锅炉及锅炉房设备 课件 第五章 锅炉本体布置及热力计算

锅炉原理,锅炉及锅炉房设备,第一章基本知识,第二章燃料及燃烧计算,第三章锅炉热平衡,第四章燃烧原理及燃烧设备,第五章锅炉本体布置及热力计算,第六章锅炉设备的空气动力计算,第七章锅炉受压元件的强度计算,第八章锅炉水循环及汽水分离,退出,第九章锅炉化学水处理,第十章锅炉房设备及其布置,第五章锅炉本体布置及热力计算,5.1锅炉蒸汽参数对锅炉各受热面布置的影响,5.2炉膛辐射蒸发受热面的结构布置,5.3炉膛辐射受热面的热力计算,5.4对流受热面的结构及其布置,返回,5.5对流受热面的传热计算,5.1锅炉蒸汽参数对锅炉各受热面布置的影响,第五章,锅炉本体包括：炉膛、对流烟道、各种受热面。根据热力计算目的不同分为：,设计计算：根据指定的燃料、蒸发量和蒸汽参数等，用于设计锅炉校核计算：因燃料、蒸发量和蒸汽参数等改变，用于对原有锅炉的改造热力计算的理论基础传热学理论（传导、对流、辐射）水冷壁以辐射传热为主,省煤器、空气预热器以对流传热为主,一、锅炉热力特性1.锅炉沿烟气流程各受热面之间的热量分配原则：,(1)根据工程热力学中的TS图可知：给水在锅炉中总吸热量可分为三部分热量，即：预热热Qyr，汽化热Qqh和过热热Qgr；(2)锅炉给水温度及蒸汽参数的不同，其三部分热量的分配比例也各不相同。,5.1锅炉蒸汽参数对锅炉各受热面布置的影响,2.锅炉各受热面结构布置及位置的设计原则：,1）给水在锅炉中总吸热量的分配比例，随给水温度、蒸汽参数的变化而变化，三部分热量的分配比例的变化，对锅炉各受热面结构的设计将产生很大的影响：低参数小容量锅炉因炉膛体积小，在确保燃料的燃烧温度条件下，则炉内水冷壁(辐射蒸发受热面)的吸热量满足不了蒸发量所需的汽化热Qqh要求。必须在对流烟道中布置一定量的锅炉管束(对流蒸发受热面)，才能满足蒸发量所需的汽化热=。中参数小容量锅炉因炉膛体积适中，炉内水冷壁的吸热量满足了蒸发量所需的汽化热Qqh要求，即：。又确保燃料的燃烧温度；由于有一定量的预热热Qyr和过热热Qgr要求，则在对流烟道中布置适量的省煤器，过热器以满足Qyr和Qgr。,第五章,5.1锅炉蒸汽参数对锅炉各受热面布置的影响,高参数大容量锅炉因炉膛体积大，其，而若要对流传热量Qdl满足Qyr和Qgr时，则在对流烟道中省煤器，过热器布置面积相当大，一般在锅炉设计和结构布置上很困难，而且金属消耗量增大；为此，在炉膛出口处或炉膛顶部布置半辐射式过热器或辐射式过热器，吸收部分辐射热以满足过热热Qgr的需求：；同时，增大省煤器受热面积，并与空气预热器交叉布置以满足予热热Qyr的需求。超高参数大容量锅炉，在高参数大容量锅炉的基础上，一般在尾部对流烟道中布置一定数量的再热器，以满足再热热Qgr。,2）锅炉燃料特性的影响高Vdaf的燃料，炉膛体积较大，炉膛高度较低；低Vdaf而含碳量Car较高的燃料，炉膛体积较小，炉膛高度较高，热空气温度较高，空气预热器受热面面积布置的较大；高水分Mzs的燃料，基本上同低Vdaf的燃料；高灰分Azs的燃料，基本上同低Vdaf的燃料。,第五章,上联箱低温过热器再热器,高温省煤器高温过热器,低温省煤器低温过热器,汽包,屏式过热器,下降管,水冷壁,燃烧器,下联箱,5.2炉膛辐射蒸发受热面的结构布置,一、水冷壁的结构布置及种类：,1水冷壁的作用保护炉墙强化换热，降低锅炉金属耗量与造价，应合理布置，不要适得其反，造成炉膛温度过低,2光管水冷壁：低压锅炉：；中压锅炉：；。高压锅炉：；,3鳍片管水冷壁(膜式水冷壁)：；其有效辐射角系数：。,第五章,5.2炉膛辐射蒸发受热面的结构布置,二、炉膛几何特性尺寸的确定基本步骤：(1)根据锅炉容量、蒸汽参数、燃料特性及燃烧方式，确定B和(2)选定qR、qv或qf、qv，再确定：R、Vl或F、Vl及Hl；(3)最后确定：炉膛宽度和炉膛深度，制定炉膛几何特性尺寸。,1炉膛容积Vl炉子火床表面至出口烟窗间的容积底部火床表面炉膛出口截面出口烟窗第一排水管中心线所在表面四周及顶部,2炉膛周界面积Fl包围炉膛容积的所有周界封闭面积的总和火床面积R;全部水冷壁面积Fi=bili炉墙面积：前后墙、侧墙、炉顶;出口烟窗面积,第五章,5.2炉膛辐射蒸发受热面的结构布置,三、辐射蒸发受热面的结构布置1.有效辐射受热面的面积：,2.炉内辐射换热计算中的系数：1）有效辐射角系数：火焰投射到受热面上的热量Q/投射到炉壁上的热量Qt；2）沾污系数管壁灰污反方向辐射因子，。受热面吸热量Qf/火焰投射到受热面上的热量Q；3）热有效系数：受热面吸热量Qf/投射到炉壁上的热量平均热有效系数：；对未设置水冷壁的区域：。,第五章,5.3炉膛辐射受热面的热力计算,一、炉内辐射换热计算方程传热学斯蒂芬波尔茨曼定律：(kW),2.烟气侧热平衡方程：(kW),1）炉膛有效吸热量：(kJ/kg),2）空气带入炉内的热量：热空气带入炉内的热量：(kJ/kg)冷空气带入炉内的热量：(kJ/kg),第五章,5.3炉膛辐射受热面的热力计算,3）理论燃烧温度：假定燃料燃烧时放出的热量未向外界传热而使烟气所能达到的最高温度，它与有效放热量Ql相关。,因为:(kJ/kg)则：();即：(K)。,4）烟气平均热容量：因为:则：,二、炉膛黑度1.物理意义：炉膛黑度：火焰投射黑度，表示火焰与炉壁之间的辐射换热关系,第五章,5.3炉膛辐射受热面的热力计算,高温火焰辐射到水冷壁上的热量，由于水冷壁不是绝对黑体，沾污的水冷壁自身具有一定的辐射能力，所以火焰辐射到水冷壁上的热量并没有全部被吸收，因此火焰黑度不能直接应用到炉内辐射传热计算。将炉内火焰与水冷壁之间的辐射换热关系，看成灰体包壳空腔与凸形灰体组成的封闭系统的辐射换热关系：,由传热学知道：；引出：。,第五章,5.3炉膛辐射受热面的热力计算,代入斯蒂芬波尔茨曼定律得：因为：将上两式联解得：；水冷壁(辐射蒸发受热面)吸热量：水冷壁管壁之间相互辐射换热量：,第五章,5.3炉膛辐射受热面的热力计算,则：又因为：；则：；即：；,三、室燃炉炉膛黑度,层燃炉炉膛黑度：由于火床上的火焰和炉膛的火焰同时与炉壁有辐射换热关系；火床对炉壁的辐射角系数：；,第五章,5.3炉膛辐射受热面的热力计算,火床辐射换热量：；式中相当于室燃炉炉膛黑度中的，(室燃炉的R=0)；则：层燃炉炉膛黑度：。,四、火焰黑度ahy表示火焰的辐射能力：1影响火焰辐射能力的主要因素：,介质浓度：固体燃料：三原子气体、灰粒子、焦炭粒子；液体、气体燃料：三原子气体、碳黑粒子。,第五章,5.3炉膛辐射受热面的热力计算,燃料的种类、燃烧方法及燃烧工况等。由传热学知道，火焰被认为是灰体，则；,式中：k火焰辐射减弱系数，即火焰中各介质成分的辐射减弱系数代数和；p炉膛压力，(微负压锅炉：)s有效辐射层厚度，(m)。,2固体燃料燃烧时的火焰黑度：,1）三原子气体辐射减弱系数：,第五章,5.3炉膛辐射受热面的热力计算,三原子气体总容积份额：三原子气体分压力：（Mpa）,2）灰粒子辐射减弱系数：烟气密度：烟气中灰粒子平均直径：层燃炉：；煤粉炉(筒式球磨机)：。灰粒子无因次浓度：每公斤燃料燃烧生成的烟气重量：,第五章,5.3炉膛辐射受热面的热力计算,3）焦炭粒子辐射减弱系数：、煤种、燃烧方式分别对焦炭粒子浓度的影响系数；液体、气体燃料燃烧时的火焰黑度：式中：m与锅炉容积热负荷有关的系数发光火焰的黑度：,炉膛高度上的辐射传热热负荷的计算：式中：在某一高度上的辐射传热热负荷，。高度上辐射传热热负荷分配不均匀系数。炉膛中辐射受热面的总和，。,第五章,5.3炉膛辐射受热面的热力计算,五、炉膛出口烟温：1.的计算：式中：M炉膛火焰中心位置系数。2.的选择范围：1）燃用固体燃料时：要求；由此，其高限一般取。为了保证燃料的燃烧温度，其低限一般取。2）燃用液、气体燃料时：因，其高限一般可取3）为炉膛出口处凝渣管或屏式过热器之前的烟温，若凝渣管时，为凝渣管之后的烟温。,第五章,5.3炉膛辐射受热面的热力计算,4）锅炉机组热力计算标准方法规定：的计算误差范围为。,第五章,5.4对流受热面的结构及其布置,对流受热面包括：锅炉管束、过热器、省煤器和空气预热器，受烟气直接冲刷并通过对流换热。一、锅炉管束的结构及布置1烟管2锅炉管束,二、过热器的结构及布置1过热器的布置方式2对流式过热器的结构3对流式过热器的布置型式顺流式逆流式混流式4气温调节及减温器的布置,第五章,5.4对流受热面的结构及其布置,4气温调节及减温器的布置作用：保证过热器的安全工作，避免过热器汽温高出允许值。过热汽温升高的原因：蒸汽负荷增加，燃料量增加过量空气系数增加，烟气流速增加给水温度变化锅炉运行状况变化燃料变化,面式减温器：是利用给水作为冷却介质来降低气温的换热器，通过介质流量变化达到调节汽温的目的。布置方式有三种：,第五章,5.4对流受热面的结构及其布置,过热器的入口端：对过热器及后管道没有保护作用，汽温调节不灵敏；过热器的出口端：气温调节灵敏，过热器保护作用差两级过热器之间：既有一定的灵敏度，又能保护过热器。,三、尾部受热面的结构及布置1省煤器的结构及布置分类：2空气预热器的结构及布置3尾部受热面的低温腐蚀,第五章,烟气再循环系统,5.5对流受热面的传热计算,一、对流受热面传热计算的基本公式1.热平衡方程式：,1)烟气侧：(kJ/kg)2)工质侧：(kJ/kg)空气预热器工质侧：(kJ/kg),2.传热方程式：(kJ/kg),二、对流传热系数K的计算影响因素：烟气、积灰、管壁、结垢和工质，包括对流、辐射和传导三种基本传热方式。,第五章,5.5对流受热面的传热计算,式中：与难以测定，在计算中一般以、来考虑灰污对管壁传热的影响。,1.灰污系数表示灰污引起的传热热阻的增加。则：,只对燃用固体燃料的错列管束考虑灰污对管壁传热的影响。对流管束、省煤器：因为，所以：；,第五章,5.5对流受热面的传热计算,过热器：因为很小，所以很大；,错列管束横向冲刷时，与、灰粒子分散度有关；由图表分别查出、和按下式计算：,2有效系数表示受热面有灰污与无灰污时的传热系数之比在缺计算数据时；燃用固体燃料的顺列管束；燃用重油和气体燃料室，所有受热面(顺列管束、错列管束)；小型锅炉的锅炉管束。,第五章,5.5对流受热面的传热计算,因为：；则：锅炉管束、省煤器：因为很大，所以。则值可由查取。3利用系数表示受热面实际传热系数与无灰污并冲刷完全时的传热系数比值空气预热器对流传热计算中，常用考虑有灰污和冲刷不完全对管壁传热的影响。因为：；则：的计算：,第五章,5.5对流受热面的传热计算,除空气予热器外，其它对流受热面考虑烟气冲刷不均匀或气流冲刷有局部短路时；,4当受热面吸收来自炉膛辐射热量和烟气对流热量时：对流蒸发受热面：因为，则：；或；,对于布置在炉膛出口烟窗后的对流受热面，接收来自炉膛辐射热量式中：炉膛出口烟窗部位的热流密度分布不均匀系数：炉膛出口烟窗布置在整片炉墙上部时，；炉膛出口烟窗布置在炉墙一侧，并沿整片炉墙高度上时，,第五章,5.5对流受热面的传热计算,炉膛高度上的辐射传热热负荷，；管束有效辐射角系数,第五章,5.5对流受热面的传热计算,第五章,第六章锅炉设备的空气动力计算,6.1通风的作用和方式,6.2通风阻力计算的原理及基本方法,6.3烟道阻力计算,6.4风道阻力计算,返回,6.5烟囱的计算,6.6风机的选择,6.1通风的作用和方式,第六章,一、锅炉通风作用,1、锅炉通风过程,在锅炉燃烧过程中，必须连续的将燃烧所需的空气送入炉内，同时将炉内的燃烧产物不断引出炉外过程,2、锅炉空气动力计算的任务,计算锅炉通风过程的流动阻力，选择合适的通风装置，确保燃烧及时换热过程安全正常的进行,一、通风方式,1、自然通风,利用烟囱中热烟气与外界冷空气的密度差所形成的自生凤引力来克服锅炉风、烟道的流动阻力。如立式水管锅炉,2、机械通风,1）负压通风-利用风机的抽力来克服锅炉烟风道的流动阻力2)利用风机的压头来克服锅炉烟风道的流动阻力,6.1通风的作用和方式,缺点：炉膛和全部烟道在正压下工作，炉墙和门孔需密封优点：提高了炉膛燃烧热强度，同等锅炉体积较小,3）平衡通风-利用风机分别克服锅炉风、烟道的流动阻力,确保炉及及烟道处于微负压运行工况，炉膛出口真空度为2030Pa。送风机：从风道吸入口到进入炉膛的全部风道阻力，空预器、燃烧设备引风机：从炉膛出口到烟囱出口的全部烟道阻力，管束、省煤器、空预器、除尘器、烟囱等优点：炉膛和全部烟道在负压下运行，锅炉房的安全和卫生条件好与负压通风相比漏风量较小，保持较高的经济性,第六章,6.2通风阻力计算的原理及基本方法,第六章,由沿程摩擦阻力组成横向冲刷阻力局部阻力,一、计算原理由流体力学中的伯努利方程知，烟气或空气在烟、风道任意两截面间有：,经过适当变换，可得任意两截面间的总压降为：,1.流动水力阻力：,沿程摩擦阻力,横向冲刷阻力,局部阻力,第六章,2.速度损失：是由于介质速度变化而引起的阻力损失,通道截面变化局部阻力介质温度变化,3自生通风力：介质在竖直通道内流动时，由于密度差所产生的抽力,气流向上时为正，可以用来克服流动阻力，有助于气流流动气流向下时为负，要消耗外界压头，阻碍气流流动。,二、阻力计算1沿程阻力计算,1）气流在等截面通道内流动，包括纵向冲刷管束的阻力(除空气预热器烟气侧外)，一般为等温流动状态,6.2通风阻力计算的原理及基本方法,第六章,1）气流在等截面通道内流动，包括纵向冲刷管束的阻力(除空气预热器烟气侧外)，一般为等温流动状态,2）气流在等截面通道内流动，同时进行热交换的非等温状态,其中：沿程阻力系数一般烟风道：空预器烟气侧：K通道的绝对粗糙度(mm)动压头（查图）,Pa,Pa,6.2通风阻力计算的原理及基本方法,第六章,3）空气预热器烟气侧Pa式中：为每米长度的空预器管子的沿程摩擦阻力,2横向冲刷管束阻力Pa1）横向冲刷光滑管顺列管束式中：每一排管子的阻力系数，与管束布置特性和Re有关烟气流方向管子排数2）横向冲刷光滑管错列管束（图8-9）,6.2通风阻力计算的原理及基本方法,第六章,3）斜向冲刷光滑管（图8-10）阻力系数同样按横向冲刷的公式和线图计算，流速应根据斜向管子截面计算，当时，无论顺列或错列，都先按纯横向冲刷的计算，对其结果再乘以系数1.1。4）方型鳍片铸铁省煤器,3局部阻力动压头由图查取（根据流速和气流温度）阻力系数由图表查取，具体由以下三种情况：1）通道截面变化引起的局部阻力2）转弯的阻力3）三通的阻力,6.2通风阻力计算的原理及基本方法,第六章,式中：转弯的原始阻力；考虑管壁粗糙度影响的系数B与弯头角度有关的系数C考虑弯头截面形状的系数,6.2通风阻力计算的原理及基本方法,6.3烟道阻力计算,第六章,一、计算原则,1烟道阻力计算根据锅炉热力计算的结果（额定负荷D、烟气流速wy、烟气温度）及有关烟道有效截面几何尺寸进行的n2wy、在计算中一律以平均值进行计算3锅炉平衡通风时，烟道为微负压，计算时仍以大气压为0.1MPa为计算压力4凡是线算图计算的烟道阻力，都应进行烟气密度、烟气压力、气流中灰分浓度的修正5锅炉对流烟道中各受热面积灰修正，根据表进行6计算顺序按锅炉出口真空度，氧烟道流程对各受热面烟道分别计算气阻力系数，最后求得烟道全压降,6.3烟道阻力计算,第六章,二、烟道系统阻力计算1锅炉管束,1）凝渣管,当，且时，其阻力忽略不计,当，且时，按横向冲刷计算器阻力,2）锅炉管束其阻力为横向冲刷、纵向冲刷及局部阻力之和横向冲刷管排只按一半管排数计算，纵向冲刷取假想中心间距离隔板的考虑方法部分顺列、部分错列的管排，应分别计算相加,6.3烟道阻力计算,第六章,2过热器是由小直径的管子组成的蛇形管束。主要包括横向冲刷、纵向冲刷和烟气90转弯的阻力。,3省煤器（前面已有介绍）,4管式空预器可看作为纵向冲刷管子，包括管内摩阻力和进出口局部阻力：Pa为局部阻力系数，由图确定,5烟道烟道阻力是指空气预热器、除尘器、引风机、烟囱之间连接烟道的阻力,6.3烟道阻力计算,第六章,烟道阻力是指空气预热器、除尘器、引风机、烟囱之间连接烟道的阻力尾部受热面到除尘器：按锅炉热力计算的排烟温度和排烟量计算除尘器到引风机及以后：按引风机处的烟气温度和烟气量计算1）引风机处烟气量：m3/h2）引风机处烟气温度：3）确定烟道几何尺寸时，烟气流速按表8-4选取，水平烟道烟气流速不小于78m/s,烟道的高宽比取1.2:1。4）烟道摩阻和局部阻力损失计算见p205206。,6除尘器由产品说明书提供,6.3烟道阻力计算,第六章,7烟囱1）沿程摩擦阻力式中：i烟囱的锥度，通常为0.020.03w2为出口处烟气流速2）出口阻力,三、自生通风力的计算,Pa,如果周围空气温度为20，kg/m3，则烟道的自生通风力为：Pa式中H所计算烟道初、终截面间的高度差，当烟气向上流动时取正。烟气向下流动时取负,6.3烟道阻力计算,第六章,四、烟道总压降,1炉膛出口真空度Pa自然通风时为4080Pa；机械通风时为2040Pa。2烟气流动水力总阻力Pa,6.3烟道阻力计算,第六章,式中：炉膛出口到除尘器的烟道总阻力,Pa除尘器以后的烟道总阻力,Pa飞灰质量浓度，kg/kg（灰分浓度修正）烟气密度，（密度修正）烟气压力，Pa，（烟气压力修正）当不大于3000Pa时，当海拔高度不高于200米时，by=101325Pa,6.4风道阻力计算,第六章,一、风道全压降：,二、风道流动总阻力：,当时，；当时，（海拔高度时）。,1.冷风道阻力：冷风流量：当时，；当时，不计。计算同烟道阻力计算。,6.4风道阻力计算,第六章,2.管式空气预热器连通箱的计算：3.热风道阻力：热风流量：层燃炉流动热风道阻力：炉排及煤的