0、前言
    天然氣是一種清潔、優質、高效的燃料，可有效解決鍋爐燃煤排放物與環境污染間的矛盾。隨著我國改革開放的不斷深化、國民經濟的高速發展和對環保要求的不斷提高，國內有許多大中城市特別是像北京市在環保方面的投入越來越大，集中供熱已勢在必行。西氣東輸工程的成功實施，為采用大容量燃氣鍋爐進行集中供熱提供了有利條件。目前國內在用的燃天然氣熱水鍋爐的最大容量為116MW，鍋爐的形式既有從國外引進的爐型，也有國內鍋爐廠家自主研發的產品。本公司順應市場形勢，適時開發了滿足市場需要的、具有自主知識產權的116 MW強制循環燃天然氣熱水鍋爐，并做到當年開發、當年生產安裝、當年運行，取得了很好的社會效益和經濟效益。本文就該型號鍋爐的研發及運行情況作一簡單介紹，富通新能源銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的木屑生物質顆粒燃料。
1、鍋爐規范及設計燃料
1.1  鍋爐規范
    鍋爐型號：QXS  116-2. 45/150/90-Q
    鍋爐熱功率：116 MW
    鍋爐出口熱水壓力：2.45 MPa
    鍋爐出口熱水溫度：150℃
    鍋爐回水溫度：90℃
    鍋爐循環水量：1 640 t/h
    冷空氣溫度：0℃
    熱空氣溫度：約60℃
    鍋爐負荷調節范圍：30% ~100%
    鍋爐熱效率：94%
    鍋爐本體排煙溫度：約110℃（本體出口）
    鍋爐機組排煙溫度：約100℃（節能器出口）
1.2設計燃料
    鍋爐的設計燃料為天然氣，收到基低位熱值為33.93 MJ／m3（標態），其體積成分如表1。
2、鍋爐結構與設計
2.1鍋爐結構
    鍋爐采用全膜式壁結構，不設鍋筒；尾部煙道布置有兩級蛇形管省煤器，上級為光管，下級為螺旋翅片管，立式管式空氣預熱器布置在省煤器下方，熱風道布置在鍋爐的底部，應用戶要求，在排煙管道上還配置了節能器；3臺燃燒器前墻正三角布置；鍋爐為自承式結構，室內布置，Ⅷ度地震烈度設防；鍋爐按微正壓設計。鍋爐總圖如圖1。
    鍋爐為強制循環。鍋爐的回水由左、右側水冷壁下集箱的端部進入，在爐膛內一次上升，匯集到前、后水冷壁的上集箱，然后分散進入尾部的側包墻和后包墻管組，并匯集到后包墻的下集箱，再分別進入省煤器進口集箱和懸吊管，省煤器蛇形管和懸吊管的出水在省煤器出口集箱匯集后進人匯水集箱。鍋爐水循環流程如圖2。
2.2  鍋爐基本尺寸
    爐膛寬度（兩側水冷壁中心線間距）6800mm
    爐膛深度（前后水冷壁中心線間距）7120mm
    鍋爐最高點標高（連接管中心線）17510mm
    運轉層標高0 mm
    左右外柱中心線間距12000 mm
    前后外柱中心線間距17600 mm
2.3鍋爐設計計算數據
鍋爐計算數據匯總如表2、表3、表4、表5。
3、鍋爐基本結構
3.1  爐膛
    爐膛四周由膜式壁構成，爐膛寬6 800 mm，深7 120 mm．前后水冷壁的上下集箱的標高差12 000mm。膜式水冷壁管子規格為咖60 x5，管子節距80mm。
    前后水冷壁共同與一根上集箱（匯集集箱）和一根下集箱（分配集箱）組成管組，上集箱規格為∮530×20，下集箱規格為咖426×20。
    左右側水冷壁的下集箱（分配集箱）與前后水冷壁下集箱的連接管為咖325×30，上集箱（匯集集箱）與前后水冷壁上集箱的連接管為∮219×8，共4根。上下集箱規格分別為∮377 x16和咖377×20。
3.2尾部包墻
    尾部包墻的四周均為膜式水冷壁，寬6 800mm，深3880 mm。側包墻管規格為∮73 x8，節距為97mm；后包墻管規格為∮42 x5，節距為85.5 mm；爐膛后水冷壁兼作尾部前包墻用。
3.3  省煤器管組及懸吊管
    省煤器管組采用蛇形管結構，均為5根并繞，順列布置，共78片，橫向節距85.5 mm，上級省煤器管為38 x3的光管，下級省煤器采用∧38 x3的螺旋翅片管，翅片節距為7.5 mm，高度為12 mm，厚度為1mm;懸吊管為∮42 x5，共78根。為了平衡省煤器蛇形管和懸管之間的水流量（水阻力），懸吊管匯集集箱和省煤器的上集箱（匯集集箱）之間采用4根∮76 x5的小口徑管連通。
    懸吊管固定在包墻頂部的支撐橫梁上，而支撐橫梁架在兩側包墻的上集箱上，78片省煤器管組全部掛在78根懸吊管上。懸吊管承擔省煤器的全部重量，尾部側包墻支撐懸吊管和整個省煤器管組的重量。
3.4空氣預熱器
省煤器下部為立式管式空氣預熱器，共4個管箱，管箱高度為2.3 m，管子規格為∮40×1.5，材質為09CuPCrNi -A。設計冷風溫度為0℃，熱風溫度為50～60℃。空氣側裝設有防振隔板。空氣預熱器裝有脹縮接頭，用于補償熱態下的膨脹。
3.5  節能器
    為盡可能降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率，節約寶貴的天然氣能源，應用戶要求，在鍋爐的排煙管道上設置了一個節能器（氣／水換熱器）。節能器的結構類似鍋爐的螺旋翅片管省煤器，管徑咖38 x3，翅片節距7.5 mm，高度12 mm，厚度l mm。節能器的蛇形管為2根并繞，順列布置，共32片，橫向平均節距105 mm，縱向節距120 mm。
    回水由節能器下集箱的端部進入，從上集箱的另一端出來，整體成Z字形流動。在回水管道上裝了一個回水調節閥（如圖2），調節其開度以保持節能器的水流量在100 N130 t/h。當水流量為100 t/h時，管內水流速約為0.56 m/s。
3.6  燃燒器
    每臺鍋爐在前墻正三角布置有3臺燃燒器，上下兩層的中心間距為2 800 mm，左右2臺的中心間距為3 200 mm。燃燒室的結構綜合考慮了燃燒器火焰尺寸、爐膛容積熱負荷、爐膛斷面熱負荷、爐膛出口煙氣溫度等參數，采用的設計數據能確保燃燒穩定、高效，在任何運行工況下，火焰不偏斜，不直接沖刷管壁，保證鍋爐安全可靠。
    燃燒器為德國扎克公司生產的分體式低氮化物氣體燃燒器，單臺燃燒器的額定功率為45 MW，適用燃氣壓力為0.3—0.4 MPa，燃燒效率不小于99.7%。
3.7鋼架、平臺及其它
    鍋爐采用自承式結構，即鍋爐的全部重量由水冷壁和包墻的下集箱支撐，再通過集箱支座將鍋爐的重量傳遞到基礎上。鍋爐外圍的小型鋼柱只用于支撐檢修平臺和扶梯，不承受鍋爐其他部件的重量。爐膛水冷壁和尾部包墻沿高度方向布置有多層剛性梁，以增加整個爐室的剛性。在鍋爐需經常觀察及檢修處均布置了各類門孔以方便操作。為了鍋爐外表的整潔、美觀，在爐墻保溫層外側全部覆蓋了瓦楞板。
3.8  密封與爐墻
    鍋爐的密封和爐墻十分重要，尤其對正壓運行的鍋爐，它的嚴密性及保溫性能將直接影響鍋爐的安全性、經濟性及運行操作人員的人生安全。
    本鍋爐各膜式水冷壁之間用密封填塊、扁鋼或圓鋼焊接密封，無法填充密封的地方，則用密封罩殼封閉，防止爐膛、包墻內煙氣外泄傷人。完全密封的爐膛和尾部包墻作為一個整體向四周膨脹，同時省煤器的膨脹與尾部包墻的膨脹基本上沒有關聯，從而使鍋爐具有良好的密封性能，既提高了鍋爐運行的經濟性，又保證了鍋爐的安全可靠性。
3.9  管路及附件
    為確保鍋爐安全運行，設置了必要的安全閥、監察及檢測儀器、儀表等附件；在水系統各回路的最低點均設置了放水排污管路；在水系統各回路的最高點設置了排氣管路；鍋爐熱水出口布置集氣罐，將出水所排氣體匯集后統一排出。
4、鍋爐主要特點
    (1)采用全程強制循環方式，水流程清晰簡單，水循環安全可靠，可以控制熱力偏差和水動力偏差。
    (2)全部采用膜式壁結構，鍋爐整體密封性能好，漏風小，鍋爐熱效率高；膜式壁能增強爐膛剛性，提高鍋爐的防爆能力；膜式壁能采用輕型敷管爐墻，減輕整個鍋爐重量，減小基礎荷載，降低投資成本；敷管爐墻蓄熱量小，停爐后散熱快，有利于鍋爐的停電保護。
    (3)在尾部增加了空氣預熱器，一來可以降低鍋爐的排煙溫度，提高鍋爐熱效率，二來有利于組織起良好的燃燒，尤其是在環境溫度很低的情況下，能加強燃料的燃燒和燃盡，提高燃燒效率。
    (4)采用自承式結構，金屬耗量低，占地面積小，節約投資成本。
    (5)合理布置水循環回路，保證管內流速較高（上升大于0.6 m/s，下降大于1.5m/s）以冷卻受熱面，不布置外部下降管，使鍋爐結構簡單、緊湊。
    (6)通過設置并串聯回路、鍋爐本體循環回路和回水旁路系統，使鍋爐能適應各種不同的運行工況，保證鍋爐出水溫度的穩定。
5、設計中的相關要點分析
5.1  鍋爐的停電保護
    對于強制循環的熱水鍋爐，一旦突然停電或循環系統或循環水泵發生故障，管子中的水不再流動，由于爐內的余熱，水溫會不斷上升，直至飽和，甚至產生水蒸氣，在鍋爐重新啟動或注入較低溫度的水時，就會發生“氣塞”和“水擊”現象，輕微的“水擊”表現為鍋爐震動和有金屬錘擊聲，嚴重的“水擊”會使鍋爐發出強烈的金屬錘擊聲和劇烈震動，甚至給鍋爐造成嚴重的破壞。
    爐內的余熱來源一般包括未燃盡的燃料、鍋爐金屬材料的蓄熱、爐內耐火材料的蓄熱等。與固體燃料不同，燃氣鍋爐一旦遇到停電或循環系統或循環水泵故障，或水溫超過最高限值，自控系統會立即關閉燃燒器和切斷燃料的供應。因此，燃氣鍋爐內的余熱僅來自金屬和耐火材料的蓄熱。
    本鍋爐爐膛水容量約為16.2t，爐膛金屬材料重量約為52 t，爐膛內耐火材料重量約為14 t。當鍋爐在滿負荷運行時突遇停電，爐內的金屬和耐火材料的蓄熱量大于將鍋水加熱到飽和溫度所需要的熱量，但這個過程在理論上需要將近1個小時，也就是說，鍋爐操作人員有40~50分鐘的時間來處理故障。鍋爐操作人員在這個時間內不能離開現場，必須按照有關操作規程進行處理。當供電恢復后，鍋爐重新啟動時應小負荷和小流量，逐步恢復運行。
5.2  溫度偏差的控制
    按照鍋爐的水流程圖，爐膛前后、兩側水冷壁管組并聯，尾部的兩側包墻與后包墻并聯，省煤器管組與懸吊管并聯，由于吸熱、結構和水動力等多方面原因，并聯系統各自的水流量和出口水溫并不一致，具體數據如表4。
    對于熱水鍋爐，特別是強制循環的熱水爐，各水冷壁的水溫是不可能一致的，膜式水冷壁的管壁和鰭片的溫度也都是不一樣的，因此，各元件間的熱膨脹偏差不可避免，但只要熱膨脹偏差所產生的熱應力不超過材料的屈服強度，鍋爐仍是安全的。本鍋爐為控制各元件間的溫度偏差采取了以下主要措施：
    (1)根據煙氣溫度和熱流密度，選取安全的膜式壁管子節距，以控制管壁和鰭片間的溫差；
    (2)進行詳盡的水動力計算，將各并聯管組的出口水溫偏差控制在10℃以下；
    (3)采用蛇形管省煤器和懸吊管結構，將省煤器的熱膨脹與水冷壁分開處理；
    (4)減少鍋爐熱膨脹時的阻礙，所有需要滑動面均加裝特氟龍板，以減小摩擦力。
5.3  復式循環系統
    除系統循環泵以外，本鍋爐系統增設了鍋爐循環泵，即采用復式循環系統，它具有下列優點：
    (1)由于鍋爐的水循環本身可以自行調節，所以無論鍋爐對外供水量如何變化，無需復雜的控制設備，都能確保鍋爐自身的水流量始終大于鍋爐的最小安全循環水量，并使鍋爐自身的水流量在一定的流量范圍內保持不變。
    (2)如果系統循環忽然停頓時，鍋爐循環泵還能在一定的時間內繼續保持鍋爐內水的循環，從膨脹水箱或鍋爐出口取水，送至鍋爐進口，然后再送至膨脹水箱或鍋爐出口。
    (3)系統循環泵的轉速可任意調節，而不會對鍋爐本身的水循環產生不利的影響。
    (4)在鍋爐啟動階段或調試階段，可以不啟勸系統循環泵，僅利用鍋爐循環泵保持鍋爐的水循環，在鍋爐的水溫達到一定參數后再并網供熱。
5.4  膜式壁頂端承重的穩定性校核
    本鍋爐尾部懸吊管同定在包墻頂部的支撐橫梁上，而支撐橫梁架在尾部側包墻的上集箱上，省煤器管組全部掛在懸吊管上，懸吊管承擔省煤器管組的重量，尾部側包墻則支撐懸吊管和整個省煤器管組的重量（總約1200 kN），那么，側包墻膜式壁是否會因失穩而變形呢，本設計采用了材料力學的基本知識，把側包墻膜式壁簡化為頂端承壓的細長直桿，根據材料力學中有關壓桿穩定的知識來計算并校核膜式壁頂端承重的穩定性。縮短壓桿長度，可以減小壓桿的長細比，使壓桿基本許用應力的折減系數增大，然后校核壓桿的計算應力應在安全范圍以內。本鍋爐中尾部側包墻布置的剛性梁數量比較多就是基于此計算。
6、鍋爐測試結果
    本鍋爐安裝于北京某鍋爐房，2010年10月投入運行，用戶反映運行情況良好。本鍋爐于2011年1月經中國特種設備檢測研究院測試，結果表明：鍋爐出力為113.15 MW，鍋爐熱效率為93. 3%，排煙溫度112. 95℃，排煙處過量空氣系數為1.1。
7、結束語
    根據鍋爐的實際運行情況及有關機構的測試結果，初步判定：本鍋爐產品的出力、熱效率、排煙溫度、排煙處過量空氣系數等基本達到了鍋爐設計指標要求。同時，在鍋爐運行中也發現了如管道震動、空氣預熱器低溫腐蝕等一些問題，廠家正在與用戶一起分析原因，制定相應的改進措施，逐步完善、優化產品總體性能，為市場提供更加優質的產品。