一种快速调节锅炉负荷的方法及锅炉

技术领域

本发明涉及锅炉技术领域，具体是一种具有负荷自适应能力的燃气冷凝蒸汽锅炉及锅炉。

背景技术

水蒸汽普遍在工业场合使用，乳制品、中医药、酒水饮料、橡胶、速食食品等一般在加工过程中使用水蒸汽(简称蒸汽)进行加热或高温灭菌。以速食粥类产品加工过程来看蒸汽的使用，一般通过不绣钢杀菌锅来加工材料，加工过程看初始加热蒸汽需求量和维持蒸煮过程蒸汽需求差距巨大，用量比甚至可以达到10：1，而且初始蒸汽高用量时间一般比较短，约3-5分钟就会进入温度维持阶段，加上蒸汽对杀菌锅清洗过程中使用大量的蒸汽，整个加工过程蒸汽用量不断的波动，锅炉负荷经常出现波动情况。

为弥补蒸汽用量波动，工厂会尽量通过产线的错峰作业来减少波动，但受限于产线和作业节奏问题，还会有或高、或低的蒸汽波动情况出现，蒸汽高峰需求与平均需求比可以控制到(1.3-1.5)：1，蒸汽用量波动依然存在较大差距。

为了解决蒸汽用量波动较大的问题，主要采用以下两种方法解决：

1、在锅炉选型上，按最大蒸汽需求量进行选型，例如企业的平均蒸汽需求约为8.5t/h(吨/小时)，最高蒸汽需求为12.75t/h，如果按平均蒸汽需求来看，只需一台10t/h的蒸汽锅炉，但为满足最高蒸汽需求用量，可以选择一台15t/h的蒸汽锅炉，假设高低负荷时间占比3：7，低蒸汽用量时锅炉工作在约44.5％热负荷，如果企业产能不足，导致锅炉负荷率较低，且低于燃烧器最低维持负荷时燃烧器会反复启停，更会极大降低热效率；此方案硬件投资成本高，生产成本也因效率降低直接拉高，投资大且运行不太经济；

燃烧器每次启/停都需要执行燃烧室吹扫60-120秒不等，把大量热能吹出锅炉到大气中，热量损失非常大，1t/h锅炉每小时停机一次，以鼓入冷空气25立方计算，则10t/h锅炉，每小时停机4次，每班(10小时)向炉膛中心区域鼓入高达1万立方冷空气，经验是每启停一次降低约1％热效率。

2、按平均蒸汽需求量选择锅炉+适合的蓄热器组合，还以平均8.5t/h需求，最高需求约12.75t/h，选择一台10t/h蒸汽锅炉，还假设高低负荷时间占比3：7，以21分钟大负荷，49分钟小负荷进行估算，蓄热器选择3蒸吨/小时出蒸汽，维持21分钟进行选型，以填充85％为正常液面计算，需求约30m

因此如何能够从锅炉低负荷状态到高负荷状态，快速产生水蒸气，降低企业投资成本是本发明要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速调节锅炉负荷的方法及锅炉，旨在解决现有技术中按最大蒸汽需求量进行锅炉选型导致降低燃烧器热效率、投资成本大，按照锅炉加蓄热器组合导致占地面积大、热损高的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种快速调节锅炉负荷的方法，所述锅炉具有最低液位线和最高液位线，包括蓄能步骤：当锅炉的蒸汽用量低于额定蒸发量，且锅炉内水的液位处于最低液位线和最高液位线之间时，向锅炉内补水，但补水后的锅炉液位不得超出最高液位线，同时控制燃烧器负荷来维持锅炉的压力，通过向锅炉加水加热的方法，在锅炉低负荷时将热能提前储存到锅炉水内。

本发明的进一步的技术方案为，所述燃烧器的燃烧输入量B＝(D*I")/(X*η)+(H0-H)*(M-D)/(X*η)；其中D为锅炉单位时间内对外蒸汽输出量；M为锅炉单位时间内的供水量；X为每千克或每立方米的燃料热量；η为燃料利用率；I"为锅炉在P0压力下的饱和蒸汽焓值；H0为锅炉在P0压力下的饱和水焓值；H为锅炉给水焓值。

本发明的进一步的技术方案为，通过增加锅炉内部压力，来提高锅炉内水的沸点，从而继续提高水的蓄热能力。

本发明的进一步的技术方案为，当锅炉内部压力从初始压力P0升高至目标压力P1，且P1在1.6Mpa以下时，燃烧器的燃料需求量B＝D*(I"-H)/(X*η)+(H-H0)*(M-D)/(X*η)+{(M-D)*t+m0}*(H1-H0)/(X*η)；其中D为锅炉单位时间内对外蒸汽输出量；M为锅炉单位时间内的供水量；X为每千克或每立方米的燃料热量；η为燃料利用率；I"为P0压力下的饱和蒸汽焓值；H0为锅炉在P0压力下的饱和水焓值；H为锅炉给水焓值；t为当前压力P0达到目标压力P1的时长；m0为锅内初始液位下的水质量；H1为P1压力下的饱和水焓值；H0为P0压力下的饱和水焓值。

一种锅炉，所述锅炉使用上述的快速调节锅炉负荷的方法，所述锅炉包括炉膛、连接该炉膛的回燃室和连接回燃室的烟管，锅炉具有水容积腔室，所述水容积腔室分为最低液位空间、水位波动空间以及蒸汽空间。

所述炉膛设置在偏离锅炉轴线下方的位置，所述回燃室呈“跑道”形状。

所述水位波动空间的水容积与最低液位空间的水容积比为0.8-1.2:1。

本发明的有益效果是：

1、通过锅炉结构改变增加蓄热空间、给水量与蒸汽用量进行关联控制，使锅炉在一定时间内具有一定的超负荷能力，相当于给负荷削峰填谷，在低负荷时将热能提前储蓄到锅炉内部，高负荷需求时燃烧器只补充气化潜热，将锅水变成蒸汽，从而自动适应蒸汽负荷频繁波动。用相同的设备占地面积、更少的锅炉炉体投资，实现更节能的蒸汽供应方式。

2、摒弃传统的锅内界面两分法思维，目前的锅炉只分汽液界面；我们首次提出三分法将锅炉分为蒸汽空间、水位波动空间，最低液位空间，化解供热用热不平衡的矛盾，使对用户需求的跟随性加强；

3、采用偏心式炉膛、跑道回燃室结构设计，最大程度压缩火界线高度，较大的水位波动空间可以灵活应对负荷多变工况。

附图说明

图1是锅炉一种实施方式的的截面图；

图2是锅炉另一种实施方式的的截面图。

具体实施方式

锅炉低负荷指的是锅炉出口蒸汽流量>锅炉额定蒸发量，锅炉超负荷指的是锅炉出口蒸汽流量＜锅炉额定蒸发量，为了实现从锅炉低负荷状态到超负荷状态，快速产生水蒸气，本发明的具体实施例如下：

实施例1：

当锅炉处于低负荷状态下，锅炉内水的液位处于最低液位线和最高液位线之间时，向锅炉内补水，但补水后的锅炉液位不得超出最高液位线，同时控制燃烧器负荷来维持锅炉的压力，通过向锅炉加水加热的方法，在锅炉低负荷时将热能提前储存到锅炉水内，需要指出的是：补水量根据蒸汽的平均需求量、最大需求量或锅炉的结构进行相应选择；。

可采用燃烧器对锅炉内的水进行加热，使锅炉内的水处于蓄能阶段，此时锅炉压力维持在当前压力P0，并且燃烧输入量B满足以下公式：燃烧输入量B＝(D*I")/(X*η)+(H0-H)*(M-D)/(X*η)；

其中D为锅炉单位时间内对外蒸汽输出量，单位t/h(吨/小时)

M为锅炉单位时间内的供水量，单位t/h(吨/小时)；且M>D

X为每千克或每立方米的燃料热量，单位MJ/kg(液态或固态)；MJ/m

η为燃料利用率，单位％

I"为锅炉在P0压力下的饱和蒸汽焓(也就是锅炉对外产生1t/h水蒸气所需要的燃料用量)，单位kJ/kg；

H0为锅炉在P0压力下的饱和水焓值；单位kJ/kg

H为锅炉给水焓值，单位kJ/kg

例如，以产生D＝10t/h的蒸汽锅炉，且燃烧介质为天然气为例，锅炉的运行压力维持P0＝1.0MPa，饱和蒸汽焓值I"＝2776.2kJ/kg，对外蒸汽需求量为D＝1t/h，其设定给水流量M＝6t/h时，假如锅炉内的水初始温度是36℃，其给水焓值H＝151.5kJ/kg，对应的，锅炉内的水的饱和水焓值H0＝604.7kJ/kg，天然气的燃烧效率X＝36MJ/m3、燃烧效率为η＝100％

其燃料需求量为：

即D＝1t/h；P0＝0.4MPa，参考表1，相应的I"＝2776.2kJ/kg

B＝D*(I"-H)/(X*η)+(H0-H)*(M-D)/(X*η)

＝1t/h*(2776.2-151.5)kJ/kg/36MJ/m3/100％+(604.7-151.5)kJ/kg*(6-1)t/h/36MJ/m3/100％＝135.85m

通过以上公式能够获取锅炉在低负荷状态下的燃料需求量，从而根据燃烧器的类型确定燃烧器的负荷，能够快速的从锅炉低负荷状态转变至锅炉高负荷状态；

在实施例1的基础上，锅炉内的水位达到锅炉的最高水位线，即水位波动空间和蒸汽空间的交界处，此时维持锅炉的补水量等于对外产生的蒸汽量，以维持稳定的水位线，通过增加锅炉内部压力，来提高锅炉内水的沸点，从而继续提高水的蓄热能力。

实施例2：

当对锅炉的补水量等于对外产生的蒸汽量时，当对锅炉加压，燃烧输入量B满足以下公式：

B＝D*(I"-H)/(X*η)+(H-H0)*(M-D)/(X*η)+{(M-D)*t+m0}*(H1-H0)/(X*η)；

其中D为锅炉单位时间内对外蒸汽输出量，单位t/h(吨/小时)

M为锅炉单位时间内的供水量，单位t/h(吨/小时)；且M>D

X为每千克或每立方米的燃料热量，单位MJ/kg(液态或固态)；MJ/m

η为燃料利用率，单位％；

I"为P0压力下的饱和蒸汽焓值(也就是锅炉对外产生1t/h水蒸气所需要的燃料用量)，单位kJ/kg；

H0为P0压力下的饱和水焓值；单位kJ/kg；

H为锅炉给水焓值，单位kJ/kg；

t为当前压力P0达到目标压力P1的时长，单位h；

m0为锅内初始液位下的水质量，单位t；

H1为P1压力下的饱和水焓值；单位kJ/kg；

H0为P0压力下的饱和水焓值；单位kJ/kg；

燃烧输入量B满足以下公式：

例如，以产生D＝10t/h的蒸汽锅炉，且燃烧介质为天然气为例，锅炉的运行初始压力维持P0＝1.0MPa上升至P1＝1.6MPa，对外蒸汽需求量为D＝1t/h，其设定给水流量M＝6t/h时，t＝1/6h；假设锅炉内初始水的重量m0＝15t，H1＝858.6KJ/kg；H0＝762.6KJ/kg，天然气的燃烧效率X＝36MJ/m3、燃烧效率为η＝100％；

其燃料需求量为：

B＝135.85m

＝178.07m

以上第一实施例和第二实施例中，饱和蒸汽焓I"、P0压力下的饱和水焓H0、P1压力下的饱和水焓H1的取值参考下表：

参考图1，为了适用锅炉高低负荷的快速转变，为此我们提出一种锅炉10，其具有炉膛11、连接该炉膛11的回燃室12和连接回燃室12的烟管13，锅炉具有水容积腔室14，我们采用三分法将水容积腔室分为最低液位空间14a、水位波动空间14b以及蒸汽空间14c，来化解供热用热不平衡的矛盾，使对用户需求的跟随性加强；需要解释的是：最低水位空间是指水在锅炉的最低水位线所占据的空间；蒸汽空间值得是：锅炉内的水吸热蒸发后可以储存的空间，其余空间为水位波动空间，锅炉正常工作中，其内部水位需维持在水位波动空间14b的区域；

其中根据《锅炉安全技术规程》TGS 11-2020的规定，水位表应当有指示最高、最低安全水位和正常水位的明显标志，水位表的下部可见边缘应当比最高火界线至少高50mm，并且比最低安全水位至少低25mm，水位表的下部可见边缘应当比最高安全水位至少高25mm，也就是说，锅炉的最低液位线Y应当比最高火界线Z至少高于75mm；锅炉内最高水位线X满足蒸汽品质要求、和汽水有效分离的保障高度即可。

优选的，炉膛11设置在偏离锅炉轴线下方的位置，回燃室呈“跑道”形状设计，最大程度压缩火界线高度，并且水位波动空间14b的水容积与最低液位空间14a的水容积比为0.8-1.2:1，较大的可调节水容积空间可以灵活应对负荷多变工况。

参考图2，传统的三回程锅炉20也具有具有炉膛21、连接该炉膛21的回燃室22和连接回燃室22的烟管23，锅炉具有水容积腔室24，我们采用三分法将水容积腔室分为最低液位空间24a、水位波动空间24b以及蒸汽空间24c,但是与上述锅炉10相比，水位波动空间24b会变小，需额外增加锅炉的体积。

在使用本锅炉时，应对锅炉负荷波动带来的液位变化，液位升高对应补水量减少，液位降低对应补水量增加，锅炉在起炉阶段、常规负荷阶段、超负荷使用阶段、停炉前释能阶段都可以使用不同的高度的液位目标和针对性的补水量控制，在低蒸汽用量需求时蓄能，在超负荷时释放存储的热量，适应不同阶段对热量、用水量的综合需求。

本发明通过锅炉结构改变增加蓄热空间、给水量与蒸汽用量进行关联控制，使锅炉在一定时间内具有一定的超负荷能力，相当于给负荷削峰填谷，在低负荷时将热能提前储蓄到锅炉内部，高负荷需求时燃烧器只补充气化潜热，将锅水变成蒸汽，从而自动适应蒸汽负荷频繁波动。用相同的设备占地面积、更少的锅炉炉体投资，实现更节能的蒸汽供应方式。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。