低溫余熱電站余熱鍋爐受熱面?zhèn)鳠峒安贾脤Πl(fā)電能力的影響
2009-07-15 00:00
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，然后引入汽輪機將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機械能。
要提高余熱電站的發(fā)電能力不外乎有兩個途徑：
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)過理論計算及實踐驗證，提高循環(huán)熱效率的措施有如下三點：
（1）提高汽輪機進汽溫度即提高鍋爐出口蒸汽溫度；
?。?）提高汽輪機進汽壓力即提高鍋爐出口蒸汽壓力；
?。?） 降低汽輪機排壓力。
從上述措施可以看出，除降低汽輪機排壓力外，其余全部與鍋爐有關(guān)。由于進一步降低汽輪機排壓力技術(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)部之間熱量傳遞過程叫熱交換。大多數(shù)教科書上都提到三種傳熱方式：對流、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)。
一個傳熱過程中通常同時發(fā)生一種以上的上述傳熱方式。
1. 對流
流體流過壁面時同壁面之間產(chǎn)生的熱量交換稱為對流換熱或?qū)α鱾鳠?。對流傳熱在鍋爐中應(yīng)用十分廣泛，對流換熱時流體與壁面之間的熱交換公式如下：
q=αк(t－tb)
q——單位面積在單位時間內(nèi)通過對流傳遞的熱量, w/m2
αк——對流放熱系數(shù)，w/(m2·K)
t——流體溫度，℃
tb——壁面溫度，℃
由上式可知，對流換熱熱量和對流換熱系數(shù)和流體與壁面的溫差成正比。
對流換熱系數(shù)是表明換熱過程強弱的物理量，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程。它可以表示為：
q——單位面積在單位時間內(nèi)通過的熱量,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程，是通過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，它具有反射、穿透、吸收的特性，被物體吸收的部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｎ矬w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、傳熱過程
在工程技術(shù)中，把熱量從熱流體通過固體壁面?zhèn)鹘o冷流體的過程稱為傳熱過程，這種傳熱過程只通過一種換熱方式是實現(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程，都是管子外壁受煙氣的沖刷，熱量通過管子內(nèi)壁傳給管內(nèi)的工質(zhì)。整個傳熱過程可以描述為：
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)
在鍋爐實際運行中，受熱面管子外表面會出現(xiàn)積灰，內(nèi)表面可能會出現(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——煙氣對管壁的放熱系數(shù)；
α2——管壁對管內(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
大大超過管壁金屬的熱阻
，所以管壁金屬的熱阻可以忽略不計（
）。
大大超過管壁金屬的熱阻，所以管壁金屬的熱阻可以忽略不計（）。 在鍋爐正常運行情況下，內(nèi)部沉積不應(yīng)引起管子熱阻嚴重增大，因此管子內(nèi)壁積垢層的熱阻
也可以忽略不計（
）。
也可以忽略不計（）。 受熱面管子的傳熱系數(shù)可簡化為:
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——分別為煙氣對管壁的對流放熱系數(shù)和輻射放熱系數(shù)
對水泥窯余熱鍋爐，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)計算管內(nèi)工質(zhì)為水，以及熱強度較小、管內(nèi)工質(zhì)為汽水混合物受熱面時，因為
，管子內(nèi)側(cè)的熱阻可以忽略不計。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：
，管子內(nèi)側(cè)的熱阻可以忽略不計。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：|
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從上面公式可以看出，要提高傳熱系數(shù)，有兩條途徑：
一是提高對流換熱系數(shù)，對一臺特定的鍋爐而言，煙氣成分及工質(zhì)已確定，可以通過提高流體沖刷受熱面的速度來提高對流換熱系數(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，通過采用合理的結(jié)構(gòu)形式以及通過清灰裝置進行清灰，可有效減少受熱面積灰。但對于結(jié)構(gòu)形式及運行模式一定的鍋爐而言，受熱面的積灰一般來講是隨時間推移而加劇的。對于水泥窯余熱鍋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，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，并且隨著運行時間的推移，熱面的沾污將越來越嚴重，也即是說，鍋爐總體傳熱系數(shù)將受越來越低。
2.溫壓
煙氣與介質(zhì)間只有有了溫差才會產(chǎn)生熱流。對數(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)受熱面時的相對流動方向，即兩種流體是相互逆流、順流、還是交叉流，對數(shù)平均溫壓按下式計算：
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△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)過程的末端廢氣溫度越低越好，也即是說溫差窄點越小越好，由傳熱學(xué)的基本原理，我們知道，廢氣溫度始終會高于管內(nèi)工質(zhì)溫度，即溫差窄點始終大于0℃。說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。這樣就出一個矛盾，一方面，我們因為提高熱循環(huán)效率而需要提高蒸汽壓力、溫度參數(shù)，同時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)壓力運行，形成不同的溫差窄點。
3.傳熱面積
在水泥窯余熱爐中全是對流受熱面，傳熱面積是指受熱面管子的外表面積和擴展受熱面的面積。
受熱面的不僅要滿足傳熱的需要，它對鍋爐整體結(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)場場地地理條件（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)計一臺運行安全、性能優(yōu)異的鍋爐。
四．水泥窯余熱爐受熱面布置對發(fā)電量的影響
通過上面的分析，我們知道對一特定的水泥余熱發(fā)電電站，要提高發(fā)電量，就要提高汽輪機進汽參數(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，工質(zhì)壓力分段運行，吸取低溫段廢氣熱量，提高余熱鍋爐熱利用效率。同時在水泥窯余熱爐設(shè)計中要考慮到，由于水泥窯工藝系統(tǒng)波動引起的廢氣入爐參數(shù)的波動，我們要做到當(dāng)廢氣入爐參數(shù)高于設(shè)計參數(shù)時，鍋爐也能將高出設(shè)計值的廢氣熱量吸收，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?？梢灶A(yù)計，隨著鍋爐運行時間的推移，熱面的沾污越來越嚴重，傳熱系數(shù)越來越低。還要預(yù)計水泥窯生產(chǎn)線產(chǎn)量波動而引起廢氣參數(shù)高于設(shè)計值時，溫差窄點也應(yīng)較小。故在設(shè)計時，對傳熱系數(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，同時鍋爐外形尺寸也會有所變大，鋼結(jié)構(gòu)重量也會加大，按一般統(tǒng)計，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，電站實際發(fā)電能力不能達到平均設(shè)計發(fā)電能力的，運行時間越長，越明顯。有關(guān)單位對目前已運行的水泥窯余熱發(fā)電站進行了一次調(diào)查也驗證了這一點。筆者將它們的部分5000t/d～6000t/h 水泥窯余熱發(fā)電站的運行調(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)電是沒有燃料成本的，它的發(fā)電成本較低，發(fā)電受益是長效的，只要生產(chǎn)線運行就有收益。我們從附表中選擇同于2008年下半年投運的兩個電站，對比數(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800萬。日供電量（即上網(wǎng)電量）分別為14.45~15.25萬度和19.72~24.72萬度，日上網(wǎng)電量提高按最少值算為5.27萬度，以保守上網(wǎng)電價0.3元/度計，日增加發(fā)電收入1.58萬元，最長500天即可收回投資。
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