低溫余熱電站余熱鍋爐受熱面?zhèn)鳠峒安贾脤?duì)發(fā)電能力的影響
2009-07-15 00:00
一、前言
低溫余熱發(fā)電站的熱力設(shè)備主要由余熱鍋爐和汽輪機(jī)組成。鍋爐吸收低溫廢氣中的熱量加熱水并使其轉(zhuǎn)化為一定壓力、溫度的蒸汽，然后引入汽輪機(jī)將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
要提高余熱電站的發(fā)電能力不外乎有兩個(gè)途徑：
1.提高余熱利用率即鍋爐盡可能吸收工藝尾氣中的余熱，增大蒸汽出力；
2.提高熱力系統(tǒng)循化效率。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算及實(shí)踐驗(yàn)證，提高循環(huán)熱效率的措施有如下三點(diǎn)：
?。?）提高汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度即提高鍋爐出口蒸汽溫度；
?。?）提高汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力即提高鍋爐出口蒸汽壓力；
?。?） 降低汽輪機(jī)排壓力。
從上述措施可以看出，除降低汽輪機(jī)排壓力外，其余全部與鍋爐有關(guān)。由于進(jìn)一步降低汽輪機(jī)排壓力技術(shù)難度較大，提高余熱電站的發(fā)電能力必須要在廢氣參數(shù)已定的前提下，將鍋爐設(shè)計(jì)成產(chǎn)汽量最大、蒸汽品質(zhì)最高。
二、余熱鍋爐的傳熱學(xué)基礎(chǔ)
一臺(tái)鍋爐的大小及幾何形狀不僅取決于它所需傳遞熱量的多少，而且決定與他單位面積熱量的傳遞和吸收率。
由于溫度的不同而引起物體間或物體內(nèi)部之間熱量傳遞過(guò)程叫熱交換。大多數(shù)教科書(shū)上都提到三種傳熱方式：對(duì)流、導(dǎo)熱和輻射。這三種傳熱方式包括了許多物理領(lǐng)域，諸如力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)和電學(xué)。
一個(gè)傳熱過(guò)程中通常同時(shí)發(fā)生一種以上的上述傳熱方式。
1. 對(duì)流
流體流過(guò)壁面時(shí)同壁面之間產(chǎn)生的熱量交換稱為對(duì)流換熱或?qū)α鱾鳠?。?duì)流傳熱在鍋爐中應(yīng)用十分廣泛，對(duì)流換熱時(shí)流體與壁面之間的熱交換公式如下：
q=αк(t－tb)
q——單位面積在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)對(duì)流傳遞的熱量, w/m2
αк——對(duì)流放熱系數(shù)，w/(m2·K)
t——流體溫度，℃
tb——壁面溫度，℃
由上式可知，對(duì)流換熱熱量和對(duì)流換熱系數(shù)和流體與壁面的溫差成正比。
對(duì)流換熱系數(shù)是表明換熱過(guò)程強(qiáng)弱的物理量，影響的因素較多，它與流體的質(zhì)量流速、密度、比熱容、粘度、熱導(dǎo)率等因素有關(guān)，其中質(zhì)量流速是最主要的因素。
2. 導(dǎo)熱
導(dǎo)熱是指直接接觸的物體各部分間的熱交換過(guò)程。它可以表示為：
q——單位面積在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的熱量,又稱為熱流密度， w/m2
λ——導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·K)
t1、t2——壁面兩側(cè)的溫度，℃
δ——壁面厚度，m
公式表明熱流密度與溫差成正比，壁面厚度成反比，比例系數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù)，它與材料種類有關(guān)。
3. 輻射
輻射傳熱是一種電磁過(guò)程，是通過(guò)電磁波的形式傳播熱量的，其傳播速度與光速一樣。當(dāng)射到某一物體上時(shí)，它具有反射、穿透、吸收的特性，被物體吸收的部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。物體的輻射能力取決于它的熱力學(xué)溫度，其規(guī)律為：
E=σT4
E——輻射熱流密度， 其含義為單位面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射的熱量，w/m2
σ——黑體輻射總能量的斯蒂芬－玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67 w/(m·K4)
T——物體表面的絕對(duì)溫度，K
在鍋爐中，煙氣和受熱面都向外輻射熱量，兩者輻射熱量的差額即為受熱面的輻射吸熱量，表示為：
q=σm(T14－ T24)
q——單位面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射吸熱量, w/m2
σm——煙氣及受熱面折算輻射常數(shù)，w/(m·K4)
T1、T2——煙氣及受熱面溫度，K
三、傳熱過(guò)程
在工程技術(shù)中，把熱量從熱流體通過(guò)固體壁面?zhèn)鹘o冷流體的過(guò)程稱為傳熱過(guò)程，這種傳熱過(guò)程只通過(guò)一種換熱方式是實(shí)現(xiàn)不了的，常是三種換熱方式的綜合。余熱鍋爐的所有受熱面均是屬于這種傳熱過(guò)程，都是管子外壁受煙氣的沖刷，熱量通過(guò)管子內(nèi)壁傳給管內(nèi)的工質(zhì)。整個(gè)傳熱過(guò)程可以描述為：
Q=K×H×△t
Q——傳熱量, J
H——受熱面積，m2
K——傳熱系數(shù)，w/(m2·K)，
△t——溫壓，℃
1. 傳熱系數(shù)
在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，受熱面管子外表面會(huì)出現(xiàn)積灰，內(nèi)表面可能會(huì)出現(xiàn)氧化層、垢等情況，受熱面管子內(nèi)外側(cè)都增加了額外熱阻，降低了傳熱效果。
應(yīng)用歐姆定律來(lái)比擬，熱流等于溫差除以熱阻。歐姆定律中的電阻就是傳熱系數(shù)的倒數(shù)。所以流體與流體間的傳熱系數(shù)可以表示為：
α1——煙氣對(duì)管壁的放熱系數(shù)；
α2——管壁對(duì)管內(nèi)介質(zhì)的放熱系數(shù)；
灰污層熱阻，稱為沾污系數(shù)，
δз、λэ分別為管子外表面結(jié)灰層的厚度及導(dǎo)熱系數(shù)；
δм、λм￣￣￣￣管子金屬的壁厚及導(dǎo)熱系數(shù)；
δво、λво￣￣￣￣管子內(nèi)表面結(jié)垢層的厚度及導(dǎo)熱系數(shù)；
在一般鍋爐受熱面中，煙氣側(cè)的熱阻
大大超過(guò)管壁金屬的熱阻
，所以管壁金屬的熱阻可以忽略不計(jì)（
）。
大大超過(guò)管壁金屬的熱阻，所以管壁金屬的熱阻可以忽略不計(jì)（）。 在鍋爐正常運(yùn)行情況下，內(nèi)部沉積不應(yīng)引起管子熱阻嚴(yán)重增大，因此管子內(nèi)壁積垢層的熱阻
也可以忽略不計(jì)（
）。
也可以忽略不計(jì)（）。 受熱面管子的傳熱系數(shù)可簡(jiǎn)化為:
α1＝ξ（αк＋αл）
ξ——利用系數(shù)，考慮煙氣沖刷受熱面的均勻度
αк、αл——分別為煙氣對(duì)管壁的對(duì)流放熱系數(shù)和輻射放熱系數(shù)
對(duì)水泥窯余熱鍋爐，由于煙氣溫度較低，而受熱面管子布置較為密集，基本可以忽略輻射傳熱，即αл＝0。當(dāng)計(jì)算管內(nèi)工質(zhì)為水，以及熱強(qiáng)度較小、管內(nèi)工質(zhì)為汽水混合物受熱面時(shí)，因?yàn)?IMG src="http://ccement.com/web/UploadFile/2009715114436652.jpg" border=0>，管子內(nèi)側(cè)的熱阻可以忽略不計(jì)。具體到水泥窯余熱鍋爐的蒸發(fā)器、省煤器、熱水器的傳熱系：
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從上面公式可以看出，要提高傳熱系數(shù)，有兩條途徑：
一是提高對(duì)流換熱系數(shù)，對(duì)一臺(tái)特定的鍋爐而言，煙氣成分及工質(zhì)已確定，可以通過(guò)提高流體沖刷受熱面的速度來(lái)提高對(duì)流換熱系數(shù)，但煙氣速度受限于受熱面布置形式等結(jié)構(gòu)因素以及由此而加重受熱面磨損和煙氣阻力增大后果，所以煙氣速度的選取原則不是最大，而是綜合設(shè)備結(jié)構(gòu)、煙氣阻力等因素的一個(gè)合理選擇。
二是降低沾污系數(shù)也即減小受熱面管子外壁的積灰厚度，通過(guò)采用合理的結(jié)構(gòu)形式以及通過(guò)清灰裝置進(jìn)行清灰，可有效減少受熱面積灰。但對(duì)于結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)行模式一定的鍋爐而言，受熱面的積灰一般來(lái)講是隨時(shí)間推移而加劇的。對(duì)于水泥窯余熱鍋AQC爐，由于廢氣中含塵量較小，受熱面均采用錯(cuò)列布置的螺旋翅片管，未設(shè)清灰裝置；SP爐由于廢氣中含塵量較大，受熱面均采用順列布置的光管，設(shè)振打清灰裝置。由于這些特點(diǎn)，可以肯定水泥窯余熱鍋AQC爐、SP爐受熱面總