低溫余熱電站余熱鍋爐受熱面?zhèn)鳠峒安贾脤?duì)發(fā)電能力的影響

  一、前言
  低溫余熱發(fā)電站的熱力設(shè)備主要由余熱鍋爐和汽輪機(jī)組成。鍋爐吸收低溫廢氣中的熱量加熱水并使其轉(zhuǎn)化為一定壓力、溫度的蒸汽,然后引入汽輪機(jī)將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
 
  要提高余熱電站的發(fā)電能力不外乎有兩個(gè)途徑:
  1.提高余熱利用率即鍋爐盡可能吸收工藝尾氣中的余熱,增大蒸汽出力;
 
      2.提高熱力系統(tǒng)循化效率。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算及實(shí)踐驗(yàn)證,提高循環(huán)熱效率的措施有如下三點(diǎn):
 ?。?)提高汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度即提高鍋爐出口蒸汽溫度;
  (2)提高汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力即提高鍋爐出口蒸汽壓力;
 ?。?) 降低汽輪機(jī)排壓力。
 
  從上述措施可以看出,除降低汽輪機(jī)排壓力外,其余全部與鍋爐有關(guān)。由于進(jìn)一步降低汽輪機(jī)排壓力技術(shù)難度較大,提高余熱電站的發(fā)電能力必須要在廢氣參數(shù)已定的前提下,將鍋爐設(shè)計(jì)成產(chǎn)汽量最大、蒸汽品質(zhì)最高。
 
  二、余熱鍋爐的傳熱學(xué)基礎(chǔ)
  一臺(tái)鍋爐的大小及幾何形狀不僅取決于它所需傳遞熱量的多少,而且決定與他單位面積熱量的傳遞和吸收率。
 
  由于溫度的不同而引起物體間或物體內(nèi)部之間熱量傳遞過(guò)程叫熱交換。大多數(shù)教科書(shū)上都提到三種傳熱方式:對(duì)流、導(dǎo)熱和輻射。這三種傳熱方式包括了許多物理領(lǐng)域,諸如力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)和電學(xué)。
 
  一個(gè)傳熱過(guò)程中通常同時(shí)發(fā)生一種以上的上述傳熱方式。
  1. 對(duì)流
  流體流過(guò)壁面時(shí)同壁面之間產(chǎn)生的熱量交換稱為對(duì)流換熱或?qū)α鱾鳠帷?duì)流傳熱在鍋爐中應(yīng)用十分廣泛,對(duì)流換熱時(shí)流體與壁面之間的熱交換公式如下:
 
  q=αк(t-tb)
  q——單位面積在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)對(duì)流傳遞的熱量, w/m2
  αк——對(duì)流放熱系數(shù),w/(m2·K)
  t——流體溫度,℃
  tb——壁面溫度,℃
  由上式可知,對(duì)流換熱熱量和對(duì)流換熱系數(shù)和流體與壁面的溫差成正比。
 
  對(duì)流換熱系數(shù)是表明換熱過(guò)程強(qiáng)弱的物理量,影響的因素較多,它與流體的質(zhì)量流速、密度、比熱容、粘度、熱導(dǎo)率等因素有關(guān),其中質(zhì)量流速是最主要的因素。
 
  2. 導(dǎo)熱
  導(dǎo)熱是指直接接觸的物體各部分間的熱交換過(guò)程。它可以表示為:
  
  q——單位面積在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的熱量,又稱為熱流密度, w/m2
  λ——導(dǎo)熱系數(shù),w/(m·K)
  t1、t2——壁面兩側(cè)的溫度,℃
  δ——壁面厚度,m
  公式表明熱流密度與溫差成正比,壁面厚度成反比,比例系數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù),它與材料種類有關(guān)。
 
  3. 輻射
  輻射傳熱是一種電磁過(guò)程,是通過(guò)電磁波的形式傳播熱量的,其傳播速度與光速一樣。當(dāng)射到某一物體上時(shí),它具有反射、穿透、吸收的特性,被物體吸收的部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。物體的輻射能力取決于它的熱力學(xué)溫度,其規(guī)律為:
 
  E=σT4
  E——輻射熱流密度, 其含義為單位面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射的熱量,w/m2
  σ——黑體輻射總能量的斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù),其值為5.67 w/(m·K4)
  T——物體表面的絕對(duì)溫度,K
 
  在鍋爐中,煙氣和受熱面都向外輻射熱量,兩者輻射熱量的差額即為受熱面的輻射吸熱量,表示為:
  q=σm(T14- T24)
  q——單位面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射吸熱量, w/m2
  σm——煙氣及受熱面折算輻射常數(shù),w/(m·K4)
  T1、T2——煙氣及受熱面溫度,K
 
  三、傳熱過(guò)程
  在工程技術(shù)中,把熱量從熱流體通過(guò)固體壁面?zhèn)鹘o冷流體的過(guò)程稱為傳熱過(guò)程,這種傳熱過(guò)程只通過(guò)一種換熱方式是實(shí)現(xiàn)不了的,常是三種換熱方式的綜合。余熱鍋爐的所有受熱面均是屬于這種傳熱過(guò)程,都是管子外壁受煙氣的沖刷,熱量通過(guò)管子內(nèi)壁傳給管內(nèi)的工質(zhì)。整個(gè)傳熱過(guò)程可以描述為:
 
  Q=K×H×△t
  Q——傳熱量, J
  H——受熱面積,m2
  K——傳熱系數(shù),w/(m2·K),
  △t——溫壓,℃
 
  1. 傳熱系數(shù)
  在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中,受熱面管子外表面會(huì)出現(xiàn)積灰,內(nèi)表面可能會(huì)出現(xiàn)氧化層、垢等情況,受熱面管子內(nèi)外側(cè)都增加了額外熱阻,降低了傳熱效果。

  應(yīng)用歐姆定律來(lái)比擬,熱流等于溫差除以熱阻。歐姆定律中的電阻就是傳熱系數(shù)的倒數(shù)。所以流體與流體間的傳熱系數(shù)可以表示為:
     
  α1——煙氣對(duì)管壁的放熱系數(shù);
  α2——管壁對(duì)管內(nèi)介質(zhì)的放熱系數(shù);
 
  
  灰污層熱阻,稱為沾污系數(shù),
  δз、λэ分別為管子外表面結(jié)灰層的厚度及導(dǎo)熱系數(shù);
  δм、λм ̄ ̄ ̄ ̄管子金屬的壁厚及導(dǎo)熱系數(shù);
  δво、λво ̄ ̄ ̄ ̄管子內(nèi)表面結(jié)垢層的厚度及導(dǎo)熱系數(shù);

  在一般鍋爐受熱面中,煙氣側(cè)的熱阻大大超過(guò)管壁金屬的熱阻,所以管壁金屬的熱阻可以忽略不計(jì)()。
  在鍋爐正常運(yùn)行情況下,內(nèi)部沉積不應(yīng)引起管子熱阻嚴(yán)重增大,因此管子內(nèi)壁積垢層的熱阻也可以忽略不計(jì)()。

  受熱面管子的傳熱系數(shù)可簡(jiǎn)化為:
  
  α1=ξ(αк+αл)
  ξ——利用系數(shù),考慮煙氣沖刷受熱面的均勻度
  αк、αл——分別為煙氣對(duì)管壁的對(duì)流放熱系數(shù)和輻射放熱系數(shù)
 
  對(duì)水泥窯余熱鍋爐,由于煙氣溫度較低,而受熱面管子布置較為密集,基本可以忽略輻射傳熱,即αл=0。當(dāng)計(jì)算管內(nèi)工質(zhì)為水,以及熱強(qiáng)度較小、管內(nèi)工質(zhì)為汽水混合物受熱面時(shí),因?yàn)?IMG src="http://ccement.com/web/UploadFile/2009715114436652.jpg" border=0>管子內(nèi)側(cè)的熱阻可以忽略不計(jì)。具體到水泥窯余熱鍋爐的蒸發(fā)器、省煤器、熱水器的傳熱系:
 
 
  從上面公式可以看出,要提高傳熱系數(shù),有兩條途徑:
  一是提高對(duì)流換熱系數(shù),對(duì)一臺(tái)特定的鍋爐而言,煙氣成分及工質(zhì)已確定,可以通過(guò)提高流體沖刷受熱面的速度來(lái)提高對(duì)流換熱系數(shù),但煙氣速度受限于受熱面布置形式等結(jié)構(gòu)因素以及由此而加重受熱面磨損和煙氣阻力增大后果,所以煙氣速度的選取原則不是最大,而是綜合設(shè)備結(jié)構(gòu)、煙氣阻力等因素的一個(gè)合理選擇。
 
  二是降低沾污系數(shù)也即減小受熱面管子外壁的積灰厚度,通過(guò)采用合理的結(jié)構(gòu)形式以及通過(guò)清灰裝置進(jìn)行清灰,可有效減少受熱面積灰。但對(duì)于結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)行模式一定的鍋爐而言,受熱面的積灰一般來(lái)講是隨時(shí)間推移而加劇的。對(duì)于水泥窯余熱鍋AQC爐,由于廢氣中含塵量較小,受熱面均采用錯(cuò)列布置的螺旋翅片管,未設(shè)清灰裝置;SP爐由于廢氣中含塵量較大,受熱面均采用順列布置的光管,設(shè)振打清灰裝置。由于這些特點(diǎn),可以肯定水泥窯余熱鍋AQC爐、SP爐受熱面總體傳熱系數(shù)是比較低的,并且隨著運(yùn)行時(shí)間的推移,熱面的沾污將越來(lái)越嚴(yán)重,也即是說(shuō),鍋爐總體傳熱系數(shù)將受越來(lái)越低。
 
  2.溫壓
  煙氣與介質(zhì)間只有有了溫差才會(huì)產(chǎn)生熱流。對(duì)數(shù)平均溫壓表示在兩種流體之間的有效的溫差。它取決于兩種流體經(jīng)受熱面時(shí)的相對(duì)流動(dòng)方向,即兩種流體是相互逆流、順流、還是交叉流,對(duì)數(shù)平均溫壓按下式計(jì)算:
  
 
  △t1——最大溫差,℃         △t2——最小溫差,℃

  從能量獲取的角度講,當(dāng)鍋爐廢氣進(jìn)口溫度和鍋爐蒸汽參數(shù)一定的狀況下,為了盡可能的吸收煙氣中的熱量,盡量多的產(chǎn)生蒸汽,蒸發(fā)過(guò)程的末端廢氣溫度越低越好,也即是說(shuō)溫差窄點(diǎn)越小越好,由傳熱學(xué)的基本原理,我們知道,廢氣溫度始終會(huì)高于管內(nèi)工質(zhì)溫度,即溫差窄點(diǎn)始終大于0℃。說(shuō)明鍋爐的排煙溫度與工質(zhì)飽和溫度高低成正比,而鍋爐蒸發(fā)量與蒸汽參數(shù)成反比。這樣就出一個(gè)矛盾,一方面,我們因?yàn)樘岣邿嵫h(huán)效率而需要提高蒸汽壓力、溫度參數(shù),同時(shí)又希望盡量多利用廢氣余熱,降低廢氣排放溫度。這就必須采用分段吸熱的方式,即采用不同的工質(zhì)壓力運(yùn)行,形成不同的溫差窄點(diǎn)。
 
  3.傳熱面積
  在水泥窯余熱爐中全是對(duì)流受熱面,傳熱面積是指受熱面管子的外表面積和擴(kuò)展受熱面的面積。
 
  受熱面的不僅要滿足傳熱的需要,它對(duì)鍋爐整體結(jié)構(gòu)起決定性的影響。受熱面布置形式要全面平衡受熱面管子的規(guī)格、煙氣沖刷方式、煙氣充滿度、煙氣流速、煙氣阻力、受熱面磨損、汽、水流速、水循環(huán)的安全性等傳熱性能因素,更要滿足現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地地理?xiàng)l件(大小、防震等)和氣象條件(海拔、極端氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、雪載等)結(jié)構(gòu)安全因素。才能設(shè)計(jì)一臺(tái)運(yùn)行安全、性能優(yōu)異的鍋爐。
 
  四.水泥窯余熱爐受熱面布置對(duì)發(fā)電量的影響
  通過(guò)上面的分析,我們知道對(duì)一特定的水泥余熱發(fā)電電站,要提高發(fā)電量,就要提高汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù),提高系統(tǒng)熱效率;并且在最大限度的利用廢氣余熱產(chǎn)生最大量的高參數(shù)蒸汽同時(shí),工質(zhì)壓力分段運(yùn)行,吸取低溫段廢氣熱量,提高余熱鍋爐熱利用效率。同時(shí)在水泥窯余熱爐設(shè)計(jì)中要考慮到,由于水泥窯工藝系統(tǒng)波動(dòng)引起的廢氣入爐參數(shù)的波動(dòng),我們要做到當(dāng)廢氣入爐參數(shù)高于設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí),鍋爐也能將高出設(shè)計(jì)值的廢氣熱量吸收,產(chǎn)生更大量的蒸汽,提高波峰發(fā)電量,從而提高電站系統(tǒng)總發(fā)電量。
另外,我們要充分注意到水泥窯廢氣的特性,以及受熱面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。可以預(yù)計(jì),隨著鍋爐運(yùn)行時(shí)間的推移,熱面的沾污越來(lái)越嚴(yán)重,傳熱系數(shù)越來(lái)越低。還要預(yù)計(jì)水泥窯生產(chǎn)線產(chǎn)量波動(dòng)而引起廢氣參數(shù)高于設(shè)計(jì)值時(shí),溫差窄點(diǎn)也應(yīng)較小。故在設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)傳熱系數(shù)K和溫差△t數(shù)值都應(yīng)有所保留。由傳熱方程式Q=K×H×△t,為保證鍋爐蒸發(fā)量較大,唯一的措施就是布置足夠大受熱面面積。
 
  受熱面只是傳熱部件,一臺(tái)鍋爐還有大量的鋼結(jié)構(gòu)以及其它附件。增大受熱面面積,就意味著不僅鍋爐受熱面金屬耗量增加,同時(shí)鍋爐外形尺寸也會(huì)有所變大,鋼結(jié)構(gòu)重量也會(huì)加大,按一般統(tǒng)計(jì),水泥窯余熱鍋爐內(nèi)換熱管子等受壓換熱件一般大于53%,其它梁、柱、樓梯、平臺(tái)等非換熱受壓件不大于47%。如果鍋爐重量太輕,意味著鍋爐受熱面面積不夠,電站實(shí)際發(fā)電能力不能達(dá)到平均設(shè)計(jì)發(fā)電能力的,運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng),越明顯。有關(guān)單位對(duì)目前已運(yùn)行的水泥窯余熱發(fā)電站進(jìn)行了一次調(diào)查也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。筆者將它們的部分5000t/d~6000t/h 水泥窯余熱發(fā)電站的運(yùn)行調(diào)研結(jié)果:余熱鍋爐鋼材重量等有關(guān)參數(shù)與發(fā)電量的關(guān)系并列在附表1中,大家可以非常明顯地看到其中的差異。
 
  增大水泥窯余熱鍋爐受熱面面積,鍋爐鋼材耗量增加,鍋爐制造及建設(shè)成本增加,導(dǎo)致水泥窯余熱發(fā)電站總投資加大。但是,我們更應(yīng)看到,鍋爐設(shè)備投資只是一次性投資,余熱發(fā)電是沒(méi)有燃料成本的,它的發(fā)電成本較低,發(fā)電受益是長(zhǎng)效的,只要生產(chǎn)線運(yùn)行就有收益。我們從附表中選擇同于2008年下半年投運(yùn)的兩個(gè)電站,對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出,同在單條生產(chǎn)線熟料產(chǎn)量在5500t/d~5800t/h狀況下,所配置鍋爐的鋼材重量分別為820噸和1360噸,鍋爐重量增加540噸,鍋爐系統(tǒng)投資增加不超過(guò)800萬(wàn)。日供電量(即上網(wǎng)電量)分別為14.45~15.25萬(wàn)度和19.72~24.72萬(wàn)度,日上網(wǎng)電量提高按最少值算為5.27萬(wàn)度,以保守上網(wǎng)電價(jià)0.3元/度計(jì),日增加發(fā)電收入1.58萬(wàn)元,最長(zhǎng)500天即可收回投資。
                                      附表1.doc

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