專利名稱：角管式鍋爐旗式對流受熱面復合等流速設計方法
技術領域：
本發明屬于熱能工程應用技術領域，涉及一種角管式鍋爐旗式對流受熱面復合等流速設計方法。
背景技術：
角管式鍋爐具有自支撐，水循環好，耗鋼量小等突出的結構優勢和整體節能優勢，如圖1所示。圖中所示的標號為1、爐排；2、前拱；3、爐膛；4、鍋筒；5、凝渣管束；6、轉向室；7、第一級旗式受熱面；8、中間分割屏；9、尾部豎井后墻；10、第二級旗式受熱面；11、后拱；12、第三級旗式受熱面。角管式鍋爐整體結構為“∏形”布置，左側為爐膛，右側為尾部豎井，以中間分割屏8作為爐膛和尾部豎井的分界面。因為角管式鍋爐爐膛輻射受熱面采用全膜式水冷壁結構，爐膛出口煙氣溫度低，尾部豎井旗式對流受熱面一般采用三級或四級布置，溫度下降梯度大。常規角管式鍋爐方案設計時，因為膜式水冷壁裝配、制造工藝復雜，對流豎井橫截面積一般保持不變，由本發明說明書中的公式(1)可知，煙氣流速和溫度成正比，隨著煙氣溫度的下降，各級受熱面煙氣流速依次下降，末級旗式受熱面的煙氣流速經常低于5m/s，某些設計欠佳的鍋爐甚至低于4.7m/s。長期以來，煙氣流速過低，受熱面傳熱系數大大下降，影響鍋爐的有效出力；而且，煙氣流速過低，造成旗式受熱面出現嚴重的飛灰沉積，特別是角管式熱水鍋爐，受熱面水溫低，管壁金屬溫度低，尤其是硫酸蒸汽結露冷凝后，低溫粘積灰積結得更為嚴重。一些鍋爐每天需進行吹灰操作，長時間不吹灰可能造成煙氣悶塞，引風機負荷增加，鍋爐運行維護工作量大，吹灰操作浪費能源，嚴重影響角管式鍋爐的安全運行。
長期以來，角管式鍋爐旗式對流受熱面煙氣流速偏低的現象一直沒有得到有效地解決。近幾年，研究人員提出了一些提高旗式對流受熱面煙氣流速，改善飛灰沉積和對解決流通道運行時悶塞狀況的措施，這些措施在實施以后都未獲得比較理想的效果，關鍵的問題在于研究人員只是簡單地采用單一措施，很難收到實效；還有，采用變截面方法后，角管式鍋爐的對流豎井后墻膜式壁或中間分割屏就會出現彎管段，而且，鍋爐容量增大到29MW(40t/h)以后，無論是后墻還是分割屏都需要分拆成2～3塊小屏整裝出廠，彎管段現場對接裝配的施工難度大，增加了膜式壁裝配、制造工藝的復雜性，很難兩全其美，已有的改進技術有兩種方案，如圖2和圖3所示(1)采用后墻一次轉彎的變截面設計。如圖2所示。將尾部豎井進入第三級旗式對流受熱面之前的后墻膜式壁向內折轉形成彎管段，減小第三級旗式管束長度和流通面積，第一級受熱面因煙氣溫度高，煙氣流速可達9m/s以上，第三級受熱面因煙氣流通面積小，煙氣流速可達8m/s以上；而第二級受熱面流通面積未變，煙氣流速達只在6m/s以上，第二級煙氣流速偏低；(2)采用后墻二次轉彎的變截面設計。如圖3所示，為避免(1)出現的第二級煙氣流速偏低的現象，將尾部豎井進入第二、第三級旗式對流受熱面之前的后墻膜式壁依次向內折轉形成兩個彎管段，分別根據等流速設計理念減小第二和第三級旗式管束長度和流通面積，可以實現三級旗式受熱面的等流速設計，各級煙氣流速均可達到8m/s以上。但是，尾部豎井的后墻膜式壁本來由中間一個直管段管屏和兩端的兩個彎管段組成，而改進設計后，后墻膜式壁將由中間三個直管段管屏，中間的兩個彎管段管屏和兩端兩個彎管段組成，焊接和裝配工藝異常復雜，從未在生產中使用過。
和以上(1)、(2)類似的技術方案是將爐膛和尾部豎井之間的分割屏(圖1，序號8)向后折轉一次或二次形成彎管段，其對流速的提升效果和引起的問題和(1)、(2)方案相同。
發明內容
本發明的目的在于提供一種角管式鍋爐旗式對流受熱面復合等流速設計的方法，采用改變各級受熱面的管徑，優化各級受熱面傳熱溫壓和傳熱面積，改變末級受熱面的流通面積等三種復合設計方法實現角管式鍋爐旗式對流受熱面的等流速高效傳熱，有效防止飛灰在受熱面上的沉積堵塞。
為了實現上述任務，本發明采取如下的技術解決方案一種角管式鍋爐旗式對流受熱面復合等流速設計方法，其特征在于，該方法包括下列步驟改變角管式鍋爐的三級旗式對流受熱面的管束直徑，使第一級旗式受熱面管束直徑小于第二級旗式受熱面管束直徑，而第二級旗式受熱面管束直徑和第三級旗式對流受熱面管束直徑相同；優化各級受熱面傳熱溫壓、傳熱面積及其傳熱量，提高第二級對流受熱面的煙氣平均溫度；直接減小第三級旗式受熱面管束的長度和流通面積來提高煙氣流速；使第一級旗式對流受熱面煙氣流速大于9.6m/s；第二級旗式對流受熱面煙氣流速大于8.0m/s；第三級旗式對流受熱面煙氣流速大于8.0m/s。
本發明的方法，在設計或改進時，不改變尾部豎井煙道四周膜式壁的結構形狀和尺寸，不改變尾部豎井煙道四周膜式壁的常規制造工藝。
本發明提出的技術方案，即可應用于新產品的結構設計，又可以應用于在役工業和生活鍋爐的節能改造，其改造成本低。該發明提出的技術原理除應用于角管式鍋爐，也適應于所有的水管鍋爐。該發明技術的推廣應用可以顯著提高受熱面的傳熱系數，減少鍋爐的原材料消耗，能有效提高現役運行鍋爐的出力。更為重要的是，復合等流速設計能有效防止飛灰在受熱面上的嚴重沉積，省卻頻繁吹灰帶來的高額附加費用，確保鍋爐的安全經濟運行，而且復合等流速設計理念不以復雜的造工藝為代價，是值得推廣的設計技術理念。
圖1是角管式鍋爐全圖；圖2是尾部豎井后墻一次轉彎結構圖；圖3是尾部豎井后墻二次轉彎結構圖；
圖4是復合等速流設計方法說明圖，其中(b)是(a)的A-A剖面圖；圖中所示的標號為41、后拱；42、中間分割屏；43、凝渣管束；44、尾部豎井的后墻；45、第一級旗式對流受熱面；46、第二級旗式對流受熱面；47、第三級旗式對流受熱面；48、煙道分割板；49、側墻膜式壁；50、后墻豎水管，51、扁鋼；52、旗式水管管束。
圖5尾部多級受熱面布置時溫度節點確定與熱量分配圖其中θ4、θ3和θ2分別是三級旗式對流受熱面的進口煙溫；θ3、θ2和θ1分別是三級旗式對流受熱面的出口煙溫；θPY是指最尾部空氣預熱器出口的排煙溫度；t3、t2和t1別是三級旗式對流受熱面的進口水溫；t4、t3和t2分別是三級旗式對流受熱面的出口水溫；tk0和tk1分別指最尾部空氣預熱器空氣的進口和出口溫度；以下結合附圖和采用本方法得到的精細結構和計算結果對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
本發明的角管式鍋爐旗式對流受熱面復合等流速設計方法，采用改變各級旗式對流受熱面水管直徑，改變各級旗式對流受熱面傳熱溫壓和優化傳熱面積，改變末級旗式對流受熱面管束長度和流通面積的復合等流速設計方法，實現旗式對流受熱面熱工性能的優化設計，使煙溫不同的三級受熱面獲得平均流速達到8m/s以上的等流速理想工況。更為重要的是，本發明在優化熱工性能的同時，不以復雜的膜式壁受熱面的焊接和管屏彎制工藝為代價。復合等流速設計方法，可有效地提高煙氣流速，減少飛灰沉積；增大傳熱系數，減小金屬耗量，實現原材料和運行維護的雙重節能。
采用本發明的方法設計或改進時，不改變尾部豎井煙道四周膜式壁的結構形狀和尺寸，不改變尾部豎井煙道四周膜式壁的常規制造工藝。
圖4是復合等速流設計方法說明圖，其中(b)是(a)的A-A剖面圖；圖中所示的標號為41、后拱；42、中間分割屏；43、凝渣管束；44、尾部豎井的后墻；45、第一級旗式對流受熱面；46、第二級旗式對流受熱面；47、第三級旗式對流受熱面；48、煙道分割板；49、側墻膜式壁；50、后墻水管，51、扁鋼；52、旗式水管管束。
直接減小第三級旗式對流受熱面管束長度實現煙氣流速的增加，應該指出的是本發明減小管束長度不是采用改變尾部豎井周邊受熱面結構形狀的方式來實現，而是采用煙道分割板(圖4中序號48)減小煙道深度來實現的；鑒于第三級旗式對流受熱面煙氣入口溫度小于350℃，因此，采用煙道分割板48只要選用低碳鋼鋼板噴涂防低溫腐蝕的搪瓷或陶瓷就可以保證足夠的使用壽命。
尾部豎井旗式對流受熱面的四壁包墻均為膜式壁受熱面，如圖(a)所示，尾部豎井由中間分割屏42(分割爐膛輻射和尾部對流受熱面)和后墻膜式壁44以及兩側的側墻膜式壁49組成。A-A剖面圖示出了尾部豎井后墻44及側墻膜式壁49的結構形式，后墻膜式壁由后墻水管50和扁鋼51采用埋弧自動焊或氣體保護焊方法成排焊接，旗式受熱面水管52的管徑因需要在后墻豎水管44上開孔而小于后墻水管50，旗式受熱面水管52的直徑為φ32～φ42左右mm；后墻水管50的直徑一般為φ51～φ63.5mm。實際上，按照膜式壁受熱面的結構，旗式對流受熱面管束的橫向節距S1是由后墻豎水管的橫向節距確定的，旗式受熱面水管之間的空隙S2就是煙氣流通的通道。根據鍋爐原理的知識，可以按以下公式來計算旗式旗式對流受熱面的煙氣流速如下Wy=BjVy3600F(273+θpj273)m/s---(1)]]>公式(1)給出了一個簡單事實，即，煙氣流速Wy決定于計算燃料消耗量Bj，單位時間煙氣流量Vy，煙氣流通面積F，平均煙氣溫度θpj。正常工況下，即鍋爐在額定蒸發量或額定供熱量條件下燃用確定燃料，在相近的燃燒條件和漏風情況下，其燃料消耗量和燃料燃燒生成的煙氣體積是一個確定的數值；因此，煙氣流速只和兩個變量有關系，即煙氣流通面積F，煙氣平均溫度θpj。
(1)煙氣流通面積F煙氣流通面積是一個幾何參數，按照圖4的A-A剖視圖，煙氣流速可以由以下三個相互重組的幾何公式計算獲得F＝a×b-(X+1)×d2×b (2)F＝[a-(X+1)×d2]×b (3)F＝[(X+2)×S2]×b (4)公式(2)中F等于尾部豎井橫截面積和旗式管束橫截面面積之差。
公式(3)中F是公式(1)提取公因子b后的變換公式。
公式(4)中F是旗式管束間隙和旗式管長度之積。
由公式(2)、(3)、(4)可以看出增大旗式管束直徑d2，減小旗式管束間隙S2，減小旗式管束長度b可以減小煙氣流通面積，提高煙氣流速。
選取較小管徑作第一級旗式管束，增大第二級和第三級旗式受熱面管徑，如第一級旗式受熱面管束直徑d2為φ32、φ38、φ42或φ45，則第二級和第三級水管直徑分別對應為φ38、φ42，φ45或φ48。
因為，第一級旗式受熱面45煙氣溫度比較高，煙氣流速大，取小管徑有利于降低第一級旗式管束的煙氣流速，但第二級旗式受熱面46和第三級旗式受熱面47煙氣溫度下降較大，應維持較大的旗式受熱面管徑。
第三級旗式受熱47面因為平均煙溫下降，單純依靠增大管徑難以有效提高煙氣流速，因此，必須減小旗式管束長度b，才能切實有效地提高流速。
(2)煙氣平均溫度θpj煙氣平均溫度θpj由被加熱介質算術平均溫度tpj和溫壓Δt相加得到θpj＝tpj+Δt(5)所謂溫壓Δt就是參與換熱的兩種流體在本級受熱面中的平均溫差。由傳熱學可知，對單純的順流或逆流，溫壓可按下式計算
Δt=Δtd-ΔtxlnΔtdΔtx---(6)]]>Δtd是指受熱面兩端中較大一端的兩種介質溫差；Δtx是指另一端較小的介質溫差。
當兩種流體的流動布置既非順流也非逆流的情況下，如交叉流，串聯混流等。計算時可以考慮對逆流布置的溫壓進行修正而得到，在此不再贅述。
公式(6)表明溫壓決定于換熱器進出口端兩種流體的最大溫差Δtd和最小溫差Δtx，因此，改變Δtd和Δtx，可以獲得合理分布的各級受熱面的溫壓，從而形成對煙氣平均溫度和平均流速的合理調節。圖5示出了角管式熱水鍋爐尾部多級受熱面布置時溫度節點確定與熱量分配圖，可以看到，θ3和θ2溫度節點的確定可以改變各級受熱面的傳熱面積、熱量分配和煙氣平均溫度。根據圖5在編制軟件的基礎上可以優化傳熱面積、傳熱量，獲得合理的煙氣平均溫度和合理的煙氣流速。
傳熱計算中所設計的流速是指煙氣平均溫度所規定的流通截面上的平均速度。盡管人們知道煙氣溫度對煙氣流速的決定性作用，但研究人員一直忽視煙氣溫度或傳熱溫壓在調節煙氣流速上的有效作用。而實際上，旗式對流受熱面的分級將起到調節各級受熱面煙氣溫壓和煙氣流速的作用，如為了提高第二級煙氣流速，需要對第一級出口煙氣溫度和傳熱溫壓進行優化以實現煙氣流速的優化。優化的關鍵是確保第一級出口煙溫和第二級出口煙溫所決定的煙氣平均溫度最大或溫壓最大。為了優化煙氣流速，我們編制了相應的計算機輔助計算軟件進行傳熱溫壓的優化設計，充分發揮煙氣平均溫度或溫壓對煙氣流速的調節作用，在不減小第二級旗式管束長度b的情況下，將煙氣流速提高到8m/s以上。
性能分析按照以上說明，申請人編制了角管式鍋爐計算機輔助設計計算軟件，并在整體熱力計算軟件的基礎上嵌入旗式對流受熱面復合等流速設計方法，程序能夠根據規定的設計思想優化各級旗式對流受熱面的水管直徑，傳熱溫壓，流通面積，平均煙氣溫度以及煙氣流速，按照復合等流速設計方法，我們設計計算了大量的特定型號的角管式熱水鍋爐，優化設計的第一級旗式對流受熱面煙氣流速大于9.6m/s；第二級旗式對流受熱面煙氣流速大于8.5m/s；末級旗式對流受熱面煙氣流速大于8.3m/s，基本實現了各級旗式對流受熱面的等流速設計理念；特別是將末級對流受熱面的煙氣流速提高到8.7m/s以上，比以前設計的角管式鍋爐的末級對流受熱面煙氣流速4.7m/s提高了足足4m/s。表1給出了按復合等流速設計方法設計計算的某角管式鍋爐旗式受熱面的結構和流動參數匯總表。
表1某角管式鍋爐旗式受熱面的結構和流動參數匯總表
權利要求
1.一種角管式鍋爐旗式對流受熱面復合等流速設計方法，其特征在于，該方法包括下列步驟改變角管式鍋爐的各級旗式對流受熱面的管束直徑，使第一級旗式受熱面管束直徑小于第二級旗式受熱面管束直徑，而保持第二級旗式受熱面管束直徑和第三級旗式對流受熱面管束直徑相同；優化第一、第二級受熱面傳熱溫壓和傳熱面積，即改變傳熱量，提高第二級受熱面的煙氣平均溫度；直接減小第三級旗式受熱面管束的長度和流通面積來提高煙氣流速；使第一級旗式對流受熱面煙氣流速大于9.6m/s；第二級旗式對流受熱面煙氣流速大于8.0m/s；第三級旗式對流受熱面煙氣流速大于8.0m/s。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的直接減小第三級旗式受熱面管束長度是采用煙道分割板減小煙道深度，煙道分割板選用低碳鋼鋼板噴涂防低溫腐蝕的搪瓷或陶瓷。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一級旗式受熱面管束直徑為φ32、φ38、φ42或φ45，則第二級和第三級水管直徑分別對應為φ38、φ42，φ45或φ48。
全文摘要
本發明公開了一種角管式鍋爐旗式對流受熱面復合等流速設計方法，它采用改變各級旗式對流受熱面管束直徑，優化各級受熱面傳熱溫壓和傳熱面積，直接減小末級旗式管束長度和流通面積等復合設計方法，實現各級旗式對流受熱面的等煙氣流速優化設計，使各級受熱面的平均煙氣流速達到8m/s以上。增大煙氣流速對減少受熱面積灰和增強傳熱極為有利，更重要的是，本發明在實現等流速設計的同時，不增加膜式壁焊接和管屏制造工藝的復雜性。復合等流速設計方法，有效提高煙氣流速，減少飛灰沉積；增大傳熱系數，減小對流受熱面積，實現原材料和運行維護的雙效節能。
文檔編號F24H1/22GK1900620SQ20061004313
公開日2007年1月24日 申請日期2006年7月10日 優先權日2006年7月10日
發明者趙欽新, 劉志起, 劉春明, 王化臣, 姜世慶, 王鵬, 沈順銘 申請人:西安交通大學