浅谈贯流锅炉在日本的应用

浅谈贯流锅炉在日本的应用

1锅炉结构特点中流锅炉在美国发明，并在第二次世界大战后广泛应用于机织机列车的加热。以后被日本引进用做通用工业锅炉,其技术在日本得到迅速发展。自七十年代以来,贯流锅炉在日本的销量持续上升,1990年日本本国销量达到二万台。贯流锅炉生产使用在日本不受有关政府部门监检,不需要几年一次的检查,甚至不需要司炉工。现在,这种形式锅炉在中国、韩国都有生产。所谓“贯流锅炉”是由设计排列的长管子组成,给水泵在管子一端给水,水(工质)在管内经过加热水段、蒸发段、(过热段),从管子另一端产生所需的蒸汽。它不同于立式水管自然循环锅炉。贯流锅炉由锅炉本体(本体由上下集箱、列管等组成)和水泵、油泵、燃烧器、汽水分离器等部件组成。贯流锅炉的结构决定了它的性能特点。归纳起来,它有以下主要特点:(1)保有水量少(1t/h锅炉约为140L),所以产生蒸汽快,一般产生额定压力蒸汽需5分钟左右。但因为保有水量少,蓄能少。锅炉压力随负荷变动大,这就要求有一套可靠的反应迅速的燃烧自动控制装置及给水装置。(2)由于列管可以自由排列,因此结构紧凑,燃烧方式特殊,使体积大为缩小。但是炉膛容积热负荷大,水在一根管子内完成加热到蒸发,循环倍率接近1,并有可能发生传热恶化,所以要求严格控制管壁温度在安全工作范围内。(3)这种锅炉结构紧凑、维修性差。贯流锅炉本体几乎是不可维修的。这就要求严格控制制造质量,执行严格的质量管理体系。另外,它对给水水质要求较高,应严格控制给水水质,以保证其寿命。(4)钢材耗量小,贯流锅炉钢汽比约为1.1吨钢/蒸吨,而普通煤炉约为4～6吨钢/蒸吨。(5)一般认为,这种结构形式的锅炉蒸发量适合在4t/h以下。如果再往上,它与其他形式的锅炉(如卧式内燃锅炉)相比优越性小。这种锅炉常只做到2t/h。国内最大容量一般在3t/h以下。2热力设计及结构在设计贯流锅炉时,要针对前述特点选型、设计,确保其安全性。如对于保有水量少、水泵起动频繁,就要求在燃烧器、配套水泵、水处理设备选型时选择可靠产品。在进行热力计算、结构设计时,我们应注重以下几个方面:①合理的受热面布置;②强化传热与炉内压之间的关系;③水位高低与蒸汽品质之间的关系;④锅炉测点控制;⑤高智能化控制的实现方法。2.1辐射受体面布置在贯流锅炉受热面布置方式上,曾经有采用两排管、烟气一回程螺旋通过的布置,即烟气出炉膛后温度由高到低一次通过对流层。但相比较起来,现在采用的ω流程受热要均匀些。在布置辐射受热面时,除要计算辐射受热面的大小外,还要按照火炬直径和长度来校核炉膛尺寸,这对于炉膛尺寸较小的贯流锅炉是必要的。辐射受热面列管中心圆应大于火炬直径,炉膛高度应大于火炬长度,否则火炬碰到炉膛将冒黑烟,在调试过程中,出现空气过剩系数正常或偏大,但CO含量却很高,就是这种情况。国内资料一般推荐中心圆直径为火炬直径的1.1倍。进口的贯流锅炉如三蒲锅炉,采用特制燃烧器、高压风机,进行强化传热,减小锅炉体积。标准火炬较细较长,改变燃烧器一次风与二次风的配比则能改变火炬形状,计算火炬形状的理论可向燃烧器厂商查询。而炉膛高度远小于火炬长度,增加一次风的比例,使细长的火炬变粗变短。标准火炬的长度与直径可在样本上查到。按火炬基本特性公式可大致计算出火炬长度与直径,再以此布置辐射受热面。比如,双良4t/h贯流锅炉炉膛高约为1900mm,而标准火炬长度为2.7～3.3m,一次风采用旋流配风,一次风量占总风量的15%左右,以得到合适的回流区。另外,在炉膛出口处外围管子,应校核鳍片中心与管壁温度。当鳍片宽度不大于20mm时,可不校核鳍片温度。2.2对烟气流速和对回流热系数的修正意见进口的贯流锅炉都采用提高炉内压、扩大传热面的方法来提高传热效率。国内采用枪式燃烧器的锅炉体积明显偏大。三蒲1t/h(发热量539,000kcal/h)锅炉的实测炉内压在2300Pa左右。双良贯流锅炉采用特殊燃烧器、高压风机,在对流环内,贯流锅炉结构较为特殊,烟气流速、对流放热系数都无现成的计算方法。怎样修正这两参数,只能通过实验分析。我们经过实验测试,认为:①在计算对流环流速时,应采用两圈管子之间的平均截面积折算成当量间距所在流通面积作为计算截面积;②采用偏心结构时,应以对流环局部阻力近似相等为原则,而不是以等速为原则;③采用三排管时,建议不采用偏心结构。与贯流锅炉相配的一般用高压风机,炉内压可达2500Pa以上,烟气流速达35m/s左右。在提高炉内压强化传热同时,应注意:①烟气阻力(炉内压)与烟气速度成平方关系。烟气速度的增加会使阻力很快地增加,这就需要大功率的风机。所以应考虑锅炉强化传热与电机功率增加的矛盾。②对流放热系数计算中,烟速的指数小于1。阻力与烟速是二次方关系。随烟速的增加,阻力的增加要比传热系数的增加快得多。因此,在进行锅炉结构布置时应先确定炉内压,再调整炉内压、烟速、放热系数等之间的关系,尽量使整个锅炉最经济。2.3关于汽化空间的位置水位的确定对蒸汽品质、水冷壁受热情况都有影响。为了保护管子,防止传热恶化,水位不宜过低。但如果水位过高,则蒸发段不够,有可能带水。在其他结构形式(汽水分离器,蒸汽空间等)都已确定的情况下,应使水位尽可能的抬高。有人认为,贯流锅炉炉膛热水不均匀,列管中的水位高度也不相等。其实,在贯流锅炉列管内,并不存在严格的汽水分界面。在确定蒸汽出口处蒸汽含汽率后,也可以确定列管中水位与平衡筒中的水位高低。但建议采用试验值,计算值可作为校核。按《安规》中规定,水管锅炉的最低安全水位,应高于最高火界100mm。设置最低安全水位的意义在于保证锅炉运行中各蒸发面都得到可靠冷却。贯流锅炉平衡筒中水位是低于火界的。在确定最低安全水位后,应确保锅炉管能得到可靠冷却。2.4对双良贯流锅炉的控制方式贯流锅炉是一种钢汽比小、容积热负荷大的锅炉。它的安全性与可靠性是通过一套完善的测点保护、自动化控制来实现的。自控系统由测量显示部份、运算控制部份、执行部份组成。测量显示部份动态测量锅炉运行中各参数如蒸汽压力、烟气温度等。运算控制部份由单板机或PLC组成,在程序控制下,比较各参数状态,确定需控制状态,它是自动控制的关键。执行部分一般由电磁阀、继电器、声光报警装置等组成。双良贯流锅炉在控制方式上,采用PLC作运算控制部份,触摸屏作为人机界面。采用PLC,即可以控制开关量,又可以控制少量的模拟量,并可方便地扩展,PLC具有丰富的通用通讯接口。采用PLC与触摸屏作为工业锅炉控制方式,有其独特的优越性,缺点是成本昂贵。对贯流燃油蒸汽锅炉,安全保护测点至少有:①固定程序扫气;②超压保护;③低水位保护;④炉水浓度检测。其中,①、②、③条是从安全性来考虑的,第④条是从锅炉寿命来考虑的。完善的自控系统是全自动燃油贯流锅炉的附加值所在。国内厂家生产的贯流锅炉一般对锅炉运行自动化程度比较关心,而对锅炉的安全保护检测如水质(如炉水的含盐量,PH值)、运行工况(如是否将发生干烧)等锅炉总体性能、可靠性研究不多,与进口同类型锅炉水平的差异也就在此。我们认为,对于贯流锅炉这种结构的锅炉,完备的检测与可靠的自控是