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立式余热锅炉受热面布置选型

更新时间:2016-07-05

燃气轮机(简称燃机)做功后排出的烟气温度一般在450 ℃以上,在早期建成投运的电厂中多数只利用了燃机做功发电,尾气直接排入大气。随着节能与环保要求的提高以及联合循环技术的不断提升,单循环电厂开始改建为燃气-蒸汽联合循环,联合循环的发电效率目前已经达到50%~61%,甚至更高。而作为联合循环中连接燃机、汽轮机的中间纽带,余热锅炉的性能对于整个联合循环效率的提升、减少污染物的排放发挥着非常重要的作用。

余热锅炉是余热利用的关键设备,目前世界上燃机电站余热锅炉按受热面布置型式划分主要有卧式和立式两种,卧式锅炉主要适用燃料为天然气或轻油,而立式余热锅炉燃料适用性稍广。对于燃料为油类等比较恶劣的工况,立式炉管束水平布置,翅片的方向垂直,有利于防止烟尘堆积,同时也可使吹灰器获得较好的吹灰效果;立式余热锅炉受热面以模块出厂,工厂模块化程度高,现场焊口少、建设周期短、项目见效快。

早期的立式余热锅炉蒸发器部分考虑到受热面水平布置,没有重力压差,为防止倒流,保证安全运行,通常会为蒸发器配置循环泵。不过随着技术水平的提升,循环泵也逐渐取消,欧洲早在十几年前已经有自然循环立式余热锅炉的业绩,当绝对压力小于12.414 MPa时,可不再配置循环泵,且要求下降管至蒸发器入口集箱的高度至少2 m以上[1]

随着市场需要,立式余热锅炉的市场化程度越来越高,针对立式余热锅炉的研究也在逐步深入。立式余热炉的布置主要考虑原则是燃料种类(主要是硫分含量)、烟气阻力及蒸汽参数要求等,笔者结合一个典型的9E级单循环改联合循环项目案例,简述了在确保以上三个原则不变的情况下,不同的受热面管径、受热面排列、翅片管高度等因素对受热面布置的影响。

1 项目设定

1.1 燃机基本情况选定

余热锅炉为单循环改联合循环,双压、一体式除氧、无再热、无补燃立式强制/自然循环,配套燃机型号为GE-9171E,燃料类型为天然气、轻油、重油、原油,轻油为设计及考核工况。轻油燃料含硫质量分数为1%,重油燃料含硫质量分数为4.5%。燃机排气参数及成分见表1。

尽管证明公式不是好的问题,但还是花时间让学生证明,这是回避不了的,其中①②求角的正弦和余弦的证明方法,是为后面的探究做准备,这种准备的功效在思路6上得以体现,可以说,没有这个准备,学生不可能想到思路6,而没有思路6,前面的准备也失去意义.教学中首先要顺应学生的思维习惯,帮助学生学会思考,同时还要不断发展学生的思维,用新的方法、新的思想丰富学生的思维,促进学生不断更新、完善自己的认知结构.思路6就是基于这种考虑的产物.

表1 燃机排气参数

项目轻油重油环境温度/℃1515相对湿度/%3535排气温度/℃537.1475.9烟气流量/(t·h-1)15471538φ(Aar)/%0.890.90φ(N2)/%74.3275.13φ(O2)/%13.4414.56φ(CO2)/%4.553.98φ(H2O)/%6.805.44

1.2 锅炉性能考核工况设计数据

燃机燃料为轻油,锅炉性能考核工况设计数据见表2。

面对当今的发展趋势,小语种的教学模式也在不断改革,从单一培养模式到复合培养模式,实行“3+1”(在中国学习3年小语种专业知识,到相关小语种国家学习1年)或者“2+2”(在中国学习2年专业知识,到相关小语种国家学习2年)的学制对学生进行培养,这样既加强了专业知识的学习,有能够让所学知识得到锻炼,在实践中提升自我能力。

表2 锅炉性能考核工况设计数据

项目数值环境温度/℃15大气压/kPa101.08相对湿度/%35烟气总阻力(静压)/kPa≤2.94

1.3 余热锅炉额定参数

轻油工况下余热锅炉额定参数见表3。

表3 余热锅炉额定参数

项目数值环境温度/℃15烟气流量/(t·h-1)1547排烟温度/℃537.1给水温度/℃80.7给水流量/(kg·s-1)62.08高压主汽流量/(kg·s-1)52.48高压主汽温度/℃506高压主汽压力(绝对压力)/MPa7.9低压主汽流量/(kg·s-1)9.6低压主汽温度/℃253.5低压主汽压力/MPa0.727烟气阻力损失(静压)/kPa2.94

2 设计计算

该项目为海外项目,受热面管径按ASME材料进行选取。ASME标准的受热面管径一般取31.8 mm和38.1 mm,管径对传热系数影响很大,在流量相同情况下,管径越小,管内介质的流速越高,传热系数也越大;对锅炉蒸汽压力≤9.81 MPa的锅炉,由于汽水两相介质密度差较大,只要给水品质满足要求,并且锅炉具有一定的水循环高度,采用小管径水循环一般都能达到要求,在此分别选取31.8 mm和38.1 mm两个管径来进行分析对比。

翅片强化传热有一定的有效范围,合理选取翅片高度,对整个余热锅炉的布置有重要影响。表4为翅片参数推荐值[2]。根据推荐值,笔者选取13 mm和15.9 mm 2个翅片高度来进行分析对比,分别搭配以上2种管径,总共做出4个不同的选型方案来进行分析,以期得到最优化的选型方案。

表4 翅片参数推荐值 mm

管径   翅片高度          翅片节距          翅片厚度   天然气轻重油天然气轻油重油天然气轻重油38.1mm16.0~19.016.0~19.03.0~8.54.0~8.55.0~8.50.8~1.01.0~1.331.8mm13.0~16.013.0~16.03.0~8.54.0~8.55.0~8.50.8~1.01.0~1.3

考虑到轻油为设计燃料,重油为备用燃料,翅片的节距均采用最小距离≥5.08 mm,翅片厚度均按1 mm考虑;受热面管束全部采用错列布置;翅片管的横向间距和纵向间距按照经验值选取,保证相邻2个翅片间距在24~25 mm。

参考文献

根据烟气阻力要求,宽度方向上考虑采用2个模块,每个模块宽约4 m。从燃机送来的烟气依次流经旁路烟囱→高压过热器→高压蒸发器→高压二级省煤器→低压过热器→高压一级省煤器→低压蒸发器→低压省煤器。

为方便比较,各方案节点和接近点温差的选取尽量保持接近。节点温差是换热过程中蒸发器出口烟气与被加热的饱和水汽之间的最小温差,计算时均控制在8 K左右;接近点温差是指余热锅炉省煤器出口压力下饱和水温度和出口水温之间的温差,计算时均控制在4 K左右。

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经过热力计算,可以得出所需的换热面积和管排总数来进行受热面的基本排列布置。对于立式余热锅炉,省煤器的流程数与管排数保持一致,过热器和蒸发器受热面的布置,应该进一步通过水动力计算来确定管内流速。

笔者主要介绍了立式余热锅炉的设计要点及方法,通过工程设计经验建立了几种常用的模型并进行初步的核算,对不同方案的换热面积、循环倍率、模块重量进行了重点比对,为后续具体设计提供参考数据;通过对比4个方案,得出以下结论:

(1)

4)联合速度控制的使用,减少了制动器使用频率,从而降低了车辆制动噪声和摩擦材料的排放,有利于保护环境。

从表5可以看出:方案4在钢材耗量上优势明显,不过高压蒸发器的循环倍率偏低,对于立式余热锅炉,高压蒸发器循环倍率的安全值一般为3~6。根据热力计算方案4高压蒸发器所需的总管排数为30排,采用的高压蒸发器受热面结构为6×5排(见图2)。为了进一步提高循环倍率,尝试增加集箱管径和更改受热面结构,最终得出单纯增加集箱管径对循环倍率影响不大,通过把受热面结构改为8×4排,可以将循环倍率提高到3.9左右,不过此时单个模块管排数达到了16排,且集箱管径需要选取更大尺寸(见图3)。单个模块最大管排数一般是根据运输条件来进行限制,对于该项目,设计时考虑模块最大管排数为14,如运输条件相对宽松可适当增加管排数。

3 受热面布置

典型受热面布置见图1。

图1 典型受热面布置示意图

4种方案受热面尺寸及参数对比见表5。

表5 余热锅炉4种方案受热面尺寸及参数对比

项目方案1方案2方案3方案4受热面管外径/mm38.138.131.831.8翅片高度/mm13.015.913.015.9最大翅片数1)5.05.05.05.0模块间距/mm1000100010001000模块最大管排数14141414受热面长/mm18700179001740016800受热面宽/mm7709770977097709换热面积/m2163500164966152570166730翅片管横向间距/mm89958288翅片管纵向间距/mm74827179宽度方向翅片管数量86809286支吊间距/mm2700268026802600模块数22182218烟气流经模块数119119汽包平台高度/mm29450270002876027460高压蒸发器循环倍率5.24.83.73.0低压蒸发器循环倍率21.514.515.812.2模块质量(含集箱)/t1217107010601022注:1)每25.4mm最大翅片数

式中:w0为循环流速, m/s;g为重力加速度,9.81 m/s2C为真实截面含汽率的修正系数,高压取0.8,低压取0.62[4]Hhg为管束含汽段高度,m;Hyc为引出管高度,m;XC为管束出口质量含汽率;LS为管束总长,m;Lrq为受热前管束长度,m;Lhq为管束含汽段长度,m;FS为上升管束总流通截面积,m2Q为管束总吸热量,MJ/h;∑Z为管束回路折算阻力系数之和;γ′、γ″分别为锅筒压力下饱和水及汽的密度,kg/m3

图2 方案4高压蒸发器受热面结构

图3 方案4高压蒸发器受热面结构改进

4 结语

蒸发器设计布置时,可按已确定蒸发量D,假设循环倍率K高压为3~6,低压为10~20,按初步设计的管束结构用软件计算出循环倍率和管内流速。循环倍率用到的主要公式如下[3]

(2) 综合考虑换热面积及循环倍率,方案2和方案3相对系统稳定,有利于锅炉长期稳定运行;且方案3所需换热面积最少,可作为备选方案。

(1) 经过改进后的方案4为最优方案,其总质量最低,模块数最少,安装周期短;通过增加集箱管径和更改受热面结构,进一步提高了高压蒸发器的循环倍率,确保机组运行的稳定性。

其中,

立式余热锅炉自身的结构特点决定了它与其他形式的余热锅炉有着不同的热力特性。对蒸发器来说,水循环的循环倍率尤为重要,布置时首先要考虑这一点。在实际工程实施中,还要考虑翅片高度及间距的选择是否符合工艺的具体要求或其他方面的特殊要求等。

通过证明发现,城市政府投资收益函数关于自身投资的一阶导数值恒大于0,城市政府投资收益函数关于竞争者的投资的一阶导数值恒小于0。其证明过程为

这一阶段主要是让学生静下心来,在借助汉语拼音的基础上,用较为缓慢的速度,辨认课文中的生字,反复认读,并逐渐把一个个独立的汉字连缀成词语、段落、篇章,最终能将整篇课文正确、连续地读出来。

[1] FONTAINE P. Cycling tolerance-natural circulation vertical HRSGS[C]//2003 International Joint Power Generation Conference. Atlanta, Georgia, USA: ASME, 2003.

综上所述,与非手术治疗比较,双侧和单侧穿刺PVP均可有效改善老年OVCF患者疼痛、腰功能及生活质量,且单侧穿刺PVP具有手术时间短、透视次数少、创伤小、骨水泥渗漏率低等优点,值得临床作进一步推广。

[2] 王德慧. 采用小管径受热面的大型燃机联合循环余热锅炉设计[J]. 锅炉技术, 2000, 31(9): 8-12.

[3] 顾利平, 强明刚, 董祖康. 余热锅炉水平管束的设计与计算[J]. 工业锅炉, 2011(5): 6-11.

[4] 上海发电设备所.电站锅炉水动力计算方法: JB/Z 201—1983[S]. 上海: 上海发电设备所, 1984: 43-46.

The most common toxicities are skin rash and hypomagnesemia[61,62]. To prevent severe skin toxicity,preventive skin treatments are often performed for patients treated with cetuximab.

程稚,高灵锋,何海华
《发电设备》 2018年第02期
《发电设备》2018年第02期文献

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