低温余热电站余热锅炉受热面传热及布置对发电能力的影响
2009-07-15 00:00
一、前言
低温余热发电站的热力设备主要由余热锅炉和汽轮机组成。锅炉吸收低温废气中的热量加热水并使其转化为一定压力、温度的蒸汽，然后引入汽轮机将蒸汽的热能转化为机械能。
要提高余热电站的发电能力不外乎有两个途径：
1.提高余热利用率即锅炉尽可能吸收工艺尾气中的余热，增大蒸汽出力；
2.提高热力系统循化效率。经过理论计算及实践验证，提高循环热效率的措施有如下三点：
（1）提高汽轮机进汽温度即提高锅炉出口蒸汽温度；
（2）提高汽轮机进汽压力即提高锅炉出口蒸汽压力；
（3） 降低汽轮机排压力。
从上述措施可以看出，除降低汽轮机排压力外，其余全部与锅炉有关。由于进一步降低汽轮机排压力技术难度较大，提高余热电站的发电能力必须要在废气参数已定的前提下，将锅炉设计成产汽量最大、蒸汽品质最高。
二、余热锅炉的传热学基础
一台锅炉的大小及几何形状不仅取决于它所需传递热量的多少，而且决定与他单位面积热量的传递和吸收率。
由于温度的不同而引起物体间或物体内部之间热量传递过程叫热交换。大多数教科书上都提到三种传热方式：对流、导热和辐射。这三种传热方式包括了许多物理领域，诸如力学、热学、声学、光学和电学。
一个传热过程中通常同时发生一种以上的上述传热方式。
1. 对流
流体流过壁面时同壁面之间产生的热量交换称为对流换热或对流传热。对流传热在锅炉中应用十分广泛，对流换热时流体与壁面之间的热交换公式如下：
q=αк(t－tb)
q——单位面积在单位时间内通过对流传递的热量, w/m2
αк——对流放热系数，w/(m2·K)
t——流体温度，℃
tb——壁面温度，℃
由上式可知，对流换热热量和对流换热系数和流体与壁面的温差成正比。
对流换热系数是表明换热过程强弱的物理量，影响的因素较多，它与流体的质量流速、密度、比热容、粘度、热导率等因素有关，其中质量流速是最主要的因素。
2. 导热
导热是指直接接触的物体各部分间的热交换过程。它可以表示为：
q——单位面积在单位时间内通过的热量,又称为热流密度， w/m2
λ——导热系数，w/(m·K)
t1、t2——壁面两侧的温度，℃
δ——壁面厚度，m
公式表明热流密度与温差成正比，壁面厚度成反比，比例系数为导热系数，它与材料种类有关。
3. 辐射
辐射传热是一种电磁过程，是通过电磁波的形式传播热量的，其传播速度与光速一样。当射到某一物体上时，它具有反射、穿透、吸收的特性，被物体吸收的部分转变为热能。物体的辐射能力取决于它的热力学温度，其规律为：
E=σT4
E——辐射热流密度， 其含义为单位面积在单位时间内辐射的热量，w/m2
σ——黑体辐射总能量的斯蒂芬－玻尔兹曼常数，其值为5.67 w/(m·K4)
T——物体表面的绝对温度，K
在锅炉中，烟气和受热面都向外辐射热量，两者辐射热量的差额即为受热面的辐射吸热量，表示为：
q=σm(T14－ T24)
q——单位面积在单位时间内辐射吸热量, w/m2
σm——烟气及受热面折算辐射常数，w/(m·K4)
T1、T2——烟气及受热面温度，K
三、传热过程
在工程技术中，把热量从热流体通过固体壁面传给冷流体的过程称为传热过程，这种传热过程只通过一种换热方式是实现不了的，常是三种换热方式的综合。余热锅炉的所有受热面均是属于这种传热过程，都是管子外壁受烟气的冲刷，热量通过管子内壁传给管内的工质。整个传热过程可以描述为：
Q=K×H×△t
Q——传热量, J
H——受热面积，m2
K——传热系数，w/(m2·K)，
△t——温压，℃
1. 传热系数
在锅炉实际运行中，受热面管子外表面会出现积灰，内表面可能会出现氧化层、垢等情况，受热面管子内外侧都增加了额外热阻，降低了传热效果。
应用欧姆定律来比拟，热流等于温差除以热阻。欧姆定律中的电阻就是传热系数的倒数。所以流体与流体间的传热系数可以表示为：
α1——烟气对管壁的放热系数；
α2——管壁对管内介质的放热系数；
灰污层热阻，称为沾污系数，
δз、λэ分别为管子外表面结灰层的厚度及导热系数；
δм、λм￣￣￣￣管子金属的壁厚及导热系数；
δво、λво￣￣￣￣管子内表面结垢层的厚度及导热系数；
在一般锅炉受热面中，烟气侧的热阻
大大超过管壁金属的热阻
，所以管壁金属的热阻可以忽略不计（
）。
大大超过管壁金属的热阻，所以管壁金属的热阻可以忽略不计（）。 在锅炉正常运行情况下，内部沉积不应引起管子热阻严重增大，因此管子内壁积垢层的热阻
也可以忽略不计（
）。
也可以忽略不计（）。 受热面管子的传热系数可简化为:
α1＝ξ（αк＋αл）
ξ——利用系数，考虑烟气冲刷受热面的均匀度
αк、αл——分别为烟气对管壁的对流放热系数和辐射放热系数
对水泥窑余热锅炉，由于烟气温度较低，而受热面管子布置较为密集，基本可以忽略辐射传热，即αл＝0。当计算管内工质为水，以及热强度较小、管内工质为汽水混合物受热面时，因为
，管子内侧的热阻可以忽略不计。具体到水泥窑余热锅炉的蒸发器、省煤器、热水器的传热系：
，管子内侧的热阻可以忽略不计。具体到水泥窑余热锅炉的蒸发器、省煤器、热水器的传热系：|
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从上面公式可以看出，要提高传热系数，有两条途径：
一是提高对流换热系数，对一台特定的锅炉而言，烟气成分及工质已确定，可以通过提高流体冲刷受热面的速度来提高对流换热系数，但烟气速度受限于受热面布置形式等结构因素以及由此而加重受热面磨损和烟气阻力增大后果，所以烟气速度的选取原则不是最大，而是综合设备结构、烟气阻力等因素的一个合理选择。
二是降低沾污系数也即减小受热面管子外壁的积灰厚度，通过采用合理的结构形式以及通过清灰装置进行清灰，可有效减少受热面积灰。但对于结构形式及运行模式一定的锅炉而言，受热面的积灰一般来讲是随时间推移而加剧的。对于水泥窑余热锅AQC炉，由于废气中含尘量较小，受热面均采用错列布置的螺旋翅片管，未设清灰装置；SP炉由于废气中含尘量较大，受热面均采用顺列布置的光管，设振打清灰装置。由于这些特点，可以肯定水泥窑余热锅AQC炉、SP炉受热面总体传热系数是比较低的，并且随着运行时间的推移，热面的沾污将越来越严重，也即是说，锅炉总体传热系数将受越来越低。
2.温压
烟气与介质间只有有了温差才会产生热流。对数平均温压表示在两种流体之间的有效的温差。它取决于两种流体经受热面时的相对流动方向，即两种流体是相互逆流、顺流、还是交叉流，对数平均温压按下式计算：
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△t1——最大温差，℃ △t2——最小温差，℃
从能量获取的角度讲，当锅炉废气进口温度和锅炉蒸汽参数一定的状况下，为了尽可能的吸收烟气中的热量，尽量多的产生蒸汽，蒸发过程的末端废气温度越低越好，也即是说温差窄点越小越好，由传热学的基本原理，我们知道，废气温度始终会高于管内工质温度，即温差窄点始终大于0℃。说明锅炉的排烟温度与工质饱和温度高低成正比，而锅炉蒸发量与蒸汽参数成反比。这样就出一个矛盾，一方面，我们因为提高热循环效率而需要提高蒸汽压力、温度参数，同时又希望尽量多利用废气余热，降低废气排放温度。这就必须采用分段吸热的方式，即采用不同的工质压力运行，形成不同的温差窄点。
3.传热面积
在水泥窑余热炉中全是对流受热面，传热面积是指受热面管子的外表面积和扩展受热面的面积。
受热面的不仅要满足传热的需要，它对锅炉整体结构起决定性的影响。受热面布置形式要全面平衡受热面管子的规格、烟气冲刷方式、烟气充满度、烟气流速、烟气阻力、受热面磨损、汽、水流速、水循环的安全性等传热性能因素，更要满足现场场地地理条件（大小、防震等）和气象条件（海拔、极端气温、风速、风向、雪载等）结构安全因素。才能设计一台运行安全、性能优异的锅炉。
四．水泥窑余热炉受热面布置对发电量的影响
通过上面的分析，我们知道对一特定的水泥余热发电电站，要提高发电量，就要提高汽轮机进汽参数，提高系统热效率；并且在最大限度的利用废气余热产生最大量的高参数蒸汽同时，工质压力分段运行，吸取低温段废气热量，提高余热锅炉热利用效率。同时在水泥窑余热炉设计中要考虑到，由于水泥窑工艺系统波动引起的废气入炉参数的波动，我们要做到当废气入炉参数高于设计参数时，锅炉也能将高出设计值的废气热量吸收，产生更大量的蒸汽，提高波峰发电量，从而提高电站系统总发电量。
另外，我们要充分注意到水泥窑废气的特性，以及受热面结构特点。可以预计，随着锅炉运行时间的推移，热面的沾污越来越严重，传热系数越来越低。还要预计水泥窑生产线产量波动而引起废气参数高于设计值时，温差窄点也应较小。故在设计时，对传热系数K和温差△t数值都应有所保留。由传热方程式Q=K×H×△t，为保证锅炉蒸发量较大，唯一的措施就是布置足够大受热面面积。
受热面只是传热部件，一台锅炉还有大量的钢结构以及其它附件。增大受热面面积，就意味着不仅锅炉受热面金属耗量增加，同时锅炉外形尺寸也会有所变大，钢结构重量也会加大，按一般统计，水泥窑余热锅炉内换热管子等受压换热件一般大于53%，其它梁、柱、楼梯、平台等非换热受压件不大于47%。如果锅炉重量太轻，意味着锅炉受热面面积不够，电站实际发电能力不能达到平均设计发电能力的，运行时间越长，越明显。有关单位对目前已运行的水泥窑余热发电站进行了一次调查也验证了这一点。笔者将它们的部分5000t/d～6000t/h 水泥窑余热发电站的运行调研结果：余热锅炉钢材重量等有关参数与发电量的关系并列在附表1中，大家可以非常明显地看到其中的差异。
增大水泥窑余热锅炉受热面面积，锅炉钢材耗量增加，锅炉制造及建设成本增加，导致水泥窑余热发电站总投资加大。但是，我们更应看到，锅炉设备投资只是一次性投资，余热发电是没有燃料成本的，它的发电成本较低，发电受益是长效的，只要生产线运行就有收益。我们从附表中选择同于2008年下半年投运的两个电站，对比数据可以看出，同在单条生产线熟料产量在5500t/d～5800t/h状况下，所配置锅炉的钢材重量分别为820吨和1360吨，锅炉重量增加540吨，锅炉系统投资增加不超过800万。日供电量（即上网电量）分别为14.45~15.25万度和19.72~24.72万度，日上网电量提高按最少值算为5.27万度，以保守上网电价0.3元/度计，日增加发电收入1.58万元，最长500天即可收回投资。
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