燃機尾氣余熱鍋爐的開發(fā)設計

(杭州富藍鍋爐容器有限公司，杭州 311402)

0 引 言

天然氣與壓縮空氣混合后進入燃燒室燃燒，高溫高壓煙氣通過燃氣輪機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，做功后的煙氣溫度仍然高達450～600 ℃，如果直接排放到大氣當中，就會造成能量的損失和環(huán)境的污染，如何有效回收利用燃機尾氣余熱是推動節(jié)能減排的一項重要研究課題。

1 余熱鍋爐設計要求

正常工況進口煙氣量：100 000 m3/h(標態(tài))(設計工況)

正常工況進口煙氣溫度：450 ℃

進口煙氣成份(體積百分比)：

N2：76.65% O2：16.39% CO2：2.23% H2O：4.73%

出口煙氣溫度：180 ℃±20 ℃

過熱蒸汽壓力：1.5 MPa

過熱蒸汽溫度：240 ℃

設計蒸發(fā)量：計算后確定

給水溫度：20 ℃(除鹽軟化水，進入除氧器)

2 余熱鍋爐蒸發(fā)量的確定

根據(jù)用戶提供的煙氣成份，得出煙氣焓溫值。進口煙氣溫度450 ℃時，煙氣焓值為613 kJ/m3(標態(tài))；出口煙溫180 ℃時，焓值為238.6 kJ/m3(標態(tài))。正常工況下，煙氣可供吸收的熱量為：Q放=(613-238.6)×100000=37 440 000 kJ/h

20 ℃除鹽軟化水經(jīng)除氧器后水溫為105 ℃，工質(zhì)由105 ℃、1.55 MPa吸熱后變成1.5 MPa、240 ℃過熱蒸汽，每噸蒸汽所需的熱量為：

Q吸=(i″-i)+λ(i＇-i)=(2894.9-442)+0.05(2792.2-442)=2570.4 kJ/kg

式中，i為105 ℃、1.55 MPa時的未飽和水焓(442 kJ/kg)；i＇為鍋筒壓力為1.55 MPa時飽和蒸汽焓(2 792.2 kJ/kg)；i″為1.5 MPa、240 ℃時過熱蒸汽焓(2894.9 kJ/kg)；λ為鍋爐排污率(5%)。

余熱回收量=Q放/Q吸=37 440 000/2 570.4≈14.565 t/h，考慮到漏風、散熱等因素鍋爐蒸發(fā)量確定為14 t/h。

3 鍋爐設計方案的確定

鍋爐采用臥式結構，高溫煙氣經(jīng)進口煙道進入爐內(nèi)，從左向右依次經(jīng)過過熱器、蒸發(fā)器1、蒸發(fā)器2和省煤器。對流受熱面全部采用螺旋管增加傳熱面積，提高換熱效果。所有受熱面采用錯列布置。圖1為余熱鍋爐本體結構布置圖，表1

為余熱鍋爐熱力計算結果。

圖1 余熱鍋爐本體結構布置圖1.過熱器下聯(lián)箱；2.過熱器管組；3.過熱器上聯(lián)箱；4.過熱器出口集箱；5.汽包；6—蒸發(fā)器汽水引出管組；7.蒸發(fā)器1上聯(lián)箱8.蒸發(fā)器2上聯(lián)箱；9—蒸發(fā)器下降管組10—省煤器；11.中間煙道1；12.蒸發(fā)器2進口集箱；13.蒸發(fā)器2下聯(lián)箱;14.蒸發(fā)器2管組;15.中間煙道2；16.蒸發(fā)器1進口集箱；17.蒸發(fā)器1下聯(lián)箱；18.蒸發(fā)器1管組

表1余熱鍋爐熱力計算結果

名 稱煙氣出口溫度/℃工質(zhì)進口溫度/℃工質(zhì)出口溫度/℃煙氣平均流速/m·s-1工質(zhì)流速/m·s-1溫壓/℃?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/m2K傳熱量kJ/m3受熱面積/m2過熱器4502012401410239.840.31538.8蒸發(fā)受熱面135020120112.2-197.115.2142.11183.4蒸發(fā)受熱面221220120111.4-213.913.2180.71577.8省煤器180105173.511.30.9453.521.144.9998.1

注：進口煙溫450 ℃；煙氣量：100 000 m3/h(標態(tài))；效率=70%

4 余熱鍋爐結構布置分析

4.1 過熱器

因過熱器出口溫度要求不高，只需達到240 ℃即可，所以過熱器管束采用縱向兩排管束錯列布置，橫向節(jié)距S1=120 mm，縱向節(jié)距S2=90 mm，材質(zhì)為15CrMoG。螺旋鰭片節(jié)距取12 mm，鰭片高度7 mm，根據(jù)空間布置高度限制過熱器螺旋鰭片管長度取3 520 mm，過熱器區(qū)域的煙氣流速取14m/s，過熱器中的工質(zhì)速度控制在10 m/s左右。如圖2所示。

圖2 過熱器

4.2 蒸發(fā)受熱面

煙氣經(jīng)過過熱器后進入蒸發(fā)受熱面，因煙氣流量大，需要布置較多的蒸發(fā)受熱面，由初步熱力計算可知蒸發(fā)受熱面需要布置2 700～2 800 m2的面積，為此蒸發(fā)受熱面分兩組布置。每組蒸發(fā)受熱面與鍋筒之間由下降管組和汽水引出管組連接，形成獨立的自然循環(huán)回路，每組蒸發(fā)受熱面由多根小直徑螺旋鰭片管并聯(lián)組成，結構上全部采用垂直布置，可以防止汽水分層。

每組蒸發(fā)受熱面對流管束的布置根據(jù)煙氣流速和上升管的截面積來布置，橫向節(jié)距S1=120 mm，縱向節(jié)距S2=90 mm，材質(zhì)為20(GB/T3087)。螺旋鰭片節(jié)距取6 mm，鰭片高度22 mm，根據(jù)空間布置高度限制蒸發(fā)受熱面螺旋鰭片管長度取3 610 mm，煙氣流速取12 m/s，這樣橫向每排可以布置17根φ45 mm×3.5 mm螺旋鰭片管。

蒸發(fā)受熱面1初步按1 200 m2進行布置，每根螺旋鰭片管受熱面計算得出5.98 m2，計算蒸發(fā)受熱面需要布置根數(shù)為1200/5.98=200.6，然后根據(jù)結構空間進行圓整得出縱向布置12排共計198根受熱面管。蒸發(fā)受熱面1結構布置如圖3所示。

圖3 蒸發(fā)受熱面1

根據(jù)《鍋爐機組水力計算標準方法》中推薦值，下降管與上升管的截面比可取fxj/fs=0.25～0.35，汽水引出管與上升管截面比可取fyc/fs=0.35～0.45。蒸發(fā)受熱面1上升管截面積fs=π×(0.0382/4)×198=0.224 5 mm2，下降管截面積fxj=0.3fs=0.067 35 mm2，汽水引出管截面積fyc=0.4fs=0.089 8 mm2。

每橫向兩排螺旋鰭片管上端與φ133 mm上聯(lián)箱聯(lián)通，上聯(lián)箱通過汽水引出管組與鍋筒連接。每橫向兩排螺旋鰭片管下端與φ133 mm下聯(lián)箱聯(lián)通，下聯(lián)箱通過兩短管分別連通兩根φ219 mm進口集箱，進口集箱再通過下降管組與鍋筒形成循環(huán)回路。汽水引出管根據(jù)截面積計算值fyc取φ108 mm共12根，均布在上聯(lián)箱上端。下降管根據(jù)截面積計算值fxj取φ159 mm共4根，均布在進口集箱下端。

蒸發(fā)受熱面2按1 580 m2進行布置，按每根螺旋鰭片管受熱面5.98 m2，計算蒸發(fā)受熱面需要布置根數(shù)為1 580/5.98=264.2，然后根據(jù)結構空間進行圓整得出縱向布置16排共計264根受熱面管。蒸發(fā)受熱面2結構布置如圖4所示。

圖4 蒸發(fā)受熱面2

蒸發(fā)受熱面2上升管截面積fs=π×(0.0382/4)×264=0.299 4mm2，下降管截面積fxj=0.25fs=0.074 85 mm2，汽水引出管截面積fyc=0.4fs=0.119 76 mm2。汽水引出管取φ108 mm共16根，下降管取φ159 mm共4根進行布置。這樣二組蒸發(fā)受熱面結構布置完畢。

蒸發(fā)受熱面通過上下聯(lián)箱支撐在鋼架上，考慮到受熱面管高度較高，沿著高度方向布置了兩道中間支撐，采用在每根螺旋鰭片管外加套管的方式進行固定，同時保證高度方向蒸發(fā)受熱面管可以上下膨脹移動。

4.3 省煤器

省煤器蛇形管由φ38 mm×3 mm螺旋鰭片管組成，結構上采用錯列逆流布置，橫向節(jié)距S1=120 mm，縱向節(jié)距S2=60 mm，材質(zhì)為20(GB/T3087)。螺旋鰭片節(jié)距取6 mm，鰭片高度16 mm，根據(jù)空間布置高度限制蒸發(fā)受熱面螺旋鰭片管長度取2 030 mm，煙氣流速控制在11 m/s左右，這樣橫向每排可以布置24根螺旋鰭片管。按照《工業(yè)鍋爐設計計算標準方法——層狀燃燒及流化床燃燒工業(yè)鍋爐熱力計算方法》A5.8的要求，鋼管省煤器中的水速不應低于0.3 m/s，省煤器中間集箱中間裝1塊隔板，進出口集箱裝2塊隔板，如圖5所示，這樣布置省煤器管內(nèi)流速可以達0.94 m/s，從而保證省煤器安全運行。

圖5 省煤器流程圖

5 鍋爐結構特點

(1)鍋爐結構緊湊，占地面積小。

(2)對流受熱面選用螺旋鰭片管錯列布置，設計合理的管組間距，選取合理的的煙氣流速來提高傳熱效率。省煤器采用逆流布置，保證較高的傳熱溫壓，省煤器管內(nèi)保持較高的流速防止汽化現(xiàn)象發(fā)生。

(3)蒸發(fā)受熱面管束全部采用垂直布置，可以防止汽水分層，下降管和汽水引出管不受熱，可以保證有較好的自然循環(huán)特性。

6 結束語

余熱鍋爐受熱面布置比較合理，排煙溫度控制在180 ℃,熱效率高達70%，設備經(jīng)濟性較好。