（热能工程专业论文）cfb锅炉可视化热力计算软件开发.pdf

c f b 锅炉可视化热力计算软件开发 李翠伟( 热能工程) 指导教师：徐明海( 教授) ，刘安源( 副教授) 摘要 为了对不同型号循环流化床锅炉的运行工况进行校核，本文提出了 实现循环流化床锅炉可视化热力计算软件通用性的方法。软件以模块化 思想为依据，对循环流化床锅炉系统进行合理划分，采用v i s u a lb a s i c 6 0 语言编写了锅炉常见受热面标准模块、线算图表类模块和常用数值算法 类模块以供程序调用；同时将循环流化床锅炉常用受热面制作成部件按 钮供用户在结构界面上自由布置锅炉结构，满足了锅炉受热面布置多样 化的需要，实现了软件的通用性。计算结束后将计算结果输出至对应的 受热面，实现了锅炉结构和热力计算结果的可视化。 本课题开发的软件适用于多种参数、多种受热面布置的循环流化床 锅炉热力计算校核。主要功能有：循环流化床锅炉整体热力计算或单 独某一级受热面热力计算；锅炉热平衡计算和烟气特性计算；水和 水蒸气热力性质计算。 本文最后采用3 5 3 8 2 4 5 0 型、d g 6 5 5 2 9 1 型以及s h f 6 - 1 3 s 型循 环流化床锅炉对软件进行了测试，测试结果表明该软件具有一定的工程 实用性。 关键词：循环流化床、热力计算、通用性、模块、v b t h ev i s u a ls o f t w a r ed e v e l o p m e n tf o rc i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e db o i l e rt h e r m a lc a l c u l a t i o n s l ic u i - w e i ( t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f e s s o r x u m i n g - h a ia n d a s s o c i a t e p r o f e s s o r l i u a n - y u a n a b s t r a c t i no r d e rt oc h e c kt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h ed i f f e r e n tt y p e so f c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) b o i l e r s ，t h em e t h o d sw a t ep r o p o s e dt or e a l i z e t h eu n i v e r s a l i t yo f t h ev i s u a lt h e r m a lc a l c u l a t i o n ss o f t w a r ef o rc f bb o i l e ri n t h i sp a p e r t h ec f bb o i l e rs y s t e mw a sd i v i d e dr e a s o n a b l yb a s e do nt h ei d e a o fm o d u l ed e s i g n a n dv i s u a lb a s i c 6 0w a sa d o p t e dt om a k es t a n d a r d m o d u l e sf o ro o m b l o nb o i l e rh e a t i n gs u r f a c ea n dc l a s sm o d u l e sf o r n o m o g r a m s , c h m t sa n dc o m m o n n u m e r i c a la l g o r i t h m s a tt h es a m et i m et h e c o l n m o bc f bh e a t i n gs u r f a c e sw 哦i n a d ei n t oc o m p o n e n t - b u t t o n sw h i c h c o u l db eu s e df o rt h eu s e r st oa r r a n g et h eb o i l e rc o n f i g u r a t i o n so nt h e i n t e r f a e t h er e q u i r e m e n to ft h ed i v e r s i t yo fb o i l e rh e a t i n gs u r f a c e sa r r a n g e m e n t w a sm e ta n dt h eu n i v e r s a l i t yo ft h es o f t w a r ew a sr e a l i z e d i nt h ee n dt h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r eo u t p u t t e do nt h er e l e v a n th e a t i n gs u r f a c e t h ev i s u a l o u t p u to ft h et h e r m a lc a l c u l a t i o nr e s u l t sa n dt h eb o i l e rc o n f i g u r a t i o nw a s r e a l i z e ds i m u l t a n e o u s l y i nt h i st h e m et h es o f t w a r ew a sa p p l i e dt oc h e c kt h e r m a lc a l c u l a t i o no f c f bb o i l e r sw h i c ha r co fm u l t i p l ep a r a m e t e r sa n dm u l t i p l eh e a t i n gs u i r f a o e s m i t sm a i l ln m c t i o n sw e r ea sf o l l o w s ：1 t h e t h e r m a lc a l c u l a t i o nf o rat o t a lc f b b o i ks y s t e mo r as i n g l es t a g eh e a t i n g s u r f a c e ；2 t h eb o i l e r t l l e f l i l a l e a l l i l i b r i 咖c a l c u l a t i o na n df l u eg a sc 删s t i c c a l c u l a t i o n , t h ew a t e r a n dw a t e rv a p o rt h e r m o d y n a m i cp r o p e r t yc a l c u l a t i o m a tl a s tt h es o 脚甜ew a st c s _ t e db yc f b b o i l e r so f3 5 3 8 2 4 5 0 啪e ， 3 5 3 8 2 4 5 0 t y p ea n ds h f 6 - 1 3 st y p ea n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a t i th a da c e r t a i ne n g i n e e r i n gp r a c t i c a b i l i t y k e yw o r t i s ：c f b ，t h e r m a lc a l c u l a t i o n , u n i v e r s a l i t y , m o d u l e ，v b 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 盔星雏 毖蝴疗 0 7 年s 月弓oe l 7 7 年，月；口e l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究的背景及意义 能源与发展是当今社会的两大问题。我国是产煤大国，也是 用煤大国。一次能源结构中，煤炭占7 0 左右，优中质煤、劣质 煤十分丰富。全国煤产量的2 5 是含硫量超过2 的高硫煤。优质 煤集中在华北、西北，劣质煤多分布在中南、西南地区。目前积 存下来的煤矸石达1 4 亿吨，并以每年6 千到7 千万吨的数量增加。 与此同时，因煤燃烧每年有8 7 的s 0 2 和6 7 n o x 排入大气， 造成严重的环境污染。因此，发展高效、低污染的清洁燃烧技术 是当今社会持续发展的必然要求。循环流化床( c i r c i l l a t i n g f l u i d i z e x ib e d ，c f b ) 是近十几年发展起来的一项高效、低污染的 清洁燃烧技术。因其具有燃烧效率高、煤种适应性广、烟气中有 害气体排放浓度低、负荷调节范围大、灰渣可综合利用等优点， 在当今日益严峻的能源紧缺和环境保护要求下，循环流化床技术 在国内外得到了迅速的发展，并已商品化，正在向大型化发展。 因此，开发研制一种使用方便、界面友好、易于扩展和维护、通 用性强的c f b 锅炉热力计算软件，对于设计和运行诊断分析有着 十分重要的意义【”。 1 2c f b 锅炉热力计算方法简介 c f b 锅炉与常规火炬燃烧锅炉热力计算 2 3 1 之间的差别主要 体现在炉膛上，而尾部受热面热力计算则可参照常规火炬锅炉热 力计算进行。常规火炬燃烧锅炉的热力计算方法已经发展成熟， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 国内一般采用前苏联锅炉机组热力计算标准中的相似理论解 法来计算炉膛出口烟气的温度；而c f b 锅炉炉膛内的传热过程非 常复杂 4 3 , 4 4 ，迄今为止尚未找到能准确描述与实际过程完全一致 的传热模型。国内外的研究人员对c f b 锅炉炉膛内传热机理进行 了大量的探索与研究，已有一些假设或近似的理论模型报道【3 饥。 根据流体动力特性的不同，以二次风口为界，可以将c f b 锅 炉炉膛分为两部分：上部密相区和下部稀相区 s j 3 a 6 。密相区底部 为布风板耐火层表面，四周为炉墙，上部为床截面突变截面或二 次风喷入口截面。密相区的流体动力特性属于紊流流态化，其传 热模型 2 , 1 7 - 2 0 主要有：颗粒与壁面碰撞传热模型、气膜理论模型、 颗粒团换热模型、薄膜乳化相理论模型和大颗粒传热模型。 图i - i 颗粒团换热模型 其中，颗粒团换热模型是在1 9 5 5 年由m i c k e l y 和f a i r b a a k s 提出的。该模型认为可以将流化床的乳化相看成由许多“颗粒团” 组成的，传热热阻来自贴近受热面的颗粒团。颗粒团在气泡作用 下，在换热壁面附近周期性地更替，流化床与壁面之间的传热速 率依赖于这些颗粒团的加热速率及颗粒团同壁面的接触频率。图 1 - 1 为该模型示意图。白该模型提出以来，得到了大多数学者的 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 公认。 稀相区底部为密相区的顶部，四周为水冷壁管中心线所在的 面或炉墙，出口截面为稀相区的出口烟窗所在面，项部为炉膛顶 部。c f b 锅炉炉膛中的受热面主要布置在稀相区，因此，准确认 识稀相区的传热过程尤为重要。在该区域内固体颗粒沿炉膛壁面 下滑，与壁面接触进行传热，其传热模型 3 , 1 7 j 8 主要有：颗粒团交 替传热模型、颗粒贴壁下滑模型、中心环状结构理论。其中颗粒 团交替传热模型是目前对稀相区传热规律解释的较好且应用较多 的一类模型( 如图l - 2 示) 。 l瓦疋 。foi i f 。ol o f c oi o ： 。fc | 图1 2 颗粒团交替传热模型 注：l 为壁面温度；l 为环形区温度；疋为核心区温度；j 为密相区环 形厚度；w 。为壁面环形区内的颗粒速度；为核心区内的颗粒速度 稀相区中包括含分散固体颗粒的连续上升气流和相对密的颗 粒团。将稀相区横截面分为中心核区和壁面环形区，核心区颗粒 在其中自下向上运动，固体颗粒浓度较小；在床体壁面的密相环 形区中，固体颗粒汇集成各种不同的密相结构( 颗粒团) ，颗粒团 与固体颗粒分散相在其中交替地与床壁面接触，沿传热壁面下滑、 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 离散，从而形成了独特的传热特性。 热力计算是c f b 锅炉优化设计过程中所必需的一项重要计 算。锅炉水动力计算、受压元件强度计算、通风阻力计算、炉墙 热力计算以及管壁温度计算都要在锅炉热力计算的基础上才能完 成【4 】。如果热力计算出现问题，就不能保证所设计的锅炉在设计 参数下运行，影响锅炉的安全经济运行。锅炉机组的热力计算通 常分为设计计算和校核计算两类。 设计计算是在给定的锅炉容量、参数和燃料特性前提下，以 保证达到额定的蒸发量、选定的经济指标及给定的蒸汽初参数来 确定锅炉机组的炉子尺寸和各个部件的受热面面积，并确定锅炉 的燃料消耗量、锅炉热效率、各受热面交界处的介质温度及焓值、 各受热面的吸热量和介质流速等参数。为选择辅助设备和进行空 气动力计算、水动力计算、管壁温度计算、强度计算等提供可靠 的原始资料。 校核计算是根据已有的锅炉结构数据等，在改变负荷、燃料、 运行工况或者某些部件结构的情况下确定各受热面进出口水温、 汽温、空气温度、烟气温度、锅炉效率、燃料消耗量以及空气、 烟气流量、速度。进行校核计算是为了估计锅炉机组按指定燃料 运行时的经济指标，寻求必需的改进措施，为选择辅助设备和进 行空气动力计算、水动力计算、管壁温度计算、强度计算等提供 可靠的原始资料。 锅炉校核 5 1 计算的步骤： ( 1 ) 根据燃料特性、燃烧方式以及过剩空气系数等计算空气 量、烟气量的理论值和实际值以及烟气特性、烟气焓的计算。 ( 2 ) 根据燃料特性、过热蒸汽及给水温度和压力等已知数据， 假定排烟温度，进行锅炉热平衡计算：求出锅炉的输入输出热量、 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 锅炉效率、锅炉各项热损失等。如果最后计算得到的排烟温度与 假定值相差不超过士l o ，则认为计算合格。然后以计算得到的 排烟温度为初始值重新进行热平衡计算( 如果前后两次计算，引 起的耗煤量的变动不超过士2 ，则进行最后一次计算时，允许不 重新计算各个对流受热面的传热系数，只需校对温度、温压及吸 热量) 。否则应重新假定排烟温度，重复计算过程，直到满足要求 为止。 ( 3 ) 假定预热空气温度，进行炉内传热计算( 最后计算得到 的预热空气温度与假设值相差不超j 血4 0 c ) 。 ( 4 ) 依次进行凝渣管、过热器、省煤器、空气预热器等受热 面的校核计算，最后得出排烟温度和预热空气温度，判定其是否 在误差允许范围内。如果是则认为计算结束；否则，重新进行计 算。 锅炉热力计算涉及地变量达数百个，计算过程复杂，整个过 程实质上是解非线性方程组的过程。手工计算需要反复迭代，容 易出错，难以进行多个方案比较，实现优化设计。而利用计算机 编制热力计算程序则可大大缩短计算周期、提高设计效率和计算 精度，具有手工计算无法比拟的优点。 1 3 锅炉热力计算软件的发展现状 随着计算机应用的普及，f 12 0 世纪7 0 年代起，科研人员开发 了一些锅炉热力计算软件。早期开发的热力计算软件通常采用 f o m a n 或b a s i c 等语言编制。这些语言虽然具有强大的计算功能， 使用也十分简单，但受语言本身的限制，程序的输入和输出界面 很难做到美观【8 ，9 埘，如：汇能锅炉采用f o r t r a np o w e r s t a t i o n 开发 的b o i l e r c n 锅炉计算软件，在对程序功能和结构配置进行多次补 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 充和修改后，已能较好的满足锅炉热力计算的需要。但受计算机 语言本身的限制，软件不能提供良好的用户界面，操作不便，设 计效率较低。 近年来又有学者采用m s e x c e l 来编制热力计算软件，该类 软件具有图表处理、创建数据库管理和快速制表的功能，同时允 许用户创建自定义函数及用户对话框，这使得用户对数据的管理 和维护变得简单方便。但是这种热力计算软件只能实现热力计算 的半自动化，而且速度非常慢。如华北电力大学针对电站煤粉炉 编制的锅炉热力计算软件，该软件解决了以往软件存在的一般用 户不能进行计算模块的修改等问题，使用户从真正意义上了解了 计算过程，可以直接面向一般的工程设计人员。但该软件初始程 序编制的工作量很大，运行速度很慢。 随着可视化编程方法的出现，科研人员又利用v f 、v c 等语 言进行了热力计算软件的开发，如华北电力大学应用v f 开发了热 力计算软件，该软件虽然在用户界面以及计算精度方面有所改善， 但它主要是针对电站煤粉锅炉进行计算，通用性较差，不能适应 锅炉设计灵活多变的特点；重庆大学应用v c 编制了电站煤粉锅炉 热力计算图形化软件，他们采用模块化思想对软件进行了较系统 的完善，大大增强了程序的可移植性和重用性，但由于v c 较为复 杂，非计算机专业人员难以维护和扩展：武汉大学应用v b 和v f 混合编程开发了基于w i n d o w s 9 8 系统的锅炉热力计算软件，该软 件人机界面程序采用v b 编制，热力计算仍采用f o r t r a n 实现，二者 之间通过数据文件的方式相互传递数据。对于在热力计算过程中 需要由用户输入的原始数据、需要做出的选择等统一由人机界面 实现，对于具体的算法实现则通过f 咖n 程序在后台实现，在保 证不损失软件计算能力的情况下实现了用户界面的美观、易用。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 但它是以s g - 4 0 0 1 4 0 型和h g 1 0 2 5 1 8 2 y m 6 型电站煤粉炉为设 计对象，不能很好的适应c f b 锅炉的热力计算 6 , g l 。 通过对上述现状的分析可知锅炉热力计算软件主要存在以下 问题： ( 1 ) 大部分热力计算软件针对电站煤粉锅炉进行开发，针对 c f b 锅炉研发的却很少，不能满足c f b 锅炉热力计算需要； ( 2 ) 计算方法比较单一，且不容易进行维护和扩展。各种计 算对应的标准、计算方法不是固定不变的，往往需要根据机组容 量、计算对象等不同而采取不同的方法。因此，通用程序必须包 含不同的计算方法。 ( 3 ) 普遍存在覆盖面太窄的局限，通用性差，一旦有新的受 热面结构型式或新的工艺流程，系统将无法适应； ( 4 ) 采用面向过程的设计方法，缺乏良好的用户界面。 本文采用v i s u a lb a s i c6 0 ( v b 6 o ) 编制热力计算程序，v b 6 0 是m i c r o s o f t 公司推出的的v i s u a ls t u d i o6 0 可视化应用程序开发工 具组件中的一个成员，是目前非常流行的可视化编程工具。v i s u a l b a s i c 既继承了b a s i c 语言具有的语法简单、易学、易用、数据处 理能力强的特点 6 , 7 1 ，又引入了面向对象的编程机制和可视化程序 设计方法，有效地提高了应用程序开发的效率。本课题旨在结合 v b 与e x c e l 等软件开发一种适用于c f b 锅炉机组的可视化热力计 算软件，为c f b 锅炉机组的校核及运行调整提供帮助。并通过模 块化技术增加程序的可重用性和可移植性；保持软件的开放性， 方便软件的扩展、维护和升级。 1 4 本课题的主要工作 ( 1 ) 模块开发：对c f b 锅炉中的原始数据进行分类，采用v b 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 窗体模块进行界面设计，实现原始数据的输入；同时将锅炉各部 件的热力计算数学模型合理划分模块，选择稳定的迭代算法，在 标准模块中进行锅炉热力计算程序设计；对热力计算中所涉及地 线算图表( 如烟气热物性、温压修正系数、对流放热系数、烟气 黑度等) 在类模块中进行程序转换； ( 2 ) 可视化设计：将过热器、省煤器、空气预热器等灵活布置 受热面制作成部件按钮，使用户可在结构窗体中对锅炉受热面进 行自由组合，解决受热面布置通用性差以及锅炉结构可视化问题； 同时将热力计算结果输出至界面上对应的受热面，实现运行结果 可视化； ( 3 ) 进行软件功能设计； ( 4 ) 选择典型c f b 锅炉检验软件的有效性和实用性。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 第2 章c f b 锅炉热力计算原理 2 1c f b 锅炉机组热平衡、灰平衡及燃料消耗量计算 2 1 1 热平衡计算 c f b 锅炉机组的热平衡是指在稳定工况下，锅炉的输入热量 和输出热量及各项热损失之间的平衡。通过热平衡计算出锅炉的 热效率和燃料消耗量。 热平衡以1 k g 燃料为基础进行计算，在脱硫工况下，燃料为煤 和石灰石的混合物。 对应于l k g 燃料，热平衡方程如下： q = 蜴4 - 幺+ 幺十幺4 - 幺+ 幺2 - 1 ) 式中，q f 茭jl k g 燃料带入炉内的热量，k j k g ；9 为锅炉有效利 用热，k j k g ；幺为排烟热损失，k j k g ；q 为化学未完全燃烧热 损失，k j ，l ( g ；骇为机械未完全燃烧热损失，k j k g ；g 为锅炉散 热损失，k j k g ：q 6 为灰渣物理热损失，l d & g 。将上式进一步简 化，则锅炉热平衡可用占输入热量的百分比来表示： 1 0 0 = q l + 叮2 + 9 3 + 9 4 + 9 5 + 口6( 2 2 ) n 式中，q ，= 詈1 0 0 ，为有效利用热和各项热损失占输入热量的 蜴 百分数。其中：g ：首先应该按假定的排烟温度进行计算；q ，和g 。 通常根据燃料特性和燃烧方式进行确定，对于c f b 锅炉，吼一般 很小，通常可按经验取为o 加5 ，9 4 可根据飞灰及排渣的含碳量计 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 算。与煤粉炉相比，c f b 锅炉除有锅炉炉墙等主要散热部件外， 还有旋风分离器，因而其散热损失吼比煤粉炉要大，吼一般为 0 2 , - 0 5 。 锅炉效率为： 2 吼2 蚤1 0 0 = l o o - ( q 2 + q 3 + q 4 + q s + q 6 ) ( 2 - 3 ) 对于燃用固体燃料( 除油页岩外) 的c f b 锅炉，在无脱硫工 况下，可支配热量q 均接近燃料收到基低位发热量q k 。 在脱硫工况下，由于石灰石煅烧生成c a o 时要吸收热量，脱 硫生成c a s 0 4 时要放出热量： 燃烧反应： s + 0 2 一s 0 2 煅烧反应：c a c 0 3 = c a o + c 0 2 - 1 7 8 1 5k j k g 固硫反应：c a o + s 0 2 + o 5 0 2 一c a s 0 4 - i - 3 6 7 3 6k j k g 相应地燃料消耗量应为( 1 + 玩) k g ，即为单位当量燃料消耗量。因 此，锅炉可支配热量q 改写为【1 1 l ： g = 皆 ( 2 哪 式中，q t 为脱硫时的放热量，l d k g , q 为燃烧生成c a o 时的吸 热量，l d k g ；玩为与1 k g 燃料相配的入炉石灰石量，l 【g 。 2 1 2 灰平衡计算 进入炉膛的燃料燃烧成灰，一部分从炉膛底部排出，称为底 灰；一部分飞出炉膛，进入分离器，其中小于切割粒径的灰飞出 分离器，进入尾部烟道飞离锅炉，成为飞灰队1 4 】；而大于切割粒 l o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 往嗣伙破分呙襦万呙r 术，经l 旦j 科器】逸l 旦l 炉腥近仃丹燃屁，杯为 循环灰。 当锅炉运行稳定后，锅炉灰就会达到平衡状态，如图2 - 1 示： 锅炉达到灰平衡时，加入炉膛的灰量为且k ，其中! 鬻；竺竽飞 出炉膛，与循环灰量吼地而器笔一起进入分离器，而 删。o 一嘶) 而器笔成为底灰排出炉膛。 图2 1 灰平衡图 灰平衡式为： 倒知r 丽1 0 0 + 口n 尚= 口n 地是( 2 5 ) 式中，巩为分离器效率，；b 为燃料消耗量，k e , h ；4 为燃料 收到基灰份，；a 。为灰循环倍率；a f = 1 - 口d 为飞灰份额，口d 为 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 底灰份额；c n 为循环灰含碳量，；c f 为飞灰含碳量，；c d 为 底灰含碳量，。 由式( 2 5 ) 得灰循环倍率： 口n = a f ( 1 0 0 一c ：) ( 1 0 0 - c f ) ，7 f ( 1 一r f ) ( 2 6 ) 当c f b 锅炉处于最佳燃烧工况时，即c f = c ，式( 2 - 6 ) 变为 a 。= a ff f ( 1 一r f ) ( 2 7 ) 由上式知：灰循环倍率只与飞灰份额和分离器效率有关。换言之， 灰循环倍率不是人为选取的，当嘶和仇一定后，a 。也就确定了。 其物理意义是：在c f b 锅炉中，底灰从不参与灰循环；加入循环 的是被分离器分离下来的那部分灰；一旦飞灰飞出分离器，便终 止参与灰循环。 2 1 3 燃料消耗量计算 在无脱硫工况下，锅炉机组燃料消耗量为： b ：黑1 0 0 ( 2 - 8 ) q 式中，b 为锅炉机组燃料消耗量，k g h ；q 0 为锅炉机组有效利用 热量，k j h 。 计算燃料消耗量为： 置= b ( 1 一耠( 2 - 9 ) 在脱硫工况下，锅炉机组当量燃料消耗量也用式( 2 - 8 ) 进行 计算，计算燃料消耗量为： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 弘嘉1 0 0 ( 2 - 1 0 ) 燃料消耗量为： ：竺堕 1 0 0 一q 4 计算石灰石消耗量： 噬= b ：b a 石灰石消耗量： 1 0 0 曰f 。1 0 0 一炙m 。 计算燃料当量消耗量为： b j = b ：+ 蕺 2 2c f b 锅炉燃烧系统热力计算 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) c f b 锅炉主要由两部分组成【l 】；燃烧系统和对流烟道。 其中燃烧系统较集中地体现了c f b 锅炉的结构特点【”】。与常 规燃煤锅炉不同，燃烧系统主要由炉膛、气固物料分离装置、固 体物料再循环装置组成，有的还设有外部低速流化床热交换器。 图2 - 2 为典型c f b 锅炉燃烧系统示意图：燃烧所需的一次风和二 次风分别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料的燃烧主要在炉膛中完 成，炉膛四周布置有水冷壁，用于吸收燃烧所产生的部分热量。 由气流带出炉膛的固体物料在气固分离装置中被收集并通过返料 装置送回炉膛。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 图2 - 2 典型循环流化床锅炉燃烧系统示意图 2 2 1 密相i 墨传热计算 密相区热平衡 5 j 2 式： 线= 绒( 酝“一等等乇) ( 2 - 1 5 ) 式中，q 0 为埋管吸热量，k w ；矿为保热系数；占。为计算燃料 消耗量，k g h ；q b b 为密相区的入炉热量，k j k g ；g 舢为密相区 固体不完全燃烧热损失，；。为密相区出口处烟气焓，k j k g 。 ( 1 ) 密相区的入炉热量纰 考虑到c f b 锅炉飞灰外循环，在计算纰f f a k g ) 时，应增加 循环灰及返料风带入热量【1 5 1 ； 驴q r 业半慨- c 帆+ 等( 2 1 6 ) 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 式中，万为密相区燃烧份额；g 。为冷渣物理热损失，；z 为 一次风占总风量的比率，；瓯| b 为密相区出口的名义空气过剩 系数；c 为理论空气量在锅炉入口处的焓，k j k g ：。为分离灰 焓，k j k g ：h 为返料风的量，k g h ；k 为返料风焓，k j k g 。 ( 2 ) 埋管受热面吸热量9 0 及埋管布置方式 q i = 3 6 五日0 ( 艮b t w f )( 2 - 1 7 ) 式中，k 为埋管的总传热系数，w ( m 2 ) ；日。为埋管受热面积， m 2 ；风。为密相区平均温度，；f - ，f 为埋管内的工质温度， 一般可取工作压力下工质的饱和温度。 埋管的总传热系数置由乳化团对壁面的放热系数口。和料层 对壁面的辐射放热系数口，组成，即： k = 孝( 口。+ 口，) ( 2 1 8 ) = 且r l + 0 4 5 r 2 ( 2 1 9 ) 口，=571。4口。-垒墨_三三兰三；专；掣(22。 式中，f 为埋管的结构特性修正系数，用以考虑埋管布置形式对 传热的影响；兀。为气泡贴壁所占的时间份额；置为乳化团对壁 面的接触热阻，m 2 ， c w ：足为乳化团本身的热阻，m 2 c w ：口“ 为受热壁面的黑度，一般可取o 8 ；为料层有效辐射温度， 取艮= o 8 5 又b ；t w a 为埋管的壁面温度，可取t w a = f f + 3 0 。 埋管的结构特性修正系数f 的大小取决于埋管布置方式：竖 埋管或横埋管。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 竖埋管包括垂直管和与水平线夹角超过6 0 。的倾斜管。单捧 竖埋管的料层放热系数与管子中心线距炉墙的距离e 和管径d 有 关，用系数点考虑：当e d 4 时，磊= l ；当e d 5 0 0 m 2 t s & ( 、。a 3 r _ 、3 ，n 5 ( 2 - 3 1 ) 式中，4 为阿基米德准则数；r e 为雷诺数。 ( 4 ) 固体颗粒分散相对壁面的辐射传热系数j 气。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 2 王戢4 4 p 3 2 ， e d l s i ,p 式中，c r o 为绝对黑体辐射系数，取值5 7 x 1 0 - , sw ( m 2 ) ；l 为稀 相区温度，k ；已。为壁面温度，k ；p 。为传热表面的吸收率， 对钢管取0 5 ；e d i s ，为固体颗粒分散相的吸收率。 ( 5 ) 颗粒团对壁面的辐射传热系数j 【 2 五工o - o ( r l 磊 笔 式中，为颗粒团的吸收率。 2 2 3 炉膛内屏式受热面传热计算 通常情况下，高参数锅炉需要在炉膛内铺设屏式受热面。其 热力计算方法与煤粉炉相似，下面给出了传热系数计算公式： 1 、水平屏式蒸发受热面传热系数 甲4 一个4 墨= k + 0 5 3 5 a o 乎x o 6 ( 2 3 4 ) 1 9 1 - d 式中，k 为对流传热系数，w ( m 2 ) ，典型范围为1 1 3 - 3 4 0 ； t 为烟气温度，k ；瓦。为受热面壁面温度，k 。 2 、竖直屏式蒸发受热面传热系数 下4 一下4 k 2 = 2 1 0 + 0 5 3 5 9 0 ； 笋0 3 0 7 ( 2 _ 3 5 ) 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 2 2 4 分离器传热计算 循环流化床燃烧技术的流派是以分离器的形式作为技术特征 的，因为分离器的形式决定了循环流化床锅炉的整体布置炉型。 循环流化床旋风分离器是c f b 锅炉的关键部件之一，其主要作用 是将大量的高温固体物料从烟气中分离出来，送回燃烧室，保证 燃料和石灰石反复燃烧和反应，以达到最佳的燃烧效率和脱硫效 率。同时，它的分离能力也决定了炉膛物料的粒径分布。 当炉膛出口烟气和循环灰进入分离器后，未燃尽的燃料颗粒 会在分离器中发生再燃烧，使烟气和循环灰的温度提高。同时由 于分离器受热面内工质的吸热，使它们的温度下降，最后分离器 燃烧产物和循环灰的出口温度平衡于某个值，其热平衡方程为： d 饼= 研( ( 。一f f ) + x q f + ( ( 。一) 】 ( 2 - 3 6 ) d a i 式中，饼为工质侧吸热量，i d k g ；为分离器出口烟焓，k j k g ； x 为分离器放热份额；q f 为炉膛有效放热量，l a k g , 最为循环 灰量，k g h ：1 2 为炉膛出口循环灰焓，l d i c g ；为分离器出口 循环灰焓，i d k g 。 2 2 5 回料器循环灰热平衡计算 回料器的作用是将分离器分离下来的高温灰，从分离器下部 的低压侧( 一般为负压) 输送到炉膛下部的高压侧 9 1 ( 正压) 。回 料器循环灰热平衡如图2 3 示： e ( 1 一n ) i k = e ( 1 一功+ 氏z 罡( 2 - 3 7 ) 式中，n 为进入e h e 的循环灰份额，对于无e h e 的锅炉，疗= o ； 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 ，二为回料器出口循环灰焓，i o k g ；为分离器出口循环灰焓， i o k g ；口：为过量空气系数；硭为冷空气焓，眦g 。 图2 - 3 回料器循环灰热平衡图 2 2 6 外置换热器的传热计算 为了提高分离效率，l u r g i 型c f b 锅炉等通常带有外置式换 热器髓) 。其传热系数的计算如下： = 等茅 口= g 。+ 口，( 2 - 3 9 ) 式中，置w 为e h e 的传热系数，w ( m 2 ) ；口为灰床总放热系数， w ( m 2 ) ；只为灰床温度，；，为管外壁温度，；气为工 质温度，；a 。为灰床对流传热系数，w ( m z ) ，根据文献【1 l 】 中图7 7 确定；a ，为灰床辐射传热系数，w ( m 2 ) ，计算公式为： 口，= c r o 口( 巧+ 碥肥+ )( 2 枷) 式中，a 为吸收率；互为灰床绝对温度，k ；l d 为管壁温度，k 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 2 3 尾部烟道受热面传热计算 分离器之前的烟道中，烟气温度较高，一般为8 5 0 * ( 2 左右，且 烟气中的固体物料的浓度较高，因此对布置在该段烟道的受热面 进行传热计算时，应同时考虑辐射和对流，计算方法可按照炉膛 受热面的计算进行。 对于布置在分离器之后的受热面，主要通过对流的方式吸收 烟气的热量，其传热计算与常规锅炉基本一致l ，4 ，5 , 4 0 1 。但由于分 离器以后的烟气中含尘颗粒的粒度相对较粗一般为4 0 8 0 1 u n ，而 煤粉炉为1 5 2 5 i u n ，且飞灰的形态与煤粉炉不同，未经高温熔化， 灰分中碱金属化合物的蒸发较少，因此对尾部受热面的污染远远 小于煤粉炉。尤其在较高温度时，这一区别更为明显，因此c f b 锅炉的尾部烟道中受热面高温段的热有效系数缈( 煤粉炉的矿可 参照文献【3 】中表8 1 确定) 比相应地煤粉炉高0 1 o 2 5 。在进行过 热器和再热器的管壁温l d 计算时，灰污系数取为0 0 0 2 m 2 k a v 。 2 3 1 基本方程 1 、对流受热面基本传热方程： q k t ：f l3 6 k 。h a t ( 2 - 4 1 ) d d 式中，绋。为对应于l k g 燃料受热面的吸热量，l d k g ；为修正 系数，对过热器取1 肛1 3 ，其它受热面取l ；足为管外烟气向管 内工质的传热系数，w ( m 2 ) ；h 为受热面积，m 2 ，对于锅炉管 束、过热器、省煤器，取为管子烟气侧表面积，空气预热器则按 烟气侧及空气侧的平均表面积计算；垃为传热温压，。 2 、对流受热面热平衡方程 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 图2 - 4 对流受热面热平衡图 当烟气经对流受热面时，烟气温度由占降至8 。烟气放 出的热量用来加热受热面的工质，使其温度由f 提高到t ， 如图“示。 烟气侧放热量( k j k g ) ： 纰= 烈j - i 。+ 4 耐：)( 2 - 4 2 ) 工质侧吸热量o 肌g ) 分以下几种情况进行： ( 1 ) 对于过热器和省煤器： q = 半一线 ( 2 4 3 ) 式中，j ，。为受热面入口和出口处的烟气焓，k j l 喀；定为理论 漏风焓，k j n 喀；d 为额定蒸发量，l 【g m ；i 、f 为受热面进口和 出口处的工质焓，k j ，l 【g ；么为减温器焓降，k j k g ；q n 受炉膛 辐射换热量，l 【j l 唱，其计算公式如下； 统= 等竽 ( 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 式中，y 。为烟窗处的炉膛辐射热流密度分布系数；q ，为炉膛辐射 受热面的平均热流密度，w m 2 ：只。为烟窗面积，m 2 ；x 为烟窗 处对流受热面管束的角系数。 式( 2 4 3 ) 中：对于受炉膛辐射的过热器，级根据( 2 - 4 4 ) 进行计 算；对于省煤器及未受炉膛辐射的过热器，q 。卸；对于设有面 式减温器的过热器，屯可通过喷水减温器的热平衡计算： ( d g ) i + g t = d i ”( 2 - 4 5 ) a i d , = g ( i 一毫) ( 2 - 4 6 ) 式中，g 为减温器内工质流量，k g h ；i 、f 。为减温前后工质焓， l o a c g ；毫为减温器出dt 质的焓，u k g 。 ( 2 ) 对于空气预热器： q ：( 二+ 兰笺生) ( ，二一j 二) ( 2 - 4 7 ) 式中，以为空气预热器出口处的空气量和理论空气量的比值； 为空气预热器的漏风系数；磁、圪为空气预热器进口和出 口处的理论空气焓，k j k g 。 2 3 2 传热系数计算 对流受热面传热系数k ( w ( m 2 ) ) 可用以下通式表示： x = y t 耳( 2 - 4 8 ) 口2 口i = 口。+ q( 2 - 4 9 ) 式中，为热有效系数；6 1 。为烟气对管壁的放热系数，w ( m 2 ) ； 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 口2 为管壁对管内工质的放热系数，w ( m 2 ) ；口。为烟气对管壁 的对流放热系数，w ( m 2 ) ；以为烟气对管壁的辐射放热系数， w ( m 2 、。 ( 1 ) 对于蒸发受热面及钢管省煤器，口：远大于，传热系数 可写为： k = 竹l ( 2 5 0 ) ( 2 ) 铸铁肋片式省煤器的传热系数，可以根据文献 3 】附录c 中图c 1 9 直接查取，该图中传热系数已考虑热有效系数。如果省 煤器无有效吹灰，则传热系数应降低2 0 0 6 。 ( 3 ) 空气预热器处于低温烟道，可不考虑烟气辐射，其传热 系数为： k ：盟( 2 5 1 ) 口m - , f g 2 ( 4 ) 如果对流受热面接受来自炉膛的辐射热时，使受热面的 壁温升高，因而从烟气传给管壁的对流热量减少，因此计算置时 应修正辐射热对它的影响。 对于蒸汽过热器： 肛磋南琵 亿5 2 ) 对于蒸发受热面： 如南 弘5 3 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 2 3 3 对流放热系数计算 ( 1 ) 气流横向冲刷顺列管束 口。= o 2 c i c 冬( 兰马。郴p r ” ( 2 5 4 ) ( 2 ) 气流横向冲刷错列管束 口。= o 3 5 8 c s c z 尝( ! 坚) 。6 _ p r o ( 2 5 5 ) ( 3 ) 气流纵向冲刷管束 口。= o 0 2 3 c , 。p r “ ( 2 5 6 ) 式中，g 为管束几何布置方式的修正系数；c z 为气流行程方向上 管束排数修正系数；a 为气流平均温度下的导热系数，w ( m 2 ) ； d 为管子外径，m ；w 为气流速度，m s ：y 为气流平均温度下的 运动粘度系数，m 2 s ；c 。为热流方向修正系数；c l 为管束相对长 度修正系数；以为当量直径，m 。 ( 4 ) 气流斜向冲刷管束 对于顺列管束，若气流方向与管子中心线夹角小于8 0 0 时， 其对流放热系数按式( 2 3 1 ) 求出的值乘以修正系数1 0 7 ；对于错列 管束则不用修正。 ( 5 ) 若管束中一部分管子为错列布置，另一部分为顺列布置， 则利用整个管束的平均烟气温度和速度，分别求出各部分的对流 放热系数，然后按照各部分受热面积大小求得全部管束的对流放 热系数： 一背 乃 式中，d 么、为错列和顺列管束的对流放热系数，w ( m 2 ) ； 上k 、上为错列和顺列管束的受热面积，m 2 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章c f b 锅炉热力计算原理 2 3 4 辐射放热系数计算 对流受热面中高温烟气辐射放热系数口，可由下式计算： 铲惫 ( 2 - 5 8 ) 叫以旷竽气砭害 式中，q ，为受热面的热流密度，w l m 2 ；占为烟气温度，；口。 为积灰状态下