淺談75噸高溫高壓燃天然氣鍋爐的設計

崔穎輝 朱建軍 薛東曉 王建峰

摘 要：文章針對特定用戶的要求，簡單介紹了一種高溫高壓燃天然氣鍋爐的結構設計特點，并在實際運行中取得成功，為今后類似高參數特殊用途燃氣鍋爐的設計提供了一種新的思路。

關鍵詞：高溫高壓；燃天然氣鍋爐；設計

伴隨著我國經濟實力的不斷增強，自然環境也遭到了不同程度的破壞，近年來京津冀地區不斷出現的霧霾天氣給人們敲響了警鐘。國家對環境保護和污染治理的投入也日益加大。以天然氣等為代表的清潔能源在工業生產及人們生活中的應用比例不斷擴大。下面以我公司為新疆某化工企業設計的一臺75噸高溫高壓天然氣鍋爐的設計進行簡單介紹。

圖1 75噸高溫高壓燃氣鍋爐簡圖

由于該企業原有的兩臺中溫中壓參數（3.82MPa、450℃）燃天然氣鍋爐產汽溫度偏低，不能滿足生產需要，該公司決定新上一臺高溫高壓蒸汽鍋爐，用高溫高壓蒸汽與原有燃氣鍋爐所產蒸汽混合，提高蒸汽溫度以滿足生產工藝需要。根據用戶實際用汽特點，在鍋爐設計上針對性的采取了一些相應措施。

1 鍋爐主要參數

額定蒸發量 75 t/h

過熱蒸汽壓力 10.5MPa

鍋筒工作壓力 11.66MPa

過熱蒸汽溫度 510 ℃

給水溫度 110 ℃

排煙溫度 150 ℃

鍋爐效率 92.3%

燃料種類 天然氣

鍋筒標高 18640mm

爐膛寬度（兩側水冷壁中心線距離） 4640mm

爐膛深度（前后水冷壁中心線距離） 5040mm

鍋爐寬度（左右柱中心線距離） 5410mm

鍋爐深度（Z1柱至尾部后墻柱中心） 12910mm

鍋爐基本設計數據見表1

2 鍋爐主要結構特點介紹

2.1 概述

由于用戶生產急需，鍋爐從設計到運行只有四個月時間，加工周期十分緊張，考慮到以上因素，鍋爐在整體布置上并沒有采用高壓鍋爐常用的包墻和屏式過熱器結構。爐膛及過熱器全部懸吊于鍋爐頂板上，省煤器、空氣預熱器通過支梁支在尾部鋼架上，以方便于檢修。本鍋爐采用的主要熱力技術數據均以現行73標準為依據，同時參照國內外同類型鍋爐運行的實際經驗進行相關數據選取。受壓件符合國家有關標準，鍋爐主要部件均采用我公司的成熟結構，盡量使其布置合理，性能可靠。

2.2 鍋筒及汽水分離裝置特點

鍋爐采用單鍋筒，鍋筒內徑為1500毫米，材料選用Q345R鋼板制造。由于該鍋爐所產蒸汽不用于發電，對蒸汽品質要求相對不高，因此在鍋筒內部裝置的布置上進行了簡化，沒有布置蒸汽清洗裝置，鍋筒內裝置了20只直徑為Φ290毫米的旋風分離器作為一次粗分離，每只旋風分離器負荷約為3.8噸/時。二次分離裝置是布置在鍋筒頂部的呈“V”形的鋼絲網分離器。

鍋筒正常水位設置在鍋筒中心線下50毫米最高和最低水位距正常水位各為正負75毫米。鍋筒通過兩個活動鍋筒支座支撐在汽包梁上。

2.3 爐膛和膜式水冷壁

燃氣鍋爐與燃煤鍋爐相比不存在高溫結焦問題，在保證爐膛水冷壁安全的前提下，燃氣鍋爐的爐膛整體溫度水平可相應提高，爐膛容積可較同等容量的燃煤鍋爐小。該爐膛選取5040×4640毫米（按水冷壁中心線）的方形斷面，水冷壁管由Φ51（GB6310-2008）的管子及扁鋼組焊而成，節距為100毫米，分段分片出廠，現場裝配。每個水冷下集箱分別由若干根下降管與鍋筒相連。

為了使爐膛四面水冷壁吸熱盡量均勻，在爐膛出口處還設有折焰角，折焰角深入爐膛1900毫米，占爐膛深度約38%，有效改善爐內高溫煙氣的充滿度，使爐膛內整體溫度水平趨于一致。

為了防止由于天然氣燃燒波動引起爐膛壓力波動對爐膛安全產生的影響，水冷壁外部周向設有剛性梁，使整個水冷壁組成剛性吊筐結構。每隔3米左右設有一層剛性梁，以增加爐膛的抗爆性，其大小按抵抗8700N/m3的爆炸力設計。水冷壁本身及所屬爐墻，均通過水管系統吊掛裝置懸吊在頂板上，可以向下自由膨脹。

2.4 燃燒設備

為了保證天然氣的燃燒，該鍋爐總共設置4臺旋流燃燒器，以鍋爐中心線為對稱線分上下兩層布置在爐膛前墻。同時鍋爐上還設置有自動點火裝置及火焰監控裝置。有可靠的點火程序控制和熄火保護裝置。并且通過下面一系列功能聯鎖裝置來保證燃氣鍋爐的安全運行：

（1）全部引風機斷電時，自動切斷全部送風和燃料供應。（2）全部送風機斷電時，自動切斷全部燃料供應。（3）燃氣壓力低于規定值時，自動切斷燃氣的供應。

2.5 過熱器及汽溫調節

在過熱器的設計上，該鍋爐并沒有采用以往高溫高壓鍋爐設置屏式過熱器的模式，而是采用了純對流傳熱形式。過熱器由高、中、低溫過熱器組成，整個過熱器分三級布置在爐膛出口的水平煙道內，采用兩級噴水減溫，分別設在三級過熱器中間，飽和蒸汽由飽和蒸汽引出管引入低溫過熱器進口集箱，經過由Φ32的管子構成的頂棚過熱器和低溫過熱器，蒸汽經一級減溫器后經Φ32的管子引入中間過熱器，蒸汽經二級減溫器后經Φ32的管子引入高溫過熱器，最后經過匯汽集箱將合格的過熱蒸汽引出。

相對于采用屏式過熱器復雜的蒸汽流程來說，純對流過熱器整體布置更為簡單，同時還避免了屏式過熱器結構復雜、易爆管的缺點。為了進一步降低鍋爐制造成本，低溫過熱器管子材料為用20G鍋爐管，中間過熱器管子材料為12Cr1MoVG合金鋼，高溫過熱器管子材料為12Cr2MoWVTiB合金鋼。過熱器分級布置減小了合金管材的使用量，有效降低了制造成本。

2.6 省煤器及空氣預熱器

省煤器蛇形管均由Φ32的20G鋼管制成。省煤器蛇形管通過支撐梁將重量傳到鋼架上。空氣預熱器亦為單立式布置，煙氣走管內，管徑為Φ50毫米。為了防止空氣預熱器在低負荷時發生低溫腐蝕，空氣預熱器管子材質采用考登鋼。

空氣預熱器采用官箱結構，管箱單獨支撐在尾部鋼架上，可方便地檢修。

各級省煤器、預熱器間都留有檢修空間及相應的門孔便于檢修。

2.7 構架、平臺

該鍋爐所在區域的地震設防烈度為8度，因此該鍋爐在構架上做了加強處理。本鍋爐爐室部分構架采用4根型鋼柱，柱間設有多層橫梁相聯系，并設有拉條以增加整個構架的抗震性能。

尾部鋼架采用4根鋼柱，柱間亦有橫梁相聯系而形成獨立的構架，支撐全部空氣預熱器及省煤器。在鍋爐上所有操作、檢修、測試門孔處均設有平臺，以方便鍋爐檢修。

2.8 爐墻

鍋爐爐膛采用膜式壁結構，大大簡化了密封工作量，現場采用簡單的敷管爐墻進行保溫，水平煙道轉向室及尾部豎井煙道爐墻采用輕型護板結構，爐墻由內向外依次為耐火磚、硅酸鋁纖維板、保溫磚、鋼護板，；爐墻通過爐墻拉鉤和托磚架分層支撐在尾部框架上，爐墻護板外側采用全鋼護板密封，保證了爐墻的密封效果，有效減小了漏風。

2.9 鍋爐安全附件設置

（1）壓力表、安全閥的設置

汽包設置2個全量型安全閥PN20 DN75， 2個就地壓力表，1個低位壓力表；過熱器設置1個全量型安全閥P54 14V DN75，2個就地壓力表，1個低位壓力表

（2）水位控制安全附件設置

鍋爐通過設置2個電接點水位表；2個就地水位計；2個平衡容器，具有高水位報警、低水位連鎖保護、超壓超溫報警和聯鎖保護等功能。實現了鍋筒水位的實時監控，保證鍋爐給水安全。

3 結束語

該鍋爐自2013年5月正式滿負荷運行，各項指標均達到設計要求，為用戶生產提供了有力的保障。

當今社會，人們環保意識不斷增強，清潔能源在生產、生活中所占比例勢必越來越大，該鍋爐的成功設計，為今后類似燃氣鍋爐的設計提供了寶貴的經驗。

參考文獻

[1]林宗虎，徐通模.使用鍋爐手冊[M].化學工業出版社，2009，4.

[2]馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌.鍋爐原理及計算[M].科學出版社，2003.

[3]趙欽新，惠世恩.燃油燃氣鍋爐[M].西安交通大學出版社，2000，6.