专利名称：角管式锅炉旗式对流受热面复合等流速设计方法
技术领域：
本发明属于热能工程应用技术领域，涉及一种角管式锅炉旗式对流受热面复合等流速设计方法。
背景技术：
角管式锅炉具有自支撑，水循环好，耗钢量小等突出的结构优势和整体节能优势，如图1所示。图中所示的标号为1、炉排；2、前拱；3、炉膛；4、锅筒；5、凝渣管束；6、转向室；7、第一级旗式受热面；8、中间分割屏；9、尾部竖井后墙；10、第二级旗式受热面；11、后拱；12、第三级旗式受热面。角管式锅炉整体结构为“∏形”布置，左侧为炉膛，右侧为尾部竖井，以中间分割屏8作为炉膛和尾部竖井的分界面。因为角管式锅炉炉膛辐射受热面采用全膜式水冷壁结构，炉膛出口烟气温度低，尾部竖井旗式对流受热面一般采用三级或四级布置，温度下降梯度大。常规角管式锅炉方案设计时，因为膜式水冷壁装配、制造工艺复杂，对流竖井横截面积一般保持不变，由本发明说明书中的公式(1)可知，烟气流速和温度成正比，随着烟气温度的下降，各级受热面烟气流速依次下降，末级旗式受热面的烟气流速经常低于5m/s，某些设计欠佳的锅炉甚至低于4.7m/s。长期以来，烟气流速过低，受热面传热系数大大下降，影响锅炉的有效出力；而且，烟气流速过低，造成旗式受热面出现严重的飞灰沉积，特别是角管式热水锅炉，受热面水温低，管壁金属温度低，尤其是硫酸蒸汽结露冷凝后，低温粘积灰积结得更为严重。一些锅炉每天需进行吹灰操作，长时间不吹灰可能造成烟气闷塞，引风机负荷增加，锅炉运行维护工作量大，吹灰操作浪费能源，严重影响角管式锅炉的安全运行。
长期以来，角管式锅炉旗式对流受热面烟气流速偏低的现象一直没有得到有效地解决。近几年，研究人员提出了一些提高旗式对流受热面烟气流速，改善飞灰沉积和对解决流通道运行时闷塞状况的措施，这些措施在实施以后都未获得比较理想的效果，关键的问题在于研究人员只是简单地采用单一措施，很难收到实效；还有，采用变截面方法后，角管式锅炉的对流竖井后墙膜式壁或中间分割屏就会出现弯管段，而且，锅炉容量增大到29MW(40t/h)以后，无论是后墙还是分割屏都需要分拆成2～3块小屏整装出厂，弯管段现场对接装配的施工难度大，增加了膜式壁装配、制造工艺的复杂性，很难两全其美，已有的改进技术有两种方案，如图2和图3所示(1)采用后墙一次转弯的变截面设计。如图2所示。将尾部竖井进入第三级旗式对流受热面之前的后墙膜式壁向内折转形成弯管段，减小第三级旗式管束长度和流通面积，第一级受热面因烟气温度高，烟气流速可达9m/s以上，第三级受热面因烟气流通面积小，烟气流速可达8m/s以上；而第二级受热面流通面积未变，烟气流速达只在6m/s以上，第二级烟气流速偏低；(2)采用后墙二次转弯的变截面设计。如图3所示，为避免(1)出现的第二级烟气流速偏低的现象，将尾部竖井进入第二、第三级旗式对流受热面之前的后墙膜式壁依次向内折转形成两个弯管段，分别根据等流速设计理念减小第二和第三级旗式管束长度和流通面积，可以实现三级旗式受热面的等流速设计，各级烟气流速均可达到8m/s以上。但是，尾部竖井的后墙膜式壁本来由中间一个直管段管屏和两端的两个弯管段组成，而改进设计后，后墙膜式壁将由中间三个直管段管屏，中间的两个弯管段管屏和两端两个弯管段组成，焊接和装配工艺异常复杂，从未在生产中使用过。
和以上(1)、(2)类似的技术方案是将炉膛和尾部竖井之间的分割屏(图1，序号8)向后折转一次或二次形成弯管段，其对流速的提升效果和引起的问题和(1)、(2)方案相同。
发明内容
本发明的目的在于提供一种角管式锅炉旗式对流受热面复合等流速设计的方法，采用改变各级受热面的管径，优化各级受热面传热温压和传热面积，改变末级受热面的流通面积等三种复合设计方法实现角管式锅炉旗式对流受热面的等流速高效传热，有效防止飞灰在受热面上的沉积堵塞。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案一种角管式锅炉旗式对流受热面复合等流速设计方法，其特征在于，该方法包括下列步骤改变角管式锅炉的三级旗式对流受热面的管束直径，使第一级旗式受热面管束直径小于第二级旗式受热面管束直径，而第二级旗式受热面管束直径和第三级旗式对流受热面管束直径相同；优化各级受热面传热温压、传热面积及其传热量，提高第二级对流受热面的烟气平均温度；直接减小第三级旗式受热面管束的长度和流通面积来提高烟气流速；使第一级旗式对流受热面烟气流速大于9.6m/s；第二级旗式对流受热面烟气流速大于8.0m/s；第三级旗式对流受热面烟气流速大于8.0m/s。
本发明的方法，在设计或改进时，不改变尾部竖井烟道四周膜式壁的结构形状和尺寸，不改变尾部竖井烟道四周膜式壁的常规制造工艺。
本发明提出的技术方案，即可应用于新产品的结构设计，又可以应用于在役工业和生活锅炉的节能改造，其改造成本低。该发明提出的技术原理除应用于角管式锅炉，也适应于所有的水管锅炉。该发明技术的推广应用可以显著提高受热面的传热系数，减少锅炉的原材料消耗，能有效提高现役运行锅炉的出力。更为重要的是，复合等流速设计能有效防止飞灰在受热面上的严重沉积，省却频繁吹灰带来的高额附加费用，确保锅炉的安全经济运行，而且复合等流速设计理念不以复杂的造工艺为代价，是值得推广的设计技术理念。
图1是角管式锅炉全图；图2是尾部竖井后墙一次转弯结构图；图3是尾部竖井后墙二次转弯结构图；
图4是复合等速流设计方法说明图，其中(b)是(a)的A-A剖面图；图中所示的标号为41、后拱；42、中间分割屏；43、凝渣管束；44、尾部竖井的后墙；45、第一级旗式对流受热面；46、第二级旗式对流受热面；47、第三级旗式对流受热面；48、烟道分割板；49、侧墙膜式壁；50、后墙竖水管，51、扁钢；52、旗式水管管束。
图5尾部多级受热面布置时温度节点确定与热量分配图其中θ4、θ3和θ2分别是三级旗式对流受热面的进口烟温；θ3、θ2和θ1分别是三级旗式对流受热面的出口烟温；θPY是指最尾部空气预热器出口的排烟温度；t3、t2和t1别是三级旗式对流受热面的进口水温；t4、t3和t2分别是三级旗式对流受热面的出口水温；tk0和tk1分别指最尾部空气预热器空气的进口和出口温度；以下结合附图和采用本方法得到的精细结构和计算结果对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式
本发明的角管式锅炉旗式对流受热面复合等流速设计方法，采用改变各级旗式对流受热面水管直径，改变各级旗式对流受热面传热温压和优化传热面积，改变末级旗式对流受热面管束长度和流通面积的复合等流速设计方法，实现旗式对流受热面热工性能的优化设计，使烟温不同的三级受热面获得平均流速达到8m/s以上的等流速理想工况。更为重要的是，本发明在优化热工性能的同时，不以复杂的膜式壁受热面的焊接和管屏弯制工艺为代价。复合等流速设计方法，可有效地提高烟气流速，减少飞灰沉积；增大传热系数，减小金属耗量，实现原材料和运行维护的双重节能。
采用本发明的方法设计或改进时，不改变尾部竖井烟道四周膜式壁的结构形状和尺寸，不改变尾部竖井烟道四周膜式壁的常规制造工艺。
图4是复合等速流设计方法说明图，其中(b)是(a)的A-A剖面图；图中所示的标号为41、后拱；42、中间分割屏；43、凝渣管束；44、尾部竖井的后墙；45、第一级旗式对流受热面；46、第二级旗式对流受热面；47、第三级旗式对流受热面；48、烟道分割板；49、侧墙膜式壁；50、后墙水管，51、扁钢；52、旗式水管管束。
直接减小第三级旗式对流受热面管束长度实现烟气流速的增加，应该指出的是本发明减小管束长度不是采用改变尾部竖井周边受热面结构形状的方式来实现，而是采用烟道分割板(图4中序号48)减小烟道深度来实现的；鉴于第三级旗式对流受热面烟气入口温度小于350℃，因此，采用烟道分割板48只要选用低碳钢钢板喷涂防低温腐蚀的搪瓷或陶瓷就可以保证足够的使用寿命。
尾部竖井旗式对流受热面的四壁包墙均为膜式壁受热面，如图(a)所示，尾部竖井由中间分割屏42(分割炉膛辐射和尾部对流受热面)和后墙膜式壁44以及两侧的侧墙膜式壁49组成。A-A剖面图示出了尾部竖井后墙44及侧墙膜式壁49的结构形式，后墙膜式壁由后墙水管50和扁钢51采用埋弧自动焊或气体保护焊方法成排焊接，旗式受热面水管52的管径因需要在后墙竖水管44上开孔而小于后墙水管50，旗式受热面水管52的直径为φ32～φ42左右mm；后墙水管50的直径一般为φ51～φ63.5mm。实际上，按照膜式壁受热面的结构，旗式对流受热面管束的横向节距S1是由后墙竖水管的横向节距确定的，旗式受热面水管之间的空隙S2就是烟气流通的通道。根据锅炉原理的知识，可以按以下公式来计算旗式旗式对流受热面的烟气流速如下Wy=BjVy3600F(273+θpj273)m/s---(1)]]>公式(1)给出了一个简单事实，即，烟气流速Wy决定于计算燃料消耗量Bj，单位时间烟气流量Vy，烟气流通面积F，平均烟气温度θpj。正常工况下，即锅炉在额定蒸发量或额定供热量条件下燃用确定燃料，在相近的燃烧条件和漏风情况下，其燃料消耗量和燃料燃烧生成的烟气体积是一个确定的数值；因此，烟气流速只和两个变量有关系，即烟气流通面积F，烟气平均温度θpj。
(1)烟气流通面积F烟气流通面积是一个几何参数，按照图4的A-A剖视图，烟气流速可以由以下三个相互重组的几何公式计算获得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等于尾部竖井横截面积和旗式管束横截面面积之差。
公式(3)中F是公式(1)提取公因子b后的变换公式。
公式(4)中F是旗式管束间隙和旗式管长度之积。
由公式(2)、(3)、(4)可以看出增大旗式管束直径d2，减小旗式管束间隙S2，减小旗式管束长度b可以减小烟气流通面积，提高烟气流速。
选取较小管径作第一级旗式管束，增大第二级和第三级旗式受热面管径，如第一级旗式受热面管束直径d2为φ32、φ38、φ42或φ45，则第二级和第三级水管直径分别对应为φ38、φ42，φ45或φ48。
因为，第一级旗式受热面45烟气温度比较高，烟气流速大，取小管径有利于降低第一级旗式管束的烟气流速，但第二级旗式受热面46和第三级旗式受热面47烟气温度下降较大，应维持较大的旗式受热面管径。
第三级旗式受热47面因为平均烟温下降，单纯依靠增大管径难以有效提高烟气流速，因此，必须减小旗式管束长度b，才能切实有效地提高流速。
(2)烟气平均温度θpj烟气平均温度θpj由被加热介质算术平均温度tpj和温压Δt相加得到θpj＝tpj+Δt(5)所谓温压Δt就是参与换热的两种流体在本级受热面中的平均温差。由传热学可知，对单纯的顺流或逆流，温压可按下式计算
Δt=Δtd-ΔtxlnΔtdΔtx---(6)]]>Δtd是指受热面两端中较大一端的两种介质温差；Δtx是指另一端较小的介质温差。
当两种流体的流动布置既非顺流也非逆流的情况下，如交叉流，串联混流等。计算时可以考虑对逆流布置的温压进行修正而得到，在此不再赘述。
公式(6)表明温压决定于换热器进出口端两种流体的最大温差Δtd和最小温差Δtx，因此，改变Δtd和Δtx，可以获得合理分布的各级受热面的温压，从而形成对烟气平均温度和平均流速的合理调节。图5示出了角管式热水锅炉尾部多级受热面布置时温度节点确定与热量分配图，可以看到，θ3和θ2温度节点的确定可以改变各级受热面的传热面积、热量分配和烟气平均温度。根据图5在编制软件的基础上可以优化传热面积、传热量，获得合理的烟气平均温度和合理的烟气流速。
传热计算中所设计的流速是指烟气平均温度所规定的流通截面上的平均速度。尽管人们知道烟气温度对烟气流速的决定性作用，但研究人员一直忽视烟气温度或传热温压在调节烟气流速上的有效作用。而实际上，旗式对流受热面的分级将起到调节各级受热面烟气温压和烟气流速的作用，如为了提高第二级烟气流速，需要对第一级出口烟气温度和传热温压进行优化以实现烟气流速的优化。优化的关键是确保第一级出口烟温和第二级出口烟温所决定的烟气平均温度最大或温压最大。为了优化烟气流速，我们编制了相应的计算机辅助计算软件进行传热温压的优化设计，充分发挥烟气平均温度或温压对烟气流速的调节作用，在不减小第二级旗式管束长度b的情况下，将烟气流速提高到8m/s以上。
性能分析按照以上说明，申请人编制了角管式锅炉计算机辅助设计计算软件，并在整体热力计算软件的基础上嵌入旗式对流受热面复合等流速设计方法，程序能够根据规定的设计思想优化各级旗式对流受热面的水管直径，传热温压，流通面积，平均烟气温度以及烟气流速，按照复合等流速设计方法，我们设计计算了大量的特定型号的角管式热水锅炉，优化设计的第一级旗式对流受热面烟气流速大于9.6m/s；第二级旗式对流受热面烟气流速大于8.5m/s；末级旗式对流受热面烟气流速大于8.3m/s，基本实现了各级旗式对流受热面的等流速设计理念；特别是将末级对流受热面的烟气流速提高到8.7m/s以上，比以前设计的角管式锅炉的末级对流受热面烟气流速4.7m/s提高了足足4m/s。表1给出了按复合等流速设计方法设计计算的某角管式锅炉旗式受热面的结构和流动参数汇总表。
表1某角管式锅炉旗式受热面的结构和流动参数汇总表
权利要求
1.一种角管式锅炉旗式对流受热面复合等流速设计方法，其特征在于，该方法包括下列步骤改变角管式锅炉的各级旗式对流受热面的管束直径，使第一级旗式受热面管束直径小于第二级旗式受热面管束直径，而保持第二级旗式受热面管束直径和第三级旗式对流受热面管束直径相同；优化第一、第二级受热面传热温压和传热面积，即改变传热量，提高第二级受热面的烟气平均温度；直接减小第三级旗式受热面管束的长度和流通面积来提高烟气流速；使第一级旗式对流受热面烟气流速大于9.6m/s；第二级旗式对流受热面烟气流速大于8.0m/s；第三级旗式对流受热面烟气流速大于8.0m/s。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的直接减小第三级旗式受热面管束长度是采用烟道分割板减小烟道深度，烟道分割板选用低碳钢钢板喷涂防低温腐蚀的搪瓷或陶瓷。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一级旗式受热面管束直径为φ32、φ38、φ42或φ45，则第二级和第三级水管直径分别对应为φ38、φ42，φ45或φ48。
全文摘要
本发明公开了一种角管式锅炉旗式对流受热面复合等流速设计方法，它采用改变各级旗式对流受热面管束直径，优化各级受热面传热温压和传热面积，直接减小末级旗式管束长度和流通面积等复合设计方法，实现各级旗式对流受热面的等烟气流速优化设计，使各级受热面的平均烟气流速达到8m/s以上。增大烟气流速对减少受热面积灰和增强传热极为有利，更重要的是，本发明在实现等流速设计的同时，不增加膜式壁焊接和管屏制造工艺的复杂性。复合等流速设计方法，有效提高烟气流速，减少飞灰沉积；增大传热系数，减小对流受热面积，实现原材料和运行维护的双效节能。
文档编号F24H1/22GK1900620SQ20061004313
公开日2007年1月24日 申请日期2006年7月10日 优先权日2006年7月10日
发明者赵钦新, 刘志起, 刘春明, 王化臣, 姜世庆, 王鹏, 沈顺铭 申请人:西安交通大学