热能锅炉设计计算要求与流程.doc

= 燃油锅炉房的实例：二食堂锅炉房。该锅炉房使用两台6t燃油锅炉，主要供应食堂用热以及附近集体浴室的热水用热。其系统图如下所示。 切换器 水处理装置 软水箱 除氧器 锅炉本体 分汽缸图1.1 同济大学二食堂锅炉房系统图1 设计内容 1.1 课题来源本市浦东某中学扩招，生活热负荷增加，现有锅炉房不能满足使用要求，因此需要对其进行改造。1.1 热负荷情况 1.1.1 淋浴用热负荷3栋学生宿舍楼，共住有学生1500人；每间寝室6人，每两间寝室共用一个卫生间；每个卫生间2套淋浴设备，共计有淋浴设备350套。 1.1.2 游泳池热负荷游泳池1座，建筑空间39268（m），2516标准短道游泳池；池水温度保持28，空气温度保持26.5；采用循环加药方式净化池水，约45小时可将池水更换一遍。 1.1.3 校办宾馆宾馆共50间标准客房，每间均需供应空调和洗澡用水；现配有2.5万大卡中央空调机组。1.2 现有设备上海工业锅炉厂 WNS2.4-1-Q（M）燃气锅炉一台；8t汽-水热交换器2台（供应洗澡）；6t汽-水热交换器2台（供应游泳池）；8t汽-水热交换器2台（供应宾馆）；1.3.水质资料表1.1 水质资料总硬度（mmol/L）2.9非碳酸盐硬度（mmol/L）1.0碳酸盐硬度（mmol/L）1.9总碱度（mmol/L）1.9pH值7.9溶解氧（mg/L）7.79.6溶解固形物（mg/L）434悬浮物和含油量-供水压力Mpa0.22 设计思路对热负荷进行计算；校核现有设备能否满足使用要求；如果不能满足，提出改造方案；重新设计锅炉房；注意该校地处市区，出于环保要求必须使用燃油燃气锅炉。3 热负荷计算3.1 淋浴用热负荷计算 根据供热工程附录6-2 热水用水标准， 热水温度65，每人每日100L。 3.1.1 总负荷式中n为总人数； v为每人用水量； t1为热水温度，t0为冷水温度； cp为水的比热。 3.1.2 负荷强度若按1500人用350套设备，约4.29人/套若按每室用1套设备，约6人/套取平均值5人/套假设每人洗澡时间为30分钟，则共需2.5小时全部洗完，计为1。则负荷强度： 3.1.3 现有蓄热设备8t汽-水热交换器2台，提前将水加热至100，冷水为5，则蓄热能力是否满足洗澡要求？与洗澡热负荷进行比较，可维持多长时间？3.2 宾馆用热负荷计算3.2.1 空调用热 q21为中央空调冷负荷强度；21为使用时间。3.2.2 洗澡用热式中符号意义与淋浴用热负荷相同。 3.2.3 总计3.2.4 现有蓄热设备8t 汽-水热交换器2台，提前将水加热至6070，则蓄热能力为：是否能够满足用热需要？3.3 游泳池用热负荷计算 3.3.1 池水表面散热按照无限大空间自然对流换热计算：3.3.2 池墙体散热3.3.2.1 窗体散热总面积约302 m2 传热系数 K=6.40W/m2（根据供热工程附录1-4） 3.3.2.2 墙体散热总面积约306+3926m2;其中39m是高度。导热系数 =0.87W/ m2; 墙体厚度240mm，内抹灰20mm3.3.2.3 合计与修正其余部分为极厚柱体，散热量忽略不计，则q32= q321+ q322计入冷风渗透耗热量35%，高度附加耗热量8%，修正为：为散热时间，取24小时。3.3.3 池空间蓄热；分别是空气的密度和比热。分别是室内和室外空气的温度;可取26.5和5.3.3.4 池墙体蓄热蓄热系数S=10.53W/m2.吸热时：平均温度 F为墙表面积，经计算为1194m2。放热时：平均温度（估算）查得墙体比热C=1050J/kg.，密度=1800kg/m3，蓄热系数S=10.53W/m2.是墙体的极限蓄热量,如果蓄热量尚未达到极限，每天需要补充的热量等于夜间放出的热量。3.3.5 循环水加热量由于该游泳池采用循环加药方式净化，故只考虑加药设备的管路热损失以及为保证水质加入的补充水耗热量。3.3.5.1 管路热损失由于管网封闭，热损失不大，因此假设为1%3.3.5.2 补充水耗热量: 假设每天补充1/20 的上水 3.3.5.3 总计 3.3.6 综合考虑假设游泳池每天运行16小时，则综合上述5项热负荷计算结果为： 3.3.6.1运行时的稳态耗热量加热水（热交换器负荷）加热空气（散热片负荷）总负荷 3.3.6.2 启动时的瞬间耗热量加热墙体（假设运行时间34=16 h）加热空气总负荷 3.3.7 现有蓄热设备6t汽-水热交换器2台，提前将水加热至100，则蓄热能力为瞬时热负荷超过蓄热量。4 改造分析4.1 现行状况分析 4.1.1 供热能力分析现有锅炉一台（上海工业锅炉厂WNS-2.4-1）在额定工况（1.0Mpa）下，饱和水蒸气汽化潜热为 2013 kJ/kg假设过冷度为30（蓄热设备的蓄热能力见热负荷分析） 4.1.2 热负荷分析表4.1 热负荷分析稳态（kJ/h）瞬态（kJ）蓄热能力（kJ）淋浴热负荷15,026,400N/A6,344,480宾馆热负荷N/A3,555,5804,007,040游泳池热负荷639,8846,059,0824,758,360供热能力5,145,600N/AN/A 4.1.3 结论根据表4.1，可见宾馆的蓄热设备足以供应宾馆的全天热负荷；游泳池的蓄热设备不足以供应游泳池的瞬时启动负荷；锅炉的持续供热能力不足以供应淋浴及游泳池的热负荷需求。4.2 改造建议 4.2.1 解决方式有两种方式可以解决问题：添加更多的蓄热设备；增添锅炉。虽然方式比较经济，但考虑到现有锅炉房面积不够容纳大量蓄热设备，而且目前仅一台锅炉，对热负荷的适应性不够，也不利于设备的维护和检修，因此建议采用方式，增添一台锅炉。这样不仅能够解决现有问题，而且为将来学校进一步扩容做好了准备。 4.2.2锅炉选型原则 应能满足供热介质和参数的要求蒸汽锅炉的压力和温度，根据生产工艺的需要，考虑管网及锅炉房内部阻力损失，结合蒸汽锅炉型式来确定。为方便设计、安装、运行和维护，同一锅炉房内宜采用同型号、相同热介质的锅炉。当选用不同类型时，不宜超过两种。 应符合规范、规定要求。 应能保证安全及有效燃烧对负荷的适应性要好；配置的燃烧器及自动控制装置，要保证燃料充分燃烧，热效率高；消烟、降噪声、环保效果好；具有良好的安全保护装置。 所选用锅炉的基建投资、运行管理费用及维修费用要低。根据以上原则，为了使用和维护的方便，加装一台同型号的锅炉（上海工业锅炉厂WNS-2.4-1）。 4.2.3 校核负荷在洗澡高峰的2.5小时内，锅炉共能产生的热量为：现有蓄热设备的蓄热量：能够供应的热量为：总共需要热量：由于尚不能满足需要，因此采用折中的方法，加装一对同类型热交换器，达到蓄热的目的。这样基本满足了供热需求。游泳池启动时蓄热器不足以提供的热量可以通过持续运行锅炉一段时间的方法来解决。大约需继续运行7.5分钟。5 系统设计5.1 汽水系统设计5.1.1 锅炉给水设备锅炉型号：上海工业锅炉厂WNS-2.4-1，2台；出汽量：2.4 t/h；额定工作压力：1.0 MPa；安全系数：K=1.03；排污率估算：Ppw=10%。锅炉给水泵型号? 表5.1 锅炉给水泵资料流量（m3/h）扬程（m）转速（r/min）泵效率（%）轴功率（kW）电机功率（kW）允许吸上真空高度（m）电机配用型号5.1.2 水处理设备根据，锅炉水质指标如下：当锅炉蒸汽压力1.0 Mpa时，给水总硬度Sgs0.03 mmol/L，锅水总碱度Ags626 mmol/L，给水溶解氧0.1 mg/L。由于上水的硬度不能满足使用要求，因此需要除硬（而且还需除氧）。同时，凝结水可以回收一部分，但是目前不能预测凝结水回收率，所以设计时以所有锅炉给水的软化为基准。水量为：校核排污率（按碱平衡，由于凝结回水不能保证质量，故不考虑）：符合估算值。由于排污率小于10%，只需除硬，故使用Na离子交换器即可。全自动软化水装置型号? 表5.2 软化水装置资料工作交换容量（mol）软水流量（t/h）交换筒直径高度（in）树脂装载量,L再生盐耗（kg/次）再生总需时间（min）进出口管径（in）装置重量（kg）建议放置空间（长宽高）电源进口压力?为保证水处理效果，选用软水增压泵2台，1备1用。选用型号：?泵（上海沪工管道泵厂）表5.3 软水增压泵资料流量（m3/h）扬程（m）转速（r/min）泵效率（%）电机功率（kW）必需汽蚀余量（r）5.1.3 除氧设备由于热力除氧效果好，技术成熟，故首先考虑热力除氧器。选用型号：F111-0 热力除氧器（武汉锅炉辅机厂）表5.4 F111-0 热力除氧器资料额定出力（m3/h）水箱容积（m3）工作压力（MPa）喷射口压力（MPa）6.040.020.2工作温度（）进口水温（）出水含氧量（mg/L）104400.05计算耗汽量:可见在蒸气参数不高的情况下，采用热力除氧方式将损失大量蒸气。目前的供热能力尚不能提供这样大量的蒸气，因此放弃采用热力除氧方式，改用解吸式除氧器。选用型号?表5.5解吸式除氧器资料?额定出力（m3/h）水箱容积（m3）功率（kW）电源电压（V）喷射口压力（Mpa）进口水温（）出水含氧量（mg/L）?8700.1配套水箱型号：?尺寸（长宽高）：?（mm3）（本设计将软化水箱与除氧水箱合二为一）为保证除氧效果，选用除氧泵2台，1备1用。（为防止锅炉给水泵发生汽蚀，将除氧器和水箱布置于屋顶高5m处）选用给水泵型号?表5.6卧式热水泵资料流量（m3/h）扬程（m）转速（r/min）泵效率（%）电机功率（kW）必需汽蚀余量（r） 5.1.4 凝水回收为降低运行成本，本设计将凝结水全部回收。凝结水将引入除氧水泵，为克服管路阻力，设置凝结水泵。选用型号? 表5.7热水泵资料流量（m3/h）扬程（m）转速（r/min）泵效率（%）电机功率（kW）必需汽蚀余量（r） 5.1.5 管径确定按照公式：Dn 计算管径G 管内介质流速；v 管内介质比容；w 管内介质推荐流速。各管段管径计算如下：表5.1 各管段管径计算管段名称流量（t/h）比容（m3/kg）推荐流速（m/s）计算直径（mm）选用直径（mm）蒸气母管2.425给水总管5.441.5给水分管2.721.5供汽总管4.825供汽分管2.425供汽单管1.225凝水总管4.81.5凝水分管2.41.5凝水单管1.21.5热水总管601.5热水分管301.5热水单管151.5 5.1.6 分汽缸制造假设蒸气在分汽缸中的流速为 w = 15 m/s；蒸气比容 v = 0.1943 m3/kg；由于分汽缸上最大接管直径为1334.5，根据标准至少选取2倍直径的分汽缸 ，因此分汽缸选用直径为 ? 的无缝钢管制造。两端均采用椭球形封头。分汽缸由专业厂家制造。相邻管间距应符合结构强度要求和便于阀门的安装及检修，根据相邻管的管径，管间距如图 5.1 所示图5.1 分汽缸管间距图分汽缸入口接管2根，894，分别来自两台锅炉；出口分配接管3根，均按照最大流量计算，1334.5，分别接至淋浴用换热器、宾馆换热器和游泳池换热器。 5.1.7 锅炉排污由于本设计锅炉蒸发量不大，参数不高，不设连续排污扩容器。本设计锅炉安装有定期排污装置，将排出的高温水引至排污降温池，冷却至50，再排入下水道。同时，为了锅水化验需要，每台锅炉设有锅水取样冷却器一台。选择型号为254，（无锡锅炉厂）。5.1.7.1 排污量计算定期排污每台锅炉每天不少于2次，每次排污时间0.51.0min。定期排污量：其中d：锅筒直径；l：锅筒长度；l：水位变化，一般取0.1m。定期排污量取0.8m3。 5.1.7.2 降温池计算进入降温池的水量：其中Dpw：锅炉定期排污量；q：二次蒸发所带走的水量；t1=锅炉额定压力下的饱和温度；t2=降温池中1大气压下的饱和温度；cs=4.18 kJ/kg，水的比热；r=2256.9 kJ/kg，1大气压下水的汽化潜热；s：降温池中水的密度，取1t/m3。需掺入的冷却水量：其中ty=50，允许排入下水道的水温；t1=20，冷却水水温；t2=100，排污水水温。降温池的总容积：V3：保护层容积，按高0.30.5m 计。 5.1.7.3 锅水加药定期排污前常需向锅水中加药，碱性药剂与锅炉给水中的结垢物质（主要是钙镁盐类发生化学作用，生成松散的水渣CaCO3、Mg(OH)2沉积出来，再通过锅炉排污，将沉渣排出锅炉。5.1.8 主要阀门截止阀作关断用，适用于全开全闭的场合。截止阀的介质流动阻力较大，阀体长度也较大，但密封面的检修方便。用于水泵出口、分汽缸、水处理设备等场合。根据流量和压力要求，本设计采用型号为J41H-15-200C。止回阀用于单向流动的场合，在通向锅筒的给水管道上、离心水泵的出口处都应使用止回阀。根据流量和压力要求，本设计采用型号为H41H-20-150。疏水阀用于排除凝结水，本设计采用STF系列反冲过滤旁通疏水阀。5.1.9 管道保温汽水管道介质温度高于50摄氏度，除废气排放管、取样管、安全阀排水及排汽管、排污管的埋地部分外，其余均应保温。管道保温按照GB4272-84设备及管道保温技术通则和GB8175-87设备及管道设计导则等规定执行。水管保温材料采用超细玻璃棉，蒸汽管保温材料采用微孔硅酸钙，厚度见下表：表5.2 各管段保温厚度管段名称选用直径（mm）保温厚度（mm）蒸气母管89460给水总管DN 3240给水分管DN 2540供汽总管1334.560供汽分管89460供汽单管63.53.550凝水总管DN 3240凝水分管DN 2540凝水单管DN 2040热水总管DN 12560热水分管DN 10060热水单管DN 6550保温层外包1.2mm 厚阻燃型玻璃钢保护壳。阀门保温尽量用同型管。分汽缸、除氧水箱、除氧器、钢烟道的保温采用矿棉复合板材，保温厚度60mm，外缠玻璃布两层，再扎铁丝网，而后粉20mm厚石棉水泥作保护壳。5.1.10 管道防腐和漆色所有管道经试压合格后，外表应清除油垢和锈蚀，并刷防锈漆一度，不保温管再刷漆一度。保温管在保护壳外再刷面漆一度。锅炉房内的管道表面或其保温层表面的油漆颜色，应按管道类别有所区别，见下表：表5.3 管道漆色表管道名称底色色环饱和蒸汽管红-排汽管红黑锅炉排污管黑-锅炉给水管绿-凝结水管绿红软化（补给）水管绿白生水管绿黄油管橙黄-烟道暗灰-管道色环的宽度（以管子或保温层外径为准），外径150mm以下为50mm；150300者为70mm，300以上为100mm。除管道弯头及穿墙处必须加色环外，直管段上色环间距一般为12.5m。管道上一般宜有表示介质流向的箭头，箭头一般漆白色或黄色，底色浅者则漆深色箭头。5.2 燃气系统设计 5.2.1 燃料计算已知燃料为混合煤气，资料如下表5.4 混合煤气资料成分H2COCH4C3H6C3H8C4H10N2O2CO2H2S%48.020.013.01.7N/AN/A12.0.84.5N/A低位发热量kJ/m3理论空气量理论烟气量(干)理论烟气量(湿)燃烧温度13836?则单台锅炉气耗量Bi ：锅炉效率，本锅炉为85%hg：生蒸汽焓，2779.7 kJ/kg；hg：给水焓，359.3 kJ/kg；两台锅炉的总耗气量B：介质温度 t 取10介质压力 p：则计算流量Qs：5.2.2 供气管道直径计算先估计管径，取推荐流速。干管：推荐流速w=8 m/s；取公称直径 ?支管：推荐流速w=7 m/s；取公称直径 ? 5.2.3 送风系统空气过量系数=1.05则单台送风量Vki ：采用正压通风，前置鼓风机，由配套燃烧器提供；不设引风机。5.2.4 排烟系统烟气量Vpyi ：取烟囱长度H=5m，出口流速w2=15m/s，则烟囱出口直径d2：两台锅炉均有各自独立的烟囱。 5.2.5 烟囱抽力计算排烟温度 y=180；表 5.5 烟气成分计算表1成分H2COCH4C3H6C3H8C4H10N2O2CO2H2S%48.020.013.01.7N/AN/A12.00.84.5N/A生成H20?生成量?生成CO2?生成量?烟气成分：氧气忽略不计。表 5.6 烟气成分计算表2H20CO2N2含量（%）密度（kg/Nm3）烟气平均密度：自生风为：鼓风机与自生风之和应大于锅炉烟道阻力，以保证炉膛正压燃烧。5.2.6 吹扫系统燃气管道在停止运行进行检修时，为检修工作安全，需要把管道内的燃气吹扫干净；系统在较长时间停止工作后再投入运行前，为防止燃气空气混合物进入炉膛引起爆炸，亦需进行吹扫，将可燃混合气体排入大气。因此，在锅炉房供气系统设计中，应设置吹扫系统。本设计使用惰性气体进行吹扫。根据燃气管道的直径，选择放散管直径。表5.7 放散管直径选取管段名称管段直径（mm）放散管直径（mm）燃气干管25065燃气支管20065放散管引至室外，出口高出屋脊2 m。详细情况见设计图纸。 5.2.7 调压系统为了保证燃气锅炉能安全稳定的燃烧，对于供给燃烧器的气体燃料，应根据燃烧设备的设计要求保持一定的压力。在一般情况下，从气源经城市煤气管网供给用户的燃气，如果直接供锅炉使用，往往压力偏高或压力波动太大，不能保证稳定燃烧。当压力偏高时，会引起脱火和发出很大的噪声；当压力波动太大时，可能引起回火或脱火，甚至引起锅炉爆炸事故。因此，对供给锅炉使用的燃气，必须经过调压。由于本设计的原锅炉房已经使用了调压站，因此继续使用原有系统。6 锅炉房工艺布置锅炉房工艺布置的内容包括各种工艺设备及管道、燃料储运和水、烟、灰渣排放设施的布置；同时，还包括锅炉房区域内的建筑物和构筑物的布置方案。锅炉房布置应满足各种设备的工作安全可靠，运行管理和安装检修便利；同时还应节省用地用材，提高建设和运行的经济性。6.1建筑安全要求本锅炉房应为二级耐火等级的建筑；锅炉房与相邻建筑物之间应留有防火间距；出于安全方面的考虑，锅炉房应采用轻型屋顶；由于本设计炉前走道总长度不大于12m，且为单层锅炉房，其出入口可只设一个；为了保证锅炉房工作人员的出入，以及当锅炉爆炸时，门趋向自动关闭，和其他房间隔离，锅炉房通向室外的门应向外开启，锅炉房内的工作间或生活间直接通向锅炉间的门应向锅炉间内开启；锅炉房地面应平整无台阶。6.2 设备布置锅炉房内各种设备的布置应保证工作安全可靠、运行管理和安装检修便利；设备的位置应符合工艺流程，以便于操作和缩短管线。此外，设备布置还应能合理利用建筑面积和建筑空间，以减少土建投资和占地面积。需要经常进行操作或监视的设备，操作部位前应留有足够的操作面；设备需要接管的部位，应留有安装管道及其附件的位置；各设备都应有通道通达，以便于运行中检查设备运转情况和安装检修时设备及部件的搬运。锅炉与建筑物之间的净距，应满足操作、检修和布置辅助设施的需要。本设计中锅炉蒸发量为2.4 t/h，炉前净距不宜小于3.0m，侧面和后面的通道净距不宜小于0.8m。但本锅炉房建筑面积有限，不能完全达到此标准：炉前净距为2.5m，锅炉后面通道净距0.8m。水处理间主要操作通道的净距不应小于1.5m，辅助设备操作通道的净距不宜小于0.8m，所有通道均应适应检修的需要。本设计中除氧器及两台热交换器位于屋顶，属于露天布置，应采取防雨、防风、防冻和防腐措施。管道间距见下表：表6.1 管道间距表保温管道不保温管道管道与墙的距离不小于150mm不小于200mm管道与梁、柱、设备之间的局部距离不小于100mm不小于150mm管道离地面（楼面、平台）的净距不小于300mm不小于350mm两根平行布置管道的净距不小于150mm不小于200mm管道跨越人行通道的净空距离不小于2000mm不小于2000mm管道外表至地沟的净距不小于200mm不小于200mm地沟内相邻两管净距垂直方向水平方向不小于50mm不小于50mm不小于150mm不小于100mm管道排汽口离屋面（或楼台、平台）的高度不小于2500mm不小于150mm7 自动控制系统7.1 锅筒水位自动调节锅筒水位是蒸汽锅炉运行中最重要的参数之一，它是影响锅炉安全运行的重要因素。无论从是从生产工艺还是从锅炉安全运行的角度，都要求将水位限定在一定范围内，水位过高或过低都是不允许的。锅筒水位自动调节的任务及时补充锅筒中蒸发掉的水分，将锅筒水位控制在规定范围内。由于本设计中锅炉蒸发量为2.4t/h，根据参考文献，采用位式调节。它是通过水泵的起停或水路电磁阀的通断进行控制，属于非连续