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锅炉原理锅炉设计锅炉原理锅炉设计说明书说明书 学学 院院 机械工程学院机械工程学院 专专 业业 热能与动力工程热能与动力工程 年年 级级 2010 级级 姓姓 名名 刘刘 波波 学学 号号 3010201310 指导教师指导教师 赵赵 军军 2014 年年 1 月月 2 日日 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 1 任务书任务书 要求：要求： 锅炉炉型： shl10-1.3/350， 设计参数： 给水温度 105， 冷空气温度 30， 锅炉排污率 5%。试对该炉型进行热力校核计算，内容包括： 1）计算 1kg 燃料燃烧所需理论空气量、烟气的理论容积，各受热面烟道中烟气 特性及烟气焓温表； 2）锅炉效率、燃料消耗量及保热系数； 3）对锅炉炉膛进行热力校核计算（炉膛结构尺寸见图 7-1，p167） ； 4）给定对流管束进口处的烟气温度，对锅炉管束进行热力校核计算（锅炉管束 的结构尺寸见图 72，p172） ； 5）给定空气预热器进口烟温，对空气预热器进行热力校核计算（结构尺寸见图 74，p174） 目标煤种目标煤种： 19 平朔平混煤 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 2 目录目录 任务书任务书 计算结果计算结果 一、空气及烟气计算-（3） 1、 煤分析- （3） 2、 烟气特性- （3） 二、 锅炉热平衡计算表- （5） 三、 锅炉炉膛热力校核计算- （7） 1、 炉膛包裹面积- （7） 2、 炉膛的热力计算- （10） 四、 炉管束热力校核- （14） 1、 锅炉管束结构计算- （14） 2 锅炉管束的热力计算-（14） 五、 空气预热器热力校核- （16） 1、 结构计算- （16） 2、 热力计算- （17） 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 3 计算结果计算结果 一、一、 空气及烟气计算空气及烟气计算 1、煤分析 平朔平混煤煤收到基成分： 理论空气量： 0= 0.0889(+0.375) +0.2650.333= 3.5663/ 理论烟气量： 0 = 1.866 ( +0.375) 100 +0.8 100 + 0.790+ 11.1 100 + 1.24 100 + 0.0160=4.558n3/ 理论水蒸汽容积： 2 0 = 0.111+0.0124+0.0160= 0.5323/ 0.532 n3/ 2 ro容积： 2= (1.866+ 0,7)/100 = 1.2013/ 理论氮气容积: v 0 n2=0.79v 0+0.8n ar/100=2.826 nm 3/kg 2、烟气特性 （1）锅炉受热面的设计过量空气系数及漏风系数：根据锅炉机组 热力计算标准方法 ，漏风系数和过量空气系数如下表所示： 序号 锅炉受热面 入口过量空气系 数 漏风系数 出口过量空气系 数 1 炉 膛 1.40 0.10 1.50 2 防渣管 1.50 0 1.50 3 蒸汽过热器 1.50 0.05 1.55 4 对流管束 1.55 0.10 1.65 项 目 收到基水 分(mar) 收到基碳 (car) 收到基灰 分(aar) 收到基氢 (har) 收到基氧 (oar) 收到基氮 (nar) 收到基硫 (sar) 收到基低 位发热量 q/(mj kg -1) 干燥后 2.24 64.04 17.99 4.03 9.68 1.16 0.86 24.54 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 4 5 省煤器 1.65 0.10 1.75 6 空气预热器 1.75 0.10 1.85 （2）各受热面烟道中烟气特性系数： 名称 符 号 单位 计算公式 炉膛与 防渣管 蒸汽过 热器 对流管 束 省煤器 空气预 热器 平 均 过 量 空 气 系数 (+)/2 1.5 1.525 1.60 1.70 1.80 实 际 水 蒸 气 容 积 nm3/kg 0 +0.0161( 1)0 0.561 0.562 0.565 0.572 0.578 烟气 总容 积 nm3/kg 0 +1.0161( 1)0 6.370 6.460 6.732 7.094 7.457 ro2 容 积 份额 0.189 0.186 0.178 0.169 0.161 h2o 容 积 份额 0.0835 0.0824 0.0790 0.0750 0.0713 三 原 子 气 体 总 容 积 份额 + 0.2725 0.2684 0.2570 0.2440 0.2323 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 5 焓温表（查标准焓温表（查标准p231 表表 xiii） 烟气焓 222222 000 0000 () yrrnnhh hvcv cvc 空气焓 00( ) kk hvc 飞灰焓hfh =0 （） hy 0 (kj/kg) hk 0 (kj/kg) hfh (kj/kg) hhh kyy 00 ) 1( + hk 0 /kj kg =1.35 =1.425 =1.62 100 934.6 725.88 0 1188.658 1243.099 1384.646 200 1821.36 1280.42 0 2269.507 2365.539 2615.22 300 2718.53 2473.55 0 3584.273 3769.789 4252.131 400 3547.75 2917.31 0 4568.809 4787.607 5356.482 500 4394.75 3897.68 0 5758.938 6051.264 6811.312 600 5764.57 4614.57 0 7379.67 7725.762 8625.603 700 6428.45 5445.72 0 8334.452 8742.881 9804.796 800 7207.54 6182.84 0 9371.534 9835.247 11040.9 900 8755.24 7136.51 0 11253.02 11788.26 13179.88 1000 9576.01 8001.75 0 12376.62 12976.75 14537.1 1100 10579.34 8729.37 0 13634.62 14289.32 15991.55 1200 10991.52 9878.42 0 14448.97 15189.85 17116.14 1300 12021.26 10455.40 0 15680.65 16464.81 18503.61 1400 14005.06 11407.09 0 17997.54 18853.07 21077.46 1500 15048.68 12464.51 0 19411.26 20346.1 22776.68 1600 16425.10 13147.21 0 21026.62 22012.66 24576.37 1700 17287.53 14290.20 0 22289.1 23360.87 26147.45 1800 17875.36 15420.25 0 23272.45 24428.97 27435.92 二二、热平衡计算表热平衡计算表 序 号 名 称 符 号 单 位 计算公式或数据来源 结果 1 收到基低位发热量 qnet,ar kj/kg 燃料特性表给定 24540 2 机械不完全燃烧热损失 q4 % 推荐值 4 q8%到 15%选取 5.0 3 化学不完全燃烧热损失 q3 % 工业锅炉手册p27 查得 0.5 4 散热损失 q5 % 电厂锅炉原理及设备图 3-3 1.6 5 灰渣焓 (c)hz kj/kg 按 thz=600 取值，则 hhz=560 kj/kg 560 6 灰渣物理热损失 q6 % 6= + , = 2.2% 2.2% 7 排烟温度 py 按照经济排烟温度决定 150 到 200 170 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 6 8 排烟焓 hpy kj/kg 按 照 烟 气 出 口 的 过 量 空 气 系 数 =1.85 计算，运用插值方法，在烟 气焓温表中计算得：hpy=1294 kj/kg 1294 9 冷空气温度 tlk 锅炉规范已知 30 10 冷空气焓 h0lk kj/kg 查焓温表 118 11 排烟热损失 q2 % = ( ) 100 4 . % = 4.25% 4.25 12 反平衡热效率 23456 1 ()qqqqq=86.45 86.45 13 过热蒸汽焓 h“ kj/kg 根据过热蒸汽压力为 1.3mpa， 过热温度 为 350，查物性得：hgr=3152.1 kj/kg 3152.1 14 灰渣漏煤比 ahz+lm ahz+lm=0.7 0.7 15 锅炉排污率 ppw % ppw=5% 5 16 给水焓 hgs kj/kg 按压力为 1.3mpa，给水温度为 105计算得 hgs=441.15 kj/kg 441.15 17 饱和水焓 hpw kj/kg 按饱和蒸汽压力为 1.3mpa 计算得, hpw=814.6 kj/kg 814.6 18 锅炉有效吸热量 kj/h = 103 ( )+ 103 ( ) = 27296225/ 27296225 19 燃煤量 b kg/h b = , = 1286.5/ 1286.5 20 计算燃煤量 bj kg/h 4 (1) 100 j q bb1222.2 / 1222.2 21 保热系数 = 1 5 + 5 = 0.982 0.982 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 7 三、三、锅炉炉膛热力校核计算：锅炉炉膛热力校核计算： 1、炉膛包裹面积： 计 算 及 说 明 结 果 1. 侧墙 2 1 = (30202820900 1650)380019006.7355 m 2 2 1 = 1650 11500.94875 m 2 2 1 = 900+40030501.9825 m 2 2 700 (900 1650)1.785 mv 2 1 (28202500) 8802.3408 m 2 v 2 1 (5220390 8807003050) 8800.088 m 2 v 3 13.88055 m cq fvvv 2. 后墙 = (900 3050 tan9) + 3050 cos9 + 1650 +1150 + 3800) 2720 = 25.34 3. 前墙 = (880 sin60 +(2500 880) + (2820 2500) sin20 + 3020) 2720 = 17.93 4. 炉膛总面积 3 2=2 13.88055+25.34+17.93=71.03 m cqhqqq ffff 5. 炉膛容积 3 2.7237.76 m cq vf fcq=13.88055m 3 = 25.34 = 17.93 f=71,03m 2 v=37.76m 3 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 8 6. 炉排有效面积 3 (5220 390) 220010.626 mr 7. 炉膛有效辐射受热面积 1) 前墙 管数 n=16，管节距 s=0.17m，e=0.0255m，曝光管长 l1=4.87m， 角系数 x1=0.59， 覆盖耐火材料层长l2=3.53m， 角系数 x2=1 则前墙有效辐射受热面： 2 1 2 2 (16-1) 0.17 4.87 0.59 = 7.33 m (16-1) 0.17 3.53 1 = 9.03 m qq qq h h 查得管子热有效系数为 1 0.6 qq ， 2 0.2 qq 2 1122 6.2 m qqqqqqqqqqqq hhh 2) 后墙 管数 n=16，管节距 s=0.17m，e=0.0255m，曝光管长 l1=4.63m，角 系数 x1=0.59， 覆盖 耐火材 料层长 l2=3.32m， 角系数 x2=1 （角系数根据 s/d=3.33， e/d=0.5 及炉墙特点查取） 则后墙有效辐射受热面： 2 1 2 2 h= (16-1) 0.17 4.63 0.59 = 6.97m h = (16-1) 0.17 3.32 1 = 8.47m hq hq 查得管子热有效系数为 1 0.6 hq ， 2 0.2 hq 2 1122 5.88 m hqhqhqhqhqhq hhh 3) 烟窗 管数 n=8，管节距 s=0.34m，管长l=1.5m，角系数 x=1 则烟窗有效辐射受热面： 2 (8 0.5) 0.34 1.5 13.83 m yc h 查得热有效系数为0.6 yc 2 0.6 3.832.3 m ycyc h 4) 侧墙水冷壁 管数 n=16，管节距 s=0.105m，e=0.065m，曝光管炉壁面 积 a1=7.98m 2，角系数 x 1=0.87，覆盖耐火材料层面积 r=10.626m 2 h1qq=7.33m 2 h2qq=9.03m 2 h1hq=6.97m 2 h2hq=8.47m 2 hyc=3.83m 2 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 9 a2=1.18 m 2，角系数 x 2=1（角系数根据 s/d=2.06， e/d=1.275 及炉墙特点查取） 则侧墙有效辐射受热面： 2 1 h = 7.98 0.87 = 6.94 m cq 2 2 h = 1.18 1 =1.18 m cq 查得管子热有效系数为 1 0.6 cq ， 2 0.2 cq 2 1122 4.4 m cqcqcqcqcqcq hhh 综上，炉膛总有效辐射受热面积为： = 1 + +1 + + 2 (1 + )= 51.87 8. 平均热有效系数为： 6.25.882.32 4.4 0.326 71.03 ii av h f 9. 炉膛有效辐射厚度： s =3.6v /(f +r)= 3.637.76 71.03+10.626 =1.66 m 10.燃烧面与炉墙面之比： 10.626 0.15 71.03 r f h1cq=6.94m 2 h2cq=1.18m 2 hf=51.87m 2 = 0.326 s=1.66m =0.15 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 10 2、炉膛的热力计算 计 算 及 说 明 结 果 1.燃料的低位发热量： netar, q24540kj/kg 2.燃料的消耗量： = 3600 = 0.3573/ 3.计算燃料消耗量： = 3600 = 0.3395/ 4.保热系数：0.982 5.炉膛出口过量空气系数： 1.5 f 6.炉膛漏风系数：0.1 f 7.冷空气温度：tlk=30 7.冷空气焓：hlk=118 kj/kg 8.热空气温度：trk=180 9.热空气焓：hrk=750 kj/kg 10.空气带入炉内的热量： = ( )+ = 1356.1kj/kg 11.炉膛有效放热量： = , 100 34 5 100 4 + = 23997.5/ 12.理论燃烧温度：查1.5的温焓表，得： 2120 f c netar, q24540kj/kg b =0.3573kg/s b j=0.3395kg/s 0.982 1.5 f 0.1 f tlk=30 hlk=118 kj/kg trk=180 hrk=750 kj/kg = 1356.1kj/kg = 23997.5 / 2120 f c 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 11 13.理论燃烧绝对温度： 2732393 k ff t 14.炉膛出口烟温：在此假设为： 1200 f c 15. 炉膛出口烟焓：查1.5的温焓表，得： hf =8577.56 kj/kg 16.炉膛出口绝对温度： 2731473 k ff t 17.炉内烟气的平均热熔： = = 16.76/. 18. 三原子气体的容积份额：0.37 q r 19. 三原子气体总分压力： = = 0.037 20. 炉膛有效辐射层厚度：1.66 ms 21. 三原子气体辐射力： = = 0.06142 22. 三原子气体辐射减弱系数： 2 0.781.6 (0.1)(10.37)102.1 100010 h of qq q rt kr p s 23. 烟气密度： 3 1.3 kg/m y 24. 烟气灰粒平均直径：20 um h d 2393 k f t 1200 f c hf =8577.56 kj/kg 1473 k f t = 16.7/ 0.37 q r = 0.037 1.66 ms = 0.06142 2.1 q k 3 1.3 kg/m y 20 um h d 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 12 25. 每公斤燃料烟气的重量： = 1 100 +1.306 0 = 7.8/ 26. 烟气中灰粒无因次浓度： = 100 = 0.0346 27. 灰粒的减弱系数： = 43000 3 = 2.028 28. 焦灰粒的减弱系数：10 g k 29. 无因次数: 1 1x 30. 无因次数: = 0.03 31. 气体介质吸收力: = ( +)1 = 0.424 32.火焰黑度: = 1 = 0.346 33.炉膛黑度: = +(1 ) 1 (1 )(1 )(1) = 0.710 34. 系数: 0.590.50.590.5 0.140.52 m mx 35. 炉膛出口烟气温度： = (5.67 10 11 3 )0.6+ 1 273 =1129.58 36. 炉膛出口烟焓：由温焓表得： 7000 kj/kg f h = 7.8/ = 0.0346 = 2.028 10 g k x1=1 x2=0.03 = 0.424 = 0.346 = 0.710 0.52m = 1129.58 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 13 四、炉管束热力校核炉管束热力校核 1、锅炉管束结构计算 1) 结构尺寸 管径 d=513mm，横向节距 s1=0.12m，纵向节距 s2=0.12m，耐火层 覆盖管长 2.444m，耐火层覆盖面积 9.4m 2，烟隔板遮挡面积 5.7m2，对流管束 受热面积 a=230.1m 2，烟气平均流通截面积 f av=2.04m 2。 2) 管间有效辐射层厚度 12 2 4 =0.9 (1) s s d d =0.278m 3) 纵横向节距 1=2= s1/ d=2.35 2 锅炉管束的热力计算 计 算 及 说 明 结 果 1. 进口烟温：由于对流管束前有凝渣管和过热器，又炉膛出 口的烟温为 1200 f c，因此在这里假设对流管束进口 烟温：=800 c 2. 进口烟焓： 按照=1.55计算，可得h=5634.818k j/kg 3. 出口烟温：假设出口烟温=400 c 4. 出口烟焓： 按照=1.65计算，可得 =2821.768k j/kg 5. 烟气侧对流放热量： = ( + = 2781.17/ 6. 管内工质温度： 饱和水压为 1.3mpa,其饱和温度是 t=191.6 7. 最大温差： t=800-191.6=608.4 =800 c h=5634.818k j/kg =400 c =2821.768k j/kg 2781.17 yq q t=191.6 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 14 8. 最小温差： t=400-191.6=208.4 9. 对数平均温差： maxmin max min 608.4208.4 373.35 608.4 lnln 208.4 tt t t t 10.平均烟温： 191.6373.35564.95 y ttc 11.烟气流速： = (+ 273) 273 = 9.15/ 12.水蒸气容积份额： 2= 0.0765 13.三原子气体容积份额： = 0.2313 14.条件对流放热系数：=0.0483 hx o 15.修正系数：=1 =1 =0.95 szw ccc 16.对流放热系数： 0 1 1 0.95 0.0483=0.04759 hxhx dszw c c c 17.管壁积灰层表面温度： 60191.660251.6 b ttc 18.条件辐射放热系数： 0.0698 o kw/m 2. 19.修正系数：0.97 y c 20.三原子气体总压力： 0.3533 0.10.03533 mpa qq pp r 21.三原子气体辐射力： 0.03533 0.2780.009822 mpa qq p spsm 22.三原子气体辐射减弱系数： t=608.4 t=208.4 373.35t 564.95 y c = 9.15/ 2= 0.0765 =0.0483 hx o 0.04759 hx d 251.6 b tc 0.0698 o 0.97 y c 0.037 mpa q p 0.009822 q p s 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 15 = (0.78+ 1.6 2 10 0.1)(1 0.37 +273 1000 ) 10 = 4.435 23.气体介质吸收力： = = 0.123 24.烟气黑度： = 1 = 0.116 25.辐射放射系数： -3 =7.65 10 t kw/m 2. 26.利用系数：=1 27.烟气对管壁放热系数： 3 jt = ()1 (0.047597.65 10 )=0.05524 hx d 28.有效系数：0.6 29.传热系数： 0.6 0.055240.033 j k 30.传热量： = th = 8109.1kj/kg = 4.435 = 0.123 = 0.116 -3 =7.65 10 t =1 j=0.05524 0.6 0.033k = 8109.1kj/kg 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 16 五五、空气预热器热力校核空气预热器热力校核 1、结构计算 计 算 及 说 明 结 果 1. 结构尺寸 管子直径：外径0.04 o dm，内径：0.037 i dm 管子长度：l=2.412m 横向节距： 1 0.08sm，纵向节距： 2 0.04sm 管子根数：45 135845 2. 受热面面积 2 585 3.14 0.037 2.412163.93 m i hn d l 3. 烟气流通截面积 22 11 585 3.14 0.0370.629 44 i fn d m 3 4. 空气流通截面积 11 ()2.412 (1.0840.04 13)0.68 22 ao fld n 5. 比值 1 1 80 2 40 o s d ； 2 2 40 1 40 o s d h=163.93m 3 f=0.629 m 3 fa=0.68 m 3 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 17 2、热力计算 计 算 及 说 明 结 果 1. 进口烟温:进口烟温即为省煤器出口烟温，在此假设 =300 2. 进口烟焓：1.75，查焓温表得 2204/hkj kg 3. 出口烟温：在此假设 170 c 4. 出口烟焓: 1.85,查焓温表得1294/hkj kg 5. 平均空气量与理论空气量之比: 0.1 =1.50.1=1.45 22 ky ll 6. 热空气出口焓: = +( + 2 ) 2 = 764/ 7. 热空气出口温度:查空气的焓温表得： 192.5 rk tc 8. 烟气放热量： = ( + + 2 )= 93693/ 9. 平均烟温： 300 170 235 22 c =300 2204/hkj kg 170 c 1294/hkj kg =1.45 764/ rk hkj kg 192.5 rk tc 936.93 y q 235 c 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 18 10.烟气流速： = (+ 273) 273 = 10.56/ 11.蒸气容积份额：= . 12.三原子气体容积份额：= . 13.烟气纵向冲刷放热系数： 0 0.0426 hx 14.修正系数： 1.0;1.052 lw cc 15.烟气侧对流换热系数： = 0 = 0.0488/ 16.空气平均温度： 192.530 111.25 22 rklk k tt tc 17.空气流速： = (+273) 273 = 8.950/ 18.空气横向冲刷错列对流换热系数： 0 0.072 hx 19.修正系数： 1.0;1.2;1.0 csw ccc 20.空气侧对流换热系数： 20 =0.072 1 1.2 1=0.0864kw/m hx csw c c cc 21.利用系数：0.7 = 10.56/ 2= 0.0706 = 0.2097 0 0.0426 hx 1.0 1.052 l w c c = 0.0488 / 111.25 k tc = 8.950 0 0.072 hx 1.0 1.2 1.0 c s w c c c 2=0.0864 0.7 天津大学热能与动力工程 锅炉原理 刘波 19 22.传热系数： 12 12 0.7 0.0448 0.0864 0.0207 0.04480.0864 k 23.最大温差： max 17030140 lk ttc 24.最小温差： min 300 192.5107.5 rk ttc 25.逆流平均温