鍋爐熱功率：116 MW
    鍋爐出口熱水壓力：2.45 MPa
    鍋爐出口熱水溫度：150℃
    鍋爐回水溫度：90℃
    鍋爐循環(huán)水量：1 640 t/h
    冷空氣溫度：0℃
    熱空氣溫度：約60℃
    鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍：30% ~100%
    鍋爐熱效率：94%
    鍋爐本體排煙溫度：約110℃（本體出口）
    鍋爐機(jī)組排煙溫度：約100℃（節(jié)能器出口）
1.2設(shè)計(jì)燃料
    鍋爐的設(shè)計(jì)燃料為天然氣，收到基低位熱值為33.93 MJ／m3（標(biāo)態(tài)），其體積成分如表1。
2、鍋爐結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)
2.1鍋爐結(jié)構(gòu)
    鍋爐采用全膜式壁結(jié)構(gòu)，不設(shè)鍋筒；尾部煙道布置有兩級蛇形管省煤器，上級為光管，下級為螺旋翅片管，立式管式空氣預(yù)熱器布置在省煤器下方，熱風(fēng)道布置在鍋爐的底部，應(yīng)用戶要求，在排煙管道上還配置了節(jié)能器；3臺燃燒器前墻正三角布置；鍋爐為自承式結(jié)構(gòu)，室內(nèi)布置，Ⅷ度地震烈度設(shè)防；鍋爐按微正壓設(shè)計(jì)。鍋爐總圖如圖1。
    鍋爐為強(qiáng)制循環(huán)。鍋爐的回水由左、右側(cè)水冷壁下集箱的端部進(jìn)入，在爐膛內(nèi)一次上升，匯集到前、后水冷壁的上集箱，然后分散進(jìn)入尾部的側(cè)包墻和后包墻管組，并匯集到后包墻的下集箱，再分別進(jìn)入省煤器進(jìn)口集箱和懸吊管，省煤器蛇形管和懸吊管的出水在省煤器出口集箱匯集后進(jìn)人匯水集箱。鍋爐水循環(huán)流程如圖2。
2.2  鍋爐基本尺寸
    爐膛寬度（兩側(cè)水冷壁中心線間距）6800mm
    爐膛深度（前后水冷壁中心線間距）7120mm
    鍋爐最高點(diǎn)標(biāo)高（連接管中心線）17510mm
    運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高0 mm
    左右外柱中心線間距12000 mm
    前后外柱中心線間距17600 mm
2.3鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)
鍋爐計(jì)算數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?、表3、表4、表5。
3、鍋爐基本結(jié)構(gòu)
3.1  爐膛
    爐膛四周由膜式壁構(gòu)成，爐膛寬6 800 mm，深7 120 mm．前后水冷壁的上下集箱的標(biāo)高差12 000mm。膜式水冷壁管子規(guī)格為咖60 x5，管子節(jié)距80mm。
    前后水冷壁共同與一根上集箱（匯集集箱）和一根下集箱（分配集箱）組成管組，上集箱規(guī)格為∮530×20，下集箱規(guī)格為咖426×20。
    左右側(cè)水冷壁的下集箱（分配集箱）與前后水冷壁下集箱的連接管為咖325×30，上集箱（匯集集箱）與前后水冷壁上集箱的連接管為∮219×8，共4根。上下集箱規(guī)格分別為∮377 x16和咖377×20。
3.2尾部包墻
    尾部包墻的四周均為膜式水冷壁，寬6 800mm，深3880 mm。側(cè)包墻管規(guī)格為∮73 x8，節(jié)距為97mm；后包墻管規(guī)格為∮42 x5，節(jié)距為85.5 mm；爐膛后水冷壁兼作尾部前包墻用。
3.3  省煤器管組及懸吊管
    省煤器管組采用蛇形管結(jié)構(gòu)，均為5根并繞，順列布置，共78片，橫向節(jié)距85.5 mm，上級省煤器管為38 x3的光管，下級省煤器采用∧38 x3的螺旋翅片管，翅片節(jié)距為7.5 mm，高度為12 mm，厚度為1mm;懸吊管為∮42 x5，共78根。為了平衡省煤器蛇形管和懸管之間的水流量（水阻力），懸吊管匯集集箱和省煤器的上集箱（匯集集箱）之間采用4根∮76 x5的小口徑管連通。
    懸吊管固定在包墻頂部的支撐橫梁上，而支撐橫梁架在兩側(cè)包墻的上集箱上，78片省煤器管組全部掛在78根懸吊管上。懸吊管承擔(dān)省煤器的全部重量，尾部側(cè)包墻支撐懸吊管和整個省煤器管組的重量。
3.4空氣預(yù)熱器
省煤器下部為立式管式空氣預(yù)熱器，共4個管箱，管箱高度為2.3 m，管子規(guī)格為∮40×1.5，材質(zhì)為09CuPCrNi -A。設(shè)計(jì)冷風(fēng)溫度為0℃，熱風(fēng)溫度為50～60℃。空氣側(cè)裝設(shè)有防振隔板�？諝忸A(yù)熱器裝有脹縮接頭，用于補(bǔ)償熱態(tài)下的膨脹。
3.5  節(jié)能器
    為盡可能降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率，節(jié)約寶貴的天然氣能源，應(yīng)用戶要求，在鍋爐的排煙管道上設(shè)置了一個節(jié)能器（氣／水換熱器）。節(jié)能器的結(jié)構(gòu)類似鍋爐的螺旋翅片管省煤器，管徑咖38 x3，翅片節(jié)距7.5 mm，高度12 mm，厚度l mm。節(jié)能器的蛇形管為2根并繞，順列布置，共32片，橫向平均節(jié)距105 mm，縱向節(jié)距120 mm。
    回水由節(jié)能器下集箱的端部進(jìn)入，從上集箱的另一端出來，整體成Z字形流動。在回水管道上裝了一個回水調(diào)節(jié)閥（如圖2），調(diào)節(jié)其開度以保持節(jié)能器的水流量在100 N130 t/h。當(dāng)水流量為100 t/h時，管內(nèi)水流速約為0.56 m/s。
3.6  燃燒器
    每臺鍋爐在前墻正三角布置有3臺燃燒器，上下兩層的中心間距為2 800 mm，左右2臺的中心間距為3 200 mm。燃燒室的結(jié)構(gòu)綜合考慮了燃燒器火焰尺寸、爐膛容積熱負(fù)荷、爐膛斷面熱負(fù)荷、爐膛出口煙氣溫度等參數(shù)，采用的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)能確保燃燒穩(wěn)定、高效，在任何運(yùn)行工況下，火焰不偏斜，不直接沖刷管壁，保證鍋爐安全可靠。
    燃燒器為德國扎克公司生產(chǎn)的分體式低氮化物氣體燃燒器，單臺燃燒器的額定功率為45 MW，適用燃?xì)鈮毫��?.3—0.4 MPa，燃燒效率不小于99.7%。
3.7鋼架、平臺及其它
    鍋爐采用自承式結(jié)構(gòu)，即鍋爐的全部重量由水冷壁和包墻的下集箱支撐，再通過集箱支座將鍋爐的重量傳遞到基礎(chǔ)上。鍋爐外圍的小型鋼柱只用于支撐檢修平臺和扶梯，不承受鍋爐其他部件的重量。爐膛水冷壁和尾部包墻沿高度方向布置有多層剛性梁，以增加整個爐室的剛性。在鍋爐需經(jīng)常觀察及檢修處均布置了各類門孔以方便操作。為了鍋爐外表的整潔、美觀，在爐墻保溫層外側(cè)全部覆蓋了瓦楞板。
3.8  密封與爐墻
    鍋爐的密封和爐墻十分重要，尤其對正壓運(yùn)行的鍋爐，它的嚴(yán)密性及保溫性能將直接影響鍋爐的安全性、經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行操作人員的人生安全。
    本鍋爐各膜式水冷壁之間用密封填塊、扁鋼或圓鋼焊接密封，無法填充密封的地方，則用密封罩殼封閉，防止?fàn)t膛、包墻內(nèi)煙氣外泄傷人。完全密封的爐膛和尾部包墻作為一個整體向四周膨脹，同時省煤器的膨脹與尾部包墻的膨脹基本上沒有關(guān)聯(lián)，從而使鍋爐具有良好的密封性能，既提高了鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，又保證了鍋爐的安全可靠性。
3.9  管路及附件
    為確保鍋爐安全運(yùn)行，設(shè)置了必要的安全閥、監(jiān)察及檢測儀器、儀表等附件；在水系統(tǒng)各回路的最低點(diǎn)均設(shè)置了放水排污管路；在水系統(tǒng)各回路的最高點(diǎn)設(shè)置了排氣管路；鍋爐熱水出口布置集氣罐，將出水所排氣體匯集后統(tǒng)一排出。
4、鍋爐主要特點(diǎn)
    (1)采用全程強(qiáng)制循環(huán)方式，水流程清晰簡單，水循環(huán)安全可靠，可以控制熱力偏差和水動力偏差。
    (2)全部采用膜式壁結(jié)構(gòu)，鍋爐整體密封性能好，漏風(fēng)小，鍋爐熱效率高；膜式壁能增強(qiáng)爐膛剛性，提高鍋爐的防爆能力；膜式壁能采用輕型敷管爐墻，減輕整個鍋爐重量，減小基礎(chǔ)荷載，降低投資成本；敷管爐墻蓄熱量小，停爐后散熱快，有利于鍋爐的停電保護(hù)。
    (3)在尾部增加了空氣預(yù)熱器，一來可以降低鍋爐的排煙溫度，提高鍋爐熱效率，二來有利于組織起良好的燃燒，尤其是在環(huán)境溫度很低的情況下，能加強(qiáng)燃料的燃燒和燃盡，提高燃燒效率。
    (4)采用自承式結(jié)構(gòu)，金屬耗量低，占地面積小，節(jié)約投資成本。
    (5)合理布置水循環(huán)回路，保證管內(nèi)流速較高（上升大于0.6 m/s，下降大于1.5m/s）以冷卻受熱面，不布置外部下降管，使鍋爐結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。
    (6)通過設(shè)置并串聯(lián)回路、鍋爐本體循環(huán)回路和回水旁路系統(tǒng)，使鍋爐能適應(yīng)各種不同的運(yùn)行工況，保證鍋爐出水溫度的穩(wěn)定。
5、設(shè)計(jì)中的相關(guān)要點(diǎn)分析
5.1  鍋爐的停電保護(hù)
    對于強(qiáng)制循環(huán)的熱水鍋爐，一旦突然停電或循環(huán)系統(tǒng)或循環(huán)水泵發(fā)生故障，管子中的水不再流動，由于爐內(nèi)的余熱，水溫會不斷上升，直至飽和，甚至產(chǎn)生水蒸氣，在鍋爐重新啟動或注入較低溫度的水時，就會發(fā)生“氣塞”和“水擊”現(xiàn)象，輕微的“水擊”表現(xiàn)為鍋爐震動和有金屬錘擊聲，嚴(yán)重的“水擊”會使鍋爐發(fā)出強(qiáng)烈的金屬錘擊聲和劇烈震動，甚至給鍋爐造成嚴(yán)重的破壞。
    爐內(nèi)的余熱來源一般包括未燃盡的燃料、鍋爐金屬材料的蓄熱、爐內(nèi)耐火材料的蓄熱等。與固體燃料不同，燃?xì)忮仩t一旦遇到停電或循環(huán)系統(tǒng)或循環(huán)水泵故障，或水溫超過最高限值，自控系統(tǒng)會立即關(guān)閉燃燒器和切斷燃料的供應(yīng)。因此，燃?xì)忮仩t內(nèi)的余熱僅來自金屬和耐火材料的蓄熱。
    本鍋爐爐膛水容量約為16.2t，爐膛金屬材料重量約為52 t，爐膛內(nèi)耐火材料重量約為14 t。當(dāng)鍋爐在滿負(fù)荷運(yùn)行時突遇停電，爐內(nèi)的金屬和耐火材料的蓄熱量大于將鍋水加熱到飽和溫度所需要的熱量，但這個過程在理論上需要將近1個小時，也就是說，鍋爐操作人員有40~50分鐘的時間來處理故障。鍋爐操作人員在這個時間內(nèi)不能離開現(xiàn)場，必須按照有關(guān)操作規(guī)程進(jìn)行處理。當(dāng)供電恢復(fù)后，鍋爐重新啟動時應(yīng)小負(fù)荷和小流量，逐步恢復(fù)運(yùn)行。
5.2  溫度偏差的控制
    按照鍋爐的水流程圖，爐膛前后、兩側(cè)水冷壁管組并聯(lián)，尾部的兩側(cè)包墻與后包墻并聯(lián)，省煤器管組與懸吊管并聯(lián)，由于吸熱、結(jié)構(gòu)和水動力等多方面原因，并聯(lián)系統(tǒng)各自的水流量和出口水溫并不一致，具體數(shù)據(jù)如表4。
    對于熱水鍋爐，特別是強(qiáng)制循環(huán)的熱水爐，各水冷壁的水溫是不可能一致的，膜式水冷壁的管壁和鰭片的溫度也都是不一樣的，因此，各元件間的熱膨脹偏差不可避免，但只要熱膨脹偏差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力不超過材料的屈服強(qiáng)度，鍋爐仍是安全的。本鍋爐為控制各元件間的溫度偏差采取了以下主要措施：
    (1)根據(jù)煙氣溫度和熱流密度，選取安全的膜式壁管子節(jié)距，以控制管壁和鰭片間的溫差；
    (2)進(jìn)行詳盡的水動力計(jì)算，將各并聯(lián)管組的出口水溫偏差控制在10℃以下；
    (3)采用蛇形管省煤器和懸吊管結(jié)構(gòu)，將省煤器的熱膨脹與水冷壁分開處理；
    (4)減少鍋爐熱膨脹時的阻礙，所有需要滑動面均加裝特氟龍板，以減小摩擦力。
5.3  復(fù)式循環(huán)系統(tǒng)
    除系統(tǒng)循環(huán)泵以外，本鍋爐系統(tǒng)增設(shè)了鍋爐循環(huán)泵，即采用復(fù)式循環(huán)系統(tǒng)，它具有下列優(yōu)點(diǎn)：
    (1)由于鍋爐的水循環(huán)本身可以自行調(diào)節(jié)，所以無論鍋爐對外供水量如何變化，無需復(fù)雜的控制設(shè)備，都能確保鍋爐自身的水流量始終大于鍋爐的最小安全循環(huán)水量，并使鍋爐自身的水流量在一定的流量范圍內(nèi)保持不變。
    (2)如果系統(tǒng)循環(huán)忽然停頓時，鍋爐循環(huán)泵還能在一定的時間內(nèi)繼續(xù)保持鍋爐內(nèi)水的循環(huán)，從膨脹水箱或鍋爐出口取水，送至鍋爐進(jìn)口，然后再送至膨脹水箱或鍋爐出口。
    (3)系統(tǒng)循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速可任意調(diào)節(jié)，而不會對鍋爐本身的水循環(huán)產(chǎn)生不利的影響。
    (4)在鍋爐啟動階段或調(diào)試階段，可以不啟勸系統(tǒng)循環(huán)泵，僅利用鍋爐循環(huán)泵保持鍋爐的水循環(huán)，在鍋爐的水溫達(dá)到一定參數(shù)后再并網(wǎng)供熱。
5.4  膜式壁頂端承重的穩(wěn)定性校核
    本鍋爐尾部懸吊管同定在包墻頂部的支撐橫梁上，而支撐橫梁架在尾部側(cè)包墻的上集箱上，省煤器管組全部掛在懸吊管上，懸吊管承擔(dān)省煤器管組的重量，尾部側(cè)包墻則支撐懸吊管和整個省煤器管組的重量（總約1200 kN），那么，側(cè)包墻膜式壁是否會因失穩(wěn)而變形呢，本設(shè)計(jì)采用了材料力學(xué)的基本知識，把側(cè)包墻膜式壁簡化為頂端承壓的細(xì)長直桿，根據(jù)材料力學(xué)中有關(guān)壓桿穩(wěn)定的知識來計(jì)算并校核膜式壁頂端承重的穩(wěn)定性�？s短壓桿長度，可以減小壓桿的長細(xì)比，使壓桿基本許用應(yīng)力的折減系數(shù)增大，然后校核壓桿的計(jì)算應(yīng)力應(yīng)在安全范圍以內(nèi)。本鍋爐中尾部側(cè)包墻布置的剛性梁數(shù)量比較多就是基于此計(jì)算。
6、鍋爐測試結(jié)果
    本鍋爐安裝于北京某鍋爐房，2010年10月投入運(yùn)行，用戶反映運(yùn)行情況良好。本鍋爐于2011年1月經(jīng)中國特種設(shè)備檢測研究院測試，結(jié)果表明：鍋爐出力為113.15 MW，鍋爐熱效率為93. 3%，排煙溫度112. 95℃，排煙處過量空氣系數(shù)為1.1。
7、結(jié)束語
    根據(jù)鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況及有關(guān)機(jī)構(gòu)的測試結(jié)果，初步判定：本鍋爐產(chǎn)品的出力、熱效率、排煙溫度、排煙處過量空氣系數(shù)等基本達(dá)到了鍋爐設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。同時，在鍋爐運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)了如管道震動、空氣預(yù)熱器低溫腐蝕等一些問題，廠家正在與用戶一起分析原因，制定相應(yīng)的改進(jìn)措施，逐步完善、優(yōu)化產(chǎn)品總體性能，為市場提供更加優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。