CN103697452B - 一种柔性工业锅炉及其运行方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性工业锅炉及其运行方法，属于燃烧设备技术领域。该工业锅炉由炉排、前拱、后拱、高温过热器、低温过热器、对流管束、省煤器和空气预热器构成。在燃烧侧设置有可调中拱、可调折焰墙；在换热侧，过热器、省煤器和空气预热器均设置有并行管路。其运行方法为：调整可调中拱和折焰墙的角度，改变火焰的位置和烟气流向；调整受热面的并行管路阀门开度，以改变受热面内工质流量，使燃烧和换热过程具有柔性特点。该锅炉特别适合用户对蒸汽或者热水负荷需求有较大变化的工业场合，本发明的柔性工业锅炉可作为工业柔性系统中的柔性动力源设备。

Description

一种柔性工业锅炉及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种燃烧设备，尤其涉及一种柔性的层燃燃烧设备，特别适合用户对蒸汽或者热水负荷以及品种的需求随市场需求、季节、工艺产用汽设备可用性等条件变化而有较大变化的工业场合，本发明的柔性工业锅炉是工业柔性系统中的柔性动力源设备。

背景技术

工业锅炉广泛应用于供热、供蒸汽等过程中，由于用户对蒸汽或者热水负荷以及品种的需求随市场需求、季节、工艺产用汽设备可用性等条件在相当大范围内变化，传统的刚性设计在现实应用中正面临着挑战，对工业锅炉进行柔性设计势在必行。为了满足工业用户灵活的需求,优化的工业锅炉及系统设计，决不可能仅是对于给定生产状况及热负荷条件下的定态设计。相反,优化的设计,不仅要在各种变化工况下达到汽、热最优生产量的要求，而且能在各种供汽、热负荷下都有尽可能高的环保性和经济性,即所谓的“柔性设计”(罗向龙，华贲.炼油企业蒸汽动力系统柔性设计方法研究.炼油技术与工程.2009，39(1)：45-49.)。

“柔性”是指一种灵活性，它反映当前设计对未来操作的限制程度，即当前设计导致的未来操作的可行空间的大小。根据柔性的概念，设计的柔性可体现在如下三方面：(1)确定系统中有哪些可变或者可调因素；(2)在运行时如何调整这些可变因素；(3)如何保证刚性因素不变。目前，国内大部分工业锅炉的设计都是按照锅炉在额定的设计条件下蒸汽或者热水的需求来进行的，对各种条件的变化通过引入安全设计系数来处理，仅靠经验引入安全系数的方法具有一定盲目性。过大的基本设计负荷造成投资的浪费、设备效率降低和成本的增加，过小则缺乏操作柔性，不能保证操作安全。柔性设计是涉及到多因素的复杂的系统工程,随着经济全球化趋势的日益明显，各种确定和不确定的需求变化日益频繁，给工业锅炉设计带来了极大的挑战。

柔性设计并不完全排斥传统设计的刚性成分和定态成分，是对传统设计僵化、缺乏弹性的辩证否定。柔性设计实际上是在保持设计方法适度刚性的同时，尽可能地提高它们的柔性，使工业锅炉有刚有柔，刚柔相济，更加科学，便于灵活运行。

柔性设计首先要进行功能分析，应用反求工程技术对现有成功的工业锅炉设计方案进行功能分析，建立同类设计方案的基础设计，也就是先满足“定态”需求。然后从“定态”出发，进行柔性需求分析、柔性功能确定、柔性功能描述和柔性功能系统化等，最终设计出可柔性运行的工业锅炉。

现有工业锅炉技术中，缺乏对锅炉柔性的系统考虑，无论是对负荷、蒸汽(水)品质等调整还均是孤立的实现各自目标。中国专利CN101074772A公开了一种蒸汽温度控制方法，通过喷水控制锅炉的蒸汽温度。中国专利CN85103521A公布了烧煤蓄热锅炉控制方法，利用蓄热器使锅炉适应负荷需求变化。中国专利CN91227012.8公布了一种烟气再循环锅炉，通过烟气再循环使锅炉在低负荷条件下处于稳定运行状态。现有的工业锅炉技术均是仅针对锅炉某一参数(例如温度、压力等)给出了调整方法，虽然含有一定的“柔性”特征，但没有从系统方面，使燃烧侧、工质侧同时具有“柔性”。

发明内容

针对现有技术中工业锅炉在柔性方面存在的不足和缺陷，为了满足用户对蒸汽或者热水负荷以及品种的灵活需求变化，本发明提出一种柔性工业锅炉及其运行方法，可以作为工业柔性系统中的柔性动力源。

本发明的另一个目的是提出一种工业锅炉的柔性设计和运行方法。其设计方法为：在“定态”基础上，进行柔性功能确定及系统化，同时控制燃烧室和炉膛内烟气侧的燃烧和流动，并协调高温过热器、低温过热器、省煤器和空气预热器内的工质流动，实现工业锅炉从一个“定态”到另一个“定态”的柔性动态变化。

本发明的技术方案如下：

一种柔性工业锅炉，它包括由炉排、前拱、后拱组成的燃烧室、由水冷壁围成的炉膛和尾部烟道，在尾部烟道内布置有高温过热器、低温过热器、对流管束、省煤器和空气预热器，在对流管束的烟气侧布置有烟气折返挡板，在前拱与水冷壁相交的喉口处布置二次风入口，在煤斗下方布置有煤闸门，其特征在于：在燃烧室与炉膛之间的喉部位置布置有可调中拱，在炉膛上部的烟气出口处布置有可调折焰墙；在低温过热器的入口和高温过热器的出口之间并联过热器并行管道，在过热器并行管道上设置过热器并行阀；在省煤器水侧的出口和入口之间并联省煤器并行管道，在省煤器并行管道上设置省煤器并行阀；在空气预热器的空气侧入口和出口并联空气预热器并行管道，在空气预热器并行管道上设置空气预热器并行阀。

本发明的技术特征还在于：在过热器并行管道上设置过热器并行孔板，在省煤器并行管道上设计省煤器并行孔板，在空气预热器并行管道上设置空气预热器并行孔板。

本发明所述的可调中拱与水平方向夹角α为-45°～45°；所述可调折焰墙与水平方向夹角β为30°～75°。

本发明提出的柔性工业锅炉运行方法，其特征在于该运行方法包括如下步骤：

1)可调中拱与水平方向夹角α可调范围为-45°～45°，可调折焰墙与水平方向夹角β可调范围为30°～75°，通过调整α和β改变燃烧室内的火焰形状和炉膛内的烟气流动；

2)通过调整过热器并行阀改变过热器内的工质流量，通过调整省煤器并行阀调整流过省煤器的工质流量，通过调整空气预热器并行阀，改变空气预热器内的空气流量；

3)通过过热器并行孔板限制过热器最小流量为锅炉蒸发量的4/5，通过省煤器并行孔板限制省煤器的工质最小流量为锅炉蒸发量的3/5，空气预热器内空气的最小流量由空气预热器并行孔板限制，其空气最小流量为0。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①锅炉的燃烧侧可调，可通过中拱角度的变化适应不同煤种。②炉膛出口的烟气流动可调，从而调整炉膛和过热器的吸热比例。③通过调整受热面并行阀的开度，调整受热面的工质分流系数，从而调整温度变化。由于采用柔性设计，本发明可充分适应工业企业变煤种、变负荷、变参数等多变的状况，满足柔性运行的需求。

附图说明

图1为本发明所提供的柔性工业锅炉的结构原理示意图。

图2为燃烧系统示意图。

图3为工质侧系统示意图。

图4为空气侧系统示意图。

图中：1－风室；2－一次风入口；3－炉排；4－煤闸门；5－煤斗；6－前拱；7－二次风入口；8－可调中拱；9－水冷壁；10－后拱；11－炉膛；12－可调折焰墙；13－蒸汽出口；14－高温过热器；15－过热器并行阀；16－过热器并行孔板；161－过热器并行管道；17－低温过热器；18－锅筒；19－对流管束；20－燃烧室；21－烟气折返挡板；22－省煤器；23－省煤器并行管道；24－省煤器并行阀；25－省煤器并行孔板；26－省煤器水入口；27－空气预热器热风出口；28－空气预热器；29－空气预热器并行孔板；30－空气预热器并行阀；31－空气预热器并行管道；32－空气预热器冷风入口；33－烟气出口；34－灰斗；35－落渣口。

具体实施方式

本发明在采用柔性理念设计工业锅炉时，一方面保证在燃烧侧使炉内的燃烧和流动具有柔性，另一方面保证在受热面的热交换侧也具有柔性。即在工业锅炉的炉膛和受热面处布置由可调中拱8、可调折焰墙12、并行管道的阀门等构成的柔性机构，调整可调中拱的角度、可调折焰墙的角度、并行管道的阀门开度等，从而改变炉内燃烧和传热的分配比例，通过这些柔性因素的改变顺应锅炉负荷的变化，同时保证锅炉排烟温度、环保排放指标等刚性指标不变。

在运行柔性工业锅炉时，通过调整炉膛中的可调中拱、折焰墙等燃烧柔性调整机构，改变火焰的位置和烟气流向；调整受热面并行管路阀门开度，以改变受热面内工质流量分配。通过燃烧侧和受热面侧的联动调整，使燃烧和换热过程均具有柔性特点。

下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

图1为本发明所提供的具体的柔性工业锅炉的结构原理示意图，图2为燃烧系统示意图，它包括由炉排3、前拱6、后拱10组成的燃烧室20、由水冷壁9围成的炉膛11和尾部烟道，在尾部烟道内布置有高温过热器14、低温过热器17、对流管束19、省煤器22和空气预热器28，在对流管束19的烟气侧布置有烟气折返挡板21，在前拱6与水冷壁9相交的喉口处布置二次风入口7，在煤斗5下方布置有煤闸门4，其特征在于：在燃烧室20与炉膛11之间的喉部位置布置有可调中拱8，在炉膛11上部的烟气出口处布置有可调折焰墙12；在低温过热器17的入口和高温过热器14的出口之间并联过热器并行管道161，在过热器并行管道161上设置过热器并行阀15；在省煤器水侧的出口和入口之间并联省煤器并行管道23，在省煤器并行管道23上设置省煤器并行阀24；在空气预热器的空气侧入口和出口并联空气预热器并行管道31，在空气预热器并行管道31上设置空气预热器并行阀30。

图3为工质侧系统示意图，在过热器并行管道161上设置过热器并行孔板16，在省煤器并行管道23上设计省煤器并行孔板25。

图4为空气侧系统示意图，在空气预热器并行管道31上设置空气预热器并行孔板29。空气预热器热风出口27与一次风入口2和二次风入口7相连。

该工业锅炉的柔性设计和运行是通过如下方法实现的：

根据现有技术工业锅炉的燃烧室20、炉膛11、高温过热器14、低温过热器17、省煤器22和空气预热器28的功能进行分析，在其“定态”设计基础上，进行柔性功能确定及系统化，燃烧室20中的燃烧通过可调中拱8、二次入口7喷入的二次风、煤闸门4距离炉排3的高度h、炉排运动速度v进行调整，炉膛11中的烟气流动通过可调折焰墙12进行调整，过热器中的工质流量通过过热器并行阀15调整，省煤器22中的工质流量通过省煤器并行阀24调整，空气预热器28中的空气流量通过空气预热器并行阀30调整。实现工业锅炉的柔性手段为：同时控制燃烧室20和炉膛11内烟气侧的燃烧和流动，并协调高温过热器14、低温过热器17、省煤器22和空气预热器28内的工质流动。

可调中拱8与水平方向夹角α为-45°～45°(逆时针方向为正)，可调折焰墙与水平方向夹角β为30°～75°(逆时针方向为正)，通过过热器并行孔板16限制的过热器最小流量为锅炉蒸发量的4/5，通过省煤器并行孔板25限制的省煤器22的工质最小流量为锅炉蒸发量的3/5，空气预热器28内空气的最小流量由空气预热器并行孔板29限制，其空气最小流量可以为0。通过孔板可限制受热面并行管道中的最大工质流量，从而保证受热面内的最小工质流量，这样可以保证锅炉的工作安全。

操作运行时，燃料加入到煤斗5中，根据对负荷以及燃烧和传热的需求，调节煤闸门4的高度h和炉排5的线速度v，当煤容易燃烧时，煤层可以薄一些，炉排运动速度可以快一些，反之煤层则可以厚一些，炉排运动速度慢一些。燃烧室20内的燃烧状况可通过可调中拱8进行调整，根据煤的燃烧难易程度以及负荷需求情况调整燃烧室内的烟气流动方向，当煤难燃和负荷低时，将烟气向前拱6导引。燃烧后产生的灰渣通过落渣口35排出。进入炉膛的烟气，可通过调整可调折焰墙12的角度影响炉膛内的燃烧和充满度，当需要降低过热器温度时，可将可调折焰墙的角度调小。给水从省煤器入水口26进入锅炉，流过省煤器22、省煤器并行管道23进入锅筒18，工质水通过下降管36、水冷壁9、对流管束9完成循环并产生饱和蒸汽。饱和蒸汽流经过热器和过热器并行管道161产生过热器蒸汽，从蒸汽出口13供用户。冷空气从冷风入口32进入，流经空气预热器28和空气预热器并行管道31后被加热和调温，温度调整以不导致空气预热器低温腐蚀为原则。加热后的空气作为一次风和二次风，与一次风入口2和二次风入口7相连，二次风入口7与水平方向夹角为γ，γ可以固定为15°或者设计成可调喷口，在0～20°变化，以次进一步增强系统的燃烧柔性。在尾部对流烟道落下的积灰由灰斗34收集，烟气从烟气出口33离开受热面。

Claims (3)

1.一种柔性工业锅炉，它包括由炉排(3)、前拱(6)、后拱(10)组成的燃烧室(20)、由水冷壁(9)围成的炉膛(11)和尾部烟道，在尾部烟道内布置有高温过热器(14)、低温过热器(17)、对流管束(19)、省煤器(22)和空气预热器(28)，在对流管束(19)的烟气侧布置有烟气折返挡板(21)，在前拱(6)与水冷壁(9)相交的喉口处布置二次风入口(7)，在煤斗(5)下方布置有煤闸门(4)，在省煤器水侧的出口和入口之间并联省煤器并行管道(23)，在省煤器并行管道(23)上设置省煤器并行阀(24)，其特征在于：在燃烧室(20)与炉膛(11)之间的喉部位置布置有可调中拱(8)，在炉膛(11)上部的烟气出口处布置有可调折焰墙(12)；在低温过热器(17)的入口和高温过热器(14)的出口之间并联过热器并行管道(161)，在过热器并行管道(161)上设置过热器并行阀(15)；在空气预热器的空气侧入口和出口并联空气预热器并行管道(31)，在空气预热器并行管道(31)上设置空气预热器并行阀(30)；在过热器并行管道(161)上设置过热器并行孔板(16)，在省煤器并行管道(23)上设计省煤器并行孔板(25)，在空气预热器并行管道(31)上设置空气预热器并行孔板(29)。

2.按照权利要求1所述的一种柔性工业锅炉，其特征在于：所述的可调中拱(8)与水平方向夹角α为-45°～45°；所述可调折焰墙与水平方向夹角β为30°～75°。

3.一种采用如权利要求1或2所述的柔性工业锅炉运行方法，其特征在于该运行方法包括如下步骤：

1)可调中拱(8)与水平方向夹角α可调范围为-45°～45°，可调折焰墙(12)与水平方向夹角β可调范围为30°～75°，通过调整α和β改变燃烧室内的火焰形状和炉膛内的烟气流动；

2)通过调整过热器并行阀(15)改变过热器内的工质流量，通过调整省煤器并行阀(24)调整流过省煤器的工质流量，通过调整空气预热器并行阀(30)，改变空气预热器内的空气流量；

3)通过过热器并行孔板(16)限制过热器最小流量为锅炉蒸发量的4/5，通过省煤器并行孔板(25)限制省煤器(22)的工质最小流量为锅炉蒸发量的3/5，空气预热器(28)内空气的最小流量由空气预热器并行孔板(29)限制，其空气最小流量为0。