浅谈75吨高温高压燃天然气锅炉的设计

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摘 要：文章针对特定用户的要求，简单介绍了一种高温高压燃天然气锅炉的结构设计特点，并在实际运行中取得成功，为今后类似高参数特殊用途燃气锅炉的设计提供了一种新的思路。
关键词：高温高压；燃天然气锅炉；设计
伴随着我国经济实力的不断增强，自然环境也遭到了不同程度的破坏，近年来京津冀地区不断出现的雾霾天气给人们敲响了警钟。国家对环境保护和污染治理的投入也日益加大。以天然气等为代表的清洁能源在工业生产及人们生活中的应用比例不断扩大。下面以我公司为新疆某化工企业设计的一台75吨高温高压天然气锅炉的设计进行简单介绍。
图1 75吨高温高压燃气锅炉简图
由于该企业原有的两台中温中压参数（3.82MPa、450℃）燃天然气锅炉产汽温度偏低，不能满足生产需要，该公司决定新上一台高温高压蒸汽锅炉，用高温高压蒸汽与原有燃气锅炉所产蒸汽混合，提高蒸汽温度以满足生产工艺需要。根据用户实际用汽特点，在锅炉设计上针对性的采取了一些相应措施。
1 锅炉主要参数
额定蒸发量 75 t/h
过热蒸汽压力 10.5MPa
锅筒工作压力 11.66MPa
过热蒸汽温度 510 ℃
给水温度 110 ℃
排烟温度 150 ℃
锅炉效率 92.3%
燃料种类 天然气
锅筒标高 18640mm
炉膛宽度（两侧水冷壁中心线距离） 4640mm
炉膛深度（前后水冷壁中心线距离） 5040mm
锅炉宽度（左右柱中心线距离） 5410mm
锅炉深度（Z1柱至尾部后墙柱中心） 12910mm
锅炉基本设计数据见表1
2 锅炉主要结构特点介绍
2.1 概述
由于用户生产急需，锅炉从设计到运行只有四个月时间，加工周期十分紧张，考虑到以上因素，锅炉在整体布置上并没有采用高压锅炉常用的包墙和屏式过热器结构。炉膛及过热器全部悬吊于锅炉顶板上，省煤器、空气预热器通过支梁支在尾部钢架上，以方便于检修。本锅炉采用的主要热力技术数据均以现行73标准为依据，同时参照国内外同类型锅炉运行的实际经验进行相关数据选取。受压件符合国家有关标准，锅炉主要部件均采用我公司的成熟结构，尽量使其布置合理，性能可靠。
2.2 锅筒及汽水分离装置特点
锅炉采用单锅筒，锅筒内径为1500毫米，材料选用Q345R钢板制造。由于该锅炉所产蒸汽不用于发电，对蒸汽品质要求相对不高，因此在锅筒内部装置的布置上进行了简化，没有布置蒸汽清洗装置，锅筒内装置了20只直径为Φ290毫米的旋风分离器作为一次粗分离，每只旋风分离器负荷约为3.8吨/时。二次分离装置是布置在锅筒顶部的呈“V”形的钢丝网分离器。
锅筒正常水位设置在锅筒中心线下50毫米最高和最低水位距正常水位各为正负75毫米。锅筒通过两个活动锅筒支座支撑在汽包梁上。
2.3 炉膛和膜式水冷壁
燃气锅炉与燃煤锅炉相比不存在高温结焦问题，在保证炉膛水冷壁安全的前提下，燃气锅炉的炉膛整体温度水平可相应提高，炉膛容积可较同等容量的燃煤锅炉小。该炉膛选取5040×4640毫米（按水冷壁中心线）的方形断面，水冷壁管由Φ51（GB6310-2008）的管子及扁钢组焊而成，节距为100毫米，分段分片出厂，现场装配。每个水冷下集箱分别由若干根下降管与锅筒相连。
为了使炉膛四面水冷壁吸热尽量均匀，在炉膛出口处还设有折焰角，折焰角深入炉膛1900毫米，占炉膛深度约38%，有效改善炉内高温烟气的充满度，使炉膛内整体温度水平趋于一致。
为了防止由于天然气燃烧波动引起炉膛压力波动对炉膛安全产生的影响，水冷壁外部周向设有刚性梁，使整个水冷壁组成刚性吊筐结构。每隔3米左右设有一层刚性梁，以增加炉膛的抗爆性，其大小按抵抗8700N/m3的爆炸力设计。水冷壁本身及所属炉墙，均通过水管系统吊挂装置悬吊在顶板上，可以向下自由膨胀。
2.4 燃烧设备
为了保证天然气的燃烧，该锅炉总共设置4台旋流燃烧器，以锅炉中心线为对称线分上下两层布置在炉膛前墙。同时锅炉上还设置有自动点火装置及火焰监控装置。有可靠的点火程序控制和熄火保护装置。并且通过下面一系列功能联锁装置来保证燃气锅炉的安全运行：
（1）全部引风机断电时，自动切断全部送风和燃料供应。（2）全部送风机断电时，自动切断全部燃料供应。（3）燃气压力低于规定值时，自动切断燃气的供应。
2.5 过热器及汽温调节
在过热器的设计上，该锅炉并没有采用以往高温高压锅炉设置屏式过热器的模式，而是采用了纯对流传热形式。过热器由高、中、低温过热器组成，整个过热器分三级布置在炉膛出口的水平烟道内，采用两级喷水减温，分别设在三级过热器中间，饱和蒸汽由饱和蒸汽引出管引入低温过热器进口集箱，经过由Φ32的管子构成的顶棚过热器和低温过热器，蒸汽经一级减温器后经Φ32的管子引入中间过热器，蒸汽经二级减温器后经Φ32的管子引入高温过热器，最后经过汇汽集箱将合格的过热蒸汽引出。
相对于采用屏式过热器复杂的蒸汽流程来说，纯对流过热器整体布置更为简单，同时还避免了屏式过热器结构复杂、易爆管的缺点。为了进一步降低锅炉制造成本，低温过热器管子材料为用20G锅炉管，中间过热器管子材料为12Cr1MoVG合金钢，高温过热器管子材料为12Cr2MoWVTiB合金钢。过热器分级布置减小了合金管材的使用量，有效降低了制造成本。
2.6 省煤器及空气预热器
省煤器蛇形管均由Φ32的20G钢管制成。省煤器蛇形管通过支撑梁将重量传到钢架上。空气预热器亦为单立式布置，烟气走管内，管径为Φ50毫米。为了防止空气预热器在低负荷时发生低温腐蚀，空气预热器管子材质采用考登钢。
空气预热器采用官箱结构，管箱单独支撑在尾部钢架上，可方便地检修。
各级省煤器、预热器间都留有检修空间及相应的门孔便于检修。
2.7 构架、平台
该锅炉所在区域的地震设防烈度为8度，因此该锅炉在构架上做了加强处理。本锅炉炉室部分构架采用4根型钢柱，柱间设有多层横梁相联系，并设有拉条以增加整个构架的抗震性能。
尾部钢架采用4根钢柱，柱间亦有横梁相联系而形成独立的构架，支撑全部空气预热器及省煤器。在锅炉上所有操作、检修、测试门孔处均设有平台，以方便锅炉检修。
2.8 炉墙
锅炉炉膛采用膜式壁结构，大大简化了密封工作量，现场采用简单的敷管炉墙进行保温，水平烟道转向室及尾部竖井烟道炉墙采用轻型护板结构，炉墙由内向外依次为耐火砖、硅酸铝纤维板、保温砖、钢护板，；炉墙通过炉墙拉钩和托砖架分层支撑在尾部框架上，炉墙护板外侧采用全钢护板密封，保证了炉墙的密封效果，有效减小了漏风。
2.9 锅炉安全附件设置
（1）压力表、安全阀的设置
汽包设置2个全量型安全阀PN20 DN75， 2个就地压力表，1个低位压力表；过热器设置1个全量型安全阀P54 14V DN75，2个就地压力表，1个低位压力表
（2）水位控制安全附件设置
锅炉通过设置2个电接点水位表；2个就地水位计；2个平衡容器，具有高水位报警、低水位连锁保护、超压超温报警和联锁保护等功能。实现了锅筒水位的实时监控，保证锅炉给水安全。
3 结束语
该锅炉自2013年5月正式满负荷运行，各项指标均达到设计要求，为用户生产提供了有力的保障。
当今社会，人们环保意识不断增强，清洁能源在生产、生活中所占比例势必越来越大，该锅炉的成功设计，为今后类似燃气锅炉的设计提供了宝贵的经验。
参考文献
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[2]冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌.锅炉原理及计算[M].科学出版社，2003.
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