限于我国的能源结构,除人口集中的少数大城市外,北方地区的冬季采暖只能依靠煤炭.为了改善采暖期的环境质量、减少煤炭粉尘的排放和提高能源利用率,我国北方大多数地区都逐渐采用集中供热,也就是说,将建设大容量热水锅炉取代分散的小型锅炉,进行区域式供暖.
但是由于冬季供暖量大小取决于户外环境温度,在整个采暖期,热水锅炉处于频繁开停的运行状态.当锅炉容量增大,停炉时炉内积聚的比小型锅炉更多的热量会引起锅水汽化.由于锅水汽化,锅内会出现汽水两相流动,造成循环阻力增大,同时积聚在上升管内的蒸汽阻塞了流通截面,形成所谓“汽塞”,破坏了锅炉正常的水循环.
工质一旦汽化,水流不畅,又加剧了汽化进程,将会出现恶性循环,使事故不断加剧.严重时,锅炉还会产生振动、水击,甚至爆管.
当锅炉出现压力剧烈波动、出水温度超出最高允许值或者热水输送管道中伴有撞击声及振动时,可以断定热水锅炉的运行出现了问题.本文将对燃煤热水锅炉运行的安全性问题进行探讨.
1 燃煤热水锅炉运行特点
在整个采暖期内,每天的供热量不同,造成燃煤热水锅炉负荷频繁变化.图1为北方地区采暖期内月供热量及日供热量变化情况.
从图1可知,由于采暖期内每月,甚至每日供热量都不同,锅炉负荷处于频繁变化的运行工况.当供热量小时,锅炉压火,处于热备用状态;当供热量大时,锅炉必须在1～2 h内达到满负荷运行.因此,热水锅炉的运行条件是很苛刻的.
特别是在一些能源供应不正常的地区经常会遭遇不确定的突然停电.锅炉正常运行时,如果停电,所有用电设备,如鼓风机、引风机、水泵、链条炉排减速箱等都会停止运行.由于循环泵停运,供热管道停止流动,锅炉停止对外供热,锅内水循环停滞,但炉排上仍存有大量炽热的燃料,尽管停电后鼓风机、引风机停止了工作,但是煤的燃烧过程并没有终止,锅炉的自身通风能力使未燃烬的燃料仍在缓慢地燃烧.此外,炉膛的蓄热量很大,仍在散发出大量热量,炉膛辐射受热面仍然面临很高的热负荷.工质吸收的热量不能输送到热网中,只能用于提高自身的热焓,直至将锅水汽化.
由于热水锅炉负荷随着供热量的大小变化,因此锅炉有时采取间断运行,有时需要满负荷运行,有时又处于热备用状态.当锅炉处于热备用状态(俗称压火)时,鼓风机、引风机调至最小档,煤的强烈燃烧已经被削弱,但炉内温度不会很快降低,燃料层、炉墙和受热面之间仍然会继续进行热量交换,这也会使锅水发生汽化.
这些都是热水锅炉必须解决的现实问题,即热水锅炉必须考虑诸如突然停电、负荷频繁变化等一系列运行问题.角管式热水锅炉则很好地解决了这一系列问题.
2 角管式燃煤热水锅炉的特点
角管式锅炉是德国水动力专家Vorkauf于1944年发明的一种水循环性能独特的锅炉.其设计理念是将集中下降管和大口径再循环管置于锅炉四周角部,与侧水冷壁上、下集箱,锅筒组成一个框架,连成一个整体.集中下降管和大口径再循环管利用自身的刚性支撑着锅筒和整个锅炉受热面的重量,与此同时,下降管和再循环管还是锅炉循环系统的一部分.这类锅炉被称为“角管式锅炉”或“无构架锅炉”.
由于角管式锅炉去除了用于锅炉受热面支撑和定位的钢架,节省了大量非受压件的金属材料,在耗钢量大致相同的情况下,角管式锅炉增加了大量可用于热交换的受热面,锅炉的换热效率大大提高,能源节约率十分明显.因此,从上世纪50年代起,角管式锅炉技术在欧美国家得到了广泛应用.上世纪80年代中期,我国从丹麦Volund公司引进了燃煤角管式蒸汽锅炉和热水锅炉技术.从此,角管式锅炉技术在国内开始得到应用和发展.
由于我国引进炉型的半开式炉膛对煤的颗粒粒度、热值、挥发分的要求较高,不符合国内的能源结构和燃料供应情况［1］,角管式锅炉在引进初期用户很少.经引进单位多年的改进并且移植了国内十分成熟的煤层燃技术,目前角管式锅炉已适应了我国各类煤种,全国用户越来越多.同时,角管式锅炉技术在燃煤、生物质、余热利用等方面得到了推广使用,并在传统锅炉的优化改造中也得到不同程度的应用. 对于角管式蒸汽锅炉,随着锅炉参数提高和容量增大,其结构、汽水流程、燃烧方式、受热面布置形式等均有不同程度的改变和创新.但是,由于对角管式锅炉工质侧的研究甚少,目前对角管式锅炉中工质参数的适用范围还不是十分清晰.国内应用的角管式锅炉技术仍然停留在引进技术基础上的小幅拓展和创新的层面上.角管式锅炉的显著特点在锅炉参数提高后,其优势已很难体现,这成为角管式蒸汽锅炉向大容量、高参数方向发展中面临的主要障碍［2］.但是,热水锅炉则不同,它在我国北方地区得到了广泛应用.这是因为:
(1) 角管式热水锅炉将原先纯自然循环改为自然循环(炉膛部分)与强制循环(对流部分)相结合的循环方式.在结构十分紧凑的情况下,这充分满足了热水锅炉运行的安全性能和供热要求.
(2) 角管式热水锅炉将再循环管改造成下降管,直接从锅筒向炉膛受热面供水,加大了给水流通截面,大大改善了锅炉自身的水循环性能.
此外,角管式热水锅炉还具有以下显著特点:
(1)锅炉密封性能好,散热损失少,热效率高;
(2)可以快速起动,快速供热,负荷调节能力强,热响应程度高;
(3)无最低负荷限制;
(4)粉尘发散少,锅炉房内无扬尘、飞灰,司炉工工作环境好.
3 角管式燃煤热水锅炉应对突然停电事故的措施
由于炉膛部分采取自然循环,当遇到突然停电时,炉排上还留有大量炽热的燃料,锅炉的自然通风能力使燃料仍在缓慢地燃烧,炉墙的蓄热也促使受热面承受相当高的热负荷,工质仍会吸收热量从而提升自身的热焓.这时,锅炉自身所具备的水容量必须满足此阶段的工质吸热量而不致汽化.以DHL70-1.6/130/70-AⅡ锅炉为例,自然循环部分的结构布置和水容量、供热压力为1.6 MPa时的工质参数［3-4］分别如表1和表2所示.
名称 直径/mm长度/m数量水容量/m3
锅筒1 20011 720118.00
边前后下降管 39810 62345.29
前下降管25911 08042.34
左侧水冷壁5212 143985.31
右侧水冷壁5212 143985.31
前水冷壁5214 5921245.26
后水冷壁5216 4391245.29
总计46.80
表2 供热压力为1.6 MPa时的工质参数
Tab.2
Working fluid parameters at hot water supply
pressure of 1.6 MPa
参数数值
工作温度为130 ℃时的焓值/(kJ•kg-1)547.3
饱和温度/℃204.0
饱和水焓/ (kJ•kg-1)871.8
饱和蒸汽焓/ (kJ•kg-1)2 793.8
炉膛出口水温/℃102.0
炉膛进口水温/℃70.0
炉膛平均水温/℃86.0
平均水焓/ (kJ•kg-1)362.0
汽化潜热/(kJ•kg-1)1 922.0
要使炉膛水冷壁46.80 m3的水全部加热为饱和水,需要的热量为2.386×107 kJ,Ⅱ类烟煤的低位发热值一般为18 000 kJ•kg-1,因此,需要1 656.9 kg的煤才能达到.如果由饱和水变成饱和蒸汽,则需要更多的煤.显然,仅凭停电时炉内残存的煤是不足以使锅水沸腾,锅炉也就处于安全状态.在锅炉压火、停炉期间,鼓风机低负荷运行,炉排调风门调至最小档,循环水泵断续运行,可以确保锅水温度保持正常状态,锅炉也不会存在安全问题.
因此,由于角管式锅炉中炉膛部分采取自然循环的运行方式,前、后、左、右水冷壁并联,与锅筒、下降管组成一个自然循环回路.突然停电时,炉膛水冷壁在锅筒的配合下仍可维持较弱的自然循环流动,因此,发生升温、汽化需要的时间相对其它炉型要长一些.
4 燃煤热水锅炉正常运行中汽化现象的防治
在集中供热地区,由于锅炉输出的热功率较大,如果热网需求量较小(特别是供热初期),热水得不到足够的冷却,使得回水温度高于设计规定值.随着循环的不断进行,锅炉回水温度将不断升高,最终导致锅水汽化.另外锅炉在点火升温时,应先使水在供热系统中流动,否则,也可能造成受热面中锅水发生汽化现象.这时,就需要加强司炉工的技能培训,需要强调热水锅炉的运行特点和操作规程.
热水锅炉在运行过程中的主要控制值为:锅炉出口热水温度加上20 ℃应低于出口压力下相应水的饱和温度.以100 t•h-1、1.6 MPa热水锅炉为例,运行控制值为:130 ℃+20 ℃=150 ℃＜204 ℃.停炉时,循环水泵不得立即关闭,直到锅炉出口水温降到50 ℃以下时循环水泵才能关闭.锅炉压火、停炉以后,应保证锅炉水温不回升.
在热水锅炉运行操作和管理中,认真执行操作规程,就可有效地防止压火、停炉时和正常运行中锅水发生汽化.
5 锅水汽化时采取的措施及方法
锅水汽化时可采取的措施及方法有:
(1) 停止给煤,关闭鼓风机、引风机、烟道挡板和灰门,降低锅炉自身的通风能力,减弱燃烧;
(2) 及时开启锅炉顶部的排汽阀,排出汽化生成的蒸汽,以防止锅炉和热水管道中可能产生的水击;
(3) 打开补水泵,向系统补水,以降低水温;
(4) 提高锅炉工作压力,以提高锅水的饱和温度,使锅炉运行参数处在安全状态;
(5) 当发生严重汽化时,应加快炉排的行进速度,尽快将燃烧中的煤排入渣口,或用湿炉灰压在燃煤上,使火熄灭,并对煤层或炉膛浇水,以免产生爆燃.同时马上打开紧急泄放阀,以排除锅内的蒸汽和饱和水.
6 结束语
燃煤热水锅炉运行中经常会遇到的问题是锅水汽化.角管式燃煤热水锅炉不仅具有节能减排的优点,而且可以最大程度避免汽化事故的发生,因此,广泛应用于北方地区取暖.如果在锅炉运行过程中,加强管理,严格监视锅水出口温度,保持供水温度与饱和温度之间的足够温差裕度,并保持锅炉工作压力稳定,锅炉就会达到安全运行的目的和要求.
参考文献:
［1］ 陈红娟,张贤凯.角管式锅炉煤种适应性研究［J］.能源研究与信息,2006,22(4):237-240.
