锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究.docx
《锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究
锅炉炉膛防爆压力及烟气系统设计压力研究
1.概述1
2.锅炉炉膛防爆压力和烟道设计压力选取现状分析1
3.烟气系统设计压力的影响因素6
4.锅炉炉膛防内爆设计压力研究20
5.烟道设计压力研究26
6.结论30
1.概述
随着我国国民经济的快速发展，国家环保政策日益严格，环保标准不断提高，新建火电机组对减少烟气污染物的排放愈来愈重视，大力加强了治理的力度。
近年来，愈来愈多的新建机组同步建设脱硝、脱硫装置，部分机组为达到粉尘排放要求采用了布袋除尘器或电袋除尘器，这些措施使得锅炉烟气系统配置的变化增加，烟道阻力有所增加，引风机压头有所提高。
锅炉炉膛防爆压力（炉膛设计瞬态压力）的选择与引风机的压头有一定关系，国内外的相关规程规定存在一定的矛盾，近年来随着烟气系统总阻力的增加，各工程在锅炉炉膛设计瞬态压力的选择上不尽统一，且有不断升高的现象；烟气系统设备（脱硝装置、空气预热器、除尘器等）的设计压力，国内现行规程规定中没有明确的规定；而烟道设计压力与炉膛设计压力和引风机压头有关，当炉膛设计瞬态压力与引风机TB压头不一致时，国内现行规程已不能完全适用，烟道设计压力需考虑各种工况合理选取，目前也存在各设计单位对烟道设计压力取值不统一的问题。
因此，认真研究炉膛承压能力取值以及烟气系统设计压力，对规范设计、合理控制工程造价有着重要的意义。
根据目前锅炉机组的应用情况，本项目仅针对大容量煤粉炉的锅炉炉膛防内爆压力及烟气系统设计压力进行研究。
2.锅炉炉膛防爆压力和烟道设计压力选取现状分析
2.1锅炉炉膛防爆压力选取现状分析
国内现行的锅炉炉膛防爆压力选取的相关规程有：
●《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》（DL/T5121-2000），以下简称《烟规》。
●《电站煤粉锅炉炉膛防爆规程》（DL/T435-2004），以下简称《炉膛防爆规程》。
上述规程均参考了美国NFPA8502《多燃烧器锅炉炉膛防外爆/内爆标准》。
原电力工业部热工自动化标准化技术委员会曾出版NFPA8502《多燃烧器锅炉炉膛防外爆/内爆标准》1995年版，2001年NFPA85《BoilerandCombustionSystems》对原NFPA8501-8506进行了整合编辑，经2004年、2007年修订，目前最新版本为NFPA85《BoilerandCombustionSystems》（2007年版），以下简称NFPA85-2007。
2.1.1国内现行技术规程的相关内容
1）按《烟规》，引进型锅炉炉膛防爆设计压力按NFPA8502《多燃烧器锅炉炉膛防外爆/内爆规程》规定应满足下列要求：
a）瞬态正压按环境温度下送风机试验台风压确定，但不必要求超过+8.7kPa（通常取+8.7kPa）；
b）瞬态负压按环境温度下吸风机试验台风压确定，但不必要求更低于-8.7kPa（通常取-8.7kPa）；
c）当锅炉尾部采用的烟气净化设备阻力较大，环境温度下吸风机试验台风压低于-8.7kPa时（如-10kPa），必须考虑增大的设计负压。
2）按《炉膛防爆规程》
a）炉膛结构应能承受非正常情况所出现的瞬态压力。
在此压力下，炉膛不应由于任何支撑部件发生弯曲或屈服而导致永久变形。
b）炉膛设计瞬态压力不应低于±8.7kPa，有关说明见附录B。
c）无论由于什么原因使引风机选型点的能力超过-8.7kPa时，炉膛设计瞬态负压都应考虑予以增加。
2.1.2NFPA85-2007相关内容
NFPA85-2007关于炉膛设计瞬态负压取值的规定如下：
当炉膛压力控制系统依照，炉膛设计瞬态负压取值为-8.7kPa，不必要求高于此值。
当环境温度下引风机TB点能力低于-8.7kPa，例如-6.72kPa，炉膛设计瞬态负压可按环境温度下引风机TB点能力选取，不必高于此值。
其附录中对此给予了说明：
由于空预器下游风压损失较大或其它原因（如风机试验台裕度过大）而导致引风机压头增加，当引风机试验台能力高于－8.7kPa较多时，应考虑增加设计负压。
例如环境温度下引风机TB点能力为-3.7kPa，最小的设计瞬态负压为-3.7kPa；环境温度下引风机TB点能力为-9.9kPa，最小的设计瞬态负压为-8.7kPa。
2.1.3锅炉炉膛防爆压力选取现状
我国上世纪80年代至90年代间，大多数工程中尚未考虑烟气脱硫系统和脱硝系统的设置，炉膛防爆压力一般均按不低于±8.7kPa选取，也有一些进口机组按环境温度下引风机TB点压头选取，低于±8.7kPa。
在电力工业部1996年出版的内部资料《进口大容量电站锅炉及附属设备技术谈判指南》中也提出：
炉膛结构部件（包括刚性梁、炉顶密封装置、水冷壁与灰斗的联接部分等）进行外爆内爆强度计算时，炉膛的设计承压能力一般按大于5800Pa考虑，瞬间承受能力应不低于±8700Pa。
随着烟气脱硫系统在火电机组上的应用，烟气系统总阻力有所增加，并对炉膛设计瞬态压力的选取进行了一些探讨。
在我国环保要求新建工程预留脱硫空间后，在当时亚临界工程的招标过程中，一些工程考虑了安装烟气脱硫装置后烟气系统总阻力的增加，锅炉厂核算后认为适当减小刚性梁的间距，将炉膛防爆压力设计提高至±9.98kPa是可行的，之后很多工程在锅炉机组招标时要求炉膛设计瞬态压力为±9.98kPa（或±9.9kPa、±9.8kPa），也有部分工程仍采用±8.7kPa。
2000年后颁布的《烟规》和《炉膛防爆规程》中也相应提出了“当锅炉尾部采用的烟气净化设备阻力较大，环境温度下吸风机试验台风压低于-8.7kPa时（如-10kPa），必须考虑增大的设计负压。
”及“无论由于什么原因使引风机选型点的能力超过-8.7kPa时，炉膛设计瞬态负压都应考虑予以增加。
”的条款。
从NFPA标准和国内现行规程来看，炉膛防爆压力未要求考虑引风机与脱硫增压风机负压叠加的工况。
但当采用引风机与脱硫增压风机合并设置，或采用设置脱硝装置并选用布袋除尘器等系统配置时，则引风机环境温度下的TB点压头有可能高于8.7kPa。
从上文中可以看出，当引风机环境温度下的TB点压头高于8.7kPa时，国内外现行的规程对炉膛设计瞬态压力的选取有一些不同，NFPA85-2007规定的锅炉炉膛最小设计瞬态负压为-8.7kPa，当引风机试验台能力高于-8.7kPa较多时，可考虑增加设计负压；而国内现行规程则要求按引风机试验台能力选取。
对于炉膛设计压力的概念，是将炉膛防内爆设计瞬态压力除以一个安全系数换算得到的，此安全系数为材料按屈服极限确定基本许用应力时的安全系数。
在《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》（DL/T5121-2000）中分为引进型和传统型，对于引进型锅炉安全系数取1.67，传统型锅炉取1.5。
在《进口大容量电站锅炉及附属设备技术谈判指南》中规定炉膛的设计承压能力一般按大于5800Pa考虑，瞬间承受能力应不低于±8700Pa，取用了1.5的安全系数。
美国NFPA的标准中仅对炉膛设计瞬态压力给予规定，并没有规定安全系数的取值。
随着烟气系统配置的多样化以及对国内外标准的不同解读，目前工程中对炉膛防爆压力的选取不尽统一，部分大型机组的锅炉炉膛设计压力和设计瞬态压力的选取见表2.1。
表2.1部分机组锅炉炉膛设计压力的选取
电厂名称容量
炉型及制造厂
炉膛设计/瞬态防爆压力（Pa）
盘山电厂2×600MW
四角燃烧，哈锅
±5220/±8718ns＝1.67
禹州电厂2×350MW
四角燃烧，哈锅
±5200/±8700ns＝1.67
阳城电厂6×350MW
W火焰炉，美F.W
±3894/±6320ns＝1.6
西柏坡电厂2×300MW
对冲燃烧，北京B.W
±4000/±6000ns＝1.5
托克托二期2×600MW
对冲燃烧，北京B.W
±5930/±8890ns＝1.5
宣化电厂2×300MW
对冲燃烧，北京B.W
±5980/±9980ns＝1.67
托克托三期2×600MW
对冲燃烧，东锅
±5800/±8700ns＝1.5
大同三期2×660MW
对冲燃烧，东锅
±5980/±9980ns＝1.67
黄骅一期2×600MW
四角燃烧，上锅
±5980/±9980ns＝1.67
炉膛设计瞬态压力的提高，一方面提高了锅炉设备的造价，另一方面也受炉膛结构设计的限制。
对于大容量高参数机组，炉膛截面较大而水冷壁管径较细，这个问题更加严重，在设计配合中各锅炉厂均表示对于大机组炉膛设计瞬态压力±9.98kPa已基本上达到炉膛结构设计的极限，且国外锅炉在增加脱硫系统和脱硝系统后，炉膛设计瞬态压力并没有增加。
参数越高的锅炉，提高炉膛设计压力在结构上实现的难度更大。
根据某锅炉厂提供的参考资料，600MW机组亚临界锅炉的水冷壁管直径为60mm，而超临界锅炉只有38.1mm，超超临界仅有28.6mm。
表2.2是某锅炉厂对600MW亚临界及超临界锅炉本体在炉膛设计瞬态压力为±8700Pa和±9800Pa时炉膛本体刚性梁重量及最大间距比较。
表2.2600MW机组不同炉膛瞬时压力时锅炉刚性梁重量及最大间距对比表
工程名称
炉膛瞬时压力为±8.7kPa
炉膛瞬时压力为±9.8kPa
刚性梁重量（吨）
前水冷壁刚性梁最大允许间距（mm）
刚性梁重量（吨）
前水冷壁刚性梁最大允许间距（mm）
某600MW亚临界锅炉
626
3393
750
3200
某600MW超临界锅炉
1021
2305
1200
2170
注：
以上数据均为哈锅的估算值，刚性梁重量仅针对锅炉本体，不含风道、烟道及预热器壳体。
对于超超临界锅炉的刚性梁间距更小，如防爆压力再行增加，炉膛结构将难以实现。
综上所述，对炉膛设计瞬态压力应进行深入的分析，合理选取，不宜一味增加炉膛设计瞬态压力的取值。
2.2烟道设计压力选取现状分析
2.2.1《烟规》烟道介质设计压力
按《烟规》附录D烟风道介质设计压力表规定：
空气预热器出口至除尘器入口烟道：
设计压力采用1.1倍的炉膛设计负压值。
除尘器出口至引风机入口烟道：
设计压力采用1.2倍的炉膛设计负压值。
引风机出口至水平总烟道入口烟道：
设计压力采用+2kPa。
水平总烟道：
对锥型筒烟囱，水平总烟道设计压力采用-2kPa，对直型筒烟囱，水平总烟道设计压力采用+2kPa。
目前的工程设计中大多遵循《烟规》的上述规定。
但随着同步建设脱硝、脱硫装置或安装布袋除尘器等因素，使引风机的压头增大，脱硫系统又有是否设GGH、是否设脱硫旁路、脱硫增压风机是否与引风机合并等多种不同设计，某些工况已超出了现行《烟规》编制所考虑的范围，尤其是高压头引风机的烟道设计压力、脱硫烟道设计压力更加值得探讨和研究。
2.2.2脱硫装置相关的烟道设计压力现状分析
对于脱硫烟道的设计压力，目前国内尚没有统一的规定。
脱硫系统招标目前较多采用脱硫岛整岛总承包形式，也有工程由总承包商负责整个脱硫岛性能保证，负责整个脱硫岛的基本设计、核心部分详细设计及关键设备和部件供货，其余详细设计由主体设计院完成。
各脱硫总承包商由于引进技术不同，脱硫岛各部分烟道的设计压力取值也有所差异，且总承包商本身在不同工程中投标的数据也不完全一样，以下举例为部分投标商在某些工程中投标数据：
投标总承包商
GGH前原烟道
（KPa）
GGH后原烟道
（KPa）
GGH前净烟道
（KPa）
GGH后净烟道
（KPa）
1
龙源
－4，＋6
－4，＋6
－4，＋6
－4，＋6
2
荏原
－2，＋4
－2，＋4
－2，＋4
－2，＋4
3
川崎
－4，＋4
＋3.6
＋2.5
＋1.3
4
苏源环保
－5，＋5
－5，＋5
－5，＋5
－5，＋5
5
山东三融
－4，＋5
－4，＋3
－4，＋3
－4，＋1
6
天地环保
－4，＋6
－4，＋6
－4，＋6
－4，＋6
7
博奇
－4，＋4
－4，＋4
－4，＋4
－4，＋4
8
大唐环境
－2，＋4
－2，＋4
－2，＋4
－2，＋4
咨询部分脱硫设计厂家，他们对国外技术支持方的烟道设计压力标准的确定也了解不足，甚至有的脱硫设计厂家考虑烟道的加固肋量太大，钢材耗量太多，而修改国外标准，降低烟道设计压力。
针对这种情况，应对脱硫系统烟道设计压力的选取要求进行规范，根据脱硫系统的不同配置合理选取烟道设计压力。
与脱硫系统相关的引风机出口至水平总烟道入口烟道及水平总烟道设计压力原按《烟规》标准取+2kPa及±2kPa。
当采用脱硫系统时，需对这部分烟道的设计压力和保护控制予以研究。
2.3脱硝装置、静电除尘器设计压力选取现状分析
脱硝装置是随着环保标准的提高近些年开始建设或工程中预留。
早期的脱硝装置招标文件并未对其设计压力进行要求，而是由脱硝投标商自行设计，某工程烟道系统及反应器的设计压力为+2.05kPa、-6.8kPa，还有工程采用±6.9kPa、±6.38kPa。
除尘器本体的设计压力按1995年施行的电力规划设计总院批准的《火力发电厂电除尘器规范书》（DG-CC-95-40）附件一“电除尘器选型导则”中相关规定，取炉膛承压能力（一般不低于±4kPa）的150%，实际是指传统型锅炉，而对应引进型煤粉炉（炉膛设计压力一般不低于±5.2kPa），材料按屈服极限确定基本许用应力时的安全系数为1.67，则除尘器的设计压力应为炉膛防爆压力，即±8.7kPa，或增大至±9.98kPa（或±9.9kPa、±9.8kPa）。
但目前工程实际应用中，除尘器技术协议中的设计压力不尽相同，有些工程采用±8.7kPa或±9.98kPa的炉膛防爆压力，有些工程按烟道设计压力的选取原则来选取。
建议烟气系统设计压力研究中涵盖设备设计压力的选取。
3.烟气系统设计压力的影响因素
3.1烟气系统阻力构成
典型的火电厂烟气系统流程图见3.1-3.2。
图3.1脱硫系统带旁路的烟气流程
图3.2脱硫系统不带旁路的烟气流程
除脱硫系统和脱硝系统的阻力外，锅炉烟气系统阻力还包括锅炉尾部烟道、空预器、除尘器前烟道、除尘器、除尘器后烟道的阻力。
表3.1统计了部分600MW-1000MW机组在未考虑脱硫和脱硝时的烟气系统阻力。
表3.1未考虑脱硫和脱硝时的烟气系统阻力（BMCR工况）
工程1
工程2
工程3
工程4
工程5
工程6
工程7
工程8
机组类型
亚临界
600MW
亚临界
600MW
亚临界
600MW
亚临界
600MW
超临界
660MW
超临界
600MW
超临界
660MW
超超临界
1000MW
锅炉制造厂
巴威
东锅
上锅
哈锅
东锅
哈锅
上锅
上锅
排烟温度
114.2
115.6
131
137.5
122
116.6
125
124.2
锅炉尾部烟道阻力（含自生通风）Pa
1575
1000
1642
1682
1480
1540
1724.8
2260
空预器阻力Pa
1145
1055
1030
1245
1050
1200
1150.4
1100
空预器至除尘器的烟道阻力Pa
345.7
381.8
416.4
532.7
391.6
215.1
380.1
306.3
除尘器阻力
294.3
294.3
196.2
294.3
294.3
200
264.9
300
除尘器至引风机的烟道阻力Pa
290.7
269.1
368.3
333.8
366.2
288.2
422.9
357.9
引风机后烟道及烟囱阻力Pa
597.9
689.2
1108.7
939.8
889.3
1094.1
908.6
1343
烟囱自生通风Pa
582.9
496.3
589.3
717.3
526.9
588.7
466.1
715
引风机进口压力Pa
3758.2
3082.8
3759.8
4228.4
3988.8
3624.6
4154.6
4324.2
BMCR工况系统计算阻力（修正后）Pa
3773.2
3275.7
4279.2
4450.9
4351.2
4182.5
4597.1
5090.6
TB点压头Pa
5032
4368
5701
5955
5780
5212
6158
6888.7
折算到环境温度下的TB压头Pa
6822
5942
8055
8587
7989
7197
8554
9573.6
3.2烟气系统设计压力考虑因素
烟气系统设计压力需考虑的因素在《烟规》，“烟风系统的介质设计压力按最大运行压力、锅炉总燃料跳闸（MFT）时烟风道介质压力、最低介质设计压力确定。
”
《烟规》，“从送风机出口至烟囱之间的烟风系统，凡与炉膛相连通的烟风道必须考虑炉膛爆炸压力的影响。
”烟道设计压力取值在《烟规》附录D中明确：
空预器出口至除尘器入口的烟道为1.1（-）Pfds，除尘器出口至引风机入口的烟道为1.2（-）Pfds，其中Pfds为锅炉MFT时炉膛瞬态压力下对应的炉膛设计压力。
烟气系统运行压力见图3.3、图3.4。
图3.3烟气系统（带脱硫旁路）运行压力
图3.4烟气系统（不带脱硫旁路）运行压力
从图3.3和图3.4中可以看出，烟气系统中的运行压力变化趋势。
锅炉MFT导致烟气温度和压力急剧降低，将引起使炉膛负压（绝对值）大幅增加。
考虑烟道阻力因素，烟道负压（绝对值）将高于炉膛负压，因此，锅炉MFT时烟道介质设计压力应高于炉膛设计压力，其数值应与烟道的阻力有关。
在北疆电厂的设计配合过程中，就此向上海锅炉厂进行咨询，上海锅炉厂表示按照ALSTOM的标准，烟道设计压力取决于烟道介质最大运行压力、锅炉MFT时烟道负压以及烟道设计压力的最低标准，这个原则与《烟规》是一致的，烟道设计压力的最低标准同样是±8″w.g.（2kPa）。
按ALSTOM的标准，锅炉MFT时烟道设计负压与炉膛设计负压的关系为：
NPDES=NPFURN.DES.-0.15PGAS
式中：
NPDES为锅炉MFT时烟道设计负压；
NPFURN.DES.为锅炉MFT时炉膛设计负压；
PGAS为炉膛与烟道间的压降。
向哈尔滨锅炉厂咨询烟道设计压力事宜，锅炉厂在查阅资料后说明，引进型600MW亚临界机组锅炉尾部烟道的设计负压确实低于炉膛设计负压，但并未提供两者的相互关系。
从图3.5可以看出某电厂锅炉发生MFT时炉膛负压随时间的变化。
图3.5某电厂锅炉MFT时炉膛负压变化
为比较各工程烟道介质最大运行压力、上锅提供的ALSTOM标准锅炉MFT时烟道设计负压，以及按《烟规》选取的烟道设计压力，计算表3.1中各工程的烟道及设备的三项压力值，汇总于表3.2。
烟道介质最大运行压力的选取，目前尚无明确的规程规定。
从烟气系统分析可以看出，其取值与烟气系统的配置有关，例如采用的风机形式、脱硫系统是否设置旁路烟道等均对烟道介质的最大运行压力有影响。
对于常规工程（静电除尘器、引风机与增压风机分别设置），由于运行中炉膛负压的波动以及空预器等设备阻力有可能增加，进而会引起引风机前烟道负压增加，因此烟道介质最大运行压力的选取建议按BMCR工况运行压力×引风机压头选型裕量来考虑。
烟气系统的设备，例如空气预热器、除尘器等的设计压力，按设备出口压力选取。
表3.2常规工程（未设置脱硝装置、除尘器为静电除尘器）的烟道设计压力
项目
单位
烟道介质最大运行压力
ALSTOM标准下锅炉MFT时烟道设计负压
按《烟规》选取烟道设计压力
工程1
空气预热器
Pa
3770.7
5618.0
除尘器进口烟道
Pa
4231.7
5669.9
5731
除尘器
Pa
4624.2
5714.0
引风机进口烟道
Pa
5011.8
5757.6
6252
工程2
空气预热器
Pa
2850.4
5518.3
除尘器进口烟道
Pa
3359.5
5575.5
5731
除尘器
Pa
3751.9
5619.7
引风机进口烟道
Pa
4110.8
5660.0
6252
工程3
空气预热器
Pa
3702.0
5610.8
除尘器进口烟道
Pa
4256.7
5673.3
5731
除尘器
Pa
4518.1
5702.7
引风机进口烟道
Pa
5008.7
5757.9
6252
工程4
空气预热器
Pa
4104.5
5649.1
除尘器进口烟道
Pa
4817.2
5729.0
5731
除尘器
Pa
5211.0
5773.1
引风机进口烟道
Pa
5657.6
5823.2
6252
工程5
空气预热器
Pa
3914.4
5589.5
除尘器进口烟道
Pa
4436.3
5648.2
5731
除尘器
Pa
4828.6
5692.4
引风机进口烟道
Pa
5316.7
5747.3
6252
工程6
空气预热器
Pa
3706.0
5621.0
除尘器进口烟道
Pa
3974.0
5653.3
5731
除尘器
Pa
4223.3
5683.3
引风机进口烟道
Pa
4582.4
5726.5
6252
工程7
空气预热器
Pa
4134.6
5641.3
除尘器进口烟道
Pa
4643.8
5698.3
5731
除尘器
Pa
4998.6
5738.0
引风机进口烟道
Pa
5565.1
5801.5
6252
工程8
空气预热器
Pa
4478.0
5714.0
除尘器进口烟道
Pa
4886.2
5759.9
5731
除尘器
Pa
5286.0
5804.9
引风机进口烟道
Pa
5851.6
5858.6
6252
说明：
炉膛设计瞬态负压均按8700Pa，安全系数取1.67考虑，炉膛设计负压5210Pa。
当未考虑设置脱硝装置时，烟道设计压力从表3.2可以看出：
●《烟规》中烟道介质设计压力取值方法是简化取值方法，既考虑了烟道介质最大运行压力，又考虑了锅炉MFT时的设计负压，对于常规工程是安全的。
●按ALSTOM锅炉MFT设计负压的计算标准，常规工程烟道设计负压基本上取决于锅炉MFT时的设计负压。
3.3设置脱硝装置对烟气系统设计压力的影响
当锅炉空预器前设置烟气脱硝系统时，锅炉尾部烟气系统的阻力有所增加，在表3.2的基础上考虑设置脱硝系统后阻力的增加。
各工程烟道设计压力见表3.3，一般考虑SCR装置备用层投入后，BMCR工况下脱硝装置的阻力在800-1000Pa左右，表3.3中脱硝装置阻力取为1000Pa。
表3.3设置脱硝装置的烟道设计压力
项目
单位
烟道介质最大运行压力
ALSTOM
升级会员 