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1200 MW超超临界参数锅炉的炉型选择及容量及参数确定毕业论文目录前 言III第一章 绪 论11.1 我国锅炉发展概况11.1.1 超超临界百万机组的简介11.2 锅炉本体设计方法31.3热力计算主要内容41.4 锅炉设计应提供的必备资料41.5 整体热力计算过程的顺序51.6 设计计算方法51.7 基本资料61.7.1 锅炉规范61.7.2 过量空气系数和漏风系数7第二章 锅炉辅助计算82.1 燃料的燃烧计算82.2 空气和烟气的焓82.3 锅炉热效率及燃料消耗量的估算102.3.1 锅炉热效率及燃料消耗量计算步骤102.3.2焓温表计算112.3.3锅炉热平衡计算12第三章 炉膛的选型与设计及辐射受热面的计算143.1设计步骤143.2 各种炉型的说明143.2.1型布置的简介143.2.2塔型布置的简介153.3型布置和塔型布置的比较与锅炉的选型183.3.1塔型锅炉的选择183.3.2 塔式锅炉的安全性高193.3.3 1200MW塔式锅炉的优点203.3.4 炉膛类型的确定213.4 炉膛几何特征的计算213.5 炉膛设计计算253.6 塔式锅炉各个系统的简介273.7 一级过热器屏管辐射受热面吸热量及工质焓增计算29第四章 对流受热面的设计计算314.1 概述314.1.1 对流受热面计算方法314.1.2 对流受热面计算步骤314.1.3对流传热系数的处理314.2 各种对流受热面热力计算324.2.1 一级过热器悬吊受热面324.2.2 二级过热器（a）354.2.3 二级过热器（b）384.2.4 三级过热器424.2.5 一级再热器454.2.6 二级再热器494.2.7省煤器524.2.8空气预热器564.3 锅炉总体设计总结59第五章 锅炉设计计算误差检查和结果汇总63第六章 结论66致 谢67参考文献68附 录70前 言我国是以煤炭为主要一次能源的国家，煤电在电力生产中占主导地位。随着国民经济的发展，我国发电设备的装机容量每年都以较快的速度递增。到2011年底，我国发电装机容量9.62亿千瓦，其中火电7.0678亿千瓦，占73.47%。尽管我国目前在大力发展核电、水电、风电、太阳能光伏发电等产业，但在未来几十年的时期内，火力发电在我国电力生产的主导地位仍然无法改变。随着京都议定书的实施，大型火力发电设备的CO2减排要求日益提高，发展先进的1200MW超超临界发电技术，进一步提高火力发电机组的热效率，大幅度降低一次能源的消耗，减少温室气体（CO2）及污染物的排放是我国电力工业发展的重要和紧迫任务，对于保证我国国民经济、社会持续、稳定、健康发展需求具有重要意义。大规模采用新一代更大容量超超临界发电技术必将是新世纪我国火力发电的主要发展方向，对节约能源、减少污染具有重要意义。开发自主知识产权的系统设计、锅炉设计、汽轮机设计、发电机设计、自动控制技术、机组集成与示范等超等超6001200MW超超临界发电机组关键技术，既是行业发展的需要，也是节能减排、降低煤耗、提高效益等社会发展所需，为我国实现火力发电技术新的突破和未来电力工业可持续发展、火电结构调整奠定基础。同时也为研同时也为研发700超超临界燃煤发电机组提供基础平台和技术支撑。本次毕业设计的题目是1200MW火电机组配套锅炉的本体设计，因此锅炉的热力计算为设计算。在锅炉容量和参数、燃料性质给定的情况下，参考同类型机组选定合理的炉子结构和尺寸，并计算出各受热面积的数值，同时也为锅炉其它一些计算提供必要的原始数据。首先要进行锅炉本体计算的有关辅助计算，这部分计算的目的是为了后面受热面的热力计算提供必要的基本计算数据或图表，在这部分中要做的是了解燃料的特性，对燃料的数据进行分析和整理，对燃料的燃烧进行计算，对锅炉热效率和燃料消耗量进行估算。然后是受热面的热力计算，涉及到炉膛、半辐射式受热面和对流受热面，其中包含为热力计算提供结构数据的各受热面的结构计算。最后对计算数据进行分析。1200MW机组具有容量大、参数高、能耗低、可靠性高、对环境污染小等特点,1000MW级发电机组已越来越多的被建成投入电网运行,日趋成为国家电网的主力机组。所以1200MW机组合理设计整个锅炉本体结构，对于将来安全生产、节约能源和环境保护都具有非常重要的意义，而本项目的研究却恰恰达到了经济效益和社会效益双丰收的目的。在本次设计过程中，当我遇到困难和疑问时，我的指导老师陈明讲师总是耐心的给予我指导和帮助，使我能够顺利的完成毕业设计，在此我要对陈老师表示衷心的感谢。由于本人水平有限，在本次设计中不足和错误之处在所难免，恳请各位领导、老师和同学批评指正。IV第一章 绪 论1.1 我国锅炉发展概况锅炉是利用燃料等能源的热能或工业生产中的余热，将工质加热到一定温度和压力的换热设备。锅炉的一个主要用途为发电，是火力发电厂的三大主机中最基本的能量转换设备。解放前，我国没有电厂锅炉制造业，仅目前，全国在用工业锅炉保有量50多万台，蒸发量约180万t/h。燃煤锅炉约48万台，占工业锅炉总容量的85%左右，平均蒸发量约3.4t/h，其中20t/h蒸发量以下超过80%。113个大气污染防治重点城市中约有燃煤工业锅炉24万台，共90万t/h的蒸发量，均占全国的1/2。节煤助燃剂具有降低能耗，降低灰渣中的含炭量，大幅度提高燃烧温度和燃烧时间，降低烟雾中二氧化硫、氮氧化物等环保效应，同时也为发展低碳、节能、环保社会起到了推波助澜的作用。华能玉环电厂、华电邹县电厂、外高桥电厂三期工程等1 000 MW超超临界机组相继成功投入运行，标志着我国在超超临界火电技术领域上有了跨越式的发展，火力发电技术与国外缩短30-40年，达到国际先进水平，并为我国在该领域上拓展更高参数和更大容量的机组打下了坚实的基础。世界上超超临界技术发展趋势表明，开发更大容量、更高压力和温度参数的机组，以进一步提高机组的经济性，降低机组单位造价，获得良好的性价比是超超临界机组发展的方向。截止到2010年底全国再用锅炉54.30万台，其中电站锅炉0.86万台；工业锅炉31.47万台；生活锅炉21.98万台。由此可以看出，生活和生产用锅炉占用着极大的比例，但是这两种锅炉平均单台容量很小。目前电站锅炉正向高效率、大容量、高参数、低污染、自动化、高可靠性、低成本方向发展。我国的锅炉制造业实行许可证制度。锅炉制造企业的级别分别为A级、B级、C级、D级等。随着经济的发展，我国的锅炉制造的技术水平和生产规模不断提高。1.1.1 超超临界百万机组的简介随着经济的迅猛发展，自2006年底以来，我国先后有1000MW超超临界机组投入商业运行，目前正在建设和调试的1000MW超超临界机组也不少。从技术可行性、设计制造、运行情况、技术经济等来看，1000MW超超临界锅炉的计和运行已趋于成熟。下一阶段1000MW超超临界机组将成为新建火电机组的投资建设重点。目前我国1000MW超超临界锅炉主要以哈锅（HBC，三菱技术)、东锅（DBC，巴布科克一日立技术)、上锅( SBWC，阿尔斯通技术)为主。我国已经投运的1000MW超超临界机组见表1-1。表1-1我国已投运的1000MW超超临界锅炉各指标比较电厂BMCRA过热流量(t/h)蒸汽参数（MPa/）制造厂家投运时间玉环1号295327.56/605/603哈锅(三菱)2006.11玉环2号295327.56/605/603哈锅(三菱)2006.12玉环3号295327.56/605/603哈锅(三菱)2007.11玉环4号295327.56/605/603哈锅(三菱)2007.11邹县7号307025.25/605/603东锅（BHK）2006.12邹县8号307025.25/605/603东锅（BHK）2007.01泰州1号298026.15/605/603哈锅(三菱)2007.12泰州2号298026.15/605/603哈锅(三菱)2008.03外高桥7号295528/605/603上锅（阿尔斯通）2008.03外高桥8号295528/605/603上锅（阿尔斯通）2008.06北仓港6号299627.56/603/603东锅（BHK）2008.12为了确保锅炉投产后能够安全、经济、稳定运行，大容量锅炉设计上主要从以下方而重点考虑:水循环动力特性、结构和受热而选材及布置、燃烧方式确保低NOx排放、最低稳燃负荷措施、提高燃烧效率措施等。1000MW超超临界锅炉由于参数高，受热面材料选用尤为关键。目前，用在超超临界锅炉过热器、再热器高温段的材料大多是奥氏体钢，主要以超细晶粒的Super304H和HR3C为主，而目前国内常用的P91材料，则一般用在低温段。超超临界1000MW锅炉水冷壁布置形式主要采用垂直管圈带中间混合联箱和下部螺旋管圈带上部垂直管圈，锅炉通常采用带再循环的炉水泵启动系统。在锅炉启动期间，借助于炉水再循环泵和给水泵，水冷壁系统内始终保持相当于锅炉最低直流负荷流量(25%-30%BMCR)。燃烧器设计主要有直流和旋流型2种，现在这2种形式均已在我国不同等级的锅炉上得到了广泛应用，技术较为成熟，各有优缺点。在燃烧器设计选型时重点考虑燃煤特性和环保因素。我国目前1 000 M W超超临界锅炉的主要特性对比见表1-2。表1-2 我国三大锅炉制造厂1000MW超超临界锅炉主要特性对比项目名称哈锅（HBC）东锅（DBC）上锅（SBWC）技术支持三菱公司巴布科克-日立公司阿尔斯通公司锅炉型式型炉型炉塔型炉燃烧方式八角双切圆前后墙对冲四角切圆锅炉出力（t/h）295029502950炉膛尺寸/m3333833140230113水冷壁型式垂直管圈带中间混合联想螺旋管圈+上部垂直管圈螺旋管圈+上部垂直管启动系统分离器/储水箱+启动循环泵分离器/储水箱+启动循环泵分离器/储水箱/疏水泵+启动循环泵过热蒸汽调温方式煤水比、三级减温水、燃烧器倾角煤水比、二级减温水煤水比、二级减温水、燃烧器倾角再热蒸汽调温方式尾部调温挡板、燃烧器倾角、事故喷水尾部调温挡板、事故喷水燃烧器倾角、事故喷水锅炉效率(%)6%O2下93.6593.8493.66NOx保证值/mg（Nm3）-1360350350过热蒸汽出口压力（MPa）27.5626.2527.9过热蒸汽出口温度（）6056056051.2 锅炉本体设计方法根据计算任务的不同，可分为设计（结构）计算和校核计算两种。设计计算：进行设计新锅炉时的热力计算称为设计热力计算，简称设计计算。设计热力计算的任务是，在锅炉容量和参数、燃料性质以及某些受热面边界处的水、汽、风、烟温度给定的情况下，选定合理的炉子结构和尺寸，并计算出各个受热面积的数值，同时也为锅炉其他一些计算提供必要的原始资料。校核计算：校核热力计算的任务是锅炉容量和参数、燃料性质、锅炉各部结构和尺寸已知的情况下，确定各受热面边界的水、汽、风、烟温度以及风、烟流经各受热面的、时的速度和锅炉效率、燃烧消耗量等。校核计算可帮助人们正确制定出提高锅炉安全经济运行水平和改造锅炉的合理措施，同时也为锅炉的其他计算，如锅炉通风计算、强度计算以及水动力计算等提供有关的基础数据。设计计算与校核计算方法上是相同的，计算时所依据的传热原理、公式和图表也都是相同的，仅计算任务和所求数据不同。一般来说，对已有的锅炉进行改造估算时常用校核计算，设计制造新锅炉时用设计计算。但随着人们对锅炉认识的不断加深，已积累了相当多的成熟经验。因此，在设计制造新锅炉时也多是先将锅炉结构等初步布置好，然后以校核计算方法来进行修正，并不直接采用设计热计算了，所以，掌握好校核计算方法是非常重要的。1.3热力计算主要内容1）锅炉辅助设计计算：这部分计算的目的是为后面受热面的热力计算提供必要的基本计算数据或图表。2）受热面热力计算：其中包含热力计算提供结构数据的各受热面的结构计算。3）计算数据的分析。1.4 锅炉设计应提供的必备资料1）锅炉设计任务及其要求；2）给定的燃料及其特性；3）锅炉的主要参数，如锅炉蒸发量、给水的压力和温度、过热蒸汽和再热蒸汽的主要参数等；4）锅炉概况，如锅炉结构的基本特点、制粉设备及其系统、燃料及排渣方式以及连续排污量等；5）锅炉结构简图、烟气和汽水系统流程简图、受热面和烟道的主要尺寸等。1.5 整体热力计算过程的顺序1）列出热力计算的主要原始数据，包括锅炉主要参数和燃料特性参数；2）根据燃料、燃烧方式及锅炉结构布置特点，进行锅炉通道空气量平衡计算；3）理论工况下（）的燃烧计算；4）计算锅炉通道内的烟气的特性参数；5）绘制烟气温焓表；6）锅炉热平衡计算和燃料消耗量的估算；7）锅炉炉膛热力计算；8）按烟气流向对各受热面依次进行热力计算；9）锅炉整体计算误差的校核；10）编制主要计算误差的校核；11）设计分析及结论。1.6 设计计算方法锅炉设计计算采用渐次逼近法。这是一种试算的方法，计算过程繁琐。在计算中，不仅烟气和工质在锅炉流程中的参数（如压力、温度等）是未知数，而且如排烟温度、热风温度等终端参数也是未知的。在一个具体的计算式中往往会同时出现多个未知量，这就需要先假定一些量，然后通过计算去校核它。由于所求参数与假定参数值之间的相互和影响，因此一个参数往往需要多次假定才能最后确定。锅炉设计计算在确定一些主要参数时，如过热器出口汽温和锅炉排烟温度等，应保证有足够的准确性。但作为计算基础的某些数值，特别是对流传热系数，在确定时由于有较大的误差，希望用渐次逼近法去达到更高准确度想法是无意义的，这样做的结果只不过是加大计算量而已。锅炉热力计算允许计算误差如表1-3所示。表1-3 热力计算允许误差受热面计算项单位允许误差值炉膛出口烟温100屏对流吸热量%2高温过热器对流吸热量%2高温再热器对流吸热量%2低温再热器对流吸热量%2低温过热器对流吸热量%2省煤器对流吸热量%2空气预热器对流吸热量%2排烟温度10热风温度40锅炉总换热量%0.51.7 基本资料1.7.1 锅炉规范1）锅炉额定蒸发量:De=3633t/h；2）给水温度：=297；3）过热蒸汽出口温度：=605；4）过热蒸汽出口压力：=29.4MPa；5）再热蒸汽出口温度：=613；6）制粉系统：中速磨直吹式；7）燃烧方式：煤粉炉；8）排渣方式：固体排渣；9）环境温度：20；10）开滦烟煤数据：燃料特性CarHarOarNarSarAar低位发热量DTVar58.24.36.31.10.828.122825150016.96811）蒸汽流程：一级过热器管屏段一级过热器垂直段二级过热器三级过热器，低温（一级）再热器高温（二级）再热器；12）烟气流程：炉膛一级过热器（屏管）一级过热器（垂直段）三级过热器二级再热器二级过热器一级再热器省煤器空气预热器。1.7.2 过量空气系数和漏风系数任意受热面的空气量平衡都是使其出口的过量空气系数”等于其入口处的过量空气系数与该受热面的漏风系数之和，即 ”=+ (1-1)这样在进行锅炉空气量平衡计算时，可先确定炉膛出口的过量空气系数和各种形式受热面的漏风系数，各个受热面出口的漏风系数见表表1-4。表1-4 漏风系数和过量空气系数名称额定负荷时漏风系数出口过量空气系数制粉系统漏风系数0.1 0炉膛0.051.20 一级过热器0 1.20三级过热器0.021.22 二级再热器0.02 1.24 二级过热器0.021.26 一级再热器0.015 1.275 省煤器0.0351.31 空预器0.181.49 第二章 锅炉辅助计算为了便于锅炉各受热面的设计计算，往往在热力计算开始之前，依据提供的原始资料和数据，将设计计算中常用到的一些基本参数和数据，如锅炉各处的烟气量、烟气成分、烟气特性参数以及烟气温焓表等，设计成计算图或计算表，以便在以后的计算中随时查用。这些计算的图（表）的计算称为锅炉设计计算的辅助计算或准备计算。显然，锅炉辅助计算将直接影响锅炉设计计算的质量。辅助计算包括以下内容：1）燃料数据的分析和整理；2）锅炉漏风系数的确定和空气量的平衡；3）燃料的燃烧计算及烟气特性的确定；4）锅炉热平衡及锅炉热效率、燃料消耗量的估算。2.1 燃料的燃烧计算燃料燃烧计算以单位质量（或体积）的燃量为基础。燃料燃烧计算包括；燃烧计算、烟气特性计算、烟气焓计算。1）燃料计算需计算出：理论空气量、理论氮容积、RO2容积、理论干烟气容积、理论水蒸气容积等。2）烟气特性计算需要计算出：各受热面的烟道平均过量空气系数、干烟气容积、水蒸气容积、烟气总容积、RO2容积份额、水蒸气容积份额、三原子气体和水蒸气容积份额、容积飞灰浓度、烟气质量、质量飞灰浓度等。3）烟气焓的计算需要分别计算出炉膛、屏式过热器、高温过热器、高温再热器、低温再热器、低温过热器、省煤器、空气预热器等所在的烟气区域的烟气在不同温度下的焓，并列成表格，作成所谓的焓温表，以备后续计算查用。计算过程中用到受热面出口过量空气系数。2.2 空气和烟气的焓要进行锅炉受热面的传热计算，必须知道如何计算空气和烟气的焓。在这里空气和烟气的焓是指定在定压条件下，将1kg燃料所需的空气量或所产生的烟气量从烟气量从00C加热到t0C（空气）或0C时（烟气）时所需要的热量，单位为kJ/kg。 (一）空气焓1）理论空气量的焓据理想气体焓的计算方法，理论空气量的焓为= kJ/kg (2-1)2）实际空气量的焓实际空气量的焓的计算式为= = kJ/kg (2-2) 式中（ct）k-1m3标准状态下干空气连同其携带的水蒸气在温度toC时的焓（二）烟气焓理论烟气的焓理论烟气是多种成分的混合气体。由工程热力学可知，其焓等于各组成成分焓的总和，所以理论烟气的焓hoy的计算式为=+ kJ/kg (2-3) 式中、 理论烟气中各成分在温度时的值表2-1 1m3空气、各种气体的焓温度二氧化碳氮气水蒸气湿空气kJ/(Nm）100170.03129.58150.52132.43200357.46259.92304.46266.36300558.81392.01462.72402.69400771.88526.52626.16541.76500994.35663.8794.85684.156001224.66804.12968.88829.747001461.88947.521148.84978.328001704.881093.61334.41129.129001952.281241.551526.041282.3210002203.51391.71722.91437.311002458.391543.741925.111594.8912002716.561697.162132.281753.4413002976.741852.762343.641914.2514003239.042008.722559.22076.215003503.121662779.052238.916003768.82324.483001.762402.8817004036.312484.043229.322567.3418004304.72643.663458.342731.8619004574.062804.213690.372898.8320004844.229653925.63065.621005115.393127.534163.253233.7922005386.483289.224401.983401.642.3 锅炉热效率及燃料消耗量的估算2.3.1 锅炉热效率及燃料消耗量计算步骤 锅炉热效率及燃料消耗量可按以下步骤估算：1）计算锅炉输入热量；2）依照燃料及燃烧设备估计机械不完全燃烧热损失和化学不完全燃烧热损失；3）假定锅炉排烟温度并计算锅炉排烟热损失；4）确定锅炉散热损失和灰渣物理热损失；5）用反平衡法计算锅炉热效率；6）计算锅炉工质有效利用热量；7）计算锅炉燃料消耗量。由于计算时涉及的排烟温度为假定值，所以计算出的燃料消耗量实为估算值。根据上面的计算步骤计算出开滦烟煤的燃烧计算数据，见表表2-2。表2-2 燃烧计算表项目名称符号单位计算公式及数据结果理论空气量m3/kg0.089(Car+0.375Sar)+0.265Har- 0.0333Oar6.1303理论氮容积m3/kg0.8Nar/100+0.79V04.8438 R02容积m3/kg1.866Car/100+0.7Sar/1001.0916 理论干烟气容积m3/kg5.9354 理论水蒸气容积m3/kg11.1Har/100+1.24Mar/100+0.0161*Vo0.6752飞灰份额查表0.9 表2-3 烟气特性表项目名称符号单位一过三过二再二过一再省煤器空预器受热面出口处过量空气系数1.21.221.241.261.2751.311.49烟道平均过量空气系数1.175 1.185 1.195 1.205 1.2131.230 1.320 水蒸气容积Nm3/kg0.693 0.693 0.6940.6950.696 0.698 0.707 烟气总容积Nm3/kg7.701 7.347 7.409 7.471 7.518 7.627 8.188R02份额容积0.142 0.1490.147 0.146 0.145 0.143 0.133 水蒸气容积份额0.0890 0.094 0.094 0.093 0.093 0.092 0.086 +n0.232 0.243 0.241 0.239 0.238 0.235 0.220 容积飞灰浓度kg/m30.032 0.033 0.033 0.033 0.032 0.032 0.030 过剩空气量VkNm3/kg1.073 1.134 1.195 1.257 1.303 1.410 1.962 质量飞灰浓度kg/kg0.024 0.024 0.0240.024 0.023 0.023 0.022 2.3.2焓温表计算 烟气的焓温表是进行锅炉热力计算的基本计算用表之一。编制烟气焓温表应力求简明、准确、实用，参见附表。为减少制表的工作量，烟气焓温表应根据锅炉受热面所在区域的烟气温度编制。烟气焓温表可按100的温度间隔编制，设有100间隔的烟焓差I项，一遍中间温度插入法的应用。本设计的温焓表见附录，表12.3.3锅炉热平衡计算锅炉是吸收燃料燃烧所发出的热量而产产蒸汽的设备，它的热平衡主要是燃料的热量的收支平衡。因此，在热平衡中，燃料的热量应等于锅炉有效吸收的热量与各种损失之和。 若一个锅炉每秒燃烧B(kg),发热量为Qar，net，p（kJ/kg）的煤。则燃料的热量为：BQar，net，p (kW)此燃料的热量应等户以下各种热量之和:锅炉的有效利用热量Q1，kJ/kg排烟损失的热量Q2，kJ/kg化学不完全燃烧损失的热量Q3，kJ/kg机械不完全燃烧损失的热量Q4，kJ/kg散热损失的热量Q5，kJ/kg灰渣物理热损失的热量Q6，kJ/kg根据热平衡原理可以写出：BQar，net，p=B（Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6） (2-4)为了使各种热量的相对大小更清楚，热平衡式常用百分数来表示。即以燃料的热量为100%,其余热量以百分比q及适当的下角标来表示，即100%=q1+q2+q3+q4+q5+q6（%） (2-5)有效吸收热量的百分比即锅炉吸收燃料热量的效率，称锅炉效率，以gl来表示，即应有gl= q1 (2-6)从而计算热平衡：表2-4 锅炉热平衡及燃料消耗量计算名称符号单位公式结果低位发热量Qar,net,pKJ/kg已知22835冷风温度tlk取用20湿空气平均热容量CkKJ/(Nm3C)表2-11中选取1.3199冷风焓HlkKJ/kgV0Cktlk194.194 排烟温度py假设135排烟焓HpyKJ/kg（200-100）/(Hy200-Hy100)= (py-100)/(Hpy-H100）1809.239 排烟热损失q2%（(Hpy-pyHlk)/Qar,net,p）*(（100-q4）/100)6.741 机械未完全燃烧损失q4%查表2-71化学未完全燃烧损失q3%查表2-70散热损失q5%课本3-30.2灰渣物理热损失q6%当AarQar,net,p/419 才考虑损失0全部热损失qi%q2+q3+q4+q5+q67.941 锅炉机组热效率gl%gl=100-qi92.059 过热蒸汽焓hgq”KJ/kg查焓熵图 （P=29MPa，T=605)3467.921给水焓hgsKJ/kg查焓熵图 （P=31MPa，T=297)1313.155工质吸热量QglKJ/hQgl=Dgr(hgq”-hgs)+ Dzr(hzr”-hzr)9.55燃料总消耗量Bkg/hB=（Qgl*100）/ (Qar,net,p*gl)454629.4 计算燃料消耗量Bjkg/hBj=B(1-q4/100)450083.1 保热系数=gl/(gl+q5)0.998 第三章 炉膛的选型与设计及辐射受热面的计算3.1设计步骤1） 计算炉膛结构尺寸及烟气有效辐射层。2） 选取热风温度、并依据有关条件计算随每1kg燃料进入炉膛的有效热量。3）根据燃料种类、燃烧设备的形式和布置方式，计算火焰中心位置的系数M。4）估计炉膛出口烟温，计算炉膛烟气平均热容量。5）计算炉膛受热面辐射换热特性参数。6）根据燃料和燃烧方式计算火焰黑度和炉膛黑度。7）计算炉膛出口烟温。8）核对炉膛出口烟温误差。9）计算炉膛热力参数。10）炉膛内其他辐射受热面的换热计算。3.2 各种炉型的说明3.2.1型布置的简介（一）型布置的优点1）锅炉高度低、安装方便；2）受热面易布置与烟气成逆流形式；3）尾部烟道烟气向下流，易吹灰；4）送、引风机、除尘器等锅炉辅机可以布置在地面上。型布置的缺点1）占地面积大；2）烟道转弯引起灰浓度分布不均匀，磨损大；3）转向室空间浪费，尾部受热面布置空间小；4）大容量锅炉燃烧器布置受限制-前后墙布置复杂；5）尾部烟道与炉膛的截面和高度必须配合。图3-1 型布置3.2.2塔型布置的简介 锅炉总体布置图如图3-2所示，炉膛宽度23210mm，炉膛深度23210，水冷壁下集箱标高4000mm，炉顶管中心标高126160mm。图3-2 锅炉总体布置图锅炉炉前沿宽度方向垂直布置6只汽水分离器，每个分离器筒身上方布置1根内径为240 mm和4根外径为19. 1 mm的管接头，其进出口分别与水冷壁和一级过热器相连接。当机组启动，锅炉负荷低于最低直流负荷30 %BM CR时，蒸发受热而出口的介质流经分离器前的分配器后进入分离器进行汽水分离，蒸汽通过分离器上部管接头进入2个分配器后进入一级过热器，而饱和水则通过每个分离器筒身下方1根连接管道进入下方1只贮水箱中，贮水箱上设有水位控制。贮水箱下方1根疏水管道引至一个连接件。在采用带循环泵的启动系统中一路疏水至再循环泵，另一路接至大气扩容器中。炉膛由膜式壁组成，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式。从炉膛冷灰斗进口(标高4000 mm)到标高69240 mm处炉膛四周采用螺旋管圈，在此上方为垂直管圈，垂直管圈分为两部分。炉膛上部依次分别布置有一级过热器、三级过热器、二级再热器、二级过热器、一级再热器、省煤器。锅炉燃烧系统按配中速磨正压直吹式制粉系统设计，配置6台磨煤机，每台磨煤机引出4根煤粉管道到炉膛四角，炉外安装煤粉分配装置，每根管道分配成2根管道分别同2个一次风喷嘴相连，共计48只直流式燃烧器分12层布置于炉膛下部四角(每2个煤粉喷嘴为一层)，在炉膛中呈四角切圆方式燃烧。过热器汽温通过煤水比调节和二级喷水来控制。再热器汽温采用燃烧器摆动调节，一级再热器进口连接管道上设置事故喷水，一级再热器出口连接管道设置有微量喷水。尾部烟道下方设置2台三分仓受热而旋转容积式空气预热器。同时炉底排渣系统采用机械出渣方式。塔式锅炉不同于我们非常熟悉的双烟道锅炉。该锅炉具有如下特点:1）锅炉系统简单;2）锅炉所有的受热而均采用水平布置，具有很强的自疏水能力，具备优异的备用和快速启动特点;3）采用单烟道的结构，过热器、再热器烟气温度分布均匀;4）均匀的对流受热和烟气流场分布;5）采用单炉膛单切圆的燃烧方式，在所有工况下，水冷壁出口温度分布均匀;6）采用低NO同轴燃烧系统（LNTFTM);7）过热器采用煤水比加二级六点喷水，再热器采用燃烧器摆动、低负荷过量空气系数调节和在进口装设束故紧急喷水和二级再热器中间装设微量喷水8）无水力侧偏差，过热器、再热器蒸汽温度分布均匀;9）过热器、再热器受热面材料选取留有较大的裕度;10）不同受热面之间均采用集箱过渡，没有携带偏差;11）受热而布置呈上部紧凑，下部宽松方式，减少并避免了堵灰现象;12）运行过程中锅炉能自由膨胀;13）悬吊结构规则，支撑结构简单;14）由于所有的受热而均顺着炉膛的高度方向布置，受热而磨损小;15）占地而积小。3.3型布置和塔型布置的比较与锅炉的选型3.3.1塔型锅炉的选择在1 000 MW容量等级上，从己经投运和正在设计的机组来看，无论是选择塔式锅炉还是选择双烟道锅炉，都是可靠的。但当容量在1 000 MW等级的基础上继续提升时，选择塔式炉型对于锅炉今后的运行更为安全、可靠，理由如下:1）选择塔式锅炉是综合考虑炉膛尺寸和受热面布置相匹配的结果。随着机组容量的增加，锅炉炉膛断面和容积也要求相应放大。对于常规的双烟道切圆燃烧锅炉，机组的容量达到了800 MW以上，推出的是双切圆燃烧方案(主要受制于受热面布置)，目前国内已经投运或正在设计的1 000 MW容量等级切圆燃烧的双烟道锅炉全部采用双切圆燃烧方案。机组的容量达到1 200 MW以上，如果继续选择该型锅炉，炉膛宽度和深度的匹配以及受热面的布置都存在较大困难。而对于塔式锅炉而言，由于推出的是正方形炉膛的方案，随着锅炉容量的增加，炉膛宽度、深度和受热面的匹配就不成问题。2）选择塔式锅炉更能够适应高参数机组发展的要求。在目前的超超临界参数锅炉(27 MPa/600 /600 )中，高温受热面己经大量使用了HR3C和Super 304H。在目前己投入商业运行的锅炉中，HR3C和Super 304H是受热面中使用的最高档次材料。如果将超超临界锅炉的参数进一步提高，在目前材料使用状况下降低锅炉烟气温度和蒸汽温度偏差是唯一的选择，与双烟道锅炉相比，塔式锅炉炉膛出口及各受热面的左右烟温偏差要小，因此，在没有比HR3C和Super 304H更好的材料推出之前，塔式锅炉对于机组参数提高的适应性比双烟道锅炉更强。3）选择塔式锅炉更有利于减少汽轮机受固体颗粒侵蚀的危害。水平布置的受热面有利于减少汽轮机受固体颗粒侵蚀(solid particle erosin, SPE)的危害。因为随着蒸汽温度的上升，受热面管内的高温蒸汽氧化现象加剧，当机组发生较大的负荷变化，尤其在启停中，因受冷热温度应力的作用，氧化颗粒很容易脱落。因此，SPE现象较多发生在锅炉启动阶段，锅炉受热面受热冲击引起管子汽侧氧化铁剥离并形成固体颗粒，使汽轮机调节级和高、中压缸第1级叶片产生侵蚀。造成SPE的原因有多种，锅炉受热面布置的形式也是其中之一，因为停炉后脱落的氧化颗粒沉积于受热面中，锅炉重新启动后，这些颗粒可能被蒸汽带出锅炉。对于垂直布置的过热器和再热器的双烟道锅炉，氧化颗粒一般沉积在U管的底部，在启动及低负荷阶段，低流量的蒸汽动量不足以将大的氧化剥离物带出垂直管段，直到高负荷阶段，蒸汽动量的增加，这些物体才可能被冲出，此时的蒸汽动量所携带的硬质颗粒对汽轮机叶片所产生的侵蚀性最大。而塔式炉的受热面呈水平布置，启动阶段虽然蒸汽的动量低，但也很容易将氧化颗粒带走，并由旁路系统直接送入凝汽器。因此，除非是较大的氧化剥落物，在机组启动阶段固体颗粒不会进入汽轮机，而较大颗粒的剥落物由于离心力大，受到汽机进汽流道结构的限制，也不容易直接冲击汽机的叶片。此外，塔式锅炉的受热面呈卧式布置，过热器、再热器受热面能自疏水，所以塔式锅炉的过热器、再热器受热面能实现酸洗，经过酸洗的受热面在防止氧化皮产生上具有很大的优势。3.3.2 塔式锅炉的安全性高1）塔式锅炉的烟温偏差小，在目前的材料使用条件设计参数条件下运行的安全性更高；目前的超超临界参数锅炉（参数：压力27.56MPa,605/603）中已经大量使用了HR3C和超级304H，该两种材料是目前为止在投入商业运行的锅炉受热面中使用的最高档次的的材料。如果将超超临界锅炉的参数进一步提高，在目前的材料使用状况下为了保证同样甚至更高的安全裕度，降低锅炉的烟气温度偏差是唯一的选择。塔式锅炉由于受热面布置在炉膛上部，没有烟气的转弯，烟气温度的偏差远小于其他炉型的锅炉，在没有比HR3C和超级304H更好的材料推出的情况下，锅炉选用塔式布置具有更高的安全性。2）水平布置的受热面使启停过程中剥落的氧化皮被及时带走，降低受热面超温爆管的可能性；氧化皮在锅炉的运行过程中无可避免要产生，为了保证锅炉安全运行采取的应对措施是a、对受热面进行酸洗，使其在表面形成保护膜；b、将启停过程中剥落的氧化皮及时带走防止堵塞管子引起超温爆管。 只有水平布置的受热面才能进行酸洗。 塔式锅炉的受热面呈卧式布置（水平布置在炉膛上部），过热器、再热器受热面能自疏水，所以能实现酸洗。同时，由于塔式锅炉能自疏水，受热面中的杂质在启动初期清洗过程中直接被冲走，而不是堵在锅炉受热面管中，能有效解决汽轮机固体粒子腐蚀和锅炉受热面堵塞造成的超温爆管问题 。 3）塔式锅炉燃用强结渣性煤种运行的安全性更高；塔式锅炉抗磨损性强，防磨的安全性更高。塔式锅炉炉膛燃烧室出口的烟气温度相对较低（1250左右，远低于其他炉型），在燃用强结渣性时运行的安全性更高。塔式锅炉由于所有的过热器、再热器受热面都布置在炉膛的上部，烟气流速向上，灰粒子由于受重力作用，相对于受热面的流速低于烟气流速，因此对于受热面的磨损性要低于其他炉型，锅炉运行的安全性更高了。塔式锅炉的这种流速特点使得煤粉在炉膛内的停留时间相对增加，所以燃尽率高于其他炉型。使得综合的燃烧效率要高于其他炉型。 3.3.3 1200MW塔式锅炉的优点1）具备优异的备用和快速启动特点 。塔式锅炉结构简单，固有热容量小，所有的受热面均采用水平布置，具有很强的自疏水能力，有利于酸洗时疏水排空；能适应快速启停的要求，满足电网调度的要求 。2）塔式锅炉有效提高汽轮机运行的经济性和安全性；锅炉受热面中的杂质流到汽轮机会对汽轮机的安全运行带来极大的损害。但是在安装过程中杂质或锅炉的启停过程中剥落的氧化皮在启动初期清洗过程中没有被直接被冲走，就会在日后运行中被带到汽轮机，危及到汽轮机的安全运行。塔式锅炉的受热面呈卧式布置（水平布置在炉膛上部），过热器、再热器受热面能自疏水，就能在启动初期将受热面种的杂质全部冲走，能有效解决汽轮机固体粒子腐蚀问题 ，提高了汽轮机的效率，保证了汽轮机的安全运行。3）塔式锅炉能适应快速启停的要求；机组快速启停是用户不断追求的目标，但锅炉由于受热膨胀的不均匀性限制了启停的时间，为了保证锅炉运行的安全，通常情况是牺牲机组的启动时间。塔式锅炉由于没有复杂的过热器包覆系统，悬支吊结构简单，锅炉的膨胀系统简单，能适应快速启停的需要。在保证锅炉安全运行的前提下，缩短了机组启动的时间。 4）塔式锅炉能将燃烧和水冷壁布置完美结合；锅炉容量的增加的要求炉膛的断面相应增加，但炉膛的断面不可能无限制地增加。在相同的炉膛断面的情况下，塔式锅炉由于选用正方形的断面，其周界长度最小，在选用相同的管径的情况下，塔式锅中炉水冷壁的运行条件相对更为优越，将燃烧和水冷壁布置完美结合。3.3.4 炉膛类型的确定类型型塔型概念世界上烟煤型锅炉典型布置日本超临界燃煤锅炉均采用此种布置方式主要用于褐煤型锅炉和高灰份大容量的锅炉业绩适合600MW-1050MW超临界燃煤变压锅炉，对于1000MW以上的锅炉经济、安全、稳定性不如塔式1000MW超临界燃煤变压锅炉现已在中国多出使用结构与安装具备成熟的结构技术及众多业绩，可靠性高实践证明大容量超临界锅炉塔式可靠性很高性能及运行煤适应性好（采挡板调节再热汽温）再热器采用喷水及燃烧器摆动调温，对经济性和煤适应性有影响。经过上面对比、分析得出结论：超超临界的锅炉使用塔式锅炉是更安全、更经济的。3.4 炉膛几何特征的计算炉膛结构的几何特征参数及其影响因素炉膛结构的几何特征主要包括：1）炉膛容积；2）炉膛内炉膛总面积；3）炉膛有效辐射受热面的面积；4）炉膛火焰有效层厚度；5）炉膛水冷程度。炉膛结构的几何特征参数与锅炉的设计容量、燃料特性、炉膛容积热负荷、炉膛截面热负荷、燃烧区域受热面热负荷、炉膛辐射受热面热负荷、炉膛出口烟气温度等设计参数密切相关。锅炉炉膛设计中，参照设计规范中推荐的取值和选取原则，再结合以往经验来决定这些参数的合理取值。(一)炉膛的容积煤粉炉所烧的煤粉很细，一颗煤粉的直径是很小的，虽然它的直径很小，燃烧起来也要有足够的时间才能烧完。烟气一进入管子密集的对流受热面以后，它的温度就很快地下降.如果煤粉在炉膛里没有烧完，一进入对流受热面就再没有烧完的可能了。因此使煤粉在炉膛里能停留足够长的时间是非常重要的:显然，把炉膛容积做得足够大就可以使煤粉(或油、煤气)在炉膛中有足够长的停留时间。当然，炉膛容积的大小是相对的，是对所烧燃料的多少或更确切地说是对燃烧的燃料的热量的多少来说的。因此炉膛的相对大小可以用炉膛容积热负荷qv(每一立方米容积中所烧燃料的发热功率，kw/m3)来度量。炉膛容积热负荷过大，表示炉膛容积过小.每小时在1 m3的炉膛容积里烧了过多的燃料，燃料在炉膛里停留时间不够，不容易烧完:反之，这个数值过小，表示炉膛容积过大。结构不紧凑，也不合适。当一个锅炉的