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一种大型燃煤热水锅炉的开发过程
李俊东 天津市锅炉总厂
关键词：大型、燃煤热水锅炉、水管、水火管、上置锅壳、下置锅壳、安全性、经济性、可维修性、燃煤热水锅炉不同于蒸汽锅炉的特点、低温粘结灰、低温腐蚀、综合性能水平
近年来，我国集中供热事业发展迅速，为集中供热工程提供热源的大型热水锅炉的需求量逐年增加，并呈现出以层燃燃煤热水锅炉为主、单机容量越来越向大型化发展的趋势。层燃燃煤热水锅炉的最大单机容量已发展到58MW（64MW），炉型既有水管结构的、也有水火管结构的。以29MW锅炉为例，水管结构炉型既有在传统蒸汽炉型基础上开发的DHL、SHL型锅炉；也有引进国外技术开发的SZL（奥炉）及角管式锅炉等。水火管结构炉型有上置单锅壳或上置多锅壳锅炉。这些产品的相继投入运行，为后期开发大型层燃燃煤热水锅炉提供了众多的宝贵经验，使人们对大型层燃燃煤热水锅炉的特点及运行现状都有了更深入的认识，才使其性能得到进一步提高和完善。
1 认识大型层燃燃煤热水锅炉特点及开发中遇到的一些问题
1.1热水锅炉其工质为单项流体，具有温度水平低、工质出/进口温差小、循环流量大等特点。我国热水锅炉其工质出/进口温度一般设计为150/90、130/70、115/70、95/70℃等几种参数，工质平均温度分别为120、100、92.5、82.5℃。而实际运行时工质进/出口温度及工质平均温度较设计值还要低很多。当系统不设换热站而由锅炉直接向用户供热时工质出水温度一般在90℃以下，大部分时间在60-70℃以下；当系统设有换热站，锅炉不直接向用户供热时，工质出水温度一般在110℃以下，大部分时间在90-100℃以下。工质温度水平低这一特点反应在受热面沾污形式、受热面腐蚀及传热温压等方面与蒸汽锅炉有明显的区别。
1.1.1燃煤热水锅炉几乎在所有本体受热面上都结有低温粘结灰、所有本体受热面都有发生低温腐蚀的可能，但本体受热面一般不会因低温腐蚀造成事故。
如何防止锅炉尾部受热面低温腐蚀及堵灰现象，是锅炉设计者非常重视的问题。研究表明，燃料中的S燃烧后要生成SO2、在富氧的情况下少量（≤3%）SO2要转换成SO3，SO3在烟气温度低于500℃（有的资料认为低于250℃）时与烟气中的水蒸汽反应产生H2SO4蒸汽，H2SO4蒸汽在低于烟气中酸的露点温度的金属表面上结露，形成H2SO4溶液。由于热水锅炉工质温度水平低，这样即使在高温对流受热面，甚至对于炉膛辐射受热面都会同时存在受热面壁温
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低于酸的露点温度及受热面周边小范围内烟气温度低于500℃（或250℃）的条件。因此热水锅炉烟气中的SO3从高温对流受热面，甚至从炉膛辐射受热面上就开始在管子周边的烟气中与水蒸气反应生成少量H2SO4蒸汽，并且H2SO4蒸汽边产生边在管壁上结露形成H2SO4溶液。到达锅炉尾部时，大部分（甚至全部）SO3已被消耗掉，所以即使一些锅炉采取低温运行方式，甚至使排烟温度降到酸的露点温度以下也不会形成大量的H2SO4溶液在部分低温受热面上沉积的情况。受热面上形成的H2SO4溶液主要与受热面上粘附的碱性灰反应生成低温粘结灰，与金属反应的量很小，甚至不反应。一般情况下，绝大部分H2SO4溶液与碱性灰反应时被碱性灰所消耗，所以其对受热面金属的腐蚀会大大减弱，这对于燃煤热水锅炉（有碱性灰存在）减轻受热面金属腐蚀效果特别明显。
研究同时表明当受热面壁温低于烟气中水的露点温度时（约45℃左右），烟气中的水蒸汽会在金属壁面上凝结，并与烟气中大量的SO2反应生成H2SO3。大量的H2SO3溶液会与碱性灰反应也与金属反应（针对大量的H2SO3溶液，碱性灰对H2SO3溶液的消耗量很小），因而造成壁面粘污和腐蚀。但是对于锅炉本体受热面即使一些锅炉采取低温运行方式或低负荷运行时，壁温也不会出现低于烟气中水的露点温度的情况，而对于空气预热器的低温段则必然存在壁温低于烟气中水的露点温度的情况，此时才有可能发生较严重的低温腐蚀和堵灰现象。
以上研究表明SO3在热水锅炉中的行为与在蒸汽锅炉中的行为有着明显的不同，因为在蒸汽锅炉中工质温度高（如设计压力0.4Mpa的蒸汽锅炉,其饱和温度已达151℃），这样在大量的本体受热面上只存在受热面周边小范围内烟气温度低于500℃（或250℃）的条件，但不存在壁温低于酸露点温度的条件。只有到了省煤器的低温段及空气预热器的低温段，才会遇到壁温低于酸露点温度的条件，H2SO4蒸汽才在这部分受热面上结露。此时H2SO4蒸汽在烟气中已经积累到了较高浓度，这部分受热面上的单位面积结露H2SO4溶液量大，会形成大量的H2SO4溶液在部分低温受热面上沉积的情况。与碱性灰反应所消耗的H2SO4溶液已不是绝大多数，所以其对减轻这部分受热面的金属腐蚀效果已不在明显。因此，蒸汽锅炉省煤器的低温段及空气预热器的低温段才都可能发生较严重的低温腐蚀和堵灰现象。
1.1.2热水锅炉的工质温度水平低、传热温压大，设计合理时，高温热水锅炉同样不需要设置空气预热器即可将排烟温度降至理想值。
1.2大型热水锅炉的工质直接进入热网参与循环，既有直接进入最终用户的直供式循环，也有只进入换热站的间供式循环。但不论那种循环方式，热网中的水渣、水垢及其它杂质都有机会随循环水进入锅炉，并在锅炉中水速低的地方沉积下来。大型热水锅炉的运行压力也与热网同时定压，大多靠热网的定压系统来维持。这样受系统其它设备许用压力及考虑可能发生的突然停电事故等因素，热水锅炉的运行压力一般也远低于锅炉的设计压力。大型热水锅炉的设计压力通常有1.0、1.25、1.6Mpa，而锅炉的实际运行压力只有0.5-0.6Mpa，甚至更低。
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1.2.1热网中的水渣、水垢及其它杂质随循环水进入锅炉的同时，锅炉受热面也会产生一些水渣、水垢。对水管结构锅炉会在锅筒、集箱、甚至水速低的受热管中沉积下来。对上置锅壳的水火管结构锅炉，当锅炉回水首先全部进入上锅壳时，这些杂质几乎会全部沉积在锅壳内；当锅炉回水同时进入锅壳和集箱时会在锅壳、集箱、甚至水速低的受热管中沉积下来。这些沉积水渣、水垢及其它杂质的部位一旦外部受到高温加热，就有可能发生锅筒、锅壳鼓包，水管爆管等水循环事故；沉积在集箱内的水渣、水垢及其它杂质还会加剧该回路的集箱效应，导致集箱效应引起的水循环事故。
1.2.2热水锅炉的低压运行，对于炉膛及高温对流受热面采用自然循环的热水锅炉存在较大的安全隐患。研究表明热水锅炉水管受热面的最低安全水速与受热面的热流密度、管子的内径、水质、水温及运行压力等因素有关。JB/T8659-1997《热水锅炉水动力计算方法》中给出的最低安全水速的表明，锅炉运行压力对最低安全水速值有较大影响。如对于管子内径为Ф54mm、热流密度为105kw/m的除氧水，水温130℃时，运行压力为设计值1.6Mpa时，最低安全水速为0.14m/s；而运行压力降低到1.0Mpa时，最低安全水速则需要0.21 m/s；运行压力进一步降低到0.6Mpa时，最低安全水速则要提高到0.38 m/s才能保证锅炉安全运行，对于未除氧水相应的最低安全水速还要高一些。自然循环热水锅炉由于靠进出口水的密度差为水循环提供的动力值偏小，一般循环水速偏低有的甚至还低于相应的最低安全水速值。这样对于自然循环热水锅炉运行压力低于设计压力值越多，发生水循环事故的可能性越大。对于强制循环热水锅炉，循环动力来自水泵，设计水速一般较最低安全水速高很多，即便运行压力降低到0.5-0.6Mpa也不会低于最低安全水速。
1.3 大型热水锅炉实际运行时，工质同小型锅炉一样大多采取大流量、小温差的运行方式。这一方面会加大1.2条所提到的杂质夹带，同时还会增大锅炉循环水泵的运行电耗,对于设计水阻力较大的炉型还可能会影响供热效果。另一方面又会使热水锅炉的强制循环部分的水循环更加安全，但对热水锅炉的自然循环部分的水循环安全有不利影响。
1.3.1 循环流量的增加会使锅炉的水阻力大幅升高。研究表明对于同一台热水锅炉，阻力值至少与水速的平方成正比，而水速又与循环流量成正比，所以锅炉的水阻力至少与循环流量的平方成正比。对于一个58MW热水锅炉额定循环流量为817m/h，不同炉型的设计水阻力范围一般在0.03-0.25Mpa,如果供暖需要循环流量增加到1226m/h(增加0.5倍)会使锅炉的水阻力增加到设计值的2.25倍,达到0.0675-0.5625Mpa。流量和阻力的增加都会加大循环水泵的运行电耗,对于设计水阻力值高的炉型循环水泵的运行电耗增加的更为显著。即便循环流量不增加，对于不同炉型由于水阻力，水泵的运行电耗也会相差很大。
1.3.2 热水锅炉的强制循环部分，由于循环流量增加使循环水速加大，水循环更加安全。但对热水锅炉的自然循环部分，由于进回水温差减小使循环动力减弱，对水循环安全有不利影响。
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1.4 大型燃煤热水锅炉实际运行时，煤种同样存在着变化范围大,甚至会超出某一拱型对煤种的适用范围。
1.5 大型燃煤热水锅炉实际运行时，排烟温度同样存在着因低温粘结灰逐年增厚而升高的问题。
1.6 相当多的用户运行条件达不到相关标准的要求，尤其在水质方面，出现了多起因水质差等用户运行原因造成的锅炉运行事故。
1.7 大型燃煤热水锅炉的检修性能，尤其是运行期间发生事故后的抢修性能以及检修费用，正在越来越受到用户的重视。
1.8 大型燃煤热水锅炉一般建在城镇内，对环保要求高，对排烟的除尘、脱硫处理，尤其烟气脱硫常采用湿法进行。这样引风机要处理的烟气的温度要比锅炉出口处低很多，同时烟气成分中增加了一些水蒸气。
1.9 大型燃煤热水锅炉负荷调节范围大、相当长时间处于低负荷运行。
2 对现有大型水管燃煤热水锅炉的性能分析
2.1 安全性能：水管结构的大型燃煤热水锅炉大多有同形式的蒸汽锅炉为基础，炉墙、钢架等部分的结构安全容易保证。锅炉受压件部分的安全性能，重点要考虑的是水循环方面的安全。目前水管结构锅炉大多采用强制水循环方式，即便是少数水管锅炉采用了自然循环方式，大多也只是炉膛水冷壁部分采用了自然循环，而对流受热面部分仍然采用强制水循环方式。由于水管结构锅炉的受热面均为水管结构，水管受热面量大，循环回路多、结构较复杂，一旦出现本文1. 2条的情况，就有发生水循环事故的可能，实际运行时也有过爆管、蛇行管氧腐蚀等水循环事故的发生。设有空气预热器的大型燃煤热水锅炉，烟气中的SO2还可能对其低温段造成低温腐蚀事故。设有上锅筒的，且停电后炉膛水冷壁部分可实现自然循环的水管结构锅炉（不论正常运行时为自然循环还是强制循环），也有很好的停电保护性能好，但处理停电事故的操作一般较复杂。
2.2 检修及抢修性能：水管结构的大型燃煤热水锅炉的炉膛部分具有很好的检修及抢修性能，但当水冷壁管采用膜式壁结构时，尤其是将对流受热面也包裹在膜式壁内时，检修及抢修性能变坏。对流受热面部分由于都采用密集排布的水管受热面形式，如蛇行管结构、上下锅筒间布置的锅炉管束结构、在多个上下集箱间布置的锅炉管束结构等形式。这些密集排布的水管受热面形式的共同特点是常规的锅炉检查甚至是发生事故后的事故检查，均无法对管排中间的部分进行有效检查，维修时更无法直接对管排中间的部分进行维修，需要更换中间的管排部分时，往往要将外部未发生事故的部分同时更换。这使其检修尤其是抢修性能受到了很大影响。炉墙及钢架部分尽管可以借用同型号蒸汽锅炉的结构，但相对较为复杂。
2.3 经济性能：水管结构的大型燃煤热水锅炉的外形尺寸相对较大，造成锅炉房基建项
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