热水锅炉项目设计方案
热水锅炉项目设计方案
1 概论
1.1 热水锅炉概论及分类[1][2]
热水锅炉是指水在锅炉本体内不发生相变，即不产生蒸汽，回水被送入锅炉后通过受热面吸收了烟气的热量，未达到饱和温度便被输出的一种热力设备。通常以KW、MW为单位表示锅炉的容量，旧单位用“万千瓦/时”或“万大卡/时”表示锅炉的容量。压力、温度、供热量是反映热水锅炉工作特性的物理量，是热水锅炉的基本的参数，一般容量0.7MW的热水锅炉相当于蒸发量1t/h的蒸汽锅炉的热功率。按热水供出温度，热水锅炉可分为低温水（供出热水温度小于120°C）和高温热水（供出热水温度大于120C）锅炉。热水锅炉具有的热损失小、供热范围广和维修范围低等优点已被广大用户所接受，根据有关资料介绍热水锅炉采暖与蒸汽锅炉相比可节约燃料20%?40%左右。
1.1.1 热水锅炉的特点[3]
（1）锅炉的工作压力。热水锅炉的工作压力取决于热系统的流动阻力和定压值。热水锅炉铭牌上给出的工作压力只是表明锅炉强度允许承受的压力, 而在实际运行中，锅炉压力往往低于这个值。因此热水锅炉的安全裕度比较大。
（2）烟气与锅水温差大，水垢少，因此传热效果好，效率较高。
（3）使用热水锅炉采暖的节能效果比较明显。热水锅炉采暖不存在蒸汽采暖的蒸汽损失，并且排污损失也大为减少，散热损失也同样随之减少。因此热水采暖系统比蒸汽采暖系统可节省燃料20%左右。
（4）锅炉内任何部分都不允许产生汽化，否则会破坏水循环。
（5）如水未经除氧，氧腐蚀问题突出，尾部受热面容易产生低温酸性腐蚀。
（6）运行时会从锅水中析出溶解气体，结构上考虑气体排除问题。
（7）蒸汽锅炉需要连续和定期排污，而热水锅炉只需少量的定期排污。
1.1.2 热水锅炉的分类
（1）热水锅炉按水循环分类，分为强制循环和自然循环。本课题要设计
SHL1200-13/130A U型热水锅炉，其中SHL锅炉是自然循环锅炉，自然循环锅炉是工质在沿汽包、下降管、下联箱、上升管、上联箱、连接管道再到汽包这样的回路中的运动是由其密度差造成的，而没有任何外来推动力的循环流动。自然循环热水锅炉的结构形式与蒸汽锅炉基本相似。辐射受热面中的热水，靠下降管与水冷壁管中水的温度和密度不同而造成的水柱重力差循环流动。依照课题设计要求，本锅炉为自然循环热水锅炉。其特点有：锅炉采用自然循环，水循环安全可靠。
（2）热水锅炉的按结构形式分类可分为以下几种：
①管式热水锅炉。这种锅炉有管架式和蛇管式两种，前者较为常见。管式热水锅炉是借助循环泵的压头使锅水强迫流动，并将锅水直接加热。这种锅炉大都由直径较小的筒体（集箱）与管子组成，结构紧凑，体积小，节省钢材，加工简便，造价较低。但是这种锅炉容量较小，在运行中如遇突然停电，锅炉的水泵无法运行，正常的水循环遭破坏，锅水容易汽化，并可能出现水击现象。
②锅筒式热水锅炉。这类热水锅炉大多是由蒸汽锅炉改装而成的，现在也形成了一个热水锅炉系统，它筒体较大，容量大，造价相对提高，由于这种锅炉出水容量大，且能在断电时维持自然循环，在遇到停电，水泵突然停止运行时，可以有效的防止锅水汽化。也正是这个原因，近年来锅筒式热水锅炉在我国发展较快。
1.2 热水锅炉的选择
我选用的是锅筒式热水锅炉，理由有：
（1 ）全管子锅炉结构复杂，安全性能不高，停电、停泵时容易汽化产生水击，水质要求高，其中只要有一根管子爆管就要立即停炉检修，并且检修困难；锅筒锅炉结构简单，安全性能好，停电、停泵时锅炉还可以利用自身的自然循环继续运行。并且由于有锅筒，即使产生了汽化，汽化对锅炉也可能不带来危险。
（2）全管子锅炉适用于高温、大型供热系统；而课题设计要求是中、小型容量，
低温系统，我设计为出水温度为130C，锅筒锅炉较适合。
（3）就制造方面来说，整个湖南省都很少制造管式热水锅炉，热水锅炉只制造锅筒式的热水锅炉。也就是说如果设计要在湖南省的话，实现制造是比较困难，即使制造了，由于不是批量生产，这样单一制造成本也会较高，而锅筒热水锅炉就好的多，湖南省内的厂都有制造。
1.3 热水锅炉的改装[4]
蒸汽锅炉改装成热水锅炉, 归纳起来主要有两种方法。其一是将系统回水从下锅筒或下集箱引入，即强制循环。第二种方法，系统回水进入上锅筒，看热水的重力差所产生的自然循环流动压头能否克服管路阻力，如果不能够克服，就加水泵,形成强制循环，如果能够克服，就可以利用流动压头形成自然循环，此外如果流动压头不太大也可以加水泵，形成强制循环，保证水循环的顺利和锅炉安全。
1.3.1蒸汽锅炉改热水锅炉
蒸汽锅炉形式分锅壳锅炉、水管锅炉。见表 1.1
表1.1锅炉形式代号
Fire-tube boiler火管锅炉又称锅壳式锅炉。基本结构是在大圆筒（锅壳）内装设小圆筒、管子（称谓“火管”）或其他形状的壳体（称谓“炉胆”），火管与大圆筒隔绝并形成夹套，夹套中容水，而火管及炉胆充作燃烧室和烟道，容纳火焰或烟气，燃烧产生或烟气带来的热量经火管壁传给水。优点是水容量大，蓄热能力大，结构、安装和运行都比较简单。缺点是蒸发强度不高，产生的蒸汽压力低，锅壳及内部构件直接受热，工作条件变差，锅壳强度因各种开孔被削弱，因储水和蓄势量大，一旦破坏释放能量大。在工业上应用最早，目前一般用作小型工业锅炉。
水管锅炉。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸
发量和蒸汽压力。这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。
水火管锅壳式锅炉是我国近十几年发展起来的科技含量高的锅炉品种，，这种锅炉与传统的水管锅炉（包括管架式、角管式、单、双汽包式）相比较，后者运行三年出力降到70%左右，而前者在整个寿命期内，受热面不积灰，出力不变，效率不变，水火管快装锅炉具有如下优点：结构紧凑、生产工艺简单、安装方便：亦存如下缺点：锅炉相对的水容量较小，锅壳下部直接受辐射热，当给水水质不良或排污不及时，水垢与混渣易沉积在锅壳底部，使锅壳底部钢板过热变形，形成鼓包。此外管板，烟管与锅筒刚性联接，因受热不均与载荷变动时，产生交变温度应力，易造成管板裂纹，拉撑焊缝裂开，烟管拉脱等事故。据有关调查统计，这种锅炉的事故率比水管锅炉多2 倍以上。
综合考虑，我选用的是双锅筒纵置式水管锅炉。锅筒纵向中心线与锅炉前后中心线重合或平行的锅炉称为纵置式锅筒水管锅炉，工业锅炉以双锅筒居多。这种锅炉主要由上下两个纵置锅筒、对流管束、水冷壁管、集箱等组成。纵置式锅筒水管锅炉的上锅筒的设计方案是将上锅筒做得较长，把
下锅筒置于上锅筒的后半段下部，上锅筒的半段伸人炉膛顶部、炉膛两侧布置了水冷壁，水冷壁管下端连接下集箱，下集箱通过下降管与下锅筒连接供水。水冷壁管上端直接胀接在上锅筒前半段的底部两侧，这样构成水循环回路。水管锅炉在锅筒外部设水管受热面，高温烟气在管外流动放热，水在管内吸热。由于管内横断面比管外小，因此汽水流速大大增加，受热面上产生的蒸汽立即被冲走，这就提高了锅水吸热率。锅炉水循环好，蒸发效率高，适应负荷变化的性能较好，热效率较高。
蒸汽锅炉改装成热水锅炉，我选用第二种方法, 即系统回水进入上锅筒，再加装水泵。由于出水温度为115C，进水温度（通过省煤器后）也可以达到70C，相差只有45C，锅筒锅炉的自然循环是利用水的密度差来实现的，现在这个密度差太小，通过计算校核，自然循环流动压头不太大，循环效果不太理想，所以在需要加一个水泵，形成强制循环，来维持锅筒热水锅炉循环。
1.3.2 改装应注意的问题
（1）锅炉回水必须进入上锅筒。为保证循环的可靠性, 在锅筒内设置隔板把锅水分成热区和冷区。锅炉的回水必须进入冷区, 热水应从热区引出，使锅炉的回水管与热水引出管在锅筒内的连接位置有利于锅炉的水循环.所说的冷区是指下降管区, 热区为上升管区。
（2）改装后的热水锅炉, 必须效验锅炉水循环是否安全可靠。即按水的密度重力差所产生的自然循环流动压头, 能否克服管路阻力,并有足够的循环水量通过管子，以防个别管子过热，产生过冷沸态。并避免因循环速度过低，水中杂质沉积在管壁上，形成水垢。
（3）应尽量防止回水进入热水引出管，以保证下降管入口有最小的水温。
（4）对于装设省煤器的锅炉，为避免省煤器工质流动阻力过大，需将省煤器并联或加旁路管。
（5）在热水锅炉中不允许水发生汽化，否则在受热面中易产生水垢和水击，影响锅炉运行的安全性和经济性，为保证单相流体的水动力特性的稳定性，应控制好水的流速，减少流量偏差；保证受热面各平行管子受热均匀，尽量减少各受热面的热偏差，因此进入锅炉的系统回水要采取调节分配。
（6）为减少水在锅炉中的流动阻力，应拆除上锅筒内原有的一切分离设备，仅保留锅筒的排污系统，由于热水锅炉的进水量比蒸汽锅炉大很多倍，锅炉的进水管与回水管尺寸应符合要求，并加装配水管。
（7）改装后的热水锅炉应尽量减少水在锅炉内的停滞，尤其是锅筒的端部，否则易造成氧腐蚀。实际运行中，有真实事例显示，锅筒后管板出现裂纹或漏水现象。证实为，当锅炉烟管与管板焊接时，后管板多出现裂纹，当烟管与管板胀接时，多出现漏水现象。其原因之一就是水在锅筒内温度分层所致，因为冷水在下部，热水在上部，锅炉在后管板处受交变温度应力的影响，使之产生上述现象, 因此一定要减少水的停滞区。
（8）进入锅筒的低温回水，不能立即与锅炉某些关键部件接触，以免产生热应力与变形，导致漏
水。
（9）为能及时排除水中析出的气体，应在锅炉各回路的最高点设置排汽阀。
2热水锅炉的基本参数
2.1热水锅炉供热系统参数[5]
2.1.1系统的循环水量计算
系统的循环水量的大小按下式计算：
Q
G二盯他小) (2.1)
式中Q ――系统(锅炉)的总供热量(KW);
■ ――平均供水温度与平均回水温度之差「C)；
C――水的比热(KJ /(kg C)),通常取C=4.1816KJ /(kg C)。
在实际的供热温度范围内,水的比热大于4.186KJ/(kg C),因此按上式所计算的流量稍大些，也就是给系统提供了2?3%的安全裕量。
2.1.1最佳供回水温度的确定
在高温水供热系统中循环水量的大小，主要取决于供回水温差。对于区域性供热系统，管道及铺设费用占工程造价的比例约为40?60%。因此希望有较大的供回水温差，亦即要提高供水温度或降低回水温度，以减少流量缩小管径，减少管道的铺设费用。但供回水温差变大，对供热系统的要求比较高，必须综合考虑。
供水温度高有很多优点，它可以提供较大供回水温差，使管径减少，降低投资费用；当采用换热器时，由于供水温度高，增加了换热温差，使换热器面积减少；但供水温度高,要求锅炉及管道，散热器等要耐高压，并给系统的稳压带来困难，同时水温高易造成烫伤事故。
回水温度低则要求散热器性能好，或增大散热器面积，此外还要考虑锅炉尾部受热面的烟气腐蚀，尤其燃用高硫燃料时，更为突出。
综上所述,确定系统的供回水温度要综合考虑系统的承压能力、负荷的种类、系统的供热范围、用户的要求和系统规模的大小等因素。
本课题要求设计为SHL1200-13/130A U型热水锅炉，其中1200为1200000大卡/小
时，应等于12000000 1000 4.2/3600=14MW。根据国家标准GB/T3166-2004 热水锅炉参数系列，可选择合适的参数，如下表2.1所示。国家标准GB/T3166-2004热水锅炉参数系列见附录1。问
我选用的供回水温度为130\70C
2.2热水锅炉的基础资料
2.2.1锅炉参数
压力、温度、供热量是反映热水锅炉工作特性的物理量，是热水锅炉的基本的参数，一般容量0.7MW的热水锅炉相当于蒸发量1t/h的蒸汽锅炉的热功率，14MW 的热水锅炉相当于蒸发量为
20t/h的蒸汽锅炉的热功率。由于热水锅炉不产生蒸汽，而产生的热水的温度比蒸汽的温度低的多，所以热水锅炉的进水量比蒸汽锅炉大10?20倍。
额疋供热量Q14WM出水压力P 1.3MP
a 回水温度t h s70 C出水温度t c s130C
排烟温度V py180C锅炉排污率P p w5%
2.2.2气象条件
邵阳市地处亚热带，属典型的中亚热带湿润季风气候。夏季盛吹偏南风，高温多雨，冬季盛吹偏北风，低温少雨；四季分明，光热充足，雨水充沛，且雨热同季，受地貌地势的影响，气候复杂并垂直变化和地区差异明显。全市年平均气温16.1?17.1T，7月最热，月平均气温26.6?285C；1月最冷，月平均气温4.7?56C,本地最低大气压为100391P&
由于热水锅炉的应用方向，如供水，采暖，受季节影响较大，使热水锅炉具有间歇性。夏天基