李之光 傅友紅 梁耀東 徐 甫 劉 峰 王葉福 北京盛昌鍋爐公司

我國(guó)數(shù)量最多的水管鍋爐、水火管鍋爐與內(nèi)燃式火管鍋爐三種工業(yè)鍋爐系列中，“除水火管鍋爐具有中國(guó)特色外，其它不管是水管鍋爐還是內(nèi)燃式鍋爐，其基本型式與國(guó)際上流行的型式大同小異。目前仍占相當(dāng)大比例的水火管鍋爐，經(jīng)過(guò)研究改善技術(shù)進(jìn)一步完善，仍將是我國(guó)工業(yè)鍋爐的主要型式之一”[1]。

完全由國(guó)人自行開(kāi)發(fā)的始創(chuàng)1965年的水火管鍋爐，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)變革、技術(shù)完善，現(xiàn)已出現(xiàn)第三代產(chǎn)品——組合螺紋煙管鍋爐。

1 組合螺紋煙管鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

組合螺紋煙管鍋爐僅由爐膛輻射受熱面與螺紋煙管筒對(duì)流受熱面兩部分組成。它與新型水火管鍋殼鍋爐的重要區(qū)別是用多個(gè)小直徑煙管筒代替大直徑含煙管的鍋殼。螺紋煙管筒對(duì)流受熱面明顯區(qū)別于目前水管鍋爐常用的對(duì)流受熱面（排管式、蛇形管式、鰭片U形管式等)。

1.1 熱水型

29MW組合螺紋煙管熱水鍋爐（ZLL29-1.0/115/70）總圖，如圖1所示。

圖1 29MW組合螺紋煙管熱水鍋爐結(jié)構(gòu)

29MW組合螺紋煙管熱水鍋爐水動(dòng)力系統(tǒng)（各種容量熱水型皆相同)，如圖2所示。供熱系統(tǒng)回水進(jìn)入各煙管筒下部，向上強(qiáng)制流動(dòng)并匯集進(jìn)入鍋筒內(nèi)的進(jìn)水分配管，經(jīng)噴口與被引射的鍋水一并進(jìn)入爐膛各回路下降管以提高上升管水速。熱水由鍋筒頂部進(jìn)入供熱系統(tǒng)。

圖2 組合螺紋煙管熱水鍋爐水動(dòng)力系統(tǒng)示意圖

29MW組合螺紋煙管鍋爐爐膛內(nèi)除水冷壁、前后拱管、后墻管外，還在爐膛后部設(shè)置2排稀疏水排管，使?fàn)t膛出口煙溫降至約900℃。鍋爐折算蒸發(fā)率高達(dá)49(kg/h)折算/m2。鋼耗：受壓件43.1t，結(jié)構(gòu)件16.4t，總計(jì)59.5t，與參數(shù)相同的其它爐型相比，鍋爐鋼耗最少。鍋爐高度（至鍋筒出口法蘭）明顯偏低——僅為7.865m。

爐膛空間較大，也適于燃燒生物質(zhì)與油-氣；生物質(zhì)燃燒易結(jié)渣，煙管便于清理。

高溫?zé)煿芡玻?300×10mm，高度3500mm，每個(gè)重量3.6t，共5個(gè)；低溫?zé)煿芡?，?000×10mm，高度3500mm，每個(gè)重量2.13t，共6個(gè)。

ZLL29-1.0/115/70-AⅡ型組合螺紋煙管鍋爐能效測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

環(huán)保測(cè)試結(jié)果：煙氣黑度(林格曼級(jí))＜1，煙塵排放濃度49.5mg/m3，二氧化硫排放濃度32.4mg/m3。

測(cè)試結(jié)果，各項(xiàng)性能皆達(dá)到或優(yōu)于有關(guān)規(guī)范要求。

已設(shè)計(jì)的70MW組合螺紋煙管熱水鍋爐結(jié)構(gòu)型式與29MW組合螺紋煙管鍋爐基本相同。

高溫?zé)煿芡?，?700×10mm，高度3600mm，每個(gè)重量6.9t，共6個(gè)；低溫?zé)煿芡玻?400×10mm，高度5000mm，每個(gè)重量6.56t，共7個(gè)。

表1 ZLL29-1.0/115/70- AⅡ組合螺紋煙管鍋爐能效測(cè)試結(jié)果

受壓件115.0t，結(jié)構(gòu)件38.0t，總計(jì)153.0t，與參數(shù)相同的其它爐型相比，本型鍋爐鋼耗最少。

鍋爐高度（至鍋筒出口法蘭）明顯偏低——僅約11m，鍋爐長(zhǎng)度比同容量一般水管鍋爐略短；鍋爐寬度與各種同容量鍋爐大致相同。

1.2 蒸汽型

已投運(yùn)的10t/h組合螺紋煙管蒸汽鍋爐,如圖3所示。

圖3 10t/h蒸汽型組合螺紋煙管鍋爐結(jié)構(gòu)

10t/h組合螺紋煙管蒸汽鍋爐的鍋內(nèi)設(shè)備，如圖4所示，各種容量組合螺紋煙管蒸汽鍋爐皆采用這種簡(jiǎn)易高效汽水分離設(shè)備。

圖4 簡(jiǎn)易高效汽水分離設(shè)備示意圖

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

1）蒸發(fā)筒汽水混合物引出管進(jìn)入鍋筒后封頭水位以下，向前延伸至鍋筒前部，變?yōu)樗露嗫坠?。鍋爐水冷壁前部與蒸發(fā)筒的產(chǎn)氣量之和約占鍋爐總蒸發(fā)量的80%，蒸汽在向后水平運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行有效重力分離，試驗(yàn)證實(shí)可獲得濕度頗低的蒸汽[2、3]。

2）省煤器筒出口的 水引入鍋筒后部水下，利用給水的欠熱使水位有效降低[2]，增加汽空間高度；也減少外部管路長(zhǎng)度。

3）蒸汽由水位最低的鍋筒后部經(jīng)蒸汽引出罩引出。

2 組合螺紋煙管鍋爐的性能特點(diǎn)

這種新開(kāi)發(fā)的工業(yè)鍋爐具有以下兩大突出優(yōu)點(diǎn)與其它一些性能特點(diǎn)。

2.1 兩大突出優(yōu)點(diǎn)

● 2.1.1 鋼材消耗明顯下降

由于采用高效傳熱螺紋煙管、自身支撐結(jié)構(gòu)等措施，并經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，受熱面分配合理、水流程合理，鋼耗顯著下降。

鋼水比是鍋爐的重要性能指標(biāo)，一些代表性鍋爐的鋼耗與鋼水比見(jiàn)表2。

● 2.1.2 制造、運(yùn)輸、安裝明顯簡(jiǎn)便

鍋爐對(duì)流受熱面由較小直徑較短螺紋煙管筒組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于組合集成，單件最大重量顯著減小，制造、運(yùn)輸、安裝明顯優(yōu)于新型水火管鍋殼鍋爐，更優(yōu)于其它爐型。

2.2 其它性能特點(diǎn)

● 2.2.1 容量與壓力不受限制

采用較小直徑組合螺紋煙管筒，鍋爐容量與壓力參數(shù)可明顯增大與提高。

● 2.2.2 大容量鍋爐高度明顯低于其它爐型

已設(shè)計(jì)的58MW組合螺紋煙管鍋爐的高度僅10m（至鍋筒出口法蘭)，比同容量新型水火管鍋殼鍋爐約低2m，而大容量新型水火管鍋殼鍋爐與同容量其它型鍋爐相比，是明顯偏低的。

已設(shè)計(jì)的70MW組合螺紋煙管鍋爐的鍋爐高度僅11m（至鍋筒出口法蘭)。

已設(shè)計(jì)的116MW組合螺紋煙管鍋爐的高度僅12m（至鍋筒出口法蘭)，甚至比29MW單橫鍋筒水管鍋爐還低2.5m。

大容量組合螺紋煙管鍋爐高度明顯偏低，給鍋爐房建筑投資帶來(lái)相當(dāng)大的效益。

● 2.2.3 安全可靠性充分保證

1）此型鍋爐的煙管筒直徑明顯小于鍋殼，煙管筒又立置，則高溫管板易于可靠絕熱，一般不存在高溫管板開(kāi)裂問(wèn)題。

表2 各種鍋爐的鋼耗與鋼水比對(duì)比

2）因螺紋煙管筒直徑較小且為立式布置，下部積垢區(qū)域較小，有利于排污。螺紋煙管筒的下部煙溫不超過(guò)350℃，即使下管板內(nèi)壁積存污物，管板也不可能產(chǎn)生裂紋。

3）此鍋爐采用回水引射技術(shù)，不僅保證了正常運(yùn)行時(shí)的安全水速，也具有停電自身保護(hù)功能。

● 2.2.4 磨損、積灰的可能性減小

1）爐膛空間較大，煙氣中灰塵重力沉降效果顯著，從而減小煙管磨損的可能性。

2）煙管雙回程使各回程的煙氣出入溫度差值不很大，煙氣速度的差值也不很大，有利于防止入口磨損與出口積灰。

● 2.2.5 鍋爐熱效率有所提高

螺紋煙管筒的漏風(fēng)量小于水管鍋爐尾部受熱面，排煙熱損失減小；螺紋煙管筒的筒外壁溫較低，散熱損失下降，則鍋爐熱效率有一定提高。

● 2.2.6 鍋爐原始排塵濃度有所降低

鍋爐除爐拱上部大空間重力沉降灰塵以外，又增加組合煙管筒下部煙氣180°轉(zhuǎn)彎慣性離心分離灰塵，運(yùn)行表明，效果顯著，鍋爐原始排塵濃度明顯降低。

● 2.2.7 因螺紋煙管筒數(shù)量較多而帶來(lái)的缺點(diǎn)

1）因煙管筒焊縫總長(zhǎng)度增加，探傷工作量增大；

2）排污閥門(mén)與排污管路增多。

3 螺紋煙管筒及其安全可靠性

螺紋煙管筒如圖5所示，是組合螺紋煙管鍋爐的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，可利用新型水火管鍋殼鍋爐三十年來(lái)所積累的螺紋煙管實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并做必要的理論與計(jì)算分析來(lái)充分發(fā)揮其熱力特性?xún)?yōu)點(diǎn)，并確保其安全可靠運(yùn)行。

圖5 螺紋煙管筒示意圖

3.1 高溫管板入口管端可靠性

組合螺紋煙管鍋爐高溫?zé)煿芡踩肟跓煖夭怀^(guò)950℃。而臥式內(nèi)燃鍋爐高溫管板入口煙溫（回?zé)熓覝囟龋﹪?guó)內(nèi)外一般為1000～1100℃或更高，盡管管板外壁未鋪設(shè)耐火隔熱層，當(dāng)管端結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足鍋爐強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求[4]，而且鍋水水質(zhì)也滿(mǎn)足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，管板長(zhǎng)期運(yùn)行安全可靠。但是，由于我國(guó)目前一些工廠的工藝與質(zhì)檢欠佳，對(duì)于高溫?zé)煿芡驳娜肟诠芏?，不得不采取以下補(bǔ)充防范措施（設(shè)第二道防線(xiàn))。

實(shí)踐證實(shí)，高溫管板外壁鋪設(shè)耐火隔熱層是保護(hù)管板頗為有效的措施。高溫?zé)煿芡驳纳喜繛樗焦馨?，很易鋪設(shè)耐火隔熱層。計(jì)算分析表明，隔熱層厚度30～50mm已足夠，并利用1～2mm厚，100～150mm長(zhǎng)的1000℃耐熱鋼套管或耐熱陶瓷套管，由隔熱層入口插入煙管內(nèi)壁，用以保護(hù)煙管入口段，也使隔熱層各孔的邊緣不可能脫落。

3.2 立式煙管筒上部形成氣（汽）墊的可能性

熱水型：按相似原理建立的煙管筒模型試驗(yàn)[5、6]表明：煙管筒上水時(shí)，無(wú)論上水速度快慢，筒內(nèi)空氣皆能由上部的出水管順利排出；試驗(yàn)還表明，水中含有小氣泡時(shí)，皆能隨水排出，因而，不可能在管板之下形成氣墊。

蒸汽型：多種模型試驗(yàn)觀察表明，低壓鍋爐汽水混合物的向上沖力與擾動(dòng)性頗大。只要引出管不伸出管板內(nèi)壁，煙管各處產(chǎn)生的汽水混合物必然沖向煙管筒上部并由引出管排出，不存在汽水分離條件，不可能形成汽(氣)墊。

3.3 各煙管筒流量分配問(wèn)題

熱水型高溫?zé)煿芡才c低溫?zé)煿芡矁膳胖g的流量分配應(yīng)與吸熱量相匹配，以保證兩排的出口水溫偏差不大；每排煙管筒之間的流量分配亦應(yīng)盡量均勻，以使每排中各煙管筒之間的出水溫度偏差也不大。所有組合螺紋煙管筒的水溫偏差不宜超過(guò)10℃。

3.4 高溫?zé)煿芡簿植糠序v與過(guò)冷沸騰問(wèn)題

煙管筒內(nèi)壁與煙管束外圈之間存在“邊緣通路”（見(jiàn)圖5），如其中旁通的水量（基本不加熱）過(guò)多，則煙管束的流量必然過(guò)小，上部可能產(chǎn)生沸騰。另外，煙管入口區(qū)段因其中煙速較高，對(duì)流換熱較強(qiáng)，且有一定輻射換熱，即使總體未沸騰，如水流速過(guò)低也可能產(chǎn)生壁面過(guò)冷沸騰現(xiàn)象。相似規(guī)律的模型試驗(yàn)表明，克服短路及提高水速的有效措施是，在煙管筒邊緣通路設(shè)置隔板，迫使大部分水流進(jìn)入煙管束上部并使水流橫向沖刷煙管束，上述問(wèn)題即得以解決。

3.5 低溫?zé)煿芡?省煤器)不設(shè)置再循環(huán)管問(wèn)題

碳鋼受壓件壁溫的許用值各國(guó)有關(guān)規(guī)程皆規(guī)定約為500℃，因?yàn)槌^(guò)500～550℃有可能氧化起皮、蠕變變形。

不同鍋爐省煤器在尾部煙道的位置不同。如省煤器在額定負(fù)荷條件下的煙溫不超過(guò)500℃，鍋爐啟動(dòng)點(diǎn)火時(shí)的煙溫會(huì)低于500℃。即使省煤器介質(zhì)于點(diǎn)火時(shí)全部燒干，其壁溫也不會(huì)超過(guò)500℃，不可能燒壞。因此，低溫?zé)煿芡玻ㄊ∶浩鳎o(wú)需設(shè)置再循環(huán)管。

3.6 煙管外壁結(jié)垢問(wèn)題

任何鍋爐的補(bǔ)充水皆應(yīng)按相關(guān)規(guī)程要求進(jìn)行水處理（過(guò)濾、除硬度、除氧等)，以防結(jié)垢、氧化、腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

因不除硬度引起水冷壁爆管、管板開(kāi)裂等事故在我國(guó)至今未能完全杜絕。為防止煙管筒的煙管外壁結(jié)垢，與其它鍋爐受熱件一樣，也要求保證水質(zhì)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，并對(duì)其進(jìn)行經(jīng)常性檢查。

鍋殼鍋爐煙管束的內(nèi)部無(wú)法觀察與接觸到，當(dāng)煙管為錯(cuò)排布置時(shí)尤其如是。一般是通過(guò)人孔進(jìn)入鍋殼內(nèi)部，觀察管板附近煙管束的外圈煙管狀態(tài)，由于其內(nèi)部情況與此基本相同，則煙管束的內(nèi)部情況也就間接得知。 組合螺紋煙管鍋爐的煙管筒不可能設(shè)置人孔，僅設(shè)置檢查、清洗孔（見(jiàn)圖5)，同樣可觀察到煙管束的外圈煙管狀態(tài)。螺紋煙管筒不是鍋殼，不必滿(mǎn)足鍋殼鍋爐對(duì)鍋殼內(nèi)徑大于1000mm應(yīng)設(shè)置人孔的要求。

3.7 煙管外壁氧化腐蝕問(wèn)題

低溫?zé)煿芡玻ㄊ∶浩鳎榱⑹讲贾茫缃o水不除氧，受熱析出的極少量氣泡會(huì)隨水一并流向引出管，因而實(shí)踐表明煙管氧化現(xiàn)象一般不易發(fā)生。當(dāng)然，有關(guān)規(guī)程對(duì)大容量鍋爐除氧的要求，應(yīng)認(rèn)真執(zhí)行。

3.8 煙管內(nèi)壁積灰與結(jié)渣問(wèn)題

鍋爐調(diào)試期間，可能遇到很低負(fù)荷，鍋爐也有可能在低于一半負(fù)荷下運(yùn)行，此時(shí)由于煙管筒后部煙速較低（小于5～6m），會(huì)逐漸積灰。燃燒生物質(zhì)時(shí)，也可能于高溫?zé)煿芡驳臒煔馊肟谔幗Y(jié)渣。在上述情況下，可利用正對(duì)煙管筒上部的檢查孔與進(jìn)入煙管筒下部的煙氣轉(zhuǎn)向室進(jìn)行清理。如不清除積灰，額定負(fù)荷下的排煙溫度可能會(huì)明顯升高。

3.9 煙管入口磨損問(wèn)題

高溫?zé)煿芡驳臒煔馊肟谔師熕佥^高，當(dāng)灰的硬度偏高，又經(jīng)常在滿(mǎn)負(fù)荷條件下運(yùn)行時(shí)，煙管入口處有可能磨損?？筛鼡Q有磨損跡象的耐熱鋼套管；如采用耐熱陶瓷套管，不可能明顯磨損。

3.10 煙管內(nèi)壁露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題

任何一種受熱面的壁溫皆趨向于放熱系數(shù)較大的介質(zhì)溫度。由于鍋水放熱系數(shù)要比煙氣放熱系數(shù)大數(shù)十倍，則壁溫頗接近水溫，計(jì)算表明：壁溫僅高出水溫幾度。

大量新型水火管鍋殼鍋爐運(yùn)行近三十年，大部分熱水鍋爐的額定出水/回水溫度為95/70℃，而實(shí)際運(yùn)行各偏低10～20℃，則鍋殼中煙管束下部運(yùn)行水溫也較低，不超過(guò)50～60℃，煙管壁溫也基本如此。但一般皆未發(fā)現(xiàn)煙管尾部低溫?zé)煔饴饵c(diǎn)腐蝕問(wèn)題。

以上情況與我國(guó)鍋爐用燃料的含硫量偏低有關(guān)——目前，由于環(huán)保的限制，煙煤一般皆為低硫煤（大部分含硫量Sar約為0.5%～1.5%)，天然氣、生物質(zhì)的含硫量更是低得多。煙管壁溫為50～60℃，壁面無(wú)疑已具備結(jié)露條件，但煙氣溫度在150℃以上，且有一定速度的煙氣沖刷壁面，也不會(huì)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。

組合螺紋煙管熱水鍋爐，回水一般直接進(jìn)入高溫?zé)煿芡才c低溫?zé)煿芡驳南虏?，回水溫度略低于鍋殼鍋爐鍋殼底部水溫（約低10℃)；組合螺紋煙管蒸汽鍋爐，低溫螺紋煙管筒為省煤器，給水進(jìn)入底部，如給水溫度較低時(shí)，煙管壁溫也較低。但水溫低的上述部位的煙溫較高（約350℃)。因此，無(wú)必要采取專(zhuān)門(mén)措施防止產(chǎn)生煙氣露點(diǎn)腐蝕。

1 王善武.中國(guó)工業(yè)鍋爐節(jié)能減排面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)策建議.第三屆中國(guó)工業(yè)鍋爐節(jié)能減排國(guó)際論壇會(huì)議資料,2013

2 李之光,等.工業(yè)鍋爐現(xiàn)代設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā).北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011

3 李志宏,劉復(fù)田,李之光等.新型水火管蒸汽鍋爐汽水分離特點(diǎn)與效果.工業(yè)鍋爐,2010,(6):25 ~27

4 李之光.鍋爐強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè)(增訂版).北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008

5 李之光.相似理論與?；?理論及實(shí)用).北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1982

6 梁耀東、李之光,等.組合螺紋煙管鍋爐煙管筒水動(dòng)力模型試驗(yàn)總結(jié),北京盛昌鍋爐公司,2012