高原地区小型燃气锅炉设计_慕江源

28　　　　　　　　　　　　　应用能源技术　　　　　　2010年第10期(总第154期)

高原地区小型燃气锅炉设计

慕江源

(青海油田花土沟社区管理中心矿建公司青海)

摘　要:针对普通燃气锅炉在高原地区(海拔高、气压低) 运行中存在着出力不足、热效率

低等问题, 从燃烧、传热以及烟风特性等方面对小型燃气锅炉的设计进行了分析和讨论, 得出了高原地区小型燃气锅炉设计原则。结合以上原则, 青海油田花土沟生产基地集中供热系统改造取得了十分显著的节能效果。

关键词:高原地区; 燃气锅炉; 燃烧; 传热; 设计中图分类号:T K 229. 8　　文献标志码:B 　　文章编号:1009-3230(2010) 10-0028-04

D e s i g n i n g o f L o w -c a p a c i t y G a s B o i l e r i n P l a t e a u A r e a

M UJ i a n g -y u a n (Q i n g h a i o i l f i e l d H u a t u g o u C o m m u n i t y Ma n a g e m e n t C e n t e r C o n s t r u c t i o n C o m p a n y ) A b s t r a c t :Fo r t h e c o m m o n g a s b o i l e r r u n n i n g a t p l a t e a u a r e a s (h i g h a l t i t u d e a n d l o wa i r p r e s s u r e ) , t h e r e a r es o m ep r o b l e m ss u c ha sn o m i n a l p o w e ra n dl o w t h e r m a l e f f i c i e n c y .I nt h i s p a p e r , w e a n a l y z e d a n d d i s c u s s e d t h e d e s i g n i n g o f l o w -c a p a c i t y g a s b o i l e r f r o m t h e a s p e c t s o f c o m b u s t i o n , h e a t t r a n s f e r a n d f u e l g a s c h a r a c t e r i s t i c s , a n dt h e nw ed r e wt h ed e s i g n i n g p r i n c i p l e s o f l o w -c a p a c i t y g a s b o i l e r i np l a t e a ua r e a s .U s i n gt h e s ec o n c l u s i o n s i nt h e t r a n s f o r m a t i o no f c e n t r a l h e a t i n gs y s t e m i n H u a t u g o u a r e a , s i g n i f i c a n t e n e r g y -s a v i n g e f f e c t s h a v e b e e n o b t a i n e d . K e y w o r d s :Pl a t e a u a r e a ; G a s b o i l e r ; C o m b u s t i o n ; H e a t t r a n s f e r ; D e s i g n

0　前言

国家能源局预计, 到2015年, 煤炭在一次能源消费中的比重将从2009年的70%下降到63%,天然气消费比重将从目前的3. 9%提高至8. 3%。从我国能源结构的转型可以看出, 天然气作为清洁燃料将得到越来越广泛的应用。我国西部大部分为高原地形, 具有独特的地理环境:海拔高、气压低、空气稀薄、空气含氧量低(见表1) 等。实践证明, 按标准状态下(海拔高度0m , 大气压力101. 3k P a ) 设计的锅炉, 如果不采取相应的改进措施, 锅炉的运行工况必然受到影响, 如锅炉不完全燃烧、热效率低、出力不足等。文中分析了高原环境对锅炉燃烧和传热的影响, 并结合青海油田花土沟生产基地供热系统改造情况, 对小型燃

收稿日期:2010-08-11　　修订日期:2010-09-06作者简介:慕江源(1974-) , 男, 本科, 中级职称。

气锅炉的设计进行了分析和讨论。

表1　大气压、空气密度与含氧量随海拔高度分布情况

大气压力

海拔/m

[**************]00

/kP a 101. 390. 079. 270. 161. 1

空气密度/(k g /m-3) 1. 2931. 1491. 0110. 8920. 802

含氧量/(k g /m-3) 0. 2990. 2660. 2350. 2100. 182

1　高海拔低气压对锅炉燃烧的影响

锅炉燃料燃烧与压力的关系在一般的锅炉燃烧过程中常予以忽略, 这是因为燃烧室中的压力接近常压且变化不大。对于在高海拔低气压地区运行的锅炉, 随着海拔升高, 大气压力和空气密度

2010年第10期(总第154期) 　　　　　　　应用能源技术　随之下降, 会对锅炉运行产生不利影响, 主要表现在燃料燃烧速度和燃尽时间两个方面。1. 1　燃烧速度

对于一定型号的燃气锅炉, 假设其燃烧室的设计压力为p 摩尔1, 气体体积为V 1, 其中共有N 气体, 则气体的体积摩尔浓度为C N /V1=1, 燃烧速度为

[1]

由此可以看出, 在不考虑煤质和其他因素的影响下, 高海拔、低气压将使花土沟地区锅炉燃气燃尽时间大为增加, 即减少了单位时间内燃料释放的热量, 从而导致锅炉出力不足。

此外, 高海拔、低气压还使C O 2得离解率增加, 导致排烟处C O O 含量升高, 从2含量减少, C 而使气体未完全燃烧热损失q 3增加。

(1)

n n

W ) k C ) 1=-1=1=d τV 1

为p 2, 气体体积变为V 2, 则燃烧速度为:

d C n N 2W ) k C ) 2=-2=2=

d τV 2W V p 12n 1n

=) =) W V p 212

次方成正比, 即

d C A n ∝p

d τ～2; 重油及煤n =1。

2　高海拔低气压对锅炉传热的影响

2. 1　对流传热

烟气对工质的放热系数分为两部分:烟气对管壁的放热系数α1与管壁对工质的换热系数α2。由于在实际运行中管壁对工质的热阻1/α2远小于烟气对管壁的热阻1/α1, 因此对流放热系数主要取决于烟气对管壁的放热系数。

根据传热学的基本原理, 对流换热准则方程为

[3]

当该锅炉运行在高原地区时, 燃烧室的压力

(2)

由完全气体状态方程可知V p 2/V1=1/p2, 则:

(3)

上式表明, 燃烧速度与燃烧系统压力p 的n

N u =f (R e , P r )

(6)

(4)

式中:N u =α, 为换热程度的努塞尔数。1/λ

R e =ρu d /μ, 为流动状况的雷诺数。P r =μC , 为物性特征的普朗特准则数。p /λ其中:α———对流放热系数, W /(m ·K ) ;

λ———导热系数, W/(m ·K ) ; ρ———流体密度, k g /m; μ———动力粘性系数, P a ·s ; u ———流速, m /s;

C ——定压比热, k J /(k g ·K ) 。p —

由于烟气一般可视为理想气体, 根据分子物理学和热力学的观点, 定压比热C p 、导热系数λ以及动力粘性系数μ均与压力p 无关; 根据质量定律描述, 质量流速ρu 、u 也与压力无关, 因而N R e 和P r 也与压力无关。由此可以得出结论:对流放热系数与海拔高度及其引起的大气压力变化无关, 因此在设计高原型锅炉时, 没有必要增加锅炉的对流受热面。2. 2　辐射传热

大气压力对辐射传热的影响主要体现在对火焰黑度α的影响h y

α1-e h y =

[4]

式中:n 为反应级数, 对于煤气n =2; 轻油n =1. 5

由于反应级数的取值主要取决于燃料种类, 因此对于燃用不同燃料的锅炉, 大气压力对其燃烧速度的影响也存在差异。花土沟地区海拔高度为2980m , 大气压力为70. 28k P a , 因而与平原地区相比, 其燃烧速度W H 为:

W (p W (70. 28/101. 3) ×W H =H /p0) ×o =o

=0. 48W 。

由此可见, 高海拔低气压对燃气锅炉的燃烧速度影响比较大, 燃烧速度降低表现为燃料着火困难并难于燃尽, 从而导致锅炉出力不足。1. 2　燃尽时间

由于高海拔低气压使得燃料燃烧速度降低, 燃尽时间也将延长, 燃气的燃尽时间可用表达如下

[2]

:τ∝p

-(n -1)

(5)

以青海花土沟地区为例, 其燃料燃尽时间τH

为:

×3/70. 1. τo =o

(7)

-k p s

质弱1

M P a ) ;

　　　　　　　　　　　　　应用能源技术　　　　　　2010年第10期(总第154期)

所以, 运行在该地区的锅炉, 风机选型时其风量应是平原地区的1. 44倍。3. 2　风压修正

由于高海拔低气压造成空气量容积增大, 必然导致烟气容积也增大, 若忽略炉内温度的影响, 空气容积增大p o /pH 倍, 烟气容积也将增大p o /pH 倍。若烟气流通截面积不变, 则烟气流速将增大, 流动阻力增加。

根据流体力学的基本知识, 锅炉风道的阻力Δh 包括摩擦阻力和局部阻力, 一般可用下式表示:

Δh =ζ(ρu ) /2=ζ(ρu ) u /2式中:ζ———局部阻力系数;

ρ———流体密度, k g /m; u ———流速, m /s;

ρ——气体质量流量, k g /(m ·s ) 。u —

因为在气压发生变化时, 气体的质量流量保持不变, 同时气体流速与体积成反比(相同流体截面积) , 而气体体积与大气压力成反比, 所以:

Δh =C ·u ∝c/pC 为常数。

由此可见, 流动阻力与流速成正比, 即与当地大气压力成反比。所以对于同一锅炉, 运行在花土沟地区的流动阻力Δh 与Δh o 平原地区相比, 有:

Δh =(p Δh(101. 9/70. 28) Δh o /pH ) o =o =1. 44Δh o

所以, 对于运行在花土沟地区的锅炉, 风机选

(8) (9)

型时其风压应为平原地区的1. 44倍。

(12)

式中C =ζ(ρu ) /2, 对某一确定的锅炉布置,

p ———炉膛中火焰压力, M P a ; s ———有效辐射层厚度, m 。

根据式(7) , 高原地区大气压力下降使火焰黑度α下降, 炉膛黑度也随之下降。花土沟地区h y 大气压力只有标准大气压的69. 4%,设辐射减弱系数为不随压力变化的常数

[5]

, 取k =0. 2135,

s =1. 57m , 当压力由1大气压下降到0. 694大气压时, 火焰黑度α由0. 304下降到0. 223, 即降低h y 26. 75%。火焰黑度降低将导致炉膛出口烟温升高, 排烟热损失q 2增大, 锅炉热效率降低, 因此在锅炉设计时必须做出相应的补偿措施, 如增大锅炉容积等。

(11)

3　高海拔低气压对锅炉烟风特性的　影响

对于某一固定燃料而言, 其完全燃烧所需的氧气量为一定值。高海拔地区, 随着大气压力下降, 空气密度与含氧量均有一定程度的下降, 因而按标准状态下设计和选配的燃烧器, 显然不能满足高原地区的运行需求, 需对其风量和风压进行修正

[3]

。

3. 1　风量修正

在我国工业锅炉热工计算中, 一般视空气为理想气体, 因此满足理想气体状态方程:p V=n R T 。若忽略海拔高度对大气温度的影响(小型燃气锅炉燃烧所需空气一般均取自室内, 与海拔高度无关) , 在相同摩尔数气体情况下有:

p n R T o V o =p n R T H V H =

式中:p ——平原地区大气压力, k P a ; 0—

p ——海拔高度为H 时的大气压力, k P a ; H —

V ———大气压力为p o o 时气体体积, m ; V ——海拔高度为H 时的气体体积, m 。H —

由式(8) 、(9) 可以得出:V (p V H =0/pH ) 0

烧所需的空气量为:

p V (/70. 28. V o o o

(10)

花土沟地区大气压力为70. 28k P a , 则燃料燃

4　花土沟生产基地供热锅炉设计及　经济性比较

综上所述, 高海拔、低气压对高原型锅炉运行存在着多种不利影响, 针对以上方面, 花土沟地区供热系统改造过程中采取了相应的补偿措施

[6]

(1) 增大炉膛容积, 解决燃料燃烧燃烧速度慢、燃尽时间长的问题。由于海拔升高气压降低, 气体体积增加, 在一定的炉膛容积下, 烟气停留时间将缩短。适当增大炉膛容积可延长烟气在炉内, 。,

2010年第10期(总第154期) 　　　　　　　应用能源技术　膛容积过大会导致炉膛容积热负荷q v 减小, 炉内温度水平降低, 反而对燃料着火和燃尽产生不利影响。花土沟地区集中供热分为三个区域, 每个区域均配置3台W N S 4. 2-1. 0-95/70-Q 型燃气锅炉, 炉膛容积经东方锅炉厂计算和设计后, 能很好的保证在该地区运行。

(2) 花土沟地区海拔2980m , 炉膛火焰黑度随大气压力下降而降低了26. 75%,虽然辐射换热系数略有下降, 但由于出口烟温升高使传热温差略有上升, 抵消了一部分吸热量的降低。锅炉各部分对流受热面的放热系数与大气压力无关, 但考虑辐射换热量的减少的影响, 供热燃气锅炉的各级受热面均增加了1%～2%,以保证排烟温度不致升高过多, 减少排烟热损失。

(3) 在燃气锅炉燃烧器选型时考虑了风量和风压的修正。选用的小型燃气锅炉采用自带鼓风机的一体式燃烧器, 根据该地区大气压力对其输出功率进行了修正, 额定输出功率P H 增大为比平原地区P 44倍, 保证了该地区大气压力o 的1. 下燃气燃烧所需的空气量。

根据以上原则进行燃气锅炉设计和选型后, 花土沟基地集中供热系统改造取得了比较好的节能效果, 能源消耗明显减小, 见表2。

　表2序号[1**********]

改造前后经济技术指标对比表[6]

项目

年采暖收入(万元)

供热面积(万m ) 3年天然气耗量(m )

5　结束语

高海拔、低气压对锅炉燃烧、传热以及烟风特性都有不同程度的影响, 根据上述分析和计算可以得到如下结论:

(1) 由于大气压力的下降, 燃料燃烧速度减慢, 燃尽时间随之加长, C O 2离解率增加, 化学不完全燃烧热损失增大。解决该问题的办法是适当增加炉膛容积, 增加燃料在炉膛的滞留时间。

(2) 大气压力的下降对受热面的对流放热系数无影响, 但火焰黑度的降低会导致辐射换热系数减小, 使总换热系数减小。虽然辐射换热系数减小带来的炉膛出口烟温升高在一定程度上增大了对流传热温差, 但为了保证排烟温度不致升高过多, 锅炉各级对流受热面面积均应适当增加。

(3) 高原低气压对锅炉烟风特性影响较大, 对运行在高原地区的燃气锅炉, 燃烧器选型时必须对其风量和风压应进行修正, 保证燃烧器的输出功率和锅炉出力。

以上论述在花土沟地区燃气供热锅炉设计和选型中均得到了应用, 取得了良好的节能效果和经济效益, 同时也为高海拔地区燃气锅炉的高效运行提供了实践经验。

参考文献

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改造后217029640×104

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社, 1982.

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题[J ]. 动力工程, 1986.

[6]　花土沟基地供暖系统调整改造研究报告[R ]. C P E

青海分公司, 2004.

年耗电量(万k Wh )

3年耗水量(万m )

人员编制(人) 年均利润(万元) 维修费(万元) 折旧费(万元) 单位成本(元/m/月)