变压燃煤蓄热锅炉动态特性研究与产品开发

窗体顶端序号申请号专利名称185103521烧煤蓄热锅炉的控制方法291203451.3多功能蓄热锅炉3200310109487.9蓄热锅炉系统的供热量预测及控制方法变压燃煤蓄热锅炉动态特性研究与产品开发王权阙建华摘要：简要评述了蓄燕锅炉的发展，推导出l组变压蓄热计算套式，井结告实倒对变压蓄熟锅炉动态特性进行丁分析与计算，指出在我目研制开发韭压燃蝶蓄燕锅炉具有广闻的发展前景。1国内外发展状况变压蓄热锅炉是将变压和定压蓄热器与锅炉有机结台在一起的热力设备。它具有锅炉和蓄热器的双重功能。当用汽负荷低时，锅炉储蓄热量；当用汽负荷高时，它将储蓄热量释放出来满足高峰负荷需要。这种锅炉燃烧稳定，运行效率高，对外界负荷的适应性特别强，所以节约能源，减少荇染，易于实现自动控制。二十世纪5O年代初，英国煤炭应用研究会Ritchie博士发明了蓄热锅炉，在他指导上世界上第一台燃油蓄热锅炉于1955年9月投入运行JlL。1962年，日本奥巴尔机器公司开始制造燃油蓄热锅炉，当年就销售2O多台，主要面向中小企业口]。典型的现代蓄热锅炉是由英国Babcock有限公司生产的，也是燃油的口]。虽然他们设计蓄热锅炉主导思想都是将变压和定压蓄热器与锅炉有机地结合在一起，但是从搜集到出版资料来看，投人运行的燃油蓄热锅炉绝大多数是定压的。其主要原因是燃油锅炉能较方便地调节燃烧工况来适应一定范围的波动用汽负荷，所以没有注意挖掘锅炉变压过程中的潜热储存。国外对变压蓄热锅炉的内部过程和总体优化设计方案做的工作也比较少。国内对此项目的研究尚处于起动阶段，据悉日本蓄热器专家前田利春正与大连锅炉厂合作开发蓄热锅炉。蓄热锅炉绝大多数都是燃油的，燃煤的很少。然而，燃煤锅炉对外界负荷的适应性远比燃油锅炉差，文献[1]、[3]、[4]都指出燃煤蓄热锅炉节能率高，更有发展前途。我国工业锅炉以燃煤为主，特别是火床炉燃烧状态的调整有很大的滞后性，适应性更差。因此，对用汽负荷波动大的场台，燃煤锅炉自动控制系统如同虚设，负荷波动超过3O就不能正常工作。目前，我国经常出现用户用汽参数与锅炉参数不一致情况，而且负荷波动较大。在这种情况下采用变压蓄热锅炉是十分有利的。2变压蓄热与计算公式推导变压蓄热锅炉的蓄热量主要由以下4部分组成；(1)锅筒最高水位与最低水位之间的水容积所具有的储蓄热量；(2)锅炉内饱和水降压自蒸发所放出的热量；(3)与饱和水直接接触的金属因锅炉压降随温度下降而放出的热量}(4)锅炉内饱和蒸汽因降压而释放的热量。这种蓄热锅炉随着用汽负荷的变化，其工作压力和水位也在变化，但炉内燃烧工况保持不变。为了便于分析，我们假设在升降压过程中，烟气传给工质的总热量不变]。于是锅炉在变压运行过程中，烟气传热量和锅炉吸收或放出的热量与工质在一时间内维持物质和能量平衡。2．1锅炉内袖质平衡方程式D—D+(1)式中D——供汽量，kg／hD——给水量，kg／h△G——授限水位之间工质的变化量，k窟，水位升高(蓄热)为正，水位下降(放热)为负AG=Gh—G1G——最高水位时锅炉蒸发系统内的总水量，kgG——最低水位时锅炉蒸发系统内的总水量，kg丁——水位变动持续时间，rain2．2锅炉热平衡方程式Q。+一p(一i)+D(i一)(2)式中Q。——受热面有效吸热量，假定与设计工况时一样，kJ／hQ——在丁时闻内锅炉释放或增加的储蓄热量，kJ，放热为负，蓄热为正i、——分别为平均压力下饱和水和饱和蒸汽的比焙，kJ／kg，——给水的比焙，kJ／kg其中Q一Q+Q+QQ——丁时间内饱和水释放或增加的储蓄热量’kJQ——?1时问金属释放或增加的储蓄热量IkJQ——丁时间内饱和蒸汽释放或增加的储蓄热量，kJ2．3变压蓄热分析2．3．1饱和水蓄热量饱和水降压自蒸发特性及自蒸发量的计算，国内外已有深入研究，并将研究结果绘制成便于工程应用的线算图。根据线算图可查得饱和水单位蓄热量g，(kg蒸汽／m)，于是锅炉内饱和水的蓄热量为Q一g(一”)(3)式中——最高水位时锅炉内饱和水的容积，121232盎属蓄热量不稳定工况时，由于工质的饱和温度随压力的变化而变化，工质温度变化必将引起与之直接接触的金属温度变化，致使金属的储蓄热量也变化，其变化率为q一Gj,C警㈨式中G——参与蓄热的金属总质量，kgC——金属的比热；kJ／(kg·Dc)——温度随压力的变化率,~C／MPa——压力随时问的变化率，MPa／s当压力变化时，饱和水的温度跟着改变，而金属温度是逐渐趋近于饱和温度的。从理论上讲，金属只有在无限长的时问中才能达到新的饱和温度，但实验结果表明，在相当短的时间内，工质和金属间就交换了储蓄热的75~80]。因此，可以认为金属的温度变化值就等于压力变化时工质的温差。若忽略金属比热随温度的变化，金属蓄热量的积分式为G·CAt(5)式中——工质初、终压时的饱和温度差，。C由于工程上计算饱和水蓄热量时常采用维普资讯·l6·动力工程第17卷单位体积降压自蒸发量来表示，为使公式(5)与式(3)具有相同的形式，将式(5)变形为Q一))式中V—m——分别为金属的体积(m)和密度(kg／m)夸则式(5a)变为Q一·V(一)(6)我们称g为单位金属蓄热量，kg蒸汽／m。其物理意义是锅炉蒸发受热面系统金属在某一初压和压降(或压升)下的蓄热能力，即单位体积(1m。)金属在该压降下释放的热量为平均压力下的饱和水吸收所产生的蒸汽量。为了方便和简化工程计算，作者对2．5～0．35MPa压力范围内的金属平均蓄热量进行了计算，并将其结果绘制成线算图，如图1所示图1金属番热量墁算圉2．3．3蒸汽的蓄热量当压力变化时，锅炉汽空间的饱和蒸汽也要释放或储蓄热量，其蓄热量变化率为假设压力变化时与之相对应的饱和蒸汽比焙也随之瞬变，则蒸汽空间的蓄热量积分式为Q一Iq打一G·A／(8)式中G——初压时饱和蒸汽的质量’kg——初、终压两状态饱和蒸汽的焙差，kJ／kg将式(8)按式(3)形式整理得Q一)(sa)夸一式中——锅炉内蒸汽空间的容积，m——初压时蒸汽的密度，kg／m。踟——单位饱和蒸汽的蓄热量，kg(蒸汽)／m于是式(8a)变为Q一g-s·V(一i)(9)作者对2．5～O．35MPa范围内的饱和蒸汽单位蓄热量铀进行计算，并与相同条件下(初压、压降相同)的单位金属蓄热量g比较。计算结果表明，在此压力范围内，单位蒸汽蓄热量还不到单位金属蓄热量的0．5。因此，在变压蓄热锅炉适合工作的低压范围内，可以忽略该部分蓄热量。于是式(2)可简化为联立方程(1)和(1o)便可求解变压蓄热锅炉的供汽量、给水量和相应的持续时间。计算方法如下：便可求得最大供汽量及其所能持续的时间。⑥当给定供汽量D时，．由式(1)和(1O)可得便可求得蓄热锅炉在最大供汽量范围以内，任何供汽量所需的缩水量及所能持续的时间。3产品开发及动态特性分析工业企业用汽负荷都是波动的，特别是造纸、纺织、印染、食品、医药、橡胶、化纤、化工等行业。因生产工艺需要，有时用汽量大，有时用汽量小，因此，锅炉时而猛烧，时而压火，导致锅炉运行效率很低，有时还不能满足生产需要1982年以后，我国推广应用了几百台蒸汽蓄热器0，但因蓄热器投资和占地面积大，推广较慢。蓄热锅炉既能满足波动用汽负荷的需求，又能省去专门设置蓄热器的大量投资，还能减少锅炉房的装机容量。初步估算，在用汽负荷波动的企业，4t／h变压蓄热锅炉可以代替常规的6t／h锅炉，而4t／h蓄热锅炉的投资可比6t／h常规锅炉减少3O以上，锅炉运行效率可提高4～8左右。根据上海市节能办公室的调查，全市有7000多台工业锅炉，其中1～6t／h锅炉占锅炉总台数的6O以上。蓄热锅炉最适用于中小企业，其容量范围一般为1～10t／h，采用快装形式。现以我们初步开发设计的DZL4一1．25一A1变压燃煤蓄热锅炉为例，进行动态运行特性分析及计算。3．1DZL'4—1．25-AⅡ型变压燃煤蓄热锅炉简介以常规的DZL4—1．25一A1锅炉为基础，改型设计成4t／h变压蓄热锅炉。其方案是：设计参数仍1．25MPa额定蒸发量为4t／h，变压范围为1．25～0．4MPa。锅筒由~1500增大到~1800，长度增加600mm，将拱形管板改为椭球型管板。锅筒内螺纹烟管加长而根数不变，去掉省煤器，采用强化传热铸铁空气预热器。3．2锅炉动态运行特性分析根据以上推导出来的二组联立方程和热力计算有关数据与公式，对该炉进行动态计算。3．2．1锅炉供汽量、给水量和持续时间锅炉最高、最低水位差500mm，水冷壁管内饱和水按50计算，并计人蒸发系统中与饱和水相接触的金属蓄热量。计算结果见表1和图2由表1可知该炉最大供汽量为7．O2t／h，此时停止给水。锅炉按设计工况稳定燃烧，烟气传给工质的有效热量完全用于饱和水的蒸发，其蒸发量为5．3t／h。因为计算公式中已考虑蒸发系统中饱和水降压自蒸发和金属降压放热而蒸发的饱和水，所以不进水时最大蒸发量为7．02t／h，持续30min后水位和压力由最高障到最低，当锅炉放热达到最低水位和最低压力时，要使供汽量为0，应将给水量增加到9．43t／h。在22min内锅炉水位和压力，由最低升到最高。锅炉燃烧的有效热量都储存在饱和水和蒸发受热面金属之中。以上分析的是2种极端情况，中I可运行倪明；局锅炉设计参敦为P-二1．25MPa(表压)、给水韫厦为I一20C-而供汽参敦为P0．4MPB，所以供4t／h时-培术t为4．06t／h，3478min(58h)后．fj炉由量低水位上升到量高木位．状态见图2中了1一，(D)曲线。左支曲线表示．减少，锅炉运行效率提高。蓄热过程，水位和压力都不断升高}右支曲线变压蓄热锅炉的运行效率，可按各压力表示放热过程，水位和压力都不断下降。可下锅炉效率与对应压力运行时间的加权平均见，变压蓄热锅炉既利用锅筒大水容积的水计算。其实质是各压力下效率对时间的积分位变化蓄热或放热，又利用蒸发系统饱和水平均。计算步骤如下：和金属升压蓄热降压放热的特性，增大了锅(1)计算各压力下锅炉的热效率，得出炉整体的蓄热量，比定压蓄热锅炉有更大的热效率与压力的关系曲线v=f(p)；平衡波动用汽负荷的能力。(2)根据用汽负荷得出压力随时间的变3、2．2锅炉变压运行热效率化曲线—f(r)；蓄热锅炉为平衡波动用汽负荷，给水量和运行压力都是变化的，然而妒内燃烧工况是稳定的，可以认为燃烧效率不变，即q。⋯qqs、q不变。当锅炉降压时，工质饱和温度也随之下降，金属管壁因释放蓄热迅速而很快使其壁温接近工质饱和温度，从而使传热温差增大，受热面吸热量增加。因送^妒内的热量是一定的，这样便使排烟温度降低，q。损失(3)求一个运行周期时间了1。内的平均热效率一l碉r。0Ju作者对开发设计的DZL4—1．25一AI变压蓄热锅炉进行了计算，其结果见图3、图4、图5。图5中锅炉效率随压力变化的曲线是按最高压力降至最低压力的放热过程计算数据绘制的。它表示运行的蓄热锅炉压力降低则圈4锅炉受热面嗳热量融压力变化曲线效率提高，到最低压力时效率最高。因为变压蓄热锅炉是按最高压力设计的，所以，锅炉由最低压力升到最高压力的蓄热过程中，受热面传热温差逐渐减少，则锅炉效率不断降低，到达最高压力(即设计压力)最高水位时，锅炉效率最低，其值等于设计效率。实际上从理论上讲，蓄热锅炉在变压运行中，在相同压力时，锅炉运行效率升压(蓄热)过程比降压(放热)过程略要高一些。这是因为升压(蓄热)过程工质平均温度低于饱和温度，即比相同压图5锅炉效率疆压力变化曲线力时降压(放热)过程的低。若忽略升降压过程这细微的差别，则图5中的曲线既适用于降压过程也适用于升压过程。也就是说，变压蓄热锅炉不管蓄热过程还是放热过程，运行效率都高于设计效率。由图可知，我们开发设计的DZL4—1．25一AⅡ变压蓄热锅炉，按匀速升降压算，运行效率可比设计效率提高0．8左右。4结语(1)利用本文推导出的一系列变压蓄热计算公式，可以确定变压蓄热锅炉运行过程中某一供汽量下的相应给水量和持续时间。(2)计算结果表明，在适用于变压蓄热锅炉的较低压力范围内，锅炉内饱和蒸