水泥窑卧式余热锅炉水动力特性分析

研究与开发 水泥窑卧式余热锅炉水动力特性分析 文章编 号 ： 1 0 0 4 8 7 7 4 ( 2 0 1 3 ) 0 3 - 0 0 0 1 -04 水泥窑卧式余热锅炉水动力特性分析 陈俊 ( 南通万达锅炉有 限公司， 江苏 南通 2 2 6 0 0 5 ) 摘要 ： 介绍了一种水泥窑卧式余热锅炉采用辅助循环设计的水动力特征， 分析了其在负 荷 、 压力、 结构 、 循环泵等因素影响下的水循环安全性， 并提出了实际运行过程中的安全注意事 项 。 关键词 ： 余热锅炉；辅助循环； 水动力 ； 安全 中图分类号： T K 2 1 2 2 文献标识码 ： A Hy d r o d y n a mi c Cha r a c t e r i s t i c Ana l y s i s f o r Ho r i z o n t a l B a n k Wa s t e He a t R e c o v e r y B o i l e r( WHRB) C HE N J u n ( N a n t o n g Wa n d a B o i l e r C o L t d ， N a n t o n g 2 2 6 0 0 5 ， C h i n a ) 作 者 简 介 ：陈 俊 ( 1 9 6 9一) ， 大 学 本 科， 副总工程师， 高 级工程师 ， 长期从事 循环流化床锅炉、 余 热锅炉的研发工作。 Ab s t r a c t ： I n t r o d u c e s a k i n d o f h y d r o d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f h o r i z o n t a l W HRB b y u s i n g a u x i l i a r y c a l a n t i o n d e s i g n ， a n a l y e s i t s w a t e r c i r c u l a t i o n s a f e t y wi t h t h e c h a n g e o f f a c t o r s s u c h a s l o a d，p r e s s u r e，s t r u c t u r e ，c i r c u l a t i o n p u mp a n d o t h e r s ，a n d i n d i c a t e s s a f e t y k e y p o i n t d u r i n g o p e r a t i n g Ke y wo r d s ： W HRB； a u x i l i a r y c i r c u l a t i o n；wa t e r d y n a mi c ； s a f e t y O 前言 随着 国家节能减排工作不断深入 ， 在水泥行业 纯低温余热发电技术得到了快速的应用和发展。由 于水泥窑尾废气中含有大量粉尘 ， 这些粉尘黏附性 强、 浓度高， 余热锅炉内容易积灰， 影响传热效率和 设备寿命 J 。针对这一特性 ， 目前研发 了设有机械 振打清灰装置的烟道立式布置和卧式布置两种类型 的余热锅炉 ， 且应用均较为广泛 ， 其中立式布置锅炉 水动力采用 自然循环设计 ， 卧式布置锅炉则 由于其 结构特点水动力采用辅助循环设计。由于卧式布置 锅炉振打下来的灰不经过各组受热面累积 ， 沿烟气 流动方向， 灰浓度逐渐降低， 因而具有更好的清灰效 果和换热效果 ， 但其辅助循环水动力设计必须做好 各项安全性分析 ， 才能保证 锅炉 的长期稳 定运行 。 本文将 以一 台 2 5 0 0 t d水泥窑尾 卧式余热锅炉为 例， 介绍辅助循环水动力结构设计， 分析其在多因素 影响下 的水动力特征 ， 并 总结 出必要 的安全运行措 施 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 2 1 7 1 卧式余热锅炉总体结构 图 1所示为一 台 2 5 0 0 t d水泥窑尾卧式余热 锅炉总体结构图， 沿烟气流动方向设有一组过热器、 六组蒸发器 ， 受热面均采用光管蛇形管片结构 ， 管片 竖直布置 ， 管 内汽水上下流动， 管片下部连接机械振 打装置 ， 受热面积灰落入下部灰斗。 锅炉主要设计参数 ： 锅炉人 口烟气量 锅炉人 口烟气温度 烟气含尘浓度 锅炉额定蒸发量 额定蒸汽温度 额定蒸汽压力 最高工作压力 锅炉给水温度 锅炉出口烟气温度 1 5 1 0 1 0 m h ( 标态) 3 2 0 o C 7 0 g m ( 标态 ) 9 3 t h 3 0 0 1 2 5 MPa 1 5 MPa 1 8 5 2 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 工业锅炉 2 0 1 3年第 3期( 总第 1 3 9期) 1 一引出管2 一锅简3 一下降管4 一节流孔板5 分配集箱6 一汇流集箱7 一循环泵8 一过热器9 一蒸发器 图1 卧式余热锅炉总体结构示意图 2 辅助循环回路特征 由于锅炉蒸发器为多 回程垂直蛇形管组 ， 锅筒 与蒸发段循环高度提供 的动力压头不能满足蒸发器 正常水循环所需的动力 ， 因此采用循环泵辅助循环 方式。其循环回路特征如图 2所示。因前后蒸发段 各受热面热负荷不同 ， 在各 回路人 口采用节流孑 L 圈 来调节均衡各并联管束中的循环流量和质量流速。 集箱为供水系统 ； 从 分配集箱一 锅筒为上升 系统 。 整个循环回路为串联系统 ， 锅筒既是起始点又是终 止点 ， 整个循环回路 的流动线路为： 锅筒一吸水管一 循环泵一压水管一分配集箱一蒸发管束一汇流集箱 一引出管一锅筒( 含汽水分离器) 。 3 水动力特性分析 由于余热锅炉受烟气条件的影响 ， 锅炉实际运 行负荷和运行压力会在一定范围内变化 ， 同时锅炉 本身的一些条件如给水温度 、 孔板尺寸 、 循环泵运行 参数等也会发生变化。因此需对各工况下的水动力 进行计算 J ， 并根据计算结果对以上因素的影响进 行分析 。 3 1 负荷变化 表 2表 4为锅炉工作压力分别为 1 3 1 MP a 、 1 1 5 MP a 、 1 0 5 M P a时不同负荷 的水动力计 算结 果 表2 工作压力为1 3 1 MP a时的计算结果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 水泥窑卧式余热锅炉水动力特性分析 3 从计算结果看 ， 低负荷 时循环流量反而增加 ， 高 负荷时循环流量反而降低 ， 这与 自然循环是完全不 同的。主要是循环泵的压头是循环 的主要动力 ， 汽 水密 度 差 的 影 响 小。从 计 算 结 果 看 ， 在 5 0 1 2 0 负荷范围内， 总循环水量和管内介质流速波动 不大 ， 各管束系统不会出现 自由水面， 循环泵入 口也 不会出现汽化， 因此卧式余热锅炉辅助水循环系统 工作是可靠的。 3 2压力变化 从 3 1所列三种压力下水动力计算结果看 ， 压 力降低时循环流量 、 循环水速略有微量变化 ， 可见压 力的变化对水动力特性影响甚微。 3 3给水温度变化 锅炉给水来 自窑头余热锅炉热水器， 其进水温 度变化范围不大且可控 ， 但进水温度偏高， 对锅炉水 动力会产生不利影响 ， 表 5列出进水温度过高引起 锅水少量 自汽化工况的水动力计算结果。 表5 锅水少量自汽化工况水动力计算结果 从计算结 果看 ， 少量汽化 对水动力影 响不大 。 虽然下降管人口水温已达饱和温度， 且有少量蒸汽 进入下降管 内下降流动 ， 使下降流动阻力有所增加 ， 循环泵人 口压力有点降低 ， 对应 的饱和温度也相应 降低， 但经计算表明循环泵人 口仍不会汽化。主要 原因是下降管内少量蒸汽使供水 系统流阻增大 ， 但 重位压头尚大于从锅筒 到泵入 口各项阻力之和 ， 仍 3 D 之内， 否则可能会 出现安全规章所不允许 的 泵人 口汽化故障。 3 4 节流圈孔径 由于节流圈尺寸较小 ， 有时会 出现加工负偏差 及孔圈结垢 的现象 ， 流阻增加对水 动力产生影 响。 该锅炉节流圈设计孔径为 5 mm， 计算假定节流圈结 垢或选用小一号节流圈， 节流孔径为 4 mm时的水 可保证单相水进入泵 内。当然 自汽化的量应控制在 动力工况计算结果见表 6 。 表 6 节流孔径为 4 mi l l 时的水动力计算结果 从表 6看出 ， 孔径的微小变化使循环流量减少 较多， 达4 8 l h ， 循环水速下降较多， 流阻加大使管 束压头加大 2 8 k P a 。主要原 因是节流圈的局部阻力 占回路总阻力的 9 0 左右 ， 阻力值与流速 的平方成 正 比， 而流速与孔径 的平方成反 比， 则阻力与孔径的 4次方成正 比。孔径 为 4 m m 时工作点位于泵 曲线 位置前移 ， 仍在可安全运行范围 内。如节流孔孔径 再变小， 流量再进一步减小 ， 使水速再降低， 将无力 带走汽泡 ， 因此是不允许 的。 3 5 循环泵选型 循环泵的参数确定应保证当工况变化时 ， 其工 作点变动范围不大 。从上述水动力计算结果看 ， 一 般情况下流量变化范围为 3 6 7 5 3 7 8 5 t h ， 压头 为 2 7 52 8 2 k P a 。循 环 泵 选 型 参 数 为： 压 头 0 3 MP a ， 流量 3 8 0 t h 。 同时核算锅筒到循环泵的所有阻力消耗 ， 应小 于两者之间重位压差 ， 以有效防止泵入 口介质汽化 ， 保证循环泵工作 的可靠性 。同时对 于锅炉运行而 言 ， 锅筒 内降压速度应 限制在 p1 2 k P a之 内， 以 避免泵人 口介质汽化。 3 6 循环水速及安全性探讨 对于多回程垂直管束停滞校验 ， 如 回程数 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 工业锅炉 2 0 ： 3年第 3 期 ( 总第 1 3 9期) 4 ， 可按单回程考虑。本循环 回路属对流受热面， 热负荷低 ， 且 回程数达 3以上， 故 自由水面校验时简 化为单 回程进行 ， 校验结果全部合格。 关于循环水速 ， 一般规定 ： 当汽水混合物下降流 动时 ， 为确保带走蒸汽， 应使循环水速大于0 5 m s 。 由于该型锅炉属 于烟气温度低于 4 0 0的低温换 热 ， 对流受热面与常规 电站锅 炉相 比， 热 负荷低很 多 ， 同时考虑一般规定值有一定的裕量， 为了尽量减 小循环泵功率， 本设计示例六个管束 内水速为 0 4 9 7 0 4 5 3 m s ， 应该说兼顾了安全性和经济性 ， 比较合理 。 4 锅炉安全运行注意事项 卧式锅炉辅助循环设计完全能够满足安全运行 要求 ， 但在实际运行过程 中还需着重关注以下几个 方面。 ( 1 ) 循环泵的安全性能 在实际运行过程 。 ， 循环泵 的扬程 、 流量和输出 功率指标必须达到额定值 ， 质 量不保证绝对不能使 用。因为循环泵运行偏低 ， 将 直接导致循 环水速降 低 ， 使蒸发器管内杂质和汽泡不能顺利带走 ， 受热面 内蒸汽只能慢慢溢 出， 严重影响锅炉传热效果。更 为严重的是 ， 随锅炉运行所加的保持酸碱度平衡 的 药液进入受热面管柬 ， 随着干净蒸汽 的溢出 ， 管内碱 浓度越来越高， 极易发 生碱腐蚀 ， 且腐蚀 速度相 当 快。 ( 2 ) 节流孔圈的保护 节流孔圈在制造、 安装、 水压、 煮炉等过程中应 给予高度关注 ， 要控制好每个环节 ， 防止铁屑 、 杂质 、 水垢堵塞孔眼。从 3 4节分析情况看 ， 节流孔 的局 部阻力对整个循环回路流阻影响极大。孑 L 圈发生堵 塞的管束其水循环安全性将无法得到保证。 ( 3 ) 水质的要求 书讯 在水压、 煮炉、 正常运行时应严格控制水质各项 指标 。给水必须经过软化处理 ， 未经处理的水不得 进入锅炉 ； 不能将杂质带入炉 内， 煮炉、 运行时防止 有水垢堵塞孔圈或直接在孔圈周 围生成水垢 ， 使流 通截面积减小 。 ( 4 ) 过滤装置的清理 为保护循环泵和泵后各部件的安全运行 ， 在循 环泵前布置过滤装置 ， 平时定期对过滤装置进行清 理 。在锅炉运行过程 中， 随时观察循环泵 的运行参 数变化 ， 发现问题及时处理 ， 确保循环泵安全运行。 ( 5 ) 疏水防冻 卧式余热锅炉蛇形管受热面垂直布置 ， 管内积 水不易排出， 在锅炉未运行前 、 停炉 、 保养维护过程 中， 严寒天气会发生冻坏管子的情况， 为防止冻坏管 子， 须采用压缩空气、 高压蒸汽等办法将管内剩余水 吹干 ， 然后再采取其它措施对受热面进行保护； 也可 以在炉 内布置热源 ， 保证管内积水不结冻 。 5 结论 水泥窑尾余热锅炉采用 卧式布置， 具有清灰效 果好 、 锅炉耗材少 、 安装方便等优点 ， 对于其特定 的 要求较高的强制辅助水循环特征 ， 通过以上分析 ， 经 合理的结构设计、 全面的理论计算以及对关键过程 的重点控制 ， 完全可 以实现余热锅炉长期安全稳定 运行。随着水泥行业纯低温余热发电技术 的深入发 展和不断创新 ， 卧式布置辅助循环余热锅炉的应用 水平也将会得到进一步的提高， 并继续在余热利