低溫余熱電站余熱鍋爐受熱面傳熱及布置對發電能力的影響
2009-07-15 00:00
一、前言
低溫余熱發電站的熱力設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化為機械能。
要提高余熱電站的發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.提高熱力系統循化效率。經過理論計算及實踐驗證，提高循環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；
（2）提高汽輪機進汽壓力即提高鍋爐出口蒸汽壓力；
（3） 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。由于進一步降低汽輪機排壓力技術難度較大，提高余熱電站的發電能力必須要在廢氣參數已定的前提下，將鍋爐設計成產汽量最大、蒸汽品質最高。
二、余熱鍋爐的傳熱學基礎
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部之間熱量傳遞過程叫熱交換。大多數教科書上都提到三種傳熱方式：對流、導熱和輻射。這三種傳熱方式包括了許多物理領域，諸如力學、熱學、聲學、光學和電學。
一個傳熱過程中通常同時發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生的熱量交換稱為對流換熱或對流傳熱。對流傳熱在鍋爐中應用十分廣泛，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通過對流傳遞的熱量, w/m2
αк——對流放熱系數，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和流體與壁面的溫差成正比。
對流換熱系數是表明換熱過程強弱的物理量，影響的因素較多，它與流體的質量流速、密度、比熱容、粘度、熱導率等因素有關，其中質量流速是最主要的因素。
2. 導熱
導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通過的熱量,又稱為熱流密度， w/m2
λ——導熱系數，w/(m·K)
t1、t2——壁面兩側的溫度，℃
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，比例系數為導熱系數，它與材料種類有關。
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變為熱能。物體的輻射能力取決于它的熱力學溫度，其規律為：
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，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輻射吸熱量, w/m2
σm——煙氣及受熱面折算輻射常數，w/(m·K4)
T1、T2——煙氣及受熱面溫度，K
三、傳熱過程
在工程技術中，把熱量從熱流體通過固體壁面傳給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，熱量通過管子內壁傳給管內的工質。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，w/(m2·K)，
△t——溫壓，℃
1. 傳熱系數
在鍋爐實際運行中，受熱面管子外表面會出現積灰，內表面可能會出現氧化層、垢等情況，受熱面管子內外側都增加了額外熱阻，降低了傳熱效果。
應用歐姆定律來比擬，熱流等于溫差除以熱阻。歐姆定律中的電阻就是傳熱系數的倒數。所以流體與流體間的傳熱系數可以表示為：
α1——煙氣對管壁的放熱系數；
α2——管壁對管內介質的放熱系數；
灰污層熱阻，稱為沾污系數，
δз、λэ分別為管子外表面結灰層的厚度及導熱系數；
δм、λм￣￣￣￣管子金屬的壁厚及導熱系數；
δво、λво￣￣￣￣管子內表面結垢層的厚度及導熱系數；
在一般鍋爐受熱面中，煙氣側的熱阻
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，內部沉積不應引起管子熱阻嚴重增大，因此管子內壁積垢層的熱阻
也可以忽略不計（
）。
也可以忽略不計（）。 受熱面管子的傳熱系數可簡化為:
α1＝ξ（αк＋αл）
ξ——利用系數，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和輻射放熱系數
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。當計算管內工質為水，以及熱強度較小、管內工質為汽水混合物受熱面時，因為
，管子內側的熱阻可以忽略不計。具體到水泥窯余熱鍋爐的蒸發器、省煤器、熱水器的傳熱系：
，管子內側的熱阻可以忽略不計。具體到水泥窯余熱鍋爐的蒸發器、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，有兩條途徑：
一是提高對流換熱系數，對一臺特定的鍋爐而言，煙氣成分及工質已確定，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，但煙氣速度受限于受熱面布置形式等結構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，而是綜合設備結構、煙氣阻力等因素的一個合理選擇。
二是降低沾污系數也即減小受熱面管子外壁的積灰厚度，通過采用合理的結構形式以及通過清灰裝置進行清灰，可有效減少受熱面積灰。但對于結構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，鍋爐總體傳熱系數將受越來越低。
2.溫壓
煙氣與介質間只有有了溫差才會產生熱流。對數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，當鍋爐廢氣進口溫度和鍋爐蒸汽參數一定的狀況下，為了盡可能的吸收煙氣中的熱量，盡量多的產生蒸汽，蒸發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，由傳熱學的基本原理，我們知道，廢氣溫度始終會高于管內工質溫度，即溫差窄點始終大于0℃。說明鍋爐的排煙溫度與工質飽和溫度高低成正比，而鍋爐蒸發量與蒸汽參數成反比。這樣就出一個矛盾，一方面，我們因為提高熱循環效率而需要提高蒸汽壓力、溫度參數，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，它對鍋爐整體結構起決定性的影響。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、水循環的安全性等傳熱性能因素，更要滿足現場場地地理條件（大小、防震等）和氣象條件（海拔、極端氣溫、風速、風向、雪載等）結構安全因素。才能設計一臺運行安全、性能優異的鍋爐。
四．水泥窯余熱爐受熱面布置對發電量的影響
通過上面的分析，我們知道對一特定的水泥余熱發電電站，要提高發電量，就要提高汽輪機進汽參數，提高系統熱效率；并且在最大限度的利用廢氣余熱產生最大量的高參數蒸汽同時，工質壓力分段運行，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計中要考慮到，由于水泥窯工藝系統波動引起的廢氣入爐參數的波動，我們要做到當廢氣入爐參數高于設計參數時，鍋爐也能將高出設計值的廢氣熱量吸收，產生更大量的蒸汽，提高波峰發電量，從而提高電站系統總發電量。
另外，我們要充分注意到水泥窯廢氣的特性，以及受熱面結構特點。可以預計，隨著鍋爐運行時間的推移，熱面的沾污越來越嚴重，傳熱系數越來越低。還要預計水泥窯生產線產量波動而引起廢氣參數高于設計值時，溫差窄點也應較小。故在設計時，對傳熱系數K和溫差△t數值都應有所保留。由傳熱方程式Q=K×H×△t，為保證鍋爐蒸發量較大，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構以及其它附件。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，鋼結構重量也會加大，按一般統計，水泥窯余熱鍋爐內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，電站實際發電能力不能達到平均設計發電能力的，運行時間越長，越明顯。有關單位對目前已運行的水泥窯余熱發電站進行了一次調查也驗證了這一點。筆者將它們的部分5000t/d～6000t/h 水泥窯余熱發電站的運行調研結果：余熱鍋爐鋼材重量等有關參數與發電量的關系并列在附表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，鍋爐制造及建設成本增加，導致水泥窯余熱發電站總投資加大。但是，我們更應看到，鍋爐設備投資只是一次性投資，余熱發電是沒有燃料成本的，它的發電成本較低，發電受益是長效的，只要生產線運行就有收益。我們從附表中選擇同于2008年下半年投運的兩個電站，對比數據可以看出，同在單條生產線熟料產量在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，鍋爐系統投資增加不超過800萬。日供電量（即上網電量）分別為14.45~15.25萬度和19.72~24.72萬度，日上網電量提高按最少值算為5.27萬度，以保守上網電價0.3元/度計，日增加發電收入1.58萬元，最長500天即可收回投資。
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