（工程热物理专业论文）大容量燃煤电站锅炉热力计算分析研究.pdf

韭塞交通太堂亟堂僮i 盆塞 生塞撞要 中文摘要 摘要：本文以大容量燃煤电站锅炉为研究对象，以锅炉机组热力计算标准方 法为基础，结合大容量燃煤电站锅炉的特点和锅炉行业的最新研究成果，对锅炉 热力计算原理和方法进行了全面而深入的研究与分析，构建了热力计算模型。 在模型分析的基础上，以j a v a 为开发工具，完成了热力计算中传热单元类、 流体介质类以及其它辅助类的软件设计，并根据需要实现它们的连接，从而最终 实现不同受热面结构型式与不同介质流程的锅炉在不同工况下的热力计算。在试 验工况下运用该软件对某电厂1 0 6 7 恤燃煤锅炉进行了热力计算，通过与试验数据 对比，验证了热力计算模型的正确性和计算软件的可靠性。进行了其它多种工况 下该型锅炉的热力计算，并对计算结果进行分析和讨论，为锅炉运行的安全性和 经济性提供参考。 本文对锅炉热力计算的分析方法和编制的计算软件适用于具有不同受热面结 构型式和介质流程的电站燃煤锅炉的热力计算。有利于设计人员与运行人员进行 各种设计方案及运行工况的分析比较，对电站锅炉的优化设计和最佳运行工况的 确定起到一定的指导作用。 关键词：电站锅炉；热力计算；传热单元；流体介质；软件开发 j e 塞变通太堂亟堂僮途塞旦s 珏丛i a b s t r a c t a b s l r a c i t h el a r g ec a p a c i t yp o w e rp 1 雏tc o a l f i r e db o i l e rw 鹊t a k e na ss t l j d yo b j e c ti i lt l l i s p a p e r a c c o r d i n gt ot 量1 es t a n d a r dm e t h o do fb o i l e rl l l l i tt 1 1 e 姗o d y n a m i cc a l c u i a t i o na n d u p - t o d a t ea c l l i e v e m e n t si nb o i l e ri i l d u s t r ) ，t h ep r i n c i p l e sm l dm e t h o d so ft 1 1 ep o w e r p l 鼬t c o a l - f i 托d b o i l e r 也e n o d y n 锄i cc a l c u l a t i o n w e r e a n a l y s e d ，觚d 也e t l l e 衄o d y n 锄i cc a l c u l a t i o nm o d e l ，a se s t a b l i s h e d i i lt 1 1 el i g h to f 卸a l y s i n gt h eb o n e rt l l e m o d y i l a i n i cc a 王c u l a t i o nm o d e l ，t h es o f t 、v a r e w i l i c hi r l c i u d e sa l ll 【i n d so f r e l a t i v ec l a s s e ss u c ha st h eh e a t 仃a l l s f b ru n i tc l a s s ， n u i d m e d i u mc l a s sa n do t l l e r a s s i s t a i l tc l a s sw a sd e v e l o p p e db a s e d0 nj a v a i tc a l lb ea p p l i e d t ot 1 1 ep o 、v c rp l a n tc o a l 一6 r 甜b o i l e r 诵t 1 1d i 舶r e i l ts t m c t u r e so f h e a t i n gs u r f a c ea n dd i 侬一 r e n tw o r k i n gm e d i 啪n o 、v su n d e rd i 任b r e n to 】) 耐i o nc o n d i t i o i l s t h et h e m o d y n a m i c c a l c u l a t i o no f t l l eb o i l e rw h o s ec a p a c 蚵i s1 0 6 7 讹w a sc a r r i e do u t 衄d e re x p e r i m e n 诅l c o n d i t i o f l s ，b yc o m p a r i n gw i mt l e 懿p e r i m e m a ld a t a ，t h em o d e lw a sv e r i f i e dt ob ec o r - r e c ta 1 1 dt h es o r 嗍w a sr e l i a b l e a tt h ee n d ，c o n c l u s i o n sa b o u tb o i l e r 、o r k i n gp e 渤r - m a l l c e s 叫d e rv a r i e do p e r a t i n gc o n d i t i o n s 、v e r cd r a w no u tb ya i l a l y s i n gt 1 1 ec o n l p u t a t i o n r e s u l t s ，a n dm e s ec o n c l u s i o n sc a np r o v i d es c c u r 姆a n de c o n o n 珥r e f e r e n c e s 1 1 1 el 鹕ec a p a c 蚵p o w e rp l a n tc o a l - f l r e db o i l e r 廿l e 加o d y i l a l l l i cc a l c u l a t i o n m e m o d s 锄ds o r w a r ec a nb ea p p l i e dt ot h ep o w e rp l a n tc o a l f i r e db o i l e rw i t hd i 腩r e m s 协t u r eo f h e a t i n gs u 血c ea n dd i 船r e n tw o r k j n gm e d i u f nf l o w ni ss i g f i i f i c 姐tf o r t h e d e s i g n e rt o 锄a l y s ea i l dc o m p a r ee a c hd e s i g l ls c h e m e sa 1 1 dt os e l e c tm eo p t i m a ld e s i 印 s c h e m ea n df o rt l l eo p e r a t o rt oa n a l y s ea i l dc o m p a r ce a c ho p e r a t i n gc o n d i t i o na 1 1 dt o s e l e c tm eo p t i m a lo p e f a t i n gc o n d i t i o n k e y w o r d s ：p o w e rp l a n tb o i l e r ；吐l e n o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ；h e a t 妊a i l s f 打u i 血； n o w i n gm e d i u m ；s o f t r a l d e v e i o p n 峙m c l a s s n o ： 致谢 本论文的研究工作是在我的导师陈庚教授的悉心指导下完成的，导师渊博的 专业知识、严谨的治学态度和平易近人的人格魅力使我深深敬仰，在此衷心感谢 导师两年来对我的关怀和教导。 陈梅倩副教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，陈老师在学习上严格要 求，耐心指导，生活上给予了我无微不至的关心和帮助，在此向陈梅倩老师表示 衷心的谢意。 李国岫教授指导了我的科研工作并对论文提出了许多宝贵意见，李老师敏锐 的思维和科学的工作方法使我受益匪浅，在此向李国岫老师表示衷心的感谢。 非常庆幸在我人生的关键时期得到三位导师的关怀和教导，这些关怀和教导 是我最为珍贵的财富，将使我终生受益l 感谢张华老师的热情帮助! 在实验室工作及撰写论文期间，我的师弟刘杰、曾时明、陈允轩、阮仔龙、 师妹杨雁梅、同学张田田都给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 同时也感谢我的家人，他们的理解、关爱和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 i i 1 1 选题背景及研究意义 1 绪论 1 1 1 燃煤锅炉在电力工业中的重要地位 电力工业是国民经济的支柱产业之一。9 0 年代以来，电力工业得到快速发展， 在电力工业中，燃煤电站占据主导地位，燃煤火电站的装机容量和发电量都占总 装机容量和总发电量的7 0 以上。1 9 9 2 年底全国发电设备总装机容量达1 6 5 0 0 万 k w ，年发电量为7 4 4 7 亿k w h ，其中火电占8 4 ；1 9 9 3 年底装机容量提高到1 7 8 0 0 万 k w ，年发电量达8 1 5 0 亿跚l 1 9 9 6 年以来我国发电量和装机容量一直位居世界第 二位；截止2 0 0 3 年底，全国发电装机容量已达到3 8 5 0 0 万k w ，其中，煤电机组占 全部装机容量的7 4 ，全国发电量达到1 8 9 万亿k w h ，其中火力发电量占全国发电 量的8 2 9 。据预测，我国燃煤发电站的比例即使到2 0 1 5 年仍高达7 0 【”。 表1 1 至2 0 3 0 年的我国电力和能源生产总量预测 t a b 1 lf o r e c a s to f e l e c 城c 蚵p o w e ra n de n e r 科s o u r c ei nc h i n at i i l2 0 3 0 项目 1 9 9 0 年2 0 0 0 年2 0 1 5 年2 0 3 0 年 总装机容量m w 1 2 5 0 0 02 4 0 0 0 05 0 0 0 0 0 1 0 4 0 0 0 0 煤电装机容量m w 9 0 0 0 01 8 7 0 0 03 5 0 0 0 0 发电量1 0 8 k w h ，a 6 3 0 01 2 5 0 02 6 0 0 05 4 l o o 发电煤耗k w h 4 0 03 5 03 1 02 8 0 电力生产折合耗煤量1 0 8 妇 2 54 48 11 4 。l 一次能源总需量1 0 8 t ，a 1 0 01 4 62 1 83 0 7 电能占一次能源比重 2 63 03 74 6 电力生产年均增长率 7 1 5 o 5 04 0 能源生产年均增长率 4 1 32 72 32 o 煤电所占的比重 7 07 87 06 0 电站锅炉庞大、复杂、技术成套性强，作为火力发电厂的三大主机之一，我 国的电站锅炉制造业经历了初建、发展、技术引进、自主开发的阶段。5 0 年代， 从仿制入手掌握设计制造电站锅炉的基本技术，“七五”期间从美国西屋公司( w h ) 和燃烧工程公司( c e ) 成套引进了3 0 0 m w 和6 0 0 m w 火电亚临界机组技术，第一 j e 塞銮通盔堂亟堂僮i 金塞 台超临界6 0 0 m w 火电机组于1 9 9 2 年7 月在上海石洞山二厂投入运行团。目前，我国 已从高压、超高压锅炉发展到以亚临界和超临界压力大容量锅炉作为主力机组， 这些机组既有从世界各国引进的设备，又有由国内厂家按引进技术制造的设备， 种类和型式很多，运行特性各异。表1 2 是我国电站锅炉的容量和参数系列。 表l - 2 我国电站锅炉的容量、参数系列 t 曲1 2t h ec a p a c i t y 锄dp a m m e t e ro f p o w e rp l a mb o i l e ri nc h i n a 蒸汽压力 蒸汽温度给水温度 容量发电功率 m p a k g s ( t ，h ) m w 2 54 0 01 0 5 5 5 6 ( 2 0 )8 1 4 5 1 5 5 9 7 2 ( 3 5 ) 6 3 9 4 5 0 1 8 0 6 ( 6 5 ) 1 2 1 6 5 1 7 5 3 6 11 ( 1 3 0 )2 5 6 1 1 1 ( 2 2 0 ) 5 0 9 95 4 02 0 5 2 2 5 1 1 3 9 ( 4 1 0 ) l o o 1 1 6 7 ( 4 2 0 ) 1 2 4 1 3 95 4 0 5 4 0 ( 1 )2 2 0 2 5 0 1 8 6 1 ( 6 7 0 ) 2 0 0 1 6 85 4 0 5 4 0 ( 1 )2 5 0 2 8 0 2 8 4 7 ( 1 0 2 5 ) 3 0 0 2 8 4 7 ( 1 0 2 5 ) 3 0 0 1 7 55 4 0 5 4 0 ( 1 ) 2 6 0 2 9 0 5 5 7 8 ( 2 0 0 3 ) 6 0 0 ( 1 ) 带中间过热( 过热蒸汽温度再热蒸汽温度) 。 扩大单机容量可使发电能力迅速提高以适应生产发展的需要，同时可使每千 瓦的基建投资下降，设备费用降低，减少运行费用，节约金属材料消耗，减轻环 境污染。 目前，在世界范围内，应用较多的是3 0 0 - 8 0 0 m w 的发电机组，近几年，我国 新投运的火电机组也以3 0 0 m w 和6 0 0 m w 机组为主。 1 1 2 大容量燃煤电站锅炉热力计算的研究意义 电站锅炉作为重要的能量变换单元，其热力计算是锅炉计算的核心，是进行 锅炉设计和热力试验必要的环节3 1 。其它各项计算如强度计算、烟风阻力计算、水 动力计算都是在热力计算的基础上完成的。 通常将锅炉热力计算分为校核计算和设计计算，两种计算在原理上是相同的， 2 区别仅在于已知条件和所求项目的不同，最终都是确定锅炉受热面与燃烧产物和 工质参数之间的关系。 校核热力计算是在锅炉结构、受热面积以及燃料性质等已经确定的情况下， 通过热力计算确定各级受热面的吸热量，受热面进出口工质与烟气温度及锅炉燃 料消耗量等。进行校核计算是为了估计锅炉机组运行的安全性和经济性，同时也 是为了取得数据进行锅炉水循环计算、受热面管壁金属温度计算。 我国幅员辽阔，动力用煤的成分差别很大，煤的燃烧特性【4 】、灰污特性【5 】等对 锅炉运行的安全性和经济性都有很大影响【6 】。当入炉煤质偏离设计煤质时，必须 进行校核热力计算；另外，要研究锅炉在给水温度、受热面污垢、漏风系数和负 荷等因素改变时的变工况特性，也必须进行热力计算i 刀；要解决运行中的异常情况， 比如改善炉膛结渣状况、解决过热蒸汽超温、再热蒸汽不足和尾部磨损等问题， 或者为了提高机组出力，也必须进行校核热力计算，判断新工况是否安全、经济， 配套附属设备是否合理适用进而提出改造措施嗍。 锅炉校核热力计算的内容包括辅助计算( 燃烧计算、热平衡计算) 和传热计 算，一般按以下顺序进行： ( 1 ) 根据燃料、燃烧方法、锅炉的结构进行空气平衡计算，根据各受热面入 口、出口的过量空气系数计算烟道各段过量空气条件下三原子气体体积、水蒸气 体积、体积份额以及烟气与空气的焓； ( 2 ) 根据燃料性质、燃烧方法和锅炉容量决定各项损失，假定排烟温度，初 步确定机组的热效率和燃料消耗量，由于排烟温度是假定的，因此锅炉效率正确 与否取决于计算结果的排烟温度与假定值是否符合精度要求； ( 3 ) 假定热空气温度进行炉内传热计算，假定值也要与最后的计算值符合精 度要求； ( 4 ) 依次进行各级受热面的传热计算，在满足吸热精度的前提下得出计算结 果。 总的来说，锅炉热力计算是比较复杂和繁琐的，需要多次和多层迭代才能得 到正确的结果，尤其是进行多种设计、改造方案或多种运行工况对比时，需要耗 费较多的人力和物力。 1 2 锅炉热力计算的研究现状 锅炉热力计算的重要性已经得到充分的认识，锅炉热力计算的准确性也一直 受到锅炉行业的普遍关注。目前，国内并行多种锅炉热力计算方法，各种算法的 区别主要集中在炉膛的换热计算。 3 i e 塞銮逼盔坐亟堂焦i 金童 对于炉膛的换热计算，由于影响炉膛传热过程的因素很多，因此，到目前为 止，直接用理论分析进行炉膛传热计算是不可能的，必须进行不同程度的简化， 提出简化模型，再进行近似计算唧。 建立在系统理论和大量试验数据基础之上的- “锅炉热力计算标准方法”在国 内广泛应用已近半个世纪，有一定的准确度和可靠性。我国工程上常用的炉膛换 热计算方法是建立在相似理论基础上的半经验公式i 嘲，是经过修正的古尔维奇方 法，由燃烧过程和炉内热平衡换热推出系统方程式。在计算公式的推导过程中作 了以下假设：假定传热过程和燃烧过程分开，在必须考虑燃烧工况影响时，引入 经验系数修正；忽略了炉膛内的对流换热；燃料进入炉膛后瞬间完成燃烧过程且 达到最高温度，并且在计算中将炉内温度看作是均匀的；全部计算以炉膛出口温 度作为定性温度。炉膛出口烟温公式为式( 1 1 ) ： 弘不氦。2 7 3 o 。1 l 妒易矿c 这种计算方法相对于修正前( 原来m 取定值0 4 4 5 ) ，增加了火焰中心高位置 系数的影响。 我国使用这一计算方法的经验表明：对于多数燃烧烟煤、贫煤的中小容量 ( 2 0 0 3 0 0 讹) 锅炉，炉膛出口烟温的计算值是比较准确的，但是对于某些高参数 大容量( 6 0 0 一2 6 5 0 曲) 锅炉或者燃用无烟煤、褐煤的锅炉，却不同程度出现一些问 题。例如，对于燃烧褐煤的锅炉，特别是用热炉烟干燥燃料时，实际炉膛出口烟 温比计算值低。相反，对于燃用无烟煤的锅炉，实测值常常高于计算值，多数高 压以上锅炉，普遍存在过热蒸汽超温现象1 1 1 l 。 随着国内外学者的进一步研究，发现炉膛的形状系数对出口烟温也有一定的 影响，提出了以下公式： 班子薪。2 7 3 ( 1 - 2 ) 式( 1 一1 ) 和式( 1 之) 中：劈炉膛出口烟温，o c ； l _ 理论燃烧温度，x ； m 炉膛火焰中心位置系数； 4 黑体辐射系数，其值为5 7 x l o 。1 1 j i 形f 所2 k 4 1 ； 珥炉膛黑度； 。，炉膛平均热有效性系数； 只炉墙面积，肼2 ； 妒。保热系数； 口，计算燃料消耗量，堙，j ； y c 平均热容量； 厂炉膛的形状系数。 炉膛的形状系数可定义为炉内敷设的辐射受热面积巧与炉膛容积巧的比值 ( 厂= e ，巧) ，也可定义为炉膛高度岛与炉膛断面当量直径4 之比( = 吩，碣) 或炉膛有效辐射层厚度的无量纲值( ，= j ，。，s 为炉膛有效辐射层厚度，。为 炉膛有效辐射层厚度的理论最大值3 6 k e ) 。 国内外学者的研究成果中得知，当形状系数厂 o 5 时，炉膛出口温度的变化 趋于平坦，说明在大型锅炉中，当形状系数超过o 5 时，对炉膛出口烟温的的影响 不太显著【1 2 1 。 为保证炉膛出口受热面的安全，对炉膛换热计算方案的改进，成为国内外学 者所关注的闯题【1 3 1 6 1 。不同国家或公司对炉膛换热计算有不同的修正方法，如美 国燃烧公司( c e ) 、巴威公司( b & w ) 、福斯特惠勒公司( f w ) 都有自己的算法， 但受到其经验数据的局限，一般只能适用于他们自己所生产的锅炉型式和燃烧方 式f 9 l 。 c e 换热计算时把炉膛分为上部和下部两部分，上部炉膛分为许多相互关联的 小区域按传热理论和数学模型以及微积分求出上部炉膛各处的受热面和烟温，下 部炉膛是根据美国优质烟煤试验为基础而制定出基本曲线，并经其它因素修正得 出炉膛尺寸和相应热力参数。c e 下炉膛计算方法用在我国时，由于缺乏足够的中 国动力用煤的工业试验数据基础，对于有些煤种，特别是结渣性较强的煤种，往 往产生较大的偏差，容易加剧壁面结渣的倾向，因此，机械地套用美国煤的计算 曲线是不科学的。 c e 上炉膛计算方法对屏区用沿高度方向热负荷不均匀系数y 值计算各部吸 热量的方法相对于标准计算方法更加准确，但在传热计算中，其传热系数仅为对 流传热系数和三原子气体辐射传热系数的简单相加，没有沾污系数、沾污壁温的 概念f l7 】，而实际燃煤锅炉受热面的积灰总是不可避免存在，特别是我国燃煤中灰 含量普遍较高。 尽管国内外对炉膛出口烟温的各种改进方案在减少计算偏差上各有所长，但 5 i 夏窑煎太堂亟主堂焦硷塞 总局限于锅炉制造厂家的历史与经验，在实际应用时需要进一步修正。目前，对 炉膛换热的研究还在不断深入，包括对计算公式的不断修正【1 8 】1 1 9 】，对不同传热区 域的传热特性研究【2 叫以及对有关参数的分析【2 1 】。 经过调查研究，目前得到广泛应用的新盼适用于大容量锅炉的炉内换热计算 公式为式( 1 3 ) 【l o 】： 纰h 糕门锄s m ， 该公式所依据的试验数据中，包含很多3 0 0 m w 以上锅炉机组的试验数据1 1 2 】。 位于炉膛出口的屏式过热器由于所处的位置、本身的结构因素等原因，使得 屏区的传热过程也比较复杂阎1 2 3 】，对有屏式过热器的炉膛出口，在标准计算中引 入了考虑屏间烟气向炉膛反方向辐射的修正系数，与燃料性质和炉膛出口烟 温有关。 ， 近年来有学者提出，计算炉膛的热负荷时对炉膛出口的灰污系数已经作了修 正，在计算屏吸收炉内辐射热时再次进行修正，会使计算出的屏的吸热量比实际 值偏低，并就标准计算、不计的影响作了对比，结果显示，对煤粉锅炉的屏总 吸热量有一定影响【z 4 j 。 由于热力计算涉及的数据量庞大，数据间逻辑关系复杂，手工计算费时费力 且不易保证精度，国内锅炉设计制造厂自七十年代起大多购买或自行开发了针对 这一工程问题的计算软件，鉴于f o r t r a n 和b 嚣i c 强大的计算功能，早期的锅炉热力 计算软件大多是采用这类结构化语言编写的，人机交互不太方便，而且一般都是 针对具体炉型的专用程序，其使用性能和可扩展性都很差【2 5 】。 随着计算机技术的飞速发展和研究工作的进一步深入，一些从事锅炉研究的 科研人员充分利用f o n r a i l 强大的计算功能和v c + + 、v b 等图形编辑的优势，用两种 语言混合编程，开发了有关热力计算的软件。如武汉大学使用v b 和f o n r a n 混合编 程开发的热力计算程序【2 6 l ；中南大学利用v c + + 和f o m a n 两种语言混合编程丌发的 煤粉锅炉热力计算可视化软件【2 ”。这类软件的主程序用f o r t m 编写，人机交互界 面采用v c + + 或v b 编写，彼此相互调用进行参数传递，共享数据结构及数据信息。 对于m i c m s o f i 公司的语言开发环境而言，混合编程是完全可以实现的，但必须全 面考虑混合语言之间的调用约定，变量传递及命名规范等接口问题。 这些程序较早期单纯采用结构化语言编写的软件有了很大进步，运用了图形 界面环境，程序的使用变得相对友好，对于炉型的变化具有了一定的适应性，尤 其是针对工业锅炉编制的程序，已经具备了实际应用能力。但对于大容量特别是 6 电站锅炉丽开发的程序，由于受到开发语言以及锅炉结构复杂性的限制，适应锅 炉炉型、燃烧方式、燃料以及蒸汽调节等变化的能力差，其维护和后继扩展也很 困难。同时，大多数程序还缺乏非常友好的操作界面和使用环境【2 s j 。 近来，有些研究人员采用e x c e l 编写热力计算程序，只能实现热力计算的半自 动化【3 0 】。也有使用更为高级的语言编制有关锅炉热力计算程序，如沈阳航空工业 学院开发的基于v f 的循环流化床热力计算通用程序设计p 1 1 ，该程序利用s u a l f o x p r 0 在表格处理方面的强大功能，可以方便地对表格、公式进行操作。哈尔滨工 业大学为解决所使用的锅炉热力试验计算软件模块不全、人机交互不便而采用v c 开发的基于w i n d o w s 9 5 9 8 的锅炉热力试验计算软件【3 引。相对而言，这些软件的专 用性比较强。 锅炉热力计算涉及大量的变量、图表和公式，复杂的逻辑判断和大规模的迭 代，而且关系非常复杂1 3 ”，如果仅把热力计算看成一个数据、图表、公式罗列的 纯数学的过程化计算，缺乏一个计算模型来统一描述，那么，不同的炉种、不同 的燃料特性、不同的燃烧方式、不同的锅炉参数、不同的受热面布置方式都需要 程序设计人员进行重新设计，从而导致软件的重用性差，维护困难【3 4 】。 传统的结构化软件开发方法的本质是功能分解【3 5 j ，从代表目标系统整体功能 的单个处理着手，自顶向下不断把复杂的处理分解为子处理，这样一层一层的分 解下去，直到仅剩下若干个容易实现的子处理功能为止，然后用相应的工具来描 述各个最低层的处理。因此，结构化方法是围绕实现处理功能的“过程”来构造 系统的。然而，使用者对软件的要求大部分是针对功能的。例如当出现新型受热 面或新型燃料对，也希望软件能适应这种变化。这时基于过程的软件设计往往需 要花费很大代价才能实现这种变化。 如果把热力计算中涉及的大量概念抽象为对象，例如可抽象出传热单元类、 流体介质类和其它一些辅助类对象，并且尽量将热力计算中与炉型无关的函数单 独归类设计，然后再考虑它们之间的关系，这样便可实现较大的通用性与灵活性。 鉴于以上情况，有必要深入而全面地研究锅炉热力计算的原理和方法，尝试 能构造出统一描述热力计算的模型和采用新的技术与方法进行热力计算软件的开 发，期望为锅炉热力计算的研究开发出一个方便实用的工具。 1 3 本课题的研究内容 ( 1 ) 选择大容量燃煤电站锅炉为研究对象j 结合大容量燃煤电站锅炉的特点 和锅炉行业的最新研究成果，对锅炉热力计算原理和方法进行全面分析，对热力 计算中涉及到的燃料、炉膛、各级过热器、各级再热器、省煤器、空气预热器、 7 j 塞銮亟盔堂亟主堂焦淦塞 烟气、空气、水和蒸汽等对象归类研究，研究传熟单元的传热规律、流体介质的 熟物理性质以及它们之间的关系，完成模型构造。 ( 2 ) 在模型分析的基础上，以纯面向对象语言j a v a 为开发工具p q ，运用面向 对象的程序设计方法，完成热力计算中辐射、半辐射及对流受热面等传热单元类 的软件设计；完成烟气、空气、水和蒸汽等流体介质类的软件设计；完成燃料类、 热平衡类等辅助类的软件设计。软件设计中考虑传热单元受热面型式的变化以及 流体介质的不同流程，实现锅炉的全流程自动迭代热力计算。 ( 3 ) 对某电厂大容量燃煤锅炉进行分析，构造热力计算模型，完成试验工况 的热力计算和其他多种工况的热力计算，对计算结果分析讨论，为锅炉设计、改 造和运行提供理论数据。 8 太空量缝堪电塑堡坦垫左盐簋搓型的建童生盆圭匠 2 大容量燃煤电站锅炉热力计算模型的建立与分析 2 1 大容量燃煤电站锅炉特点分析 大容量锅炉采用的蒸汽压力，主要可分为超高压( 1 4 一1 6 m p a ) 、亚临界压力 ( 1 7 2 1 m p a ) 、和超临界压力( 2 5 5 m p a ) 三个级别。蒸汽温度多采用5 4 0 或5 6 8 。主蒸汽温度保持不变，仅将再热蒸汽温度提高l o ，便可使热耗降低0 2 o 2 5 ，再热蒸汽的压力很低，若再热器和过热器采用相同的钢材，则允许再热蒸汽 的温度高一些。通常，再热蒸汽采用与主蒸汽相同或稍高一点的温度。 为了提高机组的热效率，大型机组毫无例外地都采取了中间再热循环，采用 一次再热可使循环热效率提高4 6 ，二次再热能再提高1 2 2 ，因此，大多 数机组只采用一次中间再热，两次再热主要用于超临界压力机组，以使汽轮机末 级叶片的蒸汽湿度控制在允许范围内。 锅炉的蒸汽参数除了对锅炉型式选择有决定性的影响外，还对锅炉受热面的 布置有影响。锅炉给水在进入锅炉后吸收热量，经过预热、汽化与过热，最后成 为过热蒸汽。 锅炉的布置也就是锅炉炉膛和炉膛中的辐射受热面与对流烟道和其中的各种 对流受热面的总布置，其布置方式既与锅炉的参数、容量有关，也和所用的燃料 性质等因素有关。总之，应从锅炉总体热平衡的角度和最佳传热效果来考虑锅炉 的布置方式。 n 型布置是大容量电站锅炉应用最广泛的型式，这种方案对于布置受热面和检 修尾部受热面都比较方便。在锅炉容量增大时，需要增加炉膛中的辐射受热面积。 在炉膛容积增大的时候，炉膛的周界面积增大的相对较少，炉膛中的水冷壁面积 不足以使燃烧产物得到足够冷却，因此在炉膛顶部布置过热受热面，如顶棚过热 器和屏式过热器，一方面达到炉内吸热平衡以保证适当的炉膛出口烟温，另一方 面增大过热器传热温差。 对于亚临界参数带中间再热的锅炉，过热器和再热器的面积还要增加，一般 在炉膛里增设壁式再热器。 技术经济分析结果表明，单机容量为3 0 0 6 0 0 m w 的机组，以采用亚临界压力 为佳，单机容量达9 0 0 1 0 0 0 m w 的机组，则采用超临界压力有一定的优越性。表 2 1 是我国电站中采用的亚临界压力自然循环及控制循环锅炉的容量和参数。 9 j t 塞变通太堂亟堂焦盈塞 l o 筐 一 弩 量n 苏 n蠼 誊 叩 蟹 翥 &赢 畦v 一 高 日一 高 旧 n 冬 曲 口 爱 羁 筐 弩 葛 节 蔫 苫 高 葛 盏 葛 一 n 一t 高 畸 醢 o葛 o o 蠖 臼 姆 钮 文 宅 高 錾憾 蒺 哆 高 是田 皿n 爱 竖 1 弋 埒一蠼 l 曙 离 贮 饕 象 搬 蚕 n 目鉴 蓬 a 篓 l 曼 兽 普 嗒 盖 9 撰 ，、 儡 ，、 重 臂 墨妻 皇曼 p 芭 芭皇帽 l 、 蹦 曩 删 一 r k 删 赠 恻 蠼 纂 一 接 鲤鲤 r 囊 啊 莲 菱 琰 餐 槭c 錾 鬟 鬈 蒜i l 卜 姆 羹睥 捌 捌 挥 职 搴 b 暑p g奄掣u莒譬i【量gu焉g葛粤u包sfl8司售翳囊荟8召譬磐亩ih吾ci p碡茸茹s二口盘 溺抵犀删的墨段耀酹曙纂辅趔翳蜒茨皿暌磐斟=供 盍查量毖堪电盐缎壁垫左盐簋搓型殴蕉童皇筮蕴 以表2 1 中两个有代表性的实例来分析大容量锅炉的特点。 ( 1 ) 北京巴威公司采用美国b w 技术设计制造的1 0 2 5 t ，l l 亚临界压力自然循 环电站锅炉，与3 0 0 m w 汽轮发电机配套，燃用山西晋中贫煤。 炉膛的宽x 深高为1 3 3 5 0 l i n 1 2 3 0 0 姗4 6 4 0 0 m m 。水冷壁由6 8 0 根管子 组成，管子节距7 5 m m ，管子规格为由6 0 7 l i l i n 的内螺纹管和巾6 0 7 5 m m 的光 管。 过热器由顶棚管、包墙管、一级过热器( 低温过热器) 、大屏过热器和二级过 热器( 高温过热器) 组成。一级过热器由三个水平管组和一个垂直管组组成。大 屏过热器位于炉膛上部，分前后两束，沿炉宽布置8 片，横向节距1 3 5 0 i n m 。二级 过热器布置在折焰角上方，由后屏过热器和高温对流过热器两部分组成，后屏共 2 2 片，横向节距6 0 0 n l m 。过热汽温采用二级喷水减温的方法调节，减温器布置在 大屏过热器的前后。 过热器系统的蒸汽流程为：汽包包墙管低温过热器一级喷水减 温大屏过热器二级喷水减温后屏过热器高温对流过热器汽 轮机高压缸。 再热器包括低温再热器和高温再热器。低温再热器布置在尾部竖井烟道的前 部烟道中，高温再热器布置在水平烟道的末端。 再热蒸汽的流程为：汽轮机高压缸事故喷水减温低温再热器高 温再热器汽轮机中压缸。 单级省煤器布置在尾部竖井烟道中，位于一级过热器之后。空气预热器为三 分仓回转式。 ( 2 ) 上海锅炉厂根据c e 技术设计制造的1 0 2 5 讹亚临界压力控制循环电站锅 炉，配3 0 0 m w 汽轮发电机，燃用山西雁北烟煤。 炉膛截面呈长方形，宽度为1 4 0 2 2 衄，深度为1 2 3 3 0 m m 。水冷壁是光管加扁 钢焊接而成的膜式壁。大部分是内螺纹管，只有局部区域是光管。 炉膛上部悬吊着4 排分隔屏过热器，屏间横向节距2 7 8 0 l i n ，管间纵向节距 6 0 m m 。在分隔屏过热器之后，炉膛折焰角上方布置了2 0 排后屏过热器。水平烟 道内顺序布置了屏式再热器、末级再熟器和末级过热器。低温对流过热器水平布 置在尾部竖井烟道的上部，其后布置了单级省煤器。 过热器由顶棚管、包墙管、低温对流过热器、分隔屏过热器和末级过热器组 成。过热汽温采用喷水减温的方法调节，布置在分隔屏过热器之前。 过热器系统的蒸汽流程为：汽包顶棚过热器低温对流过热器喷 水减温分隔屏过热器后屏过热器末级过热器汽轮机高压缸。 再热器系统由壁式再热器、屏式再热器和末级对流再热器组成。壁式再热器 1 l j b 塞銮逼太堂巫主堂僮论塞 布置在炉膛上部的前墙和部分两侧墙水冷壁的向火面，屏式再热器布置在折焰角 上部的水平烟道中，末级对流再热器布置在水平烟道中。 再热蒸汽的流程为：汽轮机高压缸事故喷水减温壁式再热器屏 式再热器末级对流再热器汽轮机中压缸。 总体而言，大容量锅炉都有较高的蒸汽参数，过热器系统有低温过热器、高 温过热器、大屏( 分隔屏) 过热器、后屏过热器等；再热器系统有壁式再热器、 中温再热器、高温再热器；以及必要的减温装置、省煤器和空气预热器等。 2 2 热力计算模型的建立 由大容量燃煤电站锅炉的特点分析可以知道它们可以分为很多种类： ( 1 ) 按循环方式( 蒸发受热面内的工质流动方式) 可分为自然循环锅炉、控 制循环锅炉、直流循环锅炉和复合循环锅炉，后三种锅炉又统称为强制循环锅炉。 ( 2 ) 按主蒸汽出口压力可分为高压锅炉、超高压锅炉、亚i 晦界压力锅炉、超 临界压力锅炉和高效超临界压力锅炉。 ( 3 ) 按排渣方式可分为固态排渣锅炉和液态排渣锅炉。 ( 4 ) 按燃烧方式可分为层燃炉、室燃炉、旋风炉和沸腾燃烧锅炉。 ( 5 ) 按炉内烟气压力可分为平衡通风锅炉、微正压锅炉和增压锅炉。 还可以按锅筒布置、炉型、锅炉房型式、运输安装方式、运行方式等多种分 类方法进行分类。每一类型的锅炉受热面的布置方式和受热面的结构型式又会有 很多变化。 ， 尽管种类和型式繁多，运行特性各异，但锅炉运行的目的都是将燃料燃烧产 生的热量( 烟气的热量) 最大限度地传递给水、蒸汽和空气。从这个意义上，撇 开锅炉具体型式和受热面布置方式上的差异，如果把炉膛、过热器系统中的各级 过热器、再热器系统中的各级再热器、省煤器、空气预热器等受热面看作传热单 元，任何型式的锅炉都可以看成若干传热单元的串并联组合【2 甜。 研究各类传热单元的传热规律、传热单元的组合方式以及流体介质( 烟气、 空气、水和蒸汽) 在各热面进出口的热力状态就可以实现热力计算的目的。 锅炉的热力计算模型如图2 1 所示。 1 2 太空量毖堪虫堑堡坦塾左让差攥型鳆建童盆握 。 。审。审一j 。j 口叫 燃料传热单元 烟气流向 一o - - 水流向 卜一 蒸汽流向空气流向 图2 1 锅炉热力计算模型示意图 f i g 2 一lt h es k e t c hm 印o f t l l e m o d y i l a i n i cc a l c u l 砒i o nm o d e lo f b o 1 e r 任何类型的大容量燃煤电站锅炉的热力计算模型都可以按图2 一l 的方案来构 造。对于具体的炉型，根据炉膛、各级过热器、各级再热器、省煤器、空气预热 器等受热面的数量和布置方式，选择一定数量和一定类别( 按传热规律分类) 的 传热单元，按照过热蒸汽、再热蒸汽、烟气和空气的流程将各个传热单元按不同 的命质流程连接。 对热力计算来说，流体介质在传热单元出入口边界处的稳态热工参数就是求 解对象。 2 3 热力计算模型分析 由大容量燃煤电站锅炉热力计算模型的构造过程可以看出，热力计算涉及的 对象主要有传热单元、流体介质以及燃料。本文仅研究燃煤锅炉，所以燃料以煤 为研究对象。 模型分析需要研究传热单元的传热规律以及与燃料、流体介质的输入输出关 系。传热单元根据传热规律可分为辐射受热面、半辐射受热面和对流受热面。在 热力计算中需要确定流体介质一些物理状态，如温度、压力、焓、流速等参数， 还需要确定流体介质的有关热物性值，包括比热容、运动黏度、导热系数和普朗 特数等。 j e 塞銮通太堂亟堂僮纶毫 2 3 1 传热单元 2 3 1 1 辐射受热面 辐射受热面主要布置在炉膛内，一般包括布置在炉膛四周的水冷壁、布置在 水冷壁上的壁式过热器、壁式再热器、布置在炉膛顶部的顶棚过热器和炉膛上部 的大屏过热器、分隔屏过热器等以辐射传热为主的受热面。 炉内传热过程是与燃料燃烧过程和空气、煤粉以及烟气的流动过程同时进行 的，情况很复杂。但就输入和输出来说，输入炉膛的是燃料和空气，输出的是高 温烟气。热力计算时以计算炉膛的出口烟温来取代计算辐射换热量，校准后再进 行炉膛内其它辐射受热面的换热计算。炉膛的计算模型如图2 2 所示： 空气 烟气 图2 2 炉膛的计算模型 f i 9 2 之t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo f 矗j m a c e 炉内传热计算主要是求解炉膛出口烟气温度的问题，这样就可以计算炉膛里 以辐射方式传出的热量，也就是高温烟气离开炉膛前所放的热量。炉膛出口烟温 采用公式( 1 3 ) f 3 7 】【3 8 】。 式( 1 3 ) 中：理论燃烧温度，k ； m 炉膛火焰中心位置系数，计算方法见表2 2 ； 珥炉膛黑度，用式( 2 1 ) 计算； 妒。，炉膛炉墙平均热有效性系数； g 。辐射受热面热负荷，_ j 矽删2 ，用式( 2 6 ) 计算。 嘶2 i 啬两 式( 2 1 ) 中：哆。火焰黑度，用式( 2 2 ) 计算： 1 4 ( 2 1 ) 盘查量缝堪虫堂堡垃垫左让篡搓型的建童皇盆握 表2 2 炉膛火焰中心位置系数的计算方法【1 0 】 t a b 2 - 21 1 c a l c u l a t i o nm e n l o d so f f l l m a c en 锄ec 锄t e rp o s i t i o nc o e 街c i e m 燃烧 燃料计算公式 火焰中心相对位置的 备注 方式计算公式 x h = x r + 缸 1 燃烧器向上倾斜 1 四角切向燃烧x = 0 2 0 。时，毛增大 高挥发 2 前墙水平布置或对撞布置 o 1 ： 物含量 肘= o 5 9 一o 5 直流燃烧器，前墙或对撞布置2 燃烧器向下倾斜 多层旋流燃烧器 2 0 。时，减小 悬 的煤粉 在d s l l 6 船s ，x = o 1 ； 0 1 ： 在d 1 1 6 姆j ，缸= o 0 53 倾斜角在向上、向 浮 4 的最大值不能大于o 5 下小于2 0 。时， 燃 取插入值。 烧 无烟煤、 贫煤、 m = o 5 6 0 5 煤粉 薄煤层 射= 0 5 9 气力抛煤层燃为薄煤 层 层，链条炉及固定炉 燃 排层燃为厚煤层。 厚煤层朋= 0 5 6 = 1 一e 一蜘 式( 2 - 2 ) 中：p 炉膛的压力，脚口； s 辐射层有效厚度，所； | i 火焰辐射减弱系数，1 ( 砌m ) ，用式( 2 3 ) 计算： 七= k ，+ 如+ 1 0 2 恐 式( 2 3 ) 中；而、而焦炭颗粒在火焰中浓度的影响系数； 如烟气中飞灰浓度，堙堙； r 三原子气体的总容积份额； 乞三原子气体的辐射减弱系数，其值用式( 2 4 ) 计算： ( 2 2 ) ( 2 3 ) 纠眈涨一o 羔， 式( 2 - 4 ) 中：d 水蒸气容积份额； 了妒膛出口烟温，k ，假定值； 灰粒辐射减弱系数，用式( 2 - 5 ) 计算： = 式( 2 5 ) 中：q 烟气质量，姆，船； k 烟气总容积，堙； 略灰粒平均直径，册； b | q 4 知2 青 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 式( 2 6 ) 中；b ，计算燃料消耗量，堙j ； 包燃烧产物拥有热量，材，堙； 只炉墙面积，研2 。 2 3 1 2 对流受热面 在大容量燃煤电站锅炉中，对流受热面主要指对流过热器、对流再热器、省 煤器和空气预热器。它们的计算模型可用图2 3 表示。 图2 0对流受热面计算模型 f i g 2 3t h ec a l c u l a t i o nm o d e io f c o n v e c t i o nh e a t i n gs i l i 慨 1 6 堕而 盔盔莺燃堪电彗堡坦垫左让簋搓型的建童皇盆叛 对流受热面的传热计算是应用烟气侧热平衡方程、工质侧热平衡方程和对流 传热方程三个基本方程【3 9 j 。 烟气侧热平衡方程式： 9 砷= 妒( ，一j + 口露) 式( 2 7 ) 中：矿保热系数； j 入口烟气焓，堙； j 出口烟气焓，材妇； 口受热面烟道漏风系数； 1 理论空气量在冷空气温度下的焓，材，堙。 工质侧热平衡方程式： = 掣一q ， 式( 2 名) 中；d 工质流量， 蛔j ； ，入口工质焓，材堙； ，出口工质焓，垤； b 计算燃料消耗量，瞎s ； q ，受热面吸收的炉膛辐射热量，材垤。 对流传热方程： d ：墨丝 b j 式( 2 - 9 ) 中：后传热系数， ( m 2 k ) ，计算方法见表2 3 ； 缸温压，c ，用式(