【论文】WNS10-1.25燃气热水锅炉本体的设计

我国锅炉用的燃料主要有煤，石油制品，和天然气，于是锅炉根据燃料的不同被分成三大类，燃煤锅炉，燃油锅炉和燃气锅炉，锅炉性能的优劣在很大程度上决定于燃料的选择。随着经济的发展和环保意识渐加强，燃油、燃气锅炉近年发展很快。据国外统计，燃油、燃气锅炉供热(汽)已占较大比例，美国占98%,日本占99%。在界范围来看石油的可利用前景也不是十分乐观，所以不应将燃料政策定位在以燃油为本次设计的WNS型燃气锅炉采用天然气为燃料。这种锅炉具有污染少，易于控制，调节灵活，结构紧凑、体积小、自动化程度高、安装方便、运行安全可靠等优点，因此是燃气供暖锅炉以后发展的方向。本文介绍了WNS型燃气供暖锅炉的工程背景、研究设计现状、结构形式等几方面。然后对所选型燃气锅炉WNS10-1.25/130/70进行了设计计算，包括：热力计算、烟风阻力计算和受压元件强度计算。关键词：WNS,燃气锅炉，设计计算 Theboilerfuelofourcountrymainlyhavecoal,petroleumproductsandnaturalgas,sothefuelboilerunderdifferentwasdividedintothreecategories,Coal-firedboiler,oil-firedboilerandgasboiler,andtheperformanceofboilerlargelydependsonthechoiceoffuel.Withthedevelopmentofeconomicsandthegradualstrengtheningawarenessofenvironment,fuelandgas-firedboilerswillsoonshowinrecentyears.Accordingthestatisticsfromabroadproportion.TheUnitedStateshasaccountedfor98%andJapanhasChina,coalisthemainsupplyofenergy.However,increasingdemandforenergy,thedrawbacksofcoalasthemainsourcebecomemoreandmore;wemustfindotherenersourcestoreplacecoal.Chinaisshortofcrudeoil.Theprospectofavailabilityofhisworldwideoilisnotveryoptimistic,sofuelshouldnotbepolicy-orientedpositionintheearly10yearsto20yearsof21stcentury,gas-firedboilerwillhavegreatdevelopmentintheChinesemarket.ThedesignofWNS-gas-firedboilerusingnaturalgasasfuel.Thisboilerislesspolluting,easiertocontrol,flexibleadjustmentofthemeritscompactstructure,smallsize,highdegreeofautomation,easyinstallation,safeandreliableoperationoftheadvantages,itisgasheatingboilerfuturedevelopmentdirection.Thefirstpartofpaperincludesbackground,researchingstatusandconfigurationsofthegas-firedboiler.Andthen,processdesignhasbeendoneforthemodelWNS10-1.25/130/70,includingquantityoffuel,someparametertofuelcombustion,calculationofheattransferprocess,calculationofflowresistanceofflueandair,andintensitycalculation.Keywords:WNS,Gas-firedheatingboiler,designcalculationWNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计第一章前言 11.1工程背景与意义 1 1 21.2研究和设计现状 4 4 7 7 7 9 9 1.3研究的基本内容，拟解决的主要问题 1.4研究步骤、方法 第二章燃料消耗计算 2.1燃料的组成 2.2理论空气量、实际空气量和过量空气系数 2.3燃烧产物及其计算 2.4燃烧温度和烟气焓的计算 2.5锅炉热平衡计算 第三章传热计算 3.1炉膛的传热过程计算 3.2对流受热面的传热计算 WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计V3.3锅炉总热平衡校核 第四章锅炉烟风阻力计算 4.1烟风系统流动阻力计算 4.2烟囱的阻力计算 第五章强度校核 5.1锅筒厚度计算 5.2烟室前管板厚度计算 5.3烟室后管板计算 5.4直拉杆计算 5.5烟室筒体厚度计算 5.6炉胆厚度计算 6.1结论 6.2发展趋势 参考文献 致谢 11.1工程背景与意义锅炉是生活和工业中重要的设备。它是把燃料中的潜在能量，经过燃烧放出热量，经过传热作用传递给水，对于热水锅炉是将水加热变成一定温度的热水输出的一种设我国工业和生活燃煤锅炉的平均运行热效率仅有65%左右，能源的浪费和环境污染问题相当严重。全国每年燃煤电厂排放的烟尘达1680万吨，排入大气的二氧化硫达1310万吨[1,对大气环境造成了严重的危害。因此必须从根本上改变我国能源利用消费结构。燃气热水锅炉不仅热能利用效率高，环境污染小。而且使用方便。随着我国经济的迅速发展，环保意识的增强，燃用油、天然气和城市煤气的燃气热水锅炉将得到广泛应用。从国外的统计情况来看，燃油、燃气锅炉供热(汽)已占较大比例，美型锅炉作为燃油、燃气锅炉的一种，则又以其结构紧凑、体积小、自动化程度高、安装方便、运行安全可靠等优点，为大多数中小型燃油、燃气锅炉房所采用，发展趋势良好。从近几年实际使用的情况看，小型燃油燃气锅炉的主要优点是轻便、灵活，安装调试方便，对建筑的要求较低，又可以减少繁琐的报批手续，其烟尘排放对大气的污染也比燃煤锅炉轻很多。但是燃油燃气锅炉也具有明显的不足，其一次性投资和经常的运行费用均高于燃煤锅炉。这是小型燃油燃气锅炉与大型集中供热锅炉的主要差别。另外，目前使用的小型燃油燃气锅炉多为常压锅炉，因此其使用范围也理所当然的受到了某些局限。就近几年的使用情况看，小型燃油燃气锅炉大多用于城市里的别墅区、度假村，或者是城市集中供热范围以外的地区，以及一些暂时无法设置集中供热的新燃油燃气锅炉的设备费用从总体上讲，要高于同容量的燃煤锅炉。其价格差异随锅炉容量增大而减小。按东北地区最近的市场价格，对218MW以下的锅炉成套设备，燃油锅炉高于燃煤锅炉约40%～80%,燃气锅炉高于燃煤锅炉约60%～100%。而目前WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计2用于供暖的小型燃油燃气锅炉容量大多在218MW以下，考虑小型燃油燃气锅炉房建筑费用较低的因素，燃油燃气锅炉房作为供暖热源的一次性投资仍高出燃煤锅炉房3。燃油燃气锅炉供暖的运行费用同燃煤锅炉一样，主要包括燃料费、水费、电费、折旧费、大修费、工资及福利费、材料费和管理费等。在上述各项费用中，占比例最大的是燃料费。对燃油燃气锅炉供暖，燃料费约占总费用的75%～85%,对小型燃煤锅炉供暖，约占总费用的40%～60%。WNS型燃油/气锅炉作为一个锅炉炉型的发展方向之所以受到重视，是因为与水管锅炉相比它具有以下特点：1、高、宽尺寸较小，适合组装化的要求，锅壳结构也使锅炉维护结构简化、比组装水管锅炉有明显优点。2、采用微正压燃烧，密封问题容易解决，而且炉胆的形状有利于燃油、燃气燃烧。3、由于采用新的传热技术(如螺纹式烟管等),传热性能接近一般的水管锅炉水平，克服了烟管传热性能差的缺点。4、对水处理要求低，水容积大；对负荷变化的适应性强4。1、燃油燃气锅炉设计意义：燃油/气锅炉就是以燃料油或可燃气体作为燃料的锅炉。既可以燃油又可以燃气，亦称双燃料锅炉，燃油燃气锅炉是一种有别于一般设备的“特殊设备”,它是一种能承受压力的、具有爆炸危险、还可能引发火灾的特殊设备。所以，其设计、制造、安装、使用、检验、修理及改造都必须遵守有关的安全技术规程，并接受国家的安全技术监察。由于其技术复杂程度比一般的燃煤锅炉高得多，为保证安全，防止事故的发生，燃油燃气锅炉的管理者和操作者，··应掌握一般锅炉的安全知识外，还必须掌握燃油燃气锅炉方面的专业知识和技能5。燃油燃气锅炉是本世纪中期才出现的，到20世纪70年代未已取得很大发展。燃油最初在锅炉上使用是在20世纪30年代，当时它是作为一种辅助燃料用在链条炉排锅炉上。由于燃烧技术和当时的燃油质量差，所以往往造成燃油在燃烧中突然熄灭的事故发生，因而没有得到真正的使用。20世纪40年代前后，一些西方国家的军方急需大动力的舰艇，商船队也要求增大运载能力，并减轻自身的燃煤携带重量。在军事和经济 3迫切需要的情况下，促成了船用燃油锅炉的研制和成功运用。20世纪50年代，西方工业发达国家的经济从战后恢复转入了全面发展时期。企业家们在经营上追求低的投资高的利润。当时燃油锅炉在投资和运行费用方面比燃煤锅炉有着明显的优势，就给燃油锅炉提供了需要和可能的发展条件5。20世纪70年代的两次石油危机，天然气又作为燃料用于锅炉。到20世纪90年代初，工业发达国家的燃油燃气工业锅炉已占其工业锅炉总数的95%以上。我国的燃油燃气工业锅炉问世比西方晚15年左右。20世纪60年代到70年代，只有三家制造厂，产品的产量也极少。70年代后期以来，无论是制造厂还是实用燃油燃气锅炉的装用数量增长经过20年的发展，我国的燃油燃气锅炉的产品品种增加很快，产品质量也有很大提高，特别是锅炉本体(受压部分)的质量水平已不亚于发达国家的制造质量，但是燃烧器的工艺水平和燃料供应系统中一些关键部件与发达国家相比，差距还较大。因此，目前燃油燃气锅炉的发展就出现明显“中西结合”态势，即国内锅炉本体配国外燃烧器。为了抑制大气环境的恶化，北京等全国许多大中城市都提出了用燃油燃气锅炉代替燃煤锅炉的实施方案，这又给燃油燃气锅炉的发展提供了一个很好的发展机遇。WNS型燃油/气锅炉作为一个锅炉炉型的发展方向之所以受到重视，是因为与水管锅炉相比它具有以下特点：(1)高、宽尺寸较小，适合组装化的要求.锅壳结构也使锅炉维护结构简化、比组装水管锅炉有明显优势；(2)采用微正压燃烧，密封问题容易解决，而且炉胆的形状有利于燃油、燃气燃烧。(3)由于采用新的传热技术(如螺纹式烟管等),传热性能接近一般的水管锅炉水平，克服了烟管传热性能差的缺点。(4)对水处理要求低，水容积大；对负荷变化的适应性强5。2、设计燃气热水锅炉的意义：目前，我国燃油燃气锅炉房中，燃油锅炉房较多，燃气锅炉较少，但随着我国能源进一步合理使用和环保更高的要求，随着我国近几年天然气勘探取得了重大突破(据全国第二轮油气资源评价，天然气总资源量列世界第四位)及不断开发和我国煤的气WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计4化早已工业化，再加上气体燃料具有基本无公害燃烧的综合特性、燃烧易调节、发热值易调整等一系列的特点，我国工业锅炉大量使用清洁能源燃气的时代就要到来。而燃气热水锅炉的优越性：燃气热水锅炉是由高效能的热交换器和鼓风式燃烧器构成的一种供热设备。它不仅具有排出的烟尘中有害气体含量低，环保效益好的优点，还具以下几个方面的优势：(1)燃气锅炉的配套设备简单，仅需一台燃气调压设备，一次性投资费用低。炉体结构紧凑、体积小、重量轻、占地面积小，无需特殊的地基，对机房高度要求不大，无安装场地限制，可直接布置在主体建筑的内部。(2)燃料燃烧安全，且装有高强化传热能力的扰流装置的燃气管束或螺纹烟管管束，因而具有最佳的换热效果，能获得较高的热效率，节约燃料。经测试燃气热水锅炉的热效率可达到90%以上，而一般的燃煤锅炉的热效率只能达到70%左右。1.2研究和设计现状WNS型燃气、燃油锅炉的结构已基本定型：即从回燃室形式来看有湿背、干背、中的锅炉均为双炉胆锅炉。炉胆结构分为平直炉胆、波形炉胆，后者加大了炉胆的受热面积，可强化传热。根据炉胆的布置又可分为对称型和非对称型两种；所谓对称型是指炉胆布置在锅壳对称中心线上，水循环是两个对称的回流，形成在炉胆下方有一相对“平静”区，使水渣、水垢等容易集中沉淀，有利于通过排污口排出。另外，拉撑管和拉撑板也是左右对称布置的，从受力情况和膨胀角度分析也是比较合理的。不对称型是指炉胆偏心布置。这种结构有利于水的循环，使冷炉启动时间缩短，锅炉温度均匀。就烟气流程又可分为二回程、三回程、四回程锅炉。对同容量锅炉来说，回程数量多的锅炉受热面积也大，单位受热面平均吸热量小，锅炉可获得较高的效率和较平稳的效率特性，低负荷时，效率下降较小。美国生产的CB锅炉即为四回程锅炉5]。WNS型燃气、燃油锅炉的具体结构形式干背式锅炉如图1-1所示，燃烧器喷出燃料WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计5点燃后生成的燃烧产物到达炉胆的另一端后，经耐火砖隔成的烟室折转进入烟管，多为二、三回程结构。其优点是结构简单，制造省工时；打开锅炉后端盖后，火管和炉胆都可以检查和维护。但干背式锅炉没有回燃室，燃烧器喷出燃料点燃后生成的燃烧产物和面积有限的炉胆换热，炉胆出口的高温烟气直接冲刷后管板，内外温差较大。炉胆后部的耐火材料每隔一段时间就需要更换，锅炉容量越大，这一情况越严重。因图1-1干背式锅炉湿背式锅炉如图1-2所示，炉胆末端和二回程的起端与浸在炉水中的回燃室相连，回燃室也能够传热，约占5%的传热面积，热效率高，且不存在耐火材料的更换问题，散热损失也小，锅炉后管板也不受烟气的直接冲刷，解决了干背式锅炉后管板过热的问题。同时由于湿背式结构避免了折返空间的烟气密封问题，更适合于微正压燃烧。6烟气第一回程和第二回程同在炉膛内，构成所谓的回焰燃烧。从传热学的角度看，本质上是大直径炉胆的二回程锅炉0WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计7下面就燃油燃气热水锅炉的炉胆部分和回燃室部分做更细致的介绍：炉胆是锅壳式锅炉特有的受压部件。炉胆的内部是燃烧室，外面是炉水，受外压力。所以，它在锅壳式锅炉中是工作环境最恶劣的受压部件，也是最容易损坏的元件之一。由于炉胆受高温火焰的灼烧，其温度高于锅壳，它的热膨胀问题特别突出。尤其是燃油锅炉，因油燃烧温度高，炉膛热强度高，温度变化剧烈，更要求炉胆要有良好的热胀冷缩的性能。目前炉胆的型式有平直圆筒形，平直圆筒带加强环形、波纹型、波型等多种。国外制造这类锅炉的炉胆大多采用平直圆筒形或为了加强刚度而采用平直圆筒型带加强环型。只有在出力和压力较大时，才采用波纹型和波型，从受力和胀缩等安全性方面考虑应采用强度高、弹性好波纹型和波型炉型8。炉胆末端和二回程的起端与浸在炉水中的回燃室相连，回燃室也能够传热，约占5%的传热面积，热效率高，且不存在耐火材料的更换问题，散热损失也小，锅炉后管板也不受烟气的直接冲刷，解决了干背式锅炉后管板过热的问题[9。1.2.4WNS系列燃气热水(蒸汽)锅炉的主要特点全自动燃气热水(蒸汽)锅炉为卧式内燃三回程锅炉。燃烧室由波形炉胆和湿烟室(烟气转弯烟室)构成，高温烟气(1400℃以上)在炉胆和回燃室进行对流和辐射换热后进入第二回程烟管，经前烟箱折转180°进入第三回程烟管，在烟管内进行充分的对流换热，最后经后烟箱及烟囱排入大气10]。1、可以从不同角度出发对锅炉进行分类：(1)燃料是锅炉设计的主要依据。锅炉性能的优劣在很大程度上决定于燃料的选择。我国锅炉用的燃料主要有煤，石油制品，和天然气，于是锅炉根据燃料的不同被分成三大类，燃煤锅炉，燃油锅炉和燃气锅炉。(2)结构形式可分为锅壳锅炉(火管锅炉)、水管锅炉和水火管锅炉。(3)按用途不同可分为电站锅炉、工业锅炉、生活锅炉等。(4)按容量大小可分为大型锅炉、中型锅炉和小型锅炉。WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计8(5)按蒸汽压力大小可分为低压锅炉(p≤2.5MPa)、中压锅炉(2.5MP<p≤5.9MPa)、高压锅炉(p=9.8MPa)、超高压锅炉(p=13.7MPa)等。(6)按燃料在锅炉中的燃烧方式可分为层燃炉、沸腾炉、室燃炉。(7)按工质在蒸发系统的流动方式可分为自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉等。燃油燃气锅炉根据炉型可分为卧式火管锅炉，立式火管锅炉，铸铁对片组装形式使用预混燃烧器的锅炉以及铸铁模块组合形式使用扩散型燃烧嘴的模块锅炉。其中卧式火管锅炉，有二回程，三回程，四回程，五回程几种分类，WNS型为卧式内燃三回程湿背式火管锅炉。2、燃气热水锅炉的主要特点是：(1)锅炉本体采用全对接焊缝湿背性结构。高温烟气都被锅水所包围，有效利用受热面，确保锅炉安全可靠运行。(2)炉胆结构及布置是锅壳式燃气锅炉设计中的一个关键，炉胆的吸热量一般占总吸热量的55～70%,且处在高温下会产生较大的膨胀量而破坏结构的完整性。而且燃烧器型号确定后，炉胆直径应稍大于最大火焰直径尺寸，炉胆长度应大于最大火焰长度尺寸，火焰充满度要好。(3)第二、三回程的对流烟火管处于低温区，换热温差小，传热系数低，烟气流动阻力大，其吸热量一般占总吸热量30～45%,因此设计时对烟气流速、烟气阻力和排烟温度进行计算调整。我们可采用由螺纹烟管与光管组合构成对流受热面。当烟气从螺纹烟管内流过时，由于螺纹突筋的存在，使靠近壁面的流体受到扰动，沿边界的层流状态改变成为紊流状态，使工质与管壁间的对流传热得到强化，同时选用了较高的烟气流速，使传热系数大为增加，提高了锅炉热效率。(4)采用低位燃烧室，保证较好的蒸汽品质，同时使最高烟气温度远离水位表面，最大限度地防止缺水，加上双重独立的水位控制报警和连续给水系统及压力控制系统，使锅炉运行安全可靠。(5)回水由锅炉前下侧进入锅筒，锅内设置导流板，在导向装置作用下，锅水呈N字形流动，提高回燃室高温管板区域的流动水速，防止因过冷沸腾而导致管板出现裂纹，而后热水经集气装置送至热用户。(6)锅炉本体及烟管束全部采用焊接结构。WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计9(7)选用具有点火程序控制和熄火保护的功能的燃烧机，其燃烧技术先进，性能稳定，可以在极低过量空气系数下完全燃烧。(8)采用电脑控制器，对直接影响锅炉安全运行的有关因素除配备有完善的全自动控制装置外，更配有多种安全保护装置。电脑控制器对锅炉运行进行实时监控，并能对故障进行智能识别与实时处理12|。燃气锅炉与燃煤锅炉相比具有非常明显的优越性：1、环保。由于燃气中的灰分、含硫量和含氮量均比煤中的含量低，燃烧后产生的烟气中粉尘量极少，因此燃气锅炉可以大大减轻对环境的污染，从而排放出的烟气比较容易达到国家对燃烧设备所要求的标准。2、热效率高。燃气锅炉的炉膛容积热强度较高。由于烟气污染小，对流管束不受腐蚀和结渣，传热效果好，燃气燃烧产生大量三原子气体(二氧化碳、水蒸气等)的辐射能力较强，而且排烟温度低，使其热效率明显提高。(1)燃气锅炉可选用较高的炉膛热负荷，从而缩小炉膛体积。因不存在受热面污染、结渣、磨损等问题，可选用较高的烟速，减小对流受热面的尺寸。通过合理布置对流管束，使燃气锅炉较同容量燃煤锅炉结构紧凑、尺寸小重量轻，设备投资明显减(2)燃气锅炉不需要配置吹灰器、除尘器、出渣设备和燃料烘干器等附属设备。(3)燃气锅炉使用管道输送的燃气为燃料，无需燃料储存设备。在供给燃烧前也无需燃料加工制备设备，使系统大为简化。(4)由于无需燃料储存，节省运输费用、场地及劳动力。(1)燃气锅炉燃烧系统设备简单，因而需要维修保养的项目少。(2)由于不存在结渣及高低温受热面腐蚀，因而不需要由此而更换受热面的管件及空气预热器的元件3。WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计燃油锅炉的热效率虽然也较高，污染也较低，但其排烟对大气的污染也远大于燃气锅炉，而且燃油锅炉同样存在着油料运输和储存的相关问题，使其失去了长远发展1、燃烧系统的安全保护。燃烧系统的安全保护是控制系统的核心，主要指对燃气泄漏、燃气高压力、燃气低压力和对燃烧机的燃烧故障及鼓风机故障等均有安全的保护。2、循环水系统的安全保护。系统对循环水系统设有多重安全保护功能：①循环泵连锁控制。循环泵没有运转，锅炉系统就不能正常开机。②通过在锅炉出水回路上安装的耙式流量开关，避免因循环泵接触器触点粘住，使控制系统产生错误信号而发生故障。③通过中文屏设定的回水压力过低报警值，检测实际回水压力，当低于此设定值时，压差报警联锁装置动作，从压力过低角度保护了循环水系统。3、锅炉运行系统的安全保护。锅炉运行保护分出水温度过高、压力过高、排烟温度保护等。其一，为确保出水温度过高保护功能的安全可靠，可通过二种方式实现。①通过出水温度传感信号检测实现保护，当系统检测到实际出水温度高于，中文屏出水温度设定值时，超温联锁装置动作，从而实现锅炉安全运行。②通过安装在出水管路的温度控制器，将温度控制调整到所要求的出水温度极限值，当实际出水温度值大于此值，控制器就会动作，使控制系统脱离电脑控制防止锅炉温度过高，起安全保护作用。其二，锅炉的压力过高保护。锅炉的出水压力超过设计值，会对管网末端系统产生严重后果，因此锅炉压力高故障保护很重要，本系统通过中文屏设定出水压力过高报警值，当电脑检测到实际出水压力高于此设定值时，超压报警联锁装置动作，而起动保护作用。其三，排烟温度保护。控制系统对排烟温度不仅起显示作用，还起保护作用，当锅炉满负荷运行正常后，用户可在当时的排烟温度值基础上增高15℃左右，设定排烟温度最高报警值，这可有效防止烟道档板突然关闭和烟道堵塞等排烟故障所有一体化安装在燃烧器上的元器件，主要是风量调节装置、点火变压器、火焰监测探WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计头和稳焰器等。第二部分是电控制部分。该部分的作用是控制第一部分的元器件能正常可靠的工作。第三部分是安装在锅炉上的测量元器件，如压力表、温度计等。由这些测量元器件通过电控系统对燃烧器进行“开—停”或“半负荷—全负荷”或“连续渐WNS燃油、燃气锅炉自动控制。主要是点火程序控制、熄火保护控制。点火程序控制一般由燃料检测系统和计时器(一种具有延时功能的继电器)来进行控制。按下启其它异常变化，点火系统的阀门打开将点火所需燃料供给喷嘴；喷嘴燃烧控制阀打开，此时应处于低流量燃烧状态，火焰检测器依据燃烧情况，发出检测信号来加大燃料流量调节阀及风机风门的开度；燃烧状态正常后，点火系统的阀门即关闭。熄火保护。熄火保护装置由三个重要部件(即火焰检测器、保护继电器、燃料紧急切断阀)组成。当燃烧室内壁的温度低于燃点时，喷嘴火焰熄灭。若为燃气锅炉，当炉膛内燃气体积浓度达到爆炸区间时，如果遇金属撞击或放电等产生的火花会发生爆炸。因此，应由火焰检测器来确认主喷嘴部位的燃烧状态，实现对燃料流量的控制。燃烧控制一般分有级调节和无级调节两种。国产及部分进口的WNS燃油、燃气锅如美国的CB、富尔顿，其锅炉燃烧器为本厂配套制造，大多为无级调节。这种类型燃烧器其燃料供给量随热负荷改变而改变，克服了有级调节对锅炉热冲击力大的缺点，运行本次进行的是WNS10-1.25燃气热水锅炉本体的设计，初步设计参数为：MW℃排烟温度：℃锅炉回水温度：工作压力：容水量:6TWNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计锅炉燃料:天然气表1-1成分体积分数(%)CH₄C₃H₆C₃HgC₄HN₂本文所进行研究的是：本课题针对水平锅壳式燃气热水锅炉炉胆的合理布置形式及烟箱管板的耐高温放裂纹结构设计，设计开发一款高效、长寿命的WNS型燃气热水锅炉。主要涉及成果包括WNS型燃气锅炉的现状调研报告一份及高效、长寿命WNS型燃气热水锅炉的结构和工艺设计方案一套。重点解决适用于WNS型燃气热水锅炉的炉胆布置形式问题和烟箱管板高温易开裂问题。燃气锅炉有许多优点，越来越广泛地应用在在中小型建筑供暖工程中。锅炉设计是锅炉制造工作中重要的环节之一。燃气热水锅炉工艺设计的基本步骤如前文所述：1、问题必须明确，并且尽可能完整和清晰。这些数据包括热工率、允许工作压力、给水温度、回水温度、燃料。在设计过程中，大多数重要的设计就是靠这点做出的。而锅炉的基本结构，则根据个人设计、锅炉安装空间等确定。2、为锅炉选择一系列主要的暂行参数：锅炉型号、尺寸、换热管种类、根数及长度、二回程和三回程的出口温度等等。3、用计算所得管束热平衡热量和主受热面传热量相互比较得出误差。如果误差在允许的范围内则计算结束。如果误差较大则另取温度进行计算，直到误差在允许范围5、进行前管板、后管板、烟室前管板、烟室后管板的厚度计算时，必须先画图；确定最大假想圆直径及拉杆的最大支撑圆面积。6、进行强度计算。利用所画图得出的最大假想圆直径及拉杆的最大支撑圆面积，带入计算公式得出锅筒、前管板、后管板、烟室前管板、烟室后管板、炉胆、拉杆的这次就开拓热力供暖公司的锅炉出现的问题进行研究，此次锅炉出现的主要的问题为锅炉回燃室内后管板，即烟气流程中的第二回程进口处出现裂纹。造成此次事故先对锅炉做个大体的介绍，此锅炉为WNS型三回程供暖锅炉，锅炉设计出水温度95℃,回水温度70℃,炉胆采用波纹炉胆，管板连接方式为先预胀，后焊接的方式，图1-4锅炉整体图WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计此锅炉出现问题之前，我到其公司，曾记录过它的运行参数，实际出水温度为60-70℃,回水温度40-50℃,出水压力0.33MPa,回水压力0.33MPa,据公司相关人员介绍，此锅炉长期处于低负荷运行，实际运行中水温远远低于设计水温。锅炉出现的问题主要是后烟箱管板开裂问题，具体问题见图1-5:图1-5后烟箱管板破裂图WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计图1-6后烟箱管板破裂图近照回燃室后管板，明显出现裂纹，还带着水垢。造成了炉胆内部积水，如图1-7: WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计图1-7炉胆内部主要问题分析，在运行过程中，出水和回水的温度太低，主要是锅炉获取的热量太少，即燃烧器的火焰太小造成的，从而使烟气侧结垢创造了有利条件，结露的直接原因为壁温因素，即受热面壁温低于烟气露点温度，如果使燃气锅炉受热面的最低壁温高于烟气露点(大约60℃),则蒸汽不能凝结在受热面壁面上。就不会发生腐蚀。由于水侧放热系数远大于烟气侧放热系数，ψ为热有效系数，由公式K=ya,可知，壁温受水温和烟温的影响，且主要是水温。而影响锅炉水温度的又是热水锅炉的进水和出水温度，所以要提高壁温首先要提高锅炉的进出水温度。对于低温燃气热水锅炉(如出水温度95℃,回水温度70℃的热水锅炉)因水温较低，就必须设计较高的排烟温度。如果锅炉使用不正确，长期低负荷运行，炉水温度和排烟温度都很低，其壁温甚至低于水露点，势必要发生低温腐蚀，而且腐蚀特别严重。锅炉运行时，尽量保证进出口水温度。所以我设计的这台锅炉，工作压力比较高，WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计主要是最大量的避免烟气侧结露。第二章燃料消耗计算WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计气体燃料的组成成分变化范围很大：不同种类的天然气体燃料或人工气体燃料，由于其气源(气田气、油田气)的产地和生成的有机质、地质环境、理化条件等不同，或由于制气时所使用的原料(石油、煤)不同，它们的成分和特性相差很大；即使是同一种类的燃气，由于天然气体燃料资源分布辽阔，人工气体燃料制气的方式，采用的生产工艺不同.其成分和特性也并不完全相同。因此，在燃气锅炉设计。燃烧设备选择和进行有关计算时，应尽可能收集有关气源的详细资料作为依据，认真加以核对和分析。表2-1设计参数名称C₃H₆C₃H₈C₄H₁₀2体积百分比98.0表2-2天然气参数名称P₃SV₀V9(湿/干`P天然气2.2理论空气量、实际空气量和过量空气系数标准状态下1m³气体燃料按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需要的空气量(指于空气)称为气体燃料的理论空气量(m³/m³).气体燃料中各单一可燃气体的燃烧化学反CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O反应热(kJ/m³)最高值：39749最低值：357092C₃H₆+9O₂→6CO₂+6H₂O反应热(kJ/m³)最高值：92461;最低值：86407C₃H₈+5O₂→3CO₂+4H₂O反应热(kJ/m³)最高值：99106;最低值：910292C₄H+13O₂→8CO₂+10H₂O反应热(kJ/m³)WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计由上面四式可以归纳出碳氢化合物的燃烧反应通式。即：当气体燃料的组成已知时，可计算出标准状态下气体燃料燃烧所需要的理论空气实际送入锅炉的空气量称为实际空气量v,其值一般都大于理论空气量。比理论空气量多出的这一部分空气称为过量空气.实际空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数，用α表示。过量空气系数：燃气锅炉的最佳过量空气系数a数值与燃烧室的结构、燃料油的品种有关，通常为1.03-1.10,在此选择α=1.05,所以V=αV⁰=1.05×9.58333=10.06252.3燃烧产物及其计算=0.79×1.05×9.584+0.01×0WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计V₀,=0.21(a-1)V₀实际烟气总体积按下式计算：=1.013+2.149+7.95+0.1006322.4燃烧温度和烟气焓的计算燃料和空气送入炉内进行燃烧，它们带入的热量包括两部分：2、是燃料的化学热量(发热值)。如果燃烧过程在绝热条件下进行，上述两种热量全部用于加热烟气本身，则烟气所能达到的温度称为热量计温度。标准状态下，燃料燃烧前后的热平衡方程式为：Qwar+Q₈+Q₄=I,mQ₄=aV₀(C₄+1.20d,Cn,)t(2-12)温度℃C₃H₆C₃H₈N₂C。=(0.98×1.545+0.004×2.854+0.003×2.960+0.003×3.71+0.01×1.298)=1.5141+0.011416+0.00888+0.01113+0.01298=1.559(kJ/m³·k)Cno=1.482kJ/(m³·k);C=1.302kJ/(m³·k);Vg,Veo,Vw.,Vo₂一标准状态下1干燃气完全燃烧后所生成的三原子气体、V₇=V₂o+Vo,+V,+V₀,=11.212632(2-15)C=Co=1.559(kJ/m³·k)Cv,=1.298(kJ/m³·k);C。=1.306(kJ/m³·k);1.013×1.559+2.149×1.482+7.95×1.298+0.100632×1.306=2430.26=15.21461×2430.26=2401.2WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计热。这时在烟气中有下列分解反应：kJkJ/m³二氧化碳和水蒸气热分解吸收的热量可按下式求得：101.325KPa的干燥空气中，氮的分压是79.193KPa,氧的分压是21.198KPa。Q=43.7%×1.013×12635+1=5593.274435+3042.500475=8635.8(kJ/m³)=1862.7锅炉热平衡方程的普遍形式为：WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计Q,=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Qs+Q(2-23)锅炉输入热量：Q,=Qneva+i,+Q+Q(2-25)i,气燃料的物理显热Q雾化所用蒸汽带入的热量;WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计锅炉总热损失为锅炉的热效率为排烟损失：=6.3%气体不完全燃烧损失由经验数据取：机械不完全燃烧损失：由于燃料完全燃烧所以9₄=0WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计q₅=1.7%=8.5%=1-8.5%=91.5%燃料燃烧放出的热量为：WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计所以单位时间消耗的燃料为：表2-4燃烧器的选取标况下天燃烧器输出天然气压电源电动机额净重操作备注然气耗量功率力定功率方式3500-4000380V三相渐进式开启时燃料渐进输送，配有封门自动关闭装置=143.3(kg/s)WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计第三章传热计算3.1炉膛的传热过程计算燃气锅炉的主要吸热量是在炉胆中获得的，一般占吸热量的60%～70%,因此锅炉炉胆的结构和布置是锅壳式燃气锅炉设计的关键，主要应考虑以下问题：(1)锅炉设计前，首先确定燃烧器型号。(2)炉胆的直径应稍大于最大火焰直径，炉胆的长度应大于最大火焰长度。(3)选择了燃烧器后，根据火焰长度、火焰直径和燃料消耗量之间的关系曲线，确定火焰直径和火焰长度。(4)根据锅炉的容量和尺寸确定是否需要膨胀环或波形炉胆。(5)一般燃气锅炉的炉胆是由平直炉胆和波形炉胆或膨胀环组成。(6)此三回程锅壳式蒸汽锅炉的炉胆出口温度应控制在1000℃。…WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计图3-1火焰长度6.)图3-2火焰直径根据火焰长度，火焰直径和燃料的消耗量之间的关系曲线，火焰长度取上限，直径取中间。确定：火焰长度：3.4m我们可以确定锅炉炉胆长度和炉胆直径：按GB/T16508-1996规定，平直炉胆计算长度不宜超过2m,两端扳过时，可放至3m。故本设计采用波形炉胆。波形炉胆有利于换热并可以提高整个炉胆的柔性，防止炉胆在较高温度下产生较大膨胀量破坏结构的完整性，增大了辐射传热面积。WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计表3-1炉膛传热计算序号名称符号单位公式结果1锅炉输入热量Q,=Qneva2计算燃料消耗量B;m³/h热平衡计算3保热系数φ热平衡计算4炉胆出口过量空气系数选取5炉胆漏风系数选取06冷空气温度℃设计7冷空气焓计算8空气带入炉内热量Q9炉胆入炉热量Q绝热燃烧温度℃计算绝热燃烧绝对温度K炉胆出口温度θ’℃假定炉胆出口绝对温度K火焰绝对平均温度T₉K炉胆壁温℃炉胆绝对壁温K炉胆出口烟焓计算辐射换热系数C设计选取辐射有效面积计算辐射放热量Q辐射换热热量H计算误差△%3.2对流受热面的传热计算序号名称符号单位结果1螺纹管节距t2螺纹管槽深E33螺纹管的内径d4螺纹管的根数根5螺纹管烟气流通面积m²6纵向冲刷管长度Lm7螺纹管传热面积m²8烟气总流通面积m²9总传热面积H₄m²表3-3二回程热力计算序号名称符号单位公式结果1入口烟温v℃热平衡计算2入口烟焓kJ/m³焓温计算3出口烟温℃假定4出口烟焓I”kJ/m³焓温计算5607.2WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计56789管束出口过量空气系数管束漏风系数冷空气温度冷空气焓保热系数管束热平衡热量平均烟气温度大端温差小端温差对数温差平均烟气流速烟气的普朗特数烟气的运动粘性系数烟气导热系数螺纹管雷诺数比值比值螺纹管(烟气)对流换热系数工质温度与管壁温差管壁温度烟气压力水蒸气体积份额三原子气体体积份额烟气容积Qa设计选取1.05△a设计选取0tk℃设计选取30I₁kJ/m³焓温计算424.1①热平衡计算0.982Wm/s16.37P,查烟气特性表0.617Vm²/s查烟气特性表入W/m·k查烟气特性表8.015×10-2R,W/8603.92213RdEd0.03570.0430.282R₂PVH₃OVpV₂kW/m³℃MPaYH,o+YRO;燃烧计算m³/m³WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计三原子气体辐射减弱系数气体介质吸收力烟气黑度温度比烟气辐射放热系数TkW/m³℃kgps(s=0.9d)5.1×10~¹¹a,(v,+273)³×热有效系数总传热系数主受热面传热量ψKkW/m³℃设计选取y(a₄+a₁)主受热面传热误差△%表3-4三回程结构计算序号名称符号单位结果1光管的内径dmm2光管的根数根3光管烟气流通面积4纵向冲刷管长度Lm5光管传热面积6烟气总流通面积7总传热面积H₄表3-5第三回程热力计算WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计序号名称符号单位公式结果23456789入口烟温入口烟焓出口烟温出口烟焓管束出口过量空气系数管束漏风系数冷空气温度冷空气焓保热系数管束热平衡热量平均烟气温度平均烟气流速烟气的普朗特数烟气的运动粘性系数烟气导热系数光管雷诺数光管(烟气)对流换热系数工质温度与管壁温差管壁温度VIφWVλR₈℃kJ/m³℃kJ/m³℃kJ/m³℃m/sm²/sW/m·KkW/m³℃℃℃热平衡计算焓温计算假定焓温计算设计选取设计选取设计选取焓温计算热平衡计算查烟气特性表查烟气特性表查烟气特性表5607.22907.60424.10.9820.66228.296×10-⁶4.508×10-223112.80.04539烟气压力水蒸气体积份额三原子气体体积份额烟气容积三原子气体辐射减弱系数气体介质吸收力烟气黑度温度比烟气辐射放热系数热有效系数总传热系数主受热面传热量主受热面传热误差PVH₂OV₂TψKQ△MPam³/m²kW/m³℃kW/m³℃kJ/m%YH,o+YRO:燃烧计算kqps(s=0.9d)5.1×10¹¹a,(v,+273)³×设计选取y(a₄+a₁)0.2820.1080.0030.0440.0753.3锅炉总热平衡校核WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计表3-6锅炉总热平衡校核序号名称符号单位公式结果1锅炉效率η%热平衡计算91.52锅炉输入热量kg/m³Q,=Qnevar3锅炉炉胆吸热量Qkg/m³炉胆热力计算4第一管束吸热量Qkg/m³第一管束对流计算5第二管束吸热量Q₂kg/m³第二管束对流计算67管束总吸热量计算误差Q₂kg/m³kg/m³Qn+Qm₂8相对计算误差△% 第四章锅炉烟风阻力计算对于结构较复杂的、容量较大的锅炉，或设置尾部受热面和除尘装置的工业锅沪，由于烟风系统流动阻力较大，必须采用机械通风，借助于风机所产生的压头克服其全部的阻力。4.1烟风系统流动阻力计算4.1.1沿程摩擦阻力λ—沿程摩擦阻力系数；1—管道长度m;d—通道当量直径m;o—气流速度，m/s,按气流平均温度计算；p—气体密度，kg/m³。4.1.2由于通道截面和方向变化等原因而引起的局部阻力按下式计算：WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计动压头(速度头)Pa;1、动压头的确定p₈=0.23931、沿程摩擦阻力系数气体沿烟风通道流动或纵向冲刷受热面管子时的摩擦阻力按上述公式计算，其阻(1)入口、出口局部阻力系数WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计4.2烟囱的阻力计算烟囱的阻力由沿程摩擦阻力和出口局部阻力组成。摩擦阻力已考虑了烟囱的锥度，其值可按下式计算：b=0.81r=0.243C₂=0.38d=a=bWNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计=641.47Pa烟囱的阻力由沿程摩擦阻力和出口局部阻力组成。烟囱的阻力由沿程摩擦阻力和出口局部阻力组成。摩擦阻力已考虑了烟囱的锥度，其值可按下式计算：i烟囱内壁的平均斜度，取i=0.02W烟囱出口流速，计算烟囱流速时采用引风机处的烟气温度，不考虑烟囱散热冷却。引风机处的烟气温度当空气预热器后的烟道漏风系数1.0≤△α时，取用锅炉的排烟温度。引风机处的烟气流量为： 第五章强度校核锅炉是一种受热的特殊压力容器，如果元件的壁厚不足会产生破坏；另一方面，不适当地增大受压元件的壁厚，又会浪费钢材。因此国家统一对锅炉受压元件的强度计算进行管理，制订了锅炉受压元件强度计算标准来规范锅炉的强度设计，以保证锅炉的安全。强度计算的目的是确定受压元件的壁厚。材料均取G20。5.1锅筒厚度计算假设厚度为l=13mm;锅筒内直径D=1780mm;计算压力P=1.25MPa;基本许用应力125MPa;基本许用应力修正系数n=1;焊缝减弱系数φ,=1;理论计算厚度：附加厚度C=1.3mm;WNS10-1.25燃气热水锅炉本体设计5.2烟室前管板厚度计算假设厚度为l=16mm;计算压力P=1.25MPa;基本许用应力修正系数n=0.85;最小需要厚度：=13.82