新型水火管锅壳锅炉开发十七年技术总结

　　新型水火管锅锅炉开发十七年技术总结李之光，王昌明（北京之光锅炉研究所，北京100039）情况作了详细介绍，还对主要技术关键问题作了全面论述。

　　1前言35年来，水火管锅壳锅炉一直是我国工业锅炉中数量居首位的炉型，近17年来，在旧型水火管锅壳锅炉的基础上，开发出各项性能均较旧型优越的新型水火管锅壳锅炉，而且单台容量已达40蒸吨，并已设计出65、80蒸吨容量的此型锅炉。（注：1蒸吨相当于0.7MW热水锅炉、lt/h蒸汽锅炉>.经历经七载。此期间，新型水火管锅壳锅炉在性能上又有了较大改进，在单台容量上又有所增大。本文主要对以上进展情况作全面介绍，同时对主要技术问题加以论述。以使工程技术人员在设计、制造、安装、运行时能够准确掌握此型锅炉的技术关键，以利于此种锅炉高质量发展。

　　2水火管锅锅炉数M多的原因与发展现状水火管锅壳锅炉的数量长期高居不下，不可能是行政干预商业行为或个别专家意见所导致的。应是事物发展优胜劣汰规律所决定的，是广大锅炉用户根据锅炉综合性能指标“（出力、效率、金属耗量、外形尺寸、安全可靠性。环保性能、价格等）长期考核对比而自扦选择的。

　　以烟管作为主要对流受热面并置于锅壳内的锅壳锅炉相对于将主要对流受热面置于烟道内的水管锅炉。必然较为紧凑。另外，工艺也较简单、安装也较方便=当燃料为油、气时，一般采用内燃式锅壳锅炉。我国锅炉以燃煤为主，为便于燃烧，而改为外燃式锅壳锅炉，将带有水冷壁的炉脸置于锅壳之外，遂形成“水火管锅壳锅炉”，这样，也便于增大锅炉容量。

　　新型水火管锅壳锅炉利用高效传热螺纹烟管代替一般平直烟另外，由于高效传热，对于锅炉出水温度不大于130X：的此型热水锅炉，一般都取消了尾部受热面，使锅炉房跨度明显减小。

　　新型水火管锅壳锅炉的篼度都明显偏低：2蒸吨容量锅炉，由操作平台至锅壳顶部高度为7.5m，40蒸吨为8.5m，的蒸吨为10.5m，80蒸吨为11.5m.由于高度明显偏低，使一些旧锅炉的供热能力翻了一番。

　　新型水火管锅壳锅炉即使容量达蒸吨也用自身支承方式，不需要主钢架，使钢耗明显下降。此外此型锅炉的制造与安装也较为简单。

　　新型水火管锅壳锅炉采用带回水引射的自然循环方式，便于运行。另外，由于选用合理的烟管中烟气流速，运行时基本不积灰，故一般都能做到出力与效率不随运行时间的延长而有所下降。由于大量高效传热螺纹烟管置于锅壳内水宁，故锅炉介质升温较快。

　　在新型水火管锅壳锅炉炉膛内炉烘的上方有较大空间。在此烟气中的灰尘能够有效沉降，炉拱上设置翻板式灰门及大量落灰孔，使沉积下来的灰尘排至灰坑，可有效降低锅炉原始排尘浓度。

　　作为主要受热面的螺纹烟管，冷壁、烟管管板的安全可靠性，在选取合理水速及控制补充水硬度条件下，也能得到保证新型水火管锅壳锅炉的上述特点是在大量锅炉长期运行后总结出来的。至今10万蒸吨及以下容童新型水火管锅壳锅炉的在用总容量已近20万蒸吨，约7万台；15-40蒸吨容量此型锅炉的在用总容量已近2千蒸吨，约I百台。

　　近些年，大量锅炉制造厂经过对已运行的新型水火管锅壳锅炉的考察，采用了此型锅炉。至今，除大量C、D、E级锅炉制造厂以外，B级厂已有5家、A级厂也有2家采用了这种炉型。

　　目前，我国水火管锅壳锅炉是旧型与新型并存，其在用总容量约占我国工业锅炉在用总容量的一半，旧型不断被淘汰，旧型不断向新型过渡。

　　3新型水火管锅充锅炉的结构与性能特点3.1旧型水火管锅壳锅炉旧型水火管锅壳锅炉是丨965年由上海中建锅炉厂（现上海工业锅炉厂）开创出来的，对我国工业锅炉的发展起了重要推动作用；新型水火管锅壳锅炉是在旧型基础上发展起来的，没有旧型，不可能出现新型。

　　旧型水火管锅壳锅炉采用较多数量的平直烟管，烟管组成两个回程，I回程烟管人口烟温高达1000A锅壳底部直接接受炉膛火焰辐射，见、2.热水锅炉的系统回水一般由下集箱后部进人；蒸汽锅炉的给水一般进入锅壳水面。旧型锅炉容量较小，不大于10蒸吨。

　　图t为初纟￡构，为几经改进后的结构=两者突出区别在于将易产生裂纹且烟气阻力颇大的小烟室取消，而将炉膛出口高温烟气引向后管板。旧型水火管锅锅炉由于高温管板人口烟温较高、锅壳底部直接接受火焰辐射、热水型的水冷壁上升管流速较小等原因，当锅炉水质未满足水质标准要求时，易产生管板开裂、锅壳底部鼓包、水冷壁上升管爆管等事故。旧型水火管锅壳锅炉对水质的要求颇严。然而，我国较小容量（<丨蒸吨）的锅炉用户的水质平均水平又不高，故这种锅炉的事故率高于水管锅炉。1986年，河北省劳动厅曾普查3038台工业锅炉（水火管锅壳式2217台，水管式821台普查结果如表丨所示，可见旧型水火管锅壳锅炉的事故率较高，当时该地区水管锅炉的事故率也不低，这主要是用户水质欠佳所致。

　　表1工业锅炉事故率（河北。〗986年）锅炉型式旧型水火管锅壳锅炉水管锅炉蒸汽热水蒸汽热水应用时间（年）年事故率3.2新型水火管锅壳锅炉3.2.1容量不大于10蒸吨水火管锅壳锅炉许多不大于m蒸吨锅炉用户的水质不能严格满足水质标准要求，而此情况又不可能尽快解决不大于丨蒸吨新型水火管锅壳锅炉充分考虑了此特点。另外，这种新型锅炉在提高传热效果以减小钢耗、降低锅炉原始排尘浓度等方面，也取锝明显效果。

　　不大于6蒸吨的I型结构如所示。

　　10蒸吨的I型结构与上述不大于6蒸吨结构的区别是在下集箱的下部专门设置防焦箱，两者用一些管子相连，下降管由锅壳引向防焦箱。

　　蒸汽锅炉结构与上述热水锅炉基本相同，受热面管系一般是两者通用，蒸汽锅炉的锅壳直径一般放大200mm，以利于汽水分离，下面主要以热水型为例进行介绍。

　　I型结构所用的主要技术措施及达到的目的如表2所示。

　　其中，热水型采用1-6及全部措施；蒸汽型采用1、2.3、6四项措施。详见n型炉型结构上作了些简化，如10蒸吨容量取消防焦箱，使不大于10蒸吨锅炉的水冷壁皆采用统一结构形式；烟管采用表21型结构主要技术措施与目的措施作用目的消除双回程引起的管端焊缝热应力防止管板开裂1单回程螺纹烟管提高柔性从而减小管端焊缝热应力防止管板开裂强化传热从而明显减少烟管根数与缩小锅壳直径节省钢材2八字烟道降低高温管板入口烟温从而减缓过冷沸腾防止管板开裂减小锅壳底部热负荷防止鼓包3凸形管板提高柔性从而减小管端焊缝热应力防止管板开裂4部分回水引向高温管板降低水温与提高水速从而防止过冷沸腾防止管板开裂5回水引射提高上升管水速从而防止过冷沸腾防止爆管6炉内烟尘粗分离惯性分离烟尘降低原始排尘浓度错排布置，取消回水导向罩171等，突出区别在于将下集箱尺寸放大，以减小集箱效益（见4.3），下降管尺寸也适当放大，可提高上升管流速，以达到进一步提高水动力可靠性目的。

　　部下降管出口处，并取消前部下降管。利用集箱效应以使上升管流速分布与炉膛热负荷分布相适应（见4.3），明显改进了水动力工况，水质适应性可适当放宽，也简化了结构M. IV型炉型为有压相变换热式，见。“相变换热”指换热管（二回路）的外部为冷凝换热。管内又为水的强迫对流换热，结果使换热管的传热系数高达2（K10W/（m2r）左右，可使换热管受热面大为减少。“有压”指中间介质（热媒体，即锅水与蒸汽）的压力高于大气压<<丨。2或。4MPa表压由干饱和温度较高，可使换热管出水温度满足我国供暖工程的要求，见表3.表3不同压力对应的出水/回水温度压力（表压XMPa饱和温度，V出水/回水温度，‘C IV型结构的突出特点是能够更好地适应水质欠佳用户的需求：与高温烟气接触的受热面不会因结垢而破坏，也不会因氧化而穿孔。这是因为中间介质极少需要补充，因而不会不断增加硬度盐与氧。而换热管由于水速较高（大于2.5m/s），析出的气泡与污物也会有效排出，由于加热介质（中间介质）的温度不高，更不会因换热管壁温升高而爆管。有关IV型结构设计、运行注意事项详见141. V型炉型是取消前部下降管的蒸汽锅炉。水火管锅壳锅炉水冷壁出口的截面含汽率较小，仅约为。3.以后在烟管踅束进一步汽化，而且烟管吸热量又大于水冷壁而水管锅炉水冷壁出a的截面含汽率明显大于上述值。

　　低压工业锅炉水冷壁结构欠佳时，受热弱的少数上升管有产生循环停滞的可能性。但对于水火管锅壳锅炉，循环停滞不会带来明显不良后果，因管内大部分为水，会得到足够冷却。

　　实际上，许多水火管锅壳锅炉炉膛后部上升管是在停滞状态下工作的，但并未因此产生事故。

　　水火管锅壳锅炉的前下降管上部正位于八字烟道内，阻碍烟气流动，其外表的绝热层也很容易被烟气冲刷掉。取消前部下降管并将后部下降管与下集箱尺寸适当放大即形成V型结3.2.2容量不小于15蒸吨（大容量）水火管锅壳锅炉容量不小于15蒸吨大型水火管锅壳锅炉的水质一般都能满足水质标准要求（既除硬度盐，也除氧），锅炉结构应以此为基础进行考虑。

　　十年以前开发的容量为15、20蒸吨I型结构采用了较多数量水排管，而且用主钢架将全部受压件吊起。考虑到工业锅炉排管难以有效清除积灰，主钢架会消耗较多钢材，故目前已不再生产，而只生产无排管或仅有小排管并取消主钢架自身支承的n型结构。故以下仅介绍这种n型结构。

　　20蒸吨水火管锅壳锅炉采用同-一结构型式，而且高度彼此相同。由可见，与不大于10蒸吨的锅炉含g构基本一致，区别在于增加中间集箱，使水冷壁加高。锅壳与八字烟道构成一个组件，而水冷壁管与下降管则为散装形式-热水型。蒸汽型均已大量投人运行呔40蒸吨水火管锅壳锅炉曾有过单锅壳。双锅壳结构型式，。为便于制造、运输。安装，后采用了三锅壳结构，见，这种三锅壳热水型水火管锅壳式锅炉已经投运了近丨台。运行实践表明，出力、效率、水动力、自身支承等均达到了设计要求65、80蒸吨热水型水火管锅壳锅炉的结构型式与上述仙蒸20吨热水型水火管锅壳锅炉（D型）丨29MW（4U蒸吨）热水型水火管锅壳锅炉（n型）吨完全一样皆采用4排小排管，使清除积灰较为方便。目前已完成全部设计工作，外形尺寸如所示，可见高度明显偏低。

　　容量，MW 4新型水火管锅充锅炉主要技术内容些年技术上又有较大进展，以下对此作一全面论述，4.1螺纹烟管约20年前，重庆锅炉总厂在国内首先将螺纹烟管应用于燃烧天然气的内燃锅炉上，取得显著效果，对我工业锅炉的发展起了重要推动作用。

　　由于螺纹烟管可明显提高传热能力，故得到国内锅炉界高度重视f但也存在新的问题，如：①流阻较高；②应用于固体燃料时，必须考虑磨损、积灰问题；③有螺纹后，对刚度、疲劳强度也应进行研究为将螺纹烟管广泛应用于燃煤锅炉上，笔者先后在哈工大、北京电工研究所、北京之光锅炉研究所与广大师生、研究人员及一些锅炉制造厂技术人员共同对螺纹烟管的七个技术问题（放热、流阻、磨损、积灰、刚度、强度与结构优化）进行了全面研究，包括理论分析、。如在管内检测有困难，可找出它与由外壁起算的深度e之间的关系，再检测e并严格满足e的要求。如未满足螺纹高度e的要求，会导致出力下降或热效率下降。个别几个制造厂疏忽了对螺纹高度的严格核查，出厂锅炉螺纹烟管的实际螺纹高度明显小于设计要求122，致使排烟温度增高，锅炉出力也受到影响，应引以为戒。螺纹烟管烟气人口端应严格满足1所示的要求。为充分发挥螺纹高效传热作用，图示A/可尽量小，不宜大于50imn：烟管出口端可取消平直段，焊接时螺纹本身形成的很小空隙必然能够填补上、，1螺纹烟管人口端结构要求按我国强度标准GB/T16508-1996W，螺纹烟管中部无需支承，尽管存在一定挠度，当锅炉承后，必然被拉直，挠度达20-30mm是常遇到的，锅炉大修时，为使烟管能够抽出，锅炉房后墙应设置窗户，见2. 4.2凸形管板旧式水火管锅壳锅炉采用有拉撑的平管板。由于刚性很大，使烟管与管板连接焊缝的热应力较大，另外，进人锅壳内焊接拉撑件也较困难，因此，70年代末上海工业锅炉厂参照德国标准在国内首先推出无拉撑拱形管板，见图丨3.这种拱形管板由表4通用拱形管板尺寸名称管板管板直段长上部平下部平边缘线转角管板适用范围内径内高面尺寸面尺寸半径半径厚度热水锅炉蒸汽锅炉符号hn1mnRrtQD单位mmmmmmmmmmmmmmmmMWt/h1000200352951003801008-140.7数12002253525025048020010-两部分组成：平面部分（管板区）与凸形部分。平面部分受力欠佳，但有大量烟管拉撑；而凸形部分受力较好，无需拉撑，可取消拉撑件。

　　为使这种受力状态明显改善、工艺得以简化的拱形管板能够推广，并纳入我国锅炉强度标准中，我们与哈工大、北京电工研究所师生。研究人员在原劳动部锅炉压力容器检测中心及一些制造厂的支持下，进行了大量有限元计算分析、应力实测等工作，结果如下：凸形部分的形线（3中各2线）由扁圆形改为椭圆形，应力状态为好郝平，李之光。螺纹烟管在锅壳式锅炉上应用的实验研究与优化设计方法⑴。节能技术，1988，（5>：2-5.董冗，刘曼青，李之光。烟管锅炉拱形管板强度的研究：儿工李之光，等。锅炉材料及强度与焊接。北京：机械工业出李之光等。凸形管棋逢对手的强度计算问题工业锅炉。1992，GB9222-88，水管锅炉受压元件强度计算。中国锅炉压力容器安全。2000，（6）。

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