锅壳燃气锅炉系列化中的匹配设计

陈铁君 孙连启 张文胜

(1.张家口电产品发展有限公司075000;2.张家口市特种设备监督检验所075000;3.张家口三北·拉法克锅炉有限公司，075000)

0 引 言

随着近些年国家对环保要求的更加严格及对能源政策进行了调整，鼓励并推广使用燃气锅炉.另一方面，我国近年来大储量天然气气田的勘探和开发工作取得很大进展以及西气东输的工程，天然气供应紧张的局面得到很大缓解.国内燃气锅炉的市场份额逐年上升，特别是WNS系列燃气锅炉以其结构紧凑、高效节能、自动化程度高、环保性能突出、基建费用少等优势在燃气锅炉中占据了主导地位，广泛应用于国民经济建设的各行各业.然而，目前一些燃气锅炉产品处于模仿已有产品的水平上，缺乏技术创新，尤其在产品系列化生产中存在很多问题.本文以此为端倪探讨了锅壳燃气锅炉系列化设计中几个关键要素的关系和设计匹配原则.

1 燃气锅炉传热面积的设计和匹配原则

随着锅炉容量的增加，锅炉本体传热面积也要相应增加，但两者之间最佳匹配关系到底如何仍需进一步研究.

1.1 现有WNS系列燃气锅炉传热面积与锅炉容量匹配关系

根据某锅炉公司多年生产WNS系列燃气锅炉的实践经验，其传热面积与锅炉容量匹配关系见表1：

表1

在WNS燃气锅炉系列化设计中，由于对流受热面(第二、第三回程烟管)部分交错或全部使用强化传热的螺纹烟管，锅炉总传热面积与锅炉容量并不完全按比例相应增加.

1.2 炉胆与锅炉容量匹配原则

卧式内燃锅壳锅炉中辐射受热面集中于炉胆，炉胆的结构尺寸与锅炉容量有着特殊的关联关系，从以下几方面进行考虑：(1)WNS系列燃气锅炉结构紧凑，燃烧器火焰在炉胆内做受限射流冲刷，其炉胆(辐射受热面)热负荷较高，远高于文献[1]中的1200 KW/m2；与一般锅炉辐射受热面不同的是，除了强辐射换热外，较高的烟气冲刷速度使对流换热也占有一定份额(约占炉胆吸热量的8—16%)[2]，这样导致炉胆受热面在总受热面中的份额虽然较小，但炉胆内的辐射换热和对流换热总量在锅炉总换热量中占相当大的比重(约55%～60%)[1].

(2)炉胆作为燃烧室界面还承担着促进和引导火焰燃烧的功能，炉胆的结构和尺寸必须和燃烧器火焰相匹配.具体来说，炉胆直径应稍大于火焰直径；炉胆长度应大于最大火焰长度.因此，在选择燃烧器时应使两者尽量匹配，并使炉胆的结构形式适应火焰的形状和尺寸以保证合理的炉膛出口烟温水平[2].(3)为了防止炉胆出口(即第二回程入口管板与管端)处超临界热负荷及传热恶化，炉胆出口烟温不宜超过950 ℃，也就是说随着锅炉容量的增加应该保证必要炉胆长度，这一点对于热水锅炉尤其重要.

(4)考虑到燃气火焰黑度较燃油时有所减弱，炉膛出口烟温偏高，燃气锅炉系列化设计中，炉胆传热面积应较同容量燃油锅炉适当增加.

2 燃气锅炉热效率的设计和影响因素

高效燃气锅炉对于节约能源发挥着重大作用，锅炉热效率的设计计算又有其自身的规律.影响锅炉热效率的因素很多.

2.1 锅炉热损失的确定

采用反平衡法确定燃气锅炉热效率前，应先确定以下各项热损失：

(1)干燃烧产物热损失；

(2)由空气中水分引起的热损失；

(3)由燃料中水分引起的热损失；

(4)由燃料中氢燃烧后所生成的水分引起的热损失；

(5)由未燃尽可燃物引起的热损失；

(6)向周围的辐射热损失；

(7)其它热损失；

以上(1)—(4)项就是通常所指的排烟热损失q2，(5)项热损失包括化学不完全燃烧热损失q3和机械不完全热损失q4，(6)、(7)两项对应散热损失q5和灰渣物理热损失q6.

2.2 燃气锅炉热损失的特点

对于燃煤锅炉，燃气锅炉热损失中q4和q6两项为零，且锅炉密封性一般较好，q5项损失一般也很小(一般在1～3.6%[4]，国外有的锅炉甚至小于1%[1])，并且随着锅炉容量的增大而减小.燃气锅炉热效率可由下式给出：

η=100-q2-q3-q5

η——锅炉热效率，%；

q2——排烟热损失，%；

q3——化学不完全燃烧损失，%；

q5——散热损失，%；

其中q2由下式计算：

q2=[(Ipy-αpy·I0lk)/Qr]x100

Ipy——排烟热焓，KJ/Nm3；

αpy——排烟处过量空气系数，/；

I0lk——冷空气焓，KJ/Nm3，

Qr——每标米燃气送入炉内热量，KJ/Nm3；

q2是燃气锅炉热损失中最大的一项，它取决于排烟温度和排烟量，而排烟量决定于过量空气系数.目前WNS系列燃气锅炉一般选用国外品牌燃烧器，过量空气系数小，一般在1.05～1.1之间.与燃煤锅炉显著不同的是燃气锅炉排烟热损失占据锅炉总热损失的主要份额，见表2(某锅炉公司WNS燃气锅炉热力计算数据)：

表2

从表2中可以得出：WNS系列燃气热水锅炉排烟热损失约占锅炉总热损失68～78%，而且随着锅炉容量增大，排烟热损失份额有一定程度的增大.排烟热损失与排烟温度有直接关系，进而得出锅炉热效率很大程度上取决于选取排烟温度的高低.以WNS2.8—0.7/95/70—Q燃气锅炉为例，其锅炉热效率与排烟温度关系见表3、图1：

表3

由表3拟合的锅炉热效率与排烟温度关系曲线为：

η=98.49-0.043θpy从拟合公式可以得出：WNS系列燃气锅炉排烟温度每降低10 ℃，锅炉效率可以提高0.43%.

图1 WNS燃气热水锅炉热效率与排烟温度关系曲线

从拟合公式及图中可以得出：WNS燃气热水锅炉排烟温度降低25～50 ℃，锅炉热效率约可提高1～2%.锅炉热效率还受到其它方面因素制约，必需综合考虑.笔者总结在WNS燃气锅炉系列化设计中锅炉热效率的确定应注意以下几点：

(1)目前WNS燃气热水锅炉排烟热损失占锅炉总热损失份额偏大，对于7 MW以下燃气热水锅炉使其排烟热损失份额随锅炉容量增加匹配在65～70%为宜；

(2)散热损失对燃气锅炉热效率的影响不可低估，提高锅炉密封性与加强保温成为目前燃气锅炉制造过程中应特别重视的一个环节，由于散热损失与锅炉负荷成反比，运行中也应引起用户的足够重视；

(3)同一容量的蒸汽锅炉比热水锅炉热效率低2%左右，WNS系列热水锅炉锅内介质为未饱和水，而蒸汽锅炉(由于锅炉压力的关系)，锅内介质温度要比同容量的热水锅炉高出近100 ℃.为了维持尾部受热面一定的传热温压，蒸汽锅炉排烟温度相对于热水锅炉来说有很大程度的提高；

(4)蒸汽、热水锅炉各自系列内，随着锅炉容量的增加，锅炉压力一般也有所增加，锅炉内介质温度相应提高，锅炉热效率也受运行压力的影响；

(5)过量空气系数对锅炉热效率影响比燃油时大，燃气锅炉系列化设计时要注意选用低过量空气系数的燃烧器(1.025～1.05)；

(6)由于天燃气中氢的含量很高，质量百分数约20～25%，烟气中水蒸气份额很大(近20%)，水蒸气带走热量约占燃料高位发热量的10%.因此，针对目前WNS天燃气热水锅炉排烟温度偏高(一般在180 ℃以上)的现象，有必要降低排烟温度利用烟气显热以提高锅炉热效率，相应地采用螺纹烟管、管内扰流子等强化传热措施，强化传热的同时节约了金属耗量.同时天燃气中硫份含量极少，燃烧后烟气露点温度远远低于排烟温度，可以采用炉外冷凝回收装置充分利用烟气潜热进一步提高锅炉热效率.

3 结束语

WNS系列燃气锅炉在我国经过十几年的发展，已经成为燃气锅炉中一个重要系列，在锅炉本体结构布置、燃烧器匹配、强化传热、高温烟室管板焊接、尾部积水处理、低噪环保运行等方面取得了长足进步，目前广泛应用于生产、生活中的各个领域.笔者就其系列化设计中几个设计要素进行综合分析并提出设计改进建议，希望能促进燃气锅炉生产及应用领域新的研究和进一步发展.

参 考 文 献

[1]赵钦新,惠世恩.燃油燃气锅炉[M].西安交通大学出版社,2000

[2]张文胜,等.卧式内燃燃油(气)锅炉炉膛出口烟温的确定,工业锅炉[J].2001.4

[3]陈学俊,陈听宽.锅炉原理[M].西安交通大学出版社,1994

[4]锅炉机组热力计算标准方法[M].机械工业出版社,2001

[5]车得福.冷凝式锅炉及其系统[M].机械工业出版社,2002