第八章热能供应系统节能

第八章热能供应系统节能第一节供热热源节能余热锅炉是指利用工业生产中的余热来产生蒸汽的设备，过去也称为废热锅炉。

余热锅炉结构的显著特点是一般不用燃料，因而也往往没有燃烧装置，但在一些特定的条件下，也采用辅助燃烧装置进行补燃。

余热锅炉与一般锅炉的受热面部分的结构相近，由省煤器、蒸发器（包括锅炉管束和水冷壁）、过热器等部件组成。

余热锅炉的热源主要有冶金、机械、化工等部门的各种炉窑，包括转炉、平炉、均热炉、加热炉、有色金属冶炼炉、回转窑等的废气以及内燃气、燃气轮机的排气等。

上述热源的特点是范围很广，余热废气流量波动大，温度相差较大，废气中常有粉尘，甚至还有半熔融状态的颗粒，易于在受热面上结料、结灰或结焦；废气还常有腐蚀性；供热负荷不稳定，余热锅炉安装场所受限等问题。

一、余热锅炉水循环余热锅炉水循环方式一般有自然循环、强制循环和自然与强制循环相结合三种。

强制循环锅炉的蒸发受热面中的工质一般为一次通过的强迫流动，水循环的可靠性可以得到有效保证；由于强制循环锅炉采用强迫流动，其水冷壁可以布置成垂直、水平、倾斜任意角度等不同形式的结构，金属耗量少，制造方便，启动和停炉的速度都比较快。

但强制循环锅炉的给水泵及阀门组事故率比较高，降低了锅炉运行的可靠性及使用率；除此之外，蒸发受热面中两相流体的流动阻力较大，给水泵的电耗增加。

自然循环方式结构简单、运行平稳、循环可靠性好，不需要循环水泵、复杂的控制及停电保护系统，维修少而方便，对运行人员操作要求比较低，特别适用于余热锅炉及中小型工业锅炉上。

自然与强制循环相结合的水循环方式则兼有自然循环和强制循环的特点。

鉴于余热锅炉蒸发量和压力参数较低，余热锅炉设计时，自然循环方式往往成为首选。

自然循环回路设计时，蒸发受热面多采用垂直布置的下降管和上升管或垂直布置的锅炉管束。

近年也有相当一部分余热锅炉因为余热锅炉结构和系统总体设计的需要布置了多级水平布置的蛇形蒸发对流受热面，而水平布置的蛇形蒸发对流受热面在运行过程中容易发生停滞、倒流和汽水分层等水循环故障。

尽管水平蛇形蒸发受热面一般布置在低烟温区，不会发生严重的爆管事故，但当水循环故障出现时，不仅使受热面热量传递的有效性降低，还会出现水动力的不稳定工况。

因此，为保证自然水循环余热锅炉的循环回路的安全稳定运行，必须进行精确、细致的循环回路的结构设计和水动力计算。

1. 现有锅炉水循环计算方法锅炉行业目前执行和使用的锅炉水动力计算方法主要有《电站锅炉水动力计算方法》（JB/T201-1983）和《热水锅炉水动力计算方法》（JB/T8659-1997）。

但是这些标准并不完全适用于自然循环余热锅炉的水动力计算。

计算的基本原理主要有有效压头法、压差法，以及基于这两种方法发展衍生出的其他方法，如公式法、回路分析法等。

这几种方法各有特点，针对水动力计算和分析中的不同阶段和不同要求，如果应用得当可以发挥各自的长处。

（1）有效压头法有效压头法是按上升管和汽水引出管的有效压头（yxS ）之和等于下降管流动阻力（xjP ∆）的条件画出水动力特性曲线（见图8-1），从而确定回路的循环流速（0v ）、循环流量（G ）和循环倍率（K ），即：yx xj S P ∑=∆ （8-1）()xj ss yx ss S gh P ρρ=--∆ （8-2）()xj ss yd S gh ρρ=- （8-3）式中 ss P ∆——上升管的流动阻力，Pa ；xjP ∆——下降管的流动阻力，Pa ；yd S ——运动压头，Pa ； yxS ——有效压头，Pa ；h ——管子的高度，m ；xjρ——下降管工质平均密度，3kg/m ；ss ρ——上升管工质平均密度，3kg/m ； g ——重力加速度，2m/s 。

图8-1 有效压头法的水动力特性曲线 图8-2 压差法的水动力特性曲线（2）压差法压差法是按上升流动的总压差（ss Y ）等于下降管内流动的总压差（xj Y ）的条件画出水动力特性曲线（见图8-2），从而确定循环特性参数0v 、G 、K ，即：ss xj Y Y ∑=∑ （8-4）xj xj xj xj Y gh P ρ=-∆ （8-5）ss ss ss ss Y gh P ρ=+∆ （8-6）式中 ss Y ——上升流动的压差，Pa ；xjY ——下降流动的压差，Pa ；xjρ——下降管工质平均密度，3kg/m ；ss ρ——上升管工质平均密度，3kg/m ；xjh ，ss h ——下降管和上升管高度，m ；g ——重力加速度，2m/s ；2. 自然循环水动力计算的思路传统的自然循环水动力计算需要先手工画出水动力特性曲线，再作图求解，锅炉设计阶段的工作量很大。

为了方便使用计算机求解，选用压差法，并按下面步骤进行计算：(1)数据准备，包括下降管、引入管、水冷壁、引出管的结构数据，热力计算数据； (2)对每一级蒸发段假设下降管流量xjG （由蒸发量、循环倍率的初值估算），计算循环倍率的初值0K ，计算汽包欠焓（qhi ）。

① 计算下降管阻力d xjP ，引入管阻力d yrP ，引出管阻力d ycP ，分离器阻力1d f P 。

② 对每一级蒸发计算，压差方程如下：d xj ss Y Y Y =-（8-7）当d Y ε<（某一个极小值）时，继续；否则，用计算此时的d xjP 去反推xjG ，迭代计算，直到满足式（8-7）的条件。

(3) 从(1)和(2)步骤可以计算得到循环倍率（K ）和汽包欠焓（qhi ），按每一级的循环流量分配每一级欠焓，并进行循环倍率误差校核，要求满足式（8-8）和式（8-9）：03 4.1868kJ/kg qh qh i i -<⨯（8-8）00.3kJ/kg qh qh qh i i i -< （8-9）如果不满足式（8-8）和式（8-9）的要求，则令0qh qhi i =，从第1步重新开始计算，直到满足式（8-8）和式（8-9）。

式中的数值根据计算精度而定。

(4) 在满足式（8-8）和式（8-9）条件的基础上，根据循环回路的结构进行循环停滞、倒流、自由水面的校验，传热恶化的校验，改变或者优化结构参数。

二、余热锅炉传热计算余热锅炉热力计算一般推荐采用《锅炉机组热力计算标准方法》（1976版）；对于烟气量较小的低压余热锅炉热力计算可采用JB/T 7603-94《烟道式余热锅炉设计导则》中附录A 列出的计算方法进行简化计算。

1. 热平衡计算余热锅炉的热平衡计算是为了使进入余热锅炉的热量与有效利用的热量及各种损失的总和相平衡，并据此计算余热锅炉的产汽量和余热锅炉的利用率。

热平衡计算的方程式如下：12345Q =Q +Q +Q +Q +Q +Q ' （8-10） 式中 Q '——进入余热锅炉的热量，kJ/h ； 1Q ——余热锅炉的有效利用热量，kJ/h ；2Q ——排烟热损失，kJ/h ；3Q ——化学不完全燃烧热损失，kJ/h ； 4Q ——机械不完全燃烧热损失，kJ/h ； 5Q ——散热损失，kJ/h ；6Q ——排灰渣热损失，kJ/h 。

进入余热锅炉的热量按下式计算：y f oh lk Q =Q +Q +Q +Q ' （8-11）式中 y Q ——烟气带入的热量（可包括烟尘的焓值），kJ/h ；fQ ——工业窑炉口辐射热量，kJ/h ；oh Q ——连续吹灰介质带入的热量，kJ/h ；lk Q ——漏入余热锅炉的空气带入的热量，kJ/h 。

烟气带入的热量按下式计算：=y y y x Q I V +Q （8-12）式中 yI ——总的烟气的焓，3kJ/m ；yV ——进入余热锅炉的烟气量，3m /h ；x Q ——烟气携带物质的潜热化学燃烧热量，kJ/h ； 炉口辐射热量按下式计算：44=3.6[()()] 10001000f b f f o lk T T Q a C F - （8-13）式中fa ——辐射体的黑度，一般取0.6～0.9；o C ——绝对黑体的辐射系数；lk F ——余热锅炉炉口面积，当工业窑炉出口面积较小时，取工业炉窑的出口面积，2m ；f T——高温辐射体的热力学温度，K ；b T ——余热锅炉内辐射体的平均温度，K ；具体计算中，可近似地取其等于余热锅炉管壁的热力学温度；f Q——炉口辐射的热量，kJ/h 。

吹灰介质带入的热量，只有在使用蒸汽连续吹灰时才考虑。

按下式计算：=4.1862512oh oh eq Q G I -（）（8-14） 式中 oh G ——连续吹灰时蒸汽消耗量，Kg/h ；eq I——蒸汽的焓，kJ/kg 。

2. 余热锅炉的余热利用率与辅助燃烧装置的效率 (1) 余热利用率23456100100yz q q q q q q η=-=-----∑ （8-15）式中yzη——余热锅炉的余热利用率，%；2q ——余热锅炉的排烟热损失，%； 3q ——化学不完全燃烧热损失，% 4q ——机械不完全燃烧热损失，%； 5q ——散热损失，%；6q ——排灰渣热损失，%。

3q ～5q 的计算方法和取值按《锅炉机组热力计算——标准方法》第五章中有关规定。

余热锅炉的排烟损失按下式计算：22100,%y I V Q q Q Q ''''=⨯=''（8-16） 式中 I ''——相应排烟温度下的焓，3kJ/m ；y V ''——余热锅炉出口烟气量，3m /h 。

排灰渣热损失按下式计算：66100,%h h h Q G C tq Q Q =⨯=''（8-17） 式中 h G ——在余热锅炉内沉积的烟尘量，kg/h ；h C ——烟尘的比热容，kJ/(kg C)︒； h t ——烟尘的温度，℃。

从冷却室排出的烟尘取600h t =℃左右；从对流受热面排出的烟尘取200~300h t =℃。

(2) 辅助燃烧装置的效率23456100100by by by by by by q q q q q q η=-=-----∑ （8-18）式中 byη——辅助燃烧装置的效率，%； 2by q ——辅助燃烧时的排烟热损失，%；3by q ——辅助燃烧时的化学不完全燃烧热损失，%； 4byq ——辅助燃烧时的机械不完全燃烧热损失。

%； 5by q ——散热损失，%；6byq ——排灰渣热损失，%。

上述各项热损失的取值按《锅炉机组热力计算——标准方法》第五章中有关规定。

3. 余热锅炉蒸发量()()wbq bq gs bs gs Q Q D i i p i i η-=-+- （8-19）()()wgq gq gs bs gs Q Q D i i p i i η-=-+- （8-20）式中,bq gqD D ——分别为饱和蒸汽和过饱和蒸汽的蒸发量，kg/h ；,b q g q i i ——分别为饱和蒸汽和过饱和蒸汽的焓，kJ/kg ； ,g s b s i i ——分别为给水和饱和水的焓，kJ/kg ； p ——排污率，按表8-1选用；η——如求余热锅炉蒸发量，则为余热锅炉余热利用率yz η，如求辅助燃烧装置蒸发量，则为辅助燃烧装置的效率bz η。