燃油有机热载体锅炉的结构与系统设计探讨

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热载体锅炉技术论文专栏
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燃油有机热载体锅炉的结构与系统设计探讨
文 章 编 号 ： 1004-8774 (2002)06-11-04
燃油有机热载体锅炉的结构与系统设计探讨
单鲁良 （ 海旭日热能设备厂， 广东 南
摘
南海
528234 ）
要 ： 文 章 主 要 对 有 机 热 载 体 炉 的 结 构 选 型 、 设 计 和 运 行 系 统 等 方 面 作 了 具 体 介 绍 ,并 对 设 计 时 要 注 意 的 几 个 要 点 作 了 侧 重 分 析 。
关键词：有机热载体；结构；设计 中 图 分 类 号 ： TK229.92+1 文 献 标 识 码 ：A
SHAN Lu-liang (Nanhai XURI Heating Equipment Factory， Nanhai Guangdong 528234， China)
The paper concretely introduces the selection of structure,design and operation of system, and analyzes several key points in design.
１ 前言
自从上世纪七十年代，有机热载体锅炉加热技 术在我国发展以来，特别是近几年随着经济的发展 和加入世界贸易组织，环保要求的提高与自动控制 方面的发展，燃油有机热载体锅炉的发展迅速，市场 需求越来越大。 燃油液相有机热载体锅炉是以油为燃料，有机 的导热油为热载体，利用循环泵强制液相循环，从而 将热能输送到用热设备的一种加热装置。其特点是 高温低压，即在较低的压力下获得较高的介质温度， 且介质仍为液相，不发生相变，而且温度较为恒定， 这是其它类加热介质所不及的。在相同的供热温度 下，有机热载体锅炉的供热系统的管道、阀门、法 兰、用热设备、换热器等的耐压等级要比以水为传热
收 稿 日 期 ： 2002－08－30
介质的锅炉低许多。一般来说，当供热温度越高有 机 热 载 体
锅炉的优势就越突出。
２ 有机热载体炉的结构选型
图 1
燃油卧式圆盘管有机热载体锅炉
1.燃 烧 机 接 口 5.内 圈 盘 管 10.后 烟 箱 参考文献
2.前 烟 箱
3.热 媒 油 进 口 集 箱 7.保 温 层
4.外 圈 盘 管 9.观 火 孔
6.耐 火 混 凝 土 11.防 爆 门
8.炉 膛 吹 扫 口
12.热 媒 油 出 口 集 箱
13.烟 气 出 口
要比水大得多，不利于安全运行，因此在设计运行 时 应 给 予 充 分 考 虑 ， 这 也 是 文 献 [3] 规 定 对 流 受 热 面 管 内 流 速 不 能 小 于 1.5m/s 的 原 因 。
[1] 杨 世 铭 .传 热 学 [M].高 等 教 育 出 版 社 (第 二 版 )， 1992. [2] 锅 炉 机 组 热 力 计 算
标 准 方 法 [S].1957.
(3) 在 相 同 的 流 速 或 质 量 流 量 时 ， 导 热 油 在 管 内
低温运行要比高温运行的换热系数小，因此，建议 在低温运行时采用较高的流速，以利于安全。
[3] 有 机 热 载 体 炉 安 全 技 术 监 察 规 程 [S](原 劳 动 部 ),1993.
— — — — — — —— —— —— — —— —— — — — — — — 作 者 简 介 ： 关 涛 (1974
)， 女 ， 1996 年 毕 业 于 哈 尔 滨 工 业
大学动力工程系，主要从事锅炉和压力容器的设计开发工作。

根据燃料的不同，有机热载体锅炉一般有以下 几种结构型式：一是燃煤立式圆盘管型、燃煤管架 式 ； 二 是 燃 油 (气 ) 立 ( 卧 ) 式 圆 盘 管 型 ； 另 外 还 有 电 加 热 式 。 本 文 以 1.2MW 卧 式 燃 油 有 机 热 载 体 锅 炉
基本数据的选取范围： ① 传 热 负 荷 ： 辐 射 受 热 面 为 (2.326 ～ 4.652) ×
10 W/m 2；
4
② 对 流 受 热 面 为 (0.93 ～ 1.163)×104W/m 2
YYW-1200YC( 见 图 1) 为 例 进 行 探 讨 ， 该 炉 主 要 的 技
术参数为： 额 定 热 功 率 ： 1.2MW； 设 计 压 力 ： 1.0MPa； 设 计 温 度 ： 300 ； 设 计 热 效 率 ： 81%； 燃 料 ： 轻 柴 油 ；
(2)结 构 设 计
外圈盘管的外表面与外壳体之间有一层耐火混 凝土，以防止外壳受热变形和散热损失。内外两圈盘 管采取并联结构，这样使得介质在管内的流阻较小， 进出口的压力差也较小。另外要注意内、外圈盘管的 固定，以免由于热膨胀和运行时的振动造成管的变 形和对耐火混凝土产生损坏。 前、后烟箱采用耐火混凝土浇注而成，在烟箱外 板与耐火混凝土之间设一层保温材料，减少散热损 失。为防止烟气短路，耐火混凝土与盘管及烟箱之间 的密封一定要做好。另外，为方便清除内外盘管之间 的积灰，在后烟门上装设几个吹风扫灰口。后烟门上 设有观火装置以方便观察炉内情况，另为防止炉爆 设置了重力式防爆门，泄压后能复原，起到安全保护 作用。
热 媒 体 ： THERMINOL#590 ( 淡 黄 色 液 体 ， 成 分 为
Alkyl substituted aromatic 一 种 烷 基 芳 香 剂 ）。 由 于 此
炉的热容量较大，不宜采用立式，因而采用卧式圆 盘管结构。 该结构由两圈盘管组成，内圈盘管构成燃烧室， 油 (气 )燃 烧 后 产 生 的 高 温 烟 气 在 内 圈 盘 管 组 成 的 炉 膛 内辐射放热后至后烟板处转向向前冲刷内圈盘管的 外侧和外圈盘管的内侧对流放热，最后从前端排出 锅 炉 本 体 。 加 热 系 统 的 热 媒 油 (温 度 较 低 的 回 油 )则 从 锅炉前部进入盘管，在盘管内螺旋前进，受热后从 锅炉后部出去供热。
３ 结构设计
燃油有机热载体锅炉的设计、制造、检验和验 收 均 按 国 家 质 量 技 术 监 督 局 颁 发 的 GB/T17410-1998 《 机热载体炉》 劳动部颁发的 《 机热载体炉安全 有 、 有 技术监察规程》以及相关锅炉管子、集箱及焊接的 标准执行。
４
设计时应注意的几个要点
(1)换 热 面 积 的 确 定
由于炉膛内辐射受热面积是由一圈密排紧靠的 螺旋管构成，因此在计算受热面积时不是计算管的 半个圆周长，而是按盘管在盘管中线的投影面积来 计算，这样计算偏向保守，但对锅炉负荷长久稳定的 运行有好处。另外有关角系数的问题，由于 因而可以不考虑角系数，也就是取角系数
(1)热 力 计 算
与以水为介质的卧式内燃锅炉一样，分为炉膛 的辐射换热与内、外圈盘管之间的对流换热。内、外 圈盘管的直径分别选取为
/ =1，
=1。
(2)炉 膛 出 口 温 度 及 排 烟 温 度 的 确 定
一般来说，炉膛出口温度的确定有一个技术经 济比较的问题，由于辐射换热量与烟温的四次方成 正比，辐射受热面的热负荷比对流受热面高很多，这 样吸收同样多的热量，其辐射换热面所需的面积就 比对流换热面积为少。但如果过多，则出口温度降低 过多，亦即炉膛内温度水平较低，则又不利于燃烧的 顺利进行，且省材料的优越性得不到很好的体现。一 般 出 口 温 度 的 选 定 为 900 ～ 1000 之间。另外，炉膛
73 ×3.5 和
60 ×3.5(20 ，
GB3087-1982)。 在 计 算 其 换 热 时 须 根 据 盘 管 结 构 考
虑一个角系数 的问题。这里由于
/ =1， 因 而 角 系 =1。 其 炉 膛 内 的
数的因素可以不考虑，也就是取
热力计算过程与燃油卧式微正压内燃锅炉一致。内、 外圈的管径不一，主要是考虑各自受热强度不同， 具体确定内、外管径根据有机热载体的物理特性、 受热强度和管内流速等方面而确定，尽量做到内、 外盘管热膨胀量一致，受热能达到均衡，不至有过 高 热 偏 差 。 一 般 设 定 的 炉 膛 出 口 温 度 为 900～ 1000 ，
的 辐 射 换 热 量 占 总 换 热 量 的 60%～ 70% ， 排 烟 温 度 的 高低直接影响锅炉的热效率，由于传热介质在使用 时 的 出 口 温 度 为 270 ～ 320
对流段的热力计算按管外横向冲刷进行计算。为防 止导热油过热，有机热载体炉在设计中规定了一些
(具 体 可 能 视 实 际 情 况 有
别 )， 排 烟 温 度 显 然 比 如 以 水 为 介 质 时 的 高 ， 一 般 为

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330～ 380 。 此 炉 的 设 计 排 烟 温 度 为 386 (3)对 流 段 烟 气 流 速 的 选 取
(1) 有 机 热 载 体 锅 炉 系 统 由 以 下 几 个 部 分 组 成 ，
包括有机热载体炉、热载体储油槽、膨胀油槽、热载 体循环泵及一些管路配件等，其系统如图 2所示。热 载体储油槽用于为热载体循环系统供热载体和接收 回油，膨胀油槽主要用于吸收热载体的膨胀量，其调 节容积应不小于液相炉和管网系统中有热载体在工 作 温 度 下 因 受 热 膨 胀 而 增 加 的 容 积 的 1.3 倍 。 实 践 证 明 ， 有 机 热 载 体 受 热 膨 胀 量 一 般 为 每 升 温 100 似 膨 胀 10%， 其 内 温 度 不 得 超 过 70 ，近
由于烟气流速与换热系数有直接的关系，因此 希望在可能的情况下尽量提高烟气流速。在考虑锅 炉热容量的情况下，选取燃烧机，据
- (燃 料 消 耗
量 与 燃 烧 机 能 克 服 的 背 压 )图 来 确 定 炉 内 压 ， 然 后 据 此确定烟气的流速。在设计计算时倒过来进行，先 计算出炉内压，再与燃烧机的
- 图来进行比较，
不合适再进行结构调整。为了能有一定超负荷能力， 选择燃烧机时其背压一般要比锅炉的总阻力要大一 个档次。
，以防止高温
氧化。系统运行时的循环回路如下：热载体从换热器 端将热量放出后经阀门、过滤器、膨胀节、循环泵再 从有机热载体锅炉的进口集箱进入有机热载体锅炉 进行加热，达到设定温度后从出口集箱到达用热端 的换热器进行换热。在热载体进出管上各有一根管 与膨胀油槽相连，用以吸收膨胀量和作为流量旁通 用 。 为 使 膨 胀 油 槽 的 油 位 保 持 在 相 对 较 高 的 位 置 (膨 胀槽的底部与有机热载体锅炉顶部的垂直距离应小 于 1.5m)， 以 及 时 补 充 循 环 回 路 消 耗 的 油 ， 膨 胀 油 槽 另与热载体储油槽相连，由热载体储油槽补充和接 收热载体。另外在有机热载体锅炉的出口集箱上装 有一安全阀，安全阀的出口通向热载体储油槽。有一 些国内的液相热载体锅炉未装安全阀，一旦液相热 载体锅炉出现系统超压，通过膨胀器进行泄压。在进 出口集箱上各有一油压信号管接到一个差压控制器 上用以控制运行。其中热载体进口管上的阀门只在 由齿轮油泵往热载体储油槽灌油时才开启。对膨胀 油槽的补油是通过热载体出口经齿轮油泵进行输送 的。
(4)对 流 换 热 盘 管 管 径 与 管 内 热 载 体 流 速 的 选 择
为防止液相炉中热载体过热与积碳，按国家的 相 关 规 程 ， 在 辐 射 段 管 内 热 载 体 的 流 速 不 小 于 2m/s， 在 对 流 段 不 小 于 1.5m/s。 在 选 定 流 速 的 同 时 ， 再 根 据 热载体的循环流量可得出盘管总的横截面，然后根 据盘管数与各自的受热强度分配各自的管径。一般 在辐射区的管径要粗一些，另外还考虑在运行一段 较 长 时 间 后 ， 热 载 体 会 存 在 一 定 程 度 的 老 化 (尤 其 在 过 热 时 )， 其 碳 化 的 油 垢 会 粘 附 于 盘 管 内 壁 ， 缩 小 管 径，严重时会发生爆管现象，因此一般选择管子时 要比计算值稍大一档。
５ 有机热载体锅炉的运行系统设计
(2) 为 能 更 加 保 证 有 机 热 载 体 锅 炉 的 燃 烧 完 全 可
靠，除了在后烟门上装有一个炉膛防爆门之外，我们 在有机热载体锅炉的烟道上装有一个烟道防爆门。
(3) 有 机 热 载 体 锅 炉 系 统 配 管 完 成 后 ， 要 进 行 试
图 2
有机热载体锅炉的运行系统
1.系 统 循 环 泵 4.热 载 体 出 口 管 7.安 全 阀 导 出 管 10.膨 胀 管
2.安 全 阀
3. 进 出 热 载 体 管 接 口 6.热 载 体 进 口 管 9. 膨 胀 油 槽 补 油 管 12.热 载 体 出 口
5.齿 轮 油 泵 8.溢 流 管
11.热 载 体 进 口
13.流 量 旁 通 管 15.液 位 计
14.电 子 式 浮 球 阀 17.烟 道 防 爆 门
图 3 系统启动点火升温 （ ）示意图 压
16. 烟 囱

压 检 漏 ， 用 空 气 0.5MPa 压 力 保 压 30min， 其 间 用 肥 皂沫检查各焊道及法兰接口。
综上所述，在设计有机热载体炉时，其设计流程 与介质为水时的设计流程基本一致，主要不同的地 方是由于热介质的不同。热载体炉的特点主要是低 压高温，且没有相的变化，在热交换过程中，其性质 比较稳定。在设计时一定要针对有机热载体炉的特 点进行。另外有机热载体炉的运行系统较为复杂，主 要是由于其是以循环回路的形式运行，且在管道的 密封与压力的稳定方面要求较高一些。 参考文献 [1]GB/T17410-1998 有 机 热 载 体 炉 [S].国 家 质 量 技 术 监 督 局 ,1998. [2] 劳 动 部 发 [1993]356 号 ,有 机 热 载 体 炉 安 全 技 术 监 察 规 程 [S],1993. [3]JB/T7985-1995 常 压 热 水 锅 炉 通 用 技 术 条 件 [S]， 中 华 人 民 共
和 国 机 械 工 业 部 ， 1995.
(4) 有 机 热 载 体 锅 炉 在 灌 入 热 载 体 前 后 要 注 意 以
下几点： ①在灌入热载体前循环管路中的水分一定要吹 干；点小火进行烘炉，将炉膛内耐火混凝土中的水 分和循环管路中的水分进一步烘干。 ②在灌入热载体后，一边小火加热，一边开动 循环泵，对循环管内的热载体进行加热，其加热的 过程曲线如图 3所示，要求：经过多次平稳加热，较 长时间后慢慢将温度上升，这样有利于将热载体中 的水分慢慢蒸发掉，且使油能得到匀均的加热，不 至于局部过热。在加热过程中，要经常将出口集箱 上的排气阀打开，以利于将蒸发的空气、水分、水及 热媒体混合物排出。启动温升的具体时间和温度要 视具体的循环回路与有机热载体锅炉的热容量、压 力及热载体本身的特性来决定。正常运行时，导热 油 进 出 口 温 差 宜 小 于 30 以防止传热负荷过高。 ， 压 差 宜 大 于 0.15MPa ，
[4] 庄 韦 ， 崔 汉 明 .燃 油 导 热 油 加 热 炉 的 设 计 开 发 [J].工 业 锅 炉 , 1998(4):6～ 9. [5] 刘 晓 燕 ， 关 涛 ， 彭 志 刚 .有 机 热 载 体 锅 炉 结 构 型 式 概 述 [J].工
业 锅 炉 ， 2002(3) ： 31～ 33. — — — — — — —— —— —— — —— —— — — — — — — 作 者 简 介 ： 单 鲁 良 (1974
)， 男 ， 湖 南 衡 阳 人 ， 热 能 工 程
６ 结束语 (上 接 第 8 页 )
表 ２
专业本科毕业，现主要从事锅炉设计工作。
对 流 换 热 的 炉 膛 出 口 温 度 为 9４ 。 ８
— — — — — — —— — —— —— —— — —— — — — — — 作者简介：吴玉昆，蚌埠职工大学副教授，毕业于哈尔滨
工业大学锅炉专业，现蚌埠锅炉厂技术顾问，兼蚌埠市热源节 能工程研究所总师。