全烧高炉煤气锅炉过热器防超温校验方法

摘要

本发明提供一种全烧高炉煤气锅炉过热器防超温校验方法。本发明的方法为：（1）按照常规高温高压锅炉设计布置过热器；（2）按照常规热力计算和壁温校核方法设计布置屏式过热器、高温过热器、低温过热器的面积大小；（3）以热力计算中过热器各部件吸热量和燃料的放热量计算过热器部件吸热比，要求全烧高炉煤气高温高压锅炉过热器满足校核值，屏式过热器吸热比≤7%、高温过热器吸热比≤10.5%、低温过热器吸热比≤10.3%；（4）如果锅炉过热器各部件吸热比超过校核值要求，需要重新进行热力计算，重新调整各部件的受热面积和部件特征，直至达到校核值。本发明解决锅炉全烧高炉煤气情况下负荷拉升过程中或高负荷时过热器超温问题。

说明书

 

技术领域：

本发明涉及一种锅炉运行过程中过热器动态特性的校核方法，尤其涉及一种全烧高炉煤气锅炉过热器防超温校验方法，属于锅炉安全技术领域。

背景技术：

锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。它通过燃料的燃烧释放出化学能，并通过受热面传热，将能量传递给给水，使水变成蒸汽，蒸汽可供给工业生产所需的热能，也可通过蒸汽动力机械转换为机械能，机械能可转换成电能等。高温高压自然循环汽包锅炉，其过热器的作用是在一定的压力下，经过过热器受热面金属与高温烟气进行辐射、对流和导热换热，将从汽包引出的饱和蒸汽加热成要求温度压力的过热蒸汽。过热器受热面蛇形管等都是由能够满足工作温度和压力下的金属材料制成，受热面蛇形管道内通流的工质（蒸汽）与管外侧流动的高温烟气进行热交换。锅炉是压力容器，从安全使用角度，防止过热器受热面的超温超压问题是非常重要的、也是电力系统技术监督重点内容。

随着国家节能、环保工作不断推进，冶金行业中的燃煤锅炉面临煤改气的转型，同时近年来冶金行业建设的锅炉以燃烧高炉煤气为多，在使用中新建和改进的全烧高炉锅炉中，有些锅炉过热器受热面容易发生超温的问题，特别是在锅炉拉升负荷或在高负荷锅炉负荷波动情况下，锅炉受热面容易超温的问题，为此，进行了高温高压全烧高炉煤气锅炉过热器运行状况的研究分析，并经过多台全烧高炉煤气锅炉建设和改进试验，提出了全烧高炉煤气锅炉过热器防超温校验方法。

    全烧高炉煤气锅炉与煤粉锅炉有较大的不同，主要原因高炉煤气燃烧产物与锅炉过热器热交换的有几方面的特性：高炉煤气主要成分：CO、C02、N2、H2、CH4等，其中可燃成分CO含量约占25％左右，C02、N2的含量分别占15％、55％，热值仅为3500kJ／m3左右。高炉煤气的成分和热值与高炉所用的燃料、所炼生铁的品种及冶炼工艺有关，现代的炼铁生产普遍采用大容积、高风温、高冶炼强度、高喷煤粉量的生产工艺，采用这些先进的生产工艺提高了劳动生产率并降低能耗，但所产的高炉煤气可燃物更少、热值更低。据计算，同样负荷下，燃烧高炉煤气的烟气量是煤粉1.3倍、是焦炉煤气1.4倍。

全烧高炉煤气锅炉的过热器受热面在高温烟气和大量烟气高流速的双重作用下，烟气侧的对流放热系数增大，增加了受热面热交换，过热器内蒸汽吸热量的增加温度提高，必将引起过热蒸汽超温，需要通过适当减少过热器的面积来保证锅炉过热器的运行安全，但是如何合理的布置全烧高炉煤气锅炉过热器需要试验和研究。

试验条件：

1）高温高压锅炉参数（负荷220t/h 出口压力9.8MPa 出口温度540℃），燃料100%高炉煤气，高煤热值3344kJ／m³；

    2）高温高压锅炉过热器常规布置形式（按照烟气的流向，屏式过热器布置在炉膛里位置（后墙水冷壁管束前）以吸收高温烟气辐射热为主，高温过热器分热段、冷段布置在炉膛出口水平烟道与高温烟气进行对流换热，低温过热器布置在高温过热器后，炉膛出口水平烟道与高温烟气进行对流换热。减温水分左右各两级：一级屏式过热器进口、二级高温过热器冷热段受热面之间）

    3）锅炉过热器通过现有热力计算和壁温设计校核，能满足额定工况蒸汽参数的需要。

    4） 部件吸热比参数：（热力计算中部件工质的吸热量÷热力计算燃料燃烧放出总热量）×100%。

    试验结果：

1）现有的热力计算和壁温校核方法，对屏式过热器的设计基本与实际接近：主要原因，高炉煤气热值低，炉膛温度相对稳定，受热面之间空间大，速度对受热面的影响小，以现有热力计算和壁温校核方法经过试验证明能满足全烧高炉煤气实际需要。

2）现有的热力计算和壁温设计校核方法，对高温、低温过热器设计与实际存在较大的偏差，试验结果：锅炉在中低负荷和负荷稳定情况下，几种不同的设计布置基本都能满足实际运行需要，但在锅炉高负荷和负荷拉升过程中明显存在不同，在几种同样通过热力计算和壁温校核锅炉中，有正常运行能满足要求也存在容易超温的情况。

综上所述，在锅炉全烧高炉煤气的情况下，现有热力计算和壁温设计校核方法，比较适合低负荷和稳定工况下的运行，但不能保证锅炉负荷拉升和高负荷运行，根据试验总结，发明人提出引入部件吸热比参数校核方法，来防止全烧高炉煤气锅炉过热器在负荷拉升和高负荷时的运行安全。

在全烧高炉煤气时，锅炉炉膛出口水平烟道位置烟气温度高、流速大，这两项因素同时增加换热，而在负荷拉升的过程中，由燃料燃烧到蒸汽产出过程中存在时间差，受热面管内通流工质（蒸汽）与稳定状态相比存在不足，这样工质的冷却与放热介质不成比例，从而造成过热器超温问题。

发明内容：

本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种全烧高炉煤气锅炉过热器防超温校验方法，解决锅炉全烧高炉煤气情况下负荷拉升过程中或高负荷时过热器超温问题，达到安全稳定锅炉全烧高炉煤气目的。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

全烧高炉煤气锅炉过热器防超温校验方法，该方法包括：

（1）按照常规高温高压锅炉设计布置过热器；

（2）按照常规热力计算和壁温校核方法设计布置屏式过热器、高温过热器、低温过热器的面积大小；

（3）以热力计算中过热器各部件吸热量和燃料的放热量计算过热器部件吸热比，要求全烧高炉煤气高温高压锅炉过热器满足校核值，屏式过热器吸热比≤7%、高温过热器吸热比≤10.5%、低温过热器吸热比≤10.3%；

（4）如果锅炉过热器各部件吸热比超过校核值要求，需要重新进行热力计算，重新调整各部件的受热面积和部件特征，直至达到校核值。

有益效果：

经过发明人多次试验和运行验证，提出对锅炉过热器补充校验方法，即对屏式过热器、高温过热器、低温过热器吸热比参数进行校核，在锅炉过热器通过热力计算和壁温度校核后，需再进行屏式过热器、高温过热器、低温过热器吸热比的校核，全烧高炉煤气高温高压锅炉过热器校核值要求，屏式过热器吸热比控制在6%--7%、高温过热器吸热比控制在9.5%--10.5%、低温过热器吸热比控制在9%--10.3%。引入部件吸热比参数校核方法，来防止全烧高炉煤气锅炉过热器在负荷拉升和高负荷时的运行安全。

具体实施方式：

全烧高炉煤气锅炉过热器防超温校验方法，该方法包括：

（1）按照常规高温高压锅炉设计布置过热器；

（2）按照常规热力计算和壁温校核方法设计布置屏式过热器、高温过热器、低温过热器的面积大小；

（3）以热力计算中过热器各部件吸热量和燃料的放热量计算过热器部件吸热比，要求全烧高炉煤气高温高压锅炉过热器满足校核值，屏式过热器吸热比≤7%、高温过热器吸热比≤10.5%、低温过热器吸热比≤10.3%；

（4）如果锅炉过热器各部件吸热比超过校核值要求，需要重新进行热力计算，重新调整各部件的受热面积和部件特征，直至达到校核值。

具体实施案例如下：

实施案例一：

设计情况：新建全烧高炉煤气锅炉，屏式过热器吸热比6.2% 高温过热器吸热比12% 低温过热器吸热比11%，三部件热力计算和壁温校核计算全部正常。

使用情况：锅炉30%负荷以上蒸汽参数达到需要要求，锅炉在150t/h以上负荷拉升中出现屏式过热器、高温过热器、低温过热器壁温均超温情况，当负荷190t/h以下负荷负荷稳定时，屏式过热器、高温过热器、低温过热器壁温正常，但在设计范围内负荷190-220t/h稳定和负荷波动情况下，屏式过热器、高温过热器、低温过热器壁温均超温情况。

试验结论：过热器各部分的总吸热量超过需求。

实施案例二：

设计情况：由煤粉锅炉改造为全烧高炉煤气锅炉，屏式过热器吸热比6.0% 高温过热器吸热比8.2% 低温过热器吸热比12.2%，三部件热力计算和壁温校核计算全部正常。

使用情况：锅炉30%负荷以上蒸汽参数达到需要要求，锅炉在130t/h以上负荷拉升中和稳定状态出现低温过热器壁温超温情况，一、二级减温水流量远超过设计用量。

试验结论：屏式过热器、高温过热器设计满足需要，但是低温过热器吸热量超过需求。

实施案例三：

设计情况：由煤粉锅炉改为全烧高炉煤气锅炉，屏式过热器吸热比6.1% 高温过热器吸热比8.4% 低温过热器吸热比10.3%，三部件热力计算和壁温校核计算全部正常。

使用情况：锅炉30%负荷以上蒸汽参数达到需要要求，锅炉在170t/h以上负荷拉升中和负荷稳定情况出现低温过热器壁温接近材质承受温度。

试验结论：屏式过热器、高温过热器设计满足需要，但是低温过热器吸热量达到最大值。

实施案例四：

设计情况：新建全烧高炉煤气锅炉，屏式过热器吸热比7% 高温过热器吸热比9.5% 低温过热器吸热比9%，三部件热力计算和壁温校核计算全部正常。

使用情况：锅炉30%负荷以上蒸汽参数达到需要要求，锅炉在任何负荷拉升和稳定负荷情况下锅炉过热器（高温过热器、低温过热器）壁温均正常，但是在170t/h以上负荷时，屏式过热器壁温达到了材质承受的最高温度。

实施试验结论：高温过热器、低温过热器设计满足要求，屏式过热器吸热量达到了最大值。

案例五：

设计情况：新建全烧高炉煤气锅炉，屏式过热器吸热比7% 高温过热器吸热比10.5% 低温过热器吸热比8.5%，三部件热力计算和壁温校核计算全部正常。

使用情况：锅炉30%负荷以上蒸汽参数达到需要要求，锅炉在任何负荷拉升和稳定负荷情况下锅炉低温过热器壁温均正常，但是在170t/h以上负荷时，屏式过热器、高温过热器壁温达到了材质承受的最高温度。

试验结论：低温过热器设计满足要求，屏式过热器、高温过热器的吸热量达到了最大值。

另外，从过热器系统阻力损失看，受热面设计大一些，系统阻力小一些，但是受热面积大，吸热量多，因此，过热器各部件吸热比越接近上限而不超过上限，不仅安全而且高效。