3吨燃油锅炉的设计.doc

第第 1 页页 共共 41 页页 3T燃油锅炉的设计燃油锅炉的设计 毕业设计说明书 目 毕业设计说明书 目 录录 1 绪论 2 1 1 我国能源的形势与问题 2 1 2 燃油燃气锅炉发展简史 2 1 3 燃油燃气锅炉发展方向 4 2 燃油燃气锅炉结构及其工作流程 6 2 1 燃油燃气锅炉整体结构 6 2 2 燃油燃气锅炉工作流程 7 3 设计的初步数据 9 3 1 设计计算对象 9 3 2 燃料特性表 9 3 3 理论空气量及燃烧产物 9 3 4 补充烟气温焓表 10 4 3 吨燃油锅炉设计的热力计算 11 4 1 锅炉热平衡计算 11 4 2 炉胆传热计算 16 4 3 对流受热面计算 23 5 锅炉烟风阻力 37 6 受压元件强度 38 6 1 受压元件强度分析 38 6 2 锅炉受压元件强度计算 39 结论 41 参考资料 43 致谢 44 附录 45 第第 2 页页 共共 41 页页 1 1 绪论绪论 1 1 我国能源的形势与问题我国能源的形势与问题 能源是人类社会和经济发展的基本条件之一 我国过去基本上依赖单一能源维持国 民经济增长 能源的消费结构长期以来一直跟不上我国国民经济的发展和人民生活水平 的提高 我国能源生产和消费的主要特点是以煤为主 八五 起见 一次能源生产的年 平均增长率为 4 37 能源的消费结构是 原煤占 75 3 油占 17 5 天然气占 1 9 水电占 5 3 这种以煤为主的能源结构带来的问题是防止污染的费用日益增加 其次 对铁路运输也造成了压力 据预测 到 2020 年我国能源需求量将至少增加 108t 标准煤 因此 如何减少煤炭资源的消耗及不断开发可再生能源已经成为我国解决能源 矛盾的主要方向 但是由于可再生能源 如太阳能 风能 生物能 地热能等本身条件的限 制 至少在 21 世纪前半叶 我国能源消费结构将不会作出很大改变 同时 随着经济和 科学技术的发展 特别是人类对生活质量和生存环境要求的日益增加 油 天然气作为优 质 洁净的燃料和原料 越来越引起人们的重视 因此 加快油和天然气的开发利用是缓 解我国能源供需矛盾和优化能源结构的一项重要措施 1 2 燃油燃气锅炉发展简史燃油燃气锅炉发展简史 锅炉的产生是人们对液体进行加热的认识基础上发展起来的 采用燃烧的方式对液 体的加热大体上可分为直接加热和间接加热 所谓间接加热 就是高温火焰或者烟气与 加热的物料不直接接触或者用固定导热体隔开 锅炉就是采用间接加热原理加热介质的 対圆筒中的水进行直接火焰加热 即把锅筒直接放置在燃烧设备上方加热 就是间接加 热的一种 这种简单的加热方式热效率较低 为 45 55 一般只能用作厨房燃具 以后在此基础上形成了火管式锅炉和水管式锅炉 所谓直接加热 就是高温火焰或者烟 气与被加热的物料直接接触 这种加热方式一般有三类 一类是用短火焰或者高温烟气 直接烘烤固体 对固体进行局部性快速加热 如热处理炉加热 二类是高温烟气和被加 热的液体介质进行混合 将低温的气体物质加热成高温介质 如直燃式的暖风机 三类 是高温烟气和被加热的液体介质进行混合加热 如侵没燃烧加热 对于一些小型的采暖 锅炉 当燃用比较清洁的气体燃料时 也可直接将锅炉尾部的烟气和冷水相接触 将水 加热以供应热水 同时最大限度地利用锅炉尾部余热 从锅炉技术的发展史可以看出 锅炉的发展可以归纳为两个不同的方向 这两个方 第第 3 页页 共共 41 页页 向都是在对液体间接加热的基础上演变而来 了解这一锅炉的发展渊源 对我们更好地 开发新产品会有一定的指导作用 一个方向是在圆筒形锅炉的基础上 在圆筒内部增加受热面积 开始是在一个大圆 筒内部增加了一个火铜 燃料在火筒燃烧 以后增加到两个火筒 再以后从两个火筒发 展到很多小直径的烟管 后来容量增大后发展为卧式的火筒 这些锅炉因为燃料燃烧后 的高温烟气在火筒和烟管中流动 所以统称为火管或者锅壳式锅炉 如下图所示 图 1 1 火管锅炉 另一个方向是在圆筒形锅炉的基础上 在圆筒外部增加水筒的数目 燃料在筒外燃 耗 和火管式锅炉的发展相类似 水管的数目不断增加 发展成为很多小直径的水管 也有一开始就采用盘旋的一次直流水管直接快速地加热工质 这些锅炉因为水在管中流 动 所以统称为水管式锅炉 图 1 2 水管锅炉 燃油燃气锅炉就其本体结构而言可分为火管锅炉和水管锅炉 火管锅炉结构简单 水及蒸汽容量大 对负荷变动适应性好 对水质的要求比水管锅炉低 多用于小型企业 生产工艺和生活采暖上 水管锅炉的受热面布置方便 传热性能好 在结构上可用于大 容量和高参数的工况 但是对水质和运行水平要求较高 水火管锅炉是在火管锅炉和水 管锅炉的基础上发展起来的 具有两者的优点 对水质要求和水管锅炉相似 火管锅炉 因为容量较小 结构紧凑 一般制成快装式锅炉 容量不大的水管锅炉也可制成快装锅 炉 以便于运输和现场安装 第第 4 页页 共共 41 页页 中小型燃油燃气锅炉的发展 大体上可分为三个不同的时期 1 从燃煤过路的基础上法则而来 锅炉结构仍然保留着燃煤锅炉的特点 它只是 去除了燃煤的燃烧设备 对炉膛稍加改装后 加装燃油燃气燃烧装置而成的 2 第二次世界大战后 小型燃油锅炉得到了很大发展 这些锅炉是按照燃油船用 锅炉的要求进行设计的 其结构 形式的发展均受到船用锅炉空间的限制 燃油燃气燃 烧器也没有进行标准化生产 在其它工业中的应用受到限制 3 专门按照燃油燃气的燃烧器特点进行设计的燃油燃气锅炉 随着工业化的发展 对燃油燃气锅炉的容量和参数提出了更高的要求 另外 鉴于城市大气污染日趋严重 因此国家对锅炉的排放物提出了日益严格的限制 很多国家的能源消费结构发生了很大 变化 因此 70 年代以来 发达国家中小型锅炉燃用轻质油 天然气等清洁的份额日渐 增多 燃油燃气锅炉进入独立开发的发展时期 1 3 燃油燃气锅炉发展方向燃油燃气锅炉发展方向 随着我国改革开放的不断深化 全国各地经济建设的迅速发展 城市高层民用建筑 的快速崛起 国家对环保工作提出更高要求 油气资源的大力开发 燃油燃气锅炉应用 逐年上升 综观最近几年燃油燃气锅炉的改造发展 我们可以总结出未来的发展方向如 下 1 锅炉效率越来越高 燃油燃气锅炉的高效率意味着可以节约日益紧张和昂贵的 能源 2 结构越来越简单 采用简单结构构成的受热面 减少同种材料的不同使用规格 3 使用更加简易的配套辅机 给水泵 重油泵 重油加热器 鼓风机和其他一些辅机 要和锅炉本体一起装配 且要保证运输的可靠性 特别是快装锅炉 应尽可能地避免采 用引风机 4 自动化程度更加高并配有多级保护系统 燃油和燃气公路不仅要保证高效率 还有使其操作简单 可靠 不仅要配有完善的全自动燃烧控制装置 更要配有多级安全保 护系统 应具有锅炉缺水 超压 超温 熄火保护 点火程序控制及声 光 电报警 5 配备燃烧器 送风机 和烟道消音系统 减低锅炉的运行噪音 6 配备其他监测装置和限制装置 保证锅炉 24 小时无监督安全运行 第第 5 页页 共共 41 页页 2 2 燃油燃气锅炉结构及其工作流程燃油燃气锅炉结构及其工作流程 2 1 燃油燃气锅炉整体结构燃油燃气锅炉整体结构 图 2 1 锅炉整体结构图 锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分 锅炉中的炉膛 锅筒 燃烧器 水冷壁过热器 省煤器 空气预热器 构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分 称为锅炉本体 锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒 炉膛又称燃烧室 是供燃料燃烧的空间 将固体燃料放在炉排上 进行火床燃烧的 炉膛称为层燃炉 又称火床炉 将液体 气体或磨成粉状的固体燃料 喷入火室燃烧的 炉膛称为室燃炉 又称火室炉 空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧 并适于燃烧劣质 燃料的炉膛称为沸腾炉 又称流化床炉 利用空气流使煤粒高速旋转 并强烈火烧的圆 筒形炉膛称为旋风炉 炉膛的横截面一般为正方形或矩形 燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气 所以 炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成 在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管 它 既保护炉墙不致烧坏 又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热 炉膛设计需要充分考虑使用燃料的特性 每台锅炉应尽量燃用原设计的燃料 燃用 特性差别较大的燃料时锅炉运行的经济性和可靠性都可能降低 锅筒是自然循环和多次强制循环锅炉中 接受省煤器来的给水 联接循环回路 并 第第 6 页页 共共 41 页页 向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器 锅筒简体由优质厚钢板制成 是锅炉中最重的部 件之一 锅筒的主要功能是储水 进行汽水分离 在运行中排除锅水中的盐水和泥渣 避免 含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中 锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置 给水分配管 排污和加药设备等 其 中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来 并尽量减少蒸汽中携 带的细小水滴 中 低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件 中压以上的锅炉除 广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外 还用百页窗 钢丝网或均汽板等进行进 一步分离 锅筒上还装有水位表 安全阀等监测和保护设施 2 2 燃油燃气锅炉工作流程燃油燃气锅炉工作流程 燃油燃气锅炉接通电源后 首先进行安全检查 自动检测电源是否正常 传感器是 否正常 水位是否处于安全位置 锅炉本体是否处于过热状态 通过安全检查后 燃烧 设备开始吹扫 点火 锅炉升温后 当达到设定温度的 80 后 控制系统启动循环水泵 使系统正常运行 锅炉停机时 首先关闭燃烧设备 再关闭循环水泵 最后整机停止工 作 燃油燃气锅炉炉体内的工作流程却是极其简单 锅炉给水先经过省煤器加热升温后流入 锅炉炉体储存 燃油或者燃气经过燃烧器雾化 燃气不需要雾化 喷入炉膛内点燃燃烧 产生的高温烟气使过冷水变成饱和蒸汽 饱和蒸汽由蒸汽出口流出输送到又需要的用户 使用 而高温烟气则依次流经第一烟管 过热器 第二烟管和空气预热器 最后排放到环境 中去 可以用下面图形完美表现出来 过冷水省煤器 炉胆 燃油燃气燃烧器 过热器 第一烟管 用户 过热器第二烟管 第第 7 页页 共共 41 页页 图图 2 2 锅炉流程图锅炉流程图 3 3 设计的初步设计的初步数据数据 3 1 设计计算对象设计计算对象 锅炉额定蒸发量 D 10 t h 锅炉额定蒸汽压力 P 1 25 MPa 锅炉饱和蒸汽温度 tbq 193 35 给水温度 tgs 38 排污率 5 蒸汽带水率 W 4 冷空气温度 tlk 30 热空气温度 trk 30 设计燃料 重油 选取大庆原油常压重油 燃烧方式 室燃 锅炉形式 锅壳式燃油汽湿式三回程 3 2 燃料特性表燃料特性表 表表 3 13 1 燃料特性表燃料特性表 ar c ar H ar o ar N ar S ar A ar MkgkjQ arvnet 83 97612 23 0 568 0 20 1 0 0260 242341 3 3 理论空气量及燃烧产物理论空气量及燃烧产物 表表 3 23 2 理论空气量及燃烧产物理论空气量及燃烧产物 名称符号单位公式结果 理论空气量 0 Vm3 kg 1 866Car 5 55Har 0 7Sar 0 7Oar 100 0 21 4 1380 理论氮气容积 0 2 N V m3 kg0 79 0 008Nar 0 V 3 2693 第一烟管 空气预热 器 用户 环境 第第 8 页页 共共 41 页页 理论水蒸汽容积 0 2O H V m3 kg0 0124War 0 111Har 0 0161 0 V 0 7299 RO2容积 2 RO V m3 kg 1 866Car 0 7Sar 100 0 8686 3 4 补充烟气温焓表补充烟气温焓表 表表 3 33 3 烟气温焓表烟气温焓表 温度理论烟焓空气焓 炉膛出口1 1 烟管出口1 1 py y I k I y I I y I I 100 1598141717391739 200 323528503520182835201828 300 491643105347187753471877 400 664458007224192772241927 500 841973249152197691521976 600 102408882111302023111302023 700 1210010470131502066131502066 800 1401012090152202105152202105 9001595013740173202141173202141 10001792015410194602172194602172 11001993017090216302199216302199 12002195018800238302223238302223 13002401020510200602244260602244 14002608022240283002263283002263 15002817023980305602279305602279 16003027025730328402294328402294 17003239027480351402308351402308 18003552029250374502322374502322 19003666031030397702334397702344 20003882032820421002346421002346 第第 9 页页 共共 41 页页 21004099034610444502356444502356 220043160364204680046800 4 4 3 3 吨燃油锅炉设计的热力计算吨燃油锅炉设计的热力计算 4 1 锅炉热平衡计算锅炉热平衡计算 4 1 1 热平衡 燃油燃气锅炉热力计算的主要目的是确定足够的受热面 以保证锅炉合理的出力和 热效率 油 气燃料的燃烧过程和燃烧后产生的烟气与固体燃料相比 有许多不同之处 因而燃油燃气锅炉的性能 结构和热力计算与燃煤锅炉相比 也有其特点 燃油燃气锅 炉的热力计算主要包括 1 锅炉的热平衡计算 2 炉膛 炉胆 的受热面计算 3 对流受热面计算 锅炉系统的热平衡计算 是为了保证送入锅炉机组的热量与有效利用热及各项热损 失的总和相平衡 并在此基础上计算出锅炉机组的热效率和燃料消耗量 热平衡计算是 在锅炉机组处于稳定的热力工况下进行的 对燃油 燃气锅炉 一般均以标态下 1kg 燃 料油或 1m3气体燃料为基准计算 锅炉机组热平衡方程的普遍形式为 kJ kg 或 kJ m3 4 1 123456 r QQQQQQQ 式中 Qr 送入锅炉系统的热量 Q 1 锅炉系统的有效利用热 Q2 排烟带走的热量 Q3 气体不完全燃烧 又称化学不完全燃烧 损失的热量 Q4 固体不完全燃烧 又称机械不完全燃烧 损失的热量 第第 10 页页 共共 41 页页 Q5 锅炉系统向周围空气散失的热量 Q6 燃料中灰渣带走的热量 对气体燃料 上式各热量值均相对于 1 m3燃气 单位为 kJ m3 对液体燃料 则相 对于 1 kg 燃料油 单位为 kJ kg 由于木屑的含灰量很小 Q6可以忽略 同时 此木屑 燃料时一般没有不完全燃烧现象 即 Q4 0 所以热平衡方程改为 kJ kg 或 kJ m3 4 2 1235r QQQQQ 4 1 2 锅炉输入热量 相对于 1kg 燃料油或 1 m3燃气送入锅炉系统的热量 Qr kJ kg 或 kJ m3 是指锅炉范 围以外输入的热量 可按下式计 4 3 rnet v arrzqwl QQiQQ 式中 Qnet v ar 燃料的低位发热量值 kJ kg 或 kJ m3 Qwl 用锅炉系统以外的热量加热送入锅炉的空气时 相应于每 kg 燃料油或每 m3燃气所具有的热量 kJ kg 或 kJ m3 ir 油或燃气的物理显热 kJ kg 或 kJ m3 Qzq 雾化燃油所用蒸汽带入的热量 kJ kg 4 1 3 排烟损失 在燃油燃气锅炉中最主要的损失是排烟损失 它决定于排烟温度和排烟量 对于一 定的燃料 排烟量决定于过剩空气系数的大小 而过剩空气系数又是和燃烧状况直接有 关的 排烟热损失 q2可用锅炉机组的排烟和冷空气的焓差计算 4 4 4 2 2 100 100100 pypylk rr IIq Q q QQ 式中 Ipy 在排烟过剩空气系数及排烟温度下 相应于 1 kg 燃料油或 1 m3燃气的排烟 第第 11 页页 共共 41 页页 的焓 kJ kg 或 kJ m3 py 排烟的过剩空气系数 I lk 在送入锅炉的空气温度下 1 kg 燃料油或 1 m3燃气所需要的理论空气焓 kJ kg 或 kJ m3 4 1 4 气体不完全燃烧热损失 q3 气体不完全燃烧热损失 q3是指排烟中未完全燃烧或燃尽的可燃气体所带走的热量 占送入锅炉输入热的份额 在设计计算时 对燃油锅炉 q3可取 1 1 5 对燃用天然 气 油气伴生气和焦炉煤气的锅炉 可取 q3 0 5 对燃用高炉煤气的锅炉 取 q3 1 本让木屑锅炉中 q3取 0 5 对运行锅炉 借排烟处烟气成份的分析 可按下 述公式进行计算 4 5 324 0 110 0630 225 885 5 py qCOHCH 气体不完全燃烧热损失大小主要取决于燃烧成分 炉膛过剩空气系数 所用燃烧器 燃烧器与炉膛匹配是否适当以及运行操作是否合理 一台运行的锅炉 此项热损失究竟 多大 要靠烟气分析的结果确定 4 1 5 机械不完全燃烧损失 q4 对燃木屑锅炉来说 机械不完全燃烧热损失 q4是木屑中的碳未完全燃烧引起的 在 燃木屑锅炉的烟气中 木屑灰中碳粒子的来源 一是木屑燃烧后剩下来的焦粒 另一个 来源是木屑烟气热分解形成的碳黑 它是很细的 直径只有 0 01 0 15 微米 一般是用烟色来监督烟气中碳黑的含量 但是必须指出 烟色决定于烟气中所含固 体粒字的表面积 他除了和碳粒的重量有关外 还和他的直径有关 4 1 6 散热损失 q5 散热损失 q5是指锅炉围护结构和锅炉机组范围内的气 水管道以及烟风道等 受外 部大气对流冷却和向外热辐射所散失的热量 它与周围大气的温度 露天布置时的室外 温度 室内布置时的室内温度 风速 围护结构的保温情况以及散热表面积的大小 形 状等有关 同时还与锅炉的额定容量和运行负荷的大小有关 一般根据经验数据和近似 计算的办法确定 第第 12 页页 共共 41 页页 4 1 7 锅炉有效利用热 Q1 锅炉有效利用热 Q1系指锅炉供出工质的总焓与给水焓的差值 对饱和蒸锅炉为 kJ s 4 6 1 100 zybqgspwbsgs rW QDDiiDii 对于过热蒸汽锅炉 kJ s 4 7 1gqgszyzygspwbsgs QD iiDiiDii 式中 D 锅炉蒸发量 kg s Dzy 锅炉自用蒸汽量 kg s Dpw 锅炉排污量 kg s ibq 饱和蒸汽焓 kg s igq 过热蒸汽焓 kJ kg izy 自用蒸汽焓 kJ kg ibs 饱和水焓 kJ kg igs 给水焓 kJ kg W 蒸汽湿度 按饱和蒸汽的质量标准规定 对于水管锅炉 饱和蒸汽的蒸 汽湿度不大于 3 对于锅壳式锅炉 饱和蒸汽的蒸汽湿度不大于 5 当锅炉的排污量 小于 2 时 排污水的热耗可以忽略不计 对热水锅炉 MW 4 8 1Srshs QGCtt 式中 Q1 热水锅炉的输出热量 MW G 循环水流量 kg s trs 热水温度 ths 回水温度 Cs 水的比热 MJ kg 一般取 0 0041868MJ kg 第第 13 页页 共共 41 页页 4 1 8 锅炉的热效率和燃料消耗量 锅炉的热效率为 4 9 23456 100qqqqq 锅炉的燃量消耗量为 kg s 或 m3 s 4 10 1 100 r Q B Q 式中 B 燃料消耗量 kg s 或 m3 s 考虑到燃料消耗量 B 中有一部分随机械不完全燃烧损失带出 这一部分没有产生烟 气 应从 B 中扣除 这样可得计算燃料消耗量 kg s 或 m3 s 4 11 4 100 j r q BB Q 式中 Bj 计算燃料消耗量 kg s 或 m3 s 所谓计算燃料消耗量指的的是单位时间内实际参加燃烧产生烟气的燃料量 对此燃 木屑锅炉来讲 B Bj 在本文的热力计算中 空气或烟气的体积是按实际参加燃烧的燃 料量来计算的 在应用空气或烟气的体积来计算温焓表时采用计算燃料消耗量 表表 4 1 锅炉热平衡计算汇总表锅炉热平衡计算汇总表 第第 14 页页 共共 41 页页 10 燃料物理热 损失 q6 估取0 0 11 锅炉总热损 失 q 23456 qqqqq 12 1 12锅炉效率 65432 100qqqqq 87 9 13给水焓 gs i kJ kg查水 水蒸气物性表160 3 14饱和水焓 bh ikJ kg查水 水蒸气物性表806 8 15饱和气焓 bq i kJ kg查水 水蒸气物性表2785 2 16锅炉排污率 设计给定5 0 17蒸汽带水率W 设计给定4 0 18气化潜热RkJ kg查水 水蒸气物性表1964 0 19额定蒸发量Dkg h设计给定3000 0 20 锅炉有效利 用热 1 QkJ s 100 1gsbhgsbq iiD Wr iiDQ 2148 9 21 锅炉燃料消 耗量 Bkg h 100 1 arvnet Q Q 207 8 22 计算燃料消 耗量 Bjkg h 100 1 4 q B 207 8 23保热系数 5 q 0 972 4 2 炉胆传热计算炉胆传热计算 4 2 1 炉胆的传热过程 炉膛传热过程是与炉内燃烧过程烟气流动过程同时进行的 炉内既有燃烧反应的化 学过程 又有物质交换物理过程 因此炉膛传热过程十分复杂 目前 我国采用的炉膛 热力计算方法是运用了 相似理论 分析 并通过大量试验而综合得出的半经验计算公 式 近年来 随着电子计算机技术的发展 很多研究人员试图借助于数学模型用解析法 来研究和计算炉膛换热过程 已取得一定进展 炉膛传热计算的任务是确定堂辐射受热面 水冷壁 的吸热量和炉膛出口烟气温度 第第 15 页页 共共 41 页页 炉膛传热过程主要是高温火焰和水冷壁之间的辐射换热 炉内烟气流速较小 因而 对流传热较弱 所占炉膛换热份额很少 计算时可以忽略 4 2 2 炉膛传热的基本方程 炉膛传热计算也就是计算火焰与被火焰包围着的水冷壁之间的辐射换热量 根据斯 蒂芬 波尔茨曼定律辐射换热量为 kW 5 1 fbxtf HTTQ 4 4 0 式中 0 绝对黑体辐射常熟 其值为kW m2 K4 11 5 67 10 Hf 有效辐射受热面面积 m2 火焰平均温度 K T Tb 水冷壁表面温度 K xt 炉膛系统黑度 由烟气在炉膛内放出的热量应等于燃料在炉膛内有效放热量与炉膛出口烟气带走的 热量之差 即 kW 5 2 lljf TQBQ 式中 Ql 炉膛有效放热量 kJ kg I l 炉膛出口处烟气的焓 kJ kg 保热系数 Bj 每秒钟的计算燃料耗量 kg s 4 2 3 有效辐射受热面 炉内吸热是借炉膛内布置了辐射受热面 水冷壁管来达到 水冷壁的辐射受热面 面积并不等于所以管子的表面积 这是因为水冷壁管一般都是靠炉墙布置 只有曝光的 一面受到炉内火焰的辐射 而其背面只受到炉墙的反射辐射 所以不能完全利用 我们 称火焰投射到管壁受热面的总热量 Q 与投射到炉墙的热量 Qt之比为有效角系数 即 5 3 t xQ Q 它计及了火焰辐射与炉膛反射作用 x 的数值与管子的相对节距 S d 及管子中心线离 第第 16 页页 共共 41 页页 开炉墙的相对距离 e d 有关 在一定的 S d 下 增加 e d 则被炉墙反射后再落到水冷壁 管子上的辐射热量也增加 即增大了有效角系数 但当 e d 1 4 后 被炉墙反射后落到 水冷壁管上的辐射份额不再变化 在一定的e d下 增加 S d 火焰落到水冷壁管上的 份额减少 既 x 值下降 对锅壳式子燃油燃气锅炉来讲 火焰辐射热量全部落在水冷壁上 有效角系数为 1 炉膛出口烟囱对炉膛而言 可取 x 1 这是因为炉膛火焰辐射投射在出口烟囱上的 辐射热 陆续通过烟囱后各派管子 不会有反射 全部被吸收 三回程锅壳式锅炉回燃室的烟囱出口 不是管排组成 而是烟管的入口 也可取 x 1 有效角系数与炉膛壁面积的乘积成为有效辐射受热面 Hf xFb m2 5 4 式中 Fb 布置有水冷壁的炉墙壁面积 m2 如果某一区域的炉墙壁面积为 Fbi 有效角系数为 xi 则该区域的有效辐射受热面为 Hfi xiFbi 由于各区域布置水冷壁有效角系数不尽一样 炉膛总的有效辐射受热面为 Hf xiFbi m2 5 5 整个炉膛的平均有效角系数也称为炉膛水冷程度 即 5 6 fibi bibi Hx F x FF 在锅炉实际运行中 由于水冷壁被灰粒沾污 使管壁积灰层的表面温度升高及黑度 减小 以致不能忽略管壁本身的辐射 也就是导致水冷壁受热面吸热量的减少 因此 在计算中引入水冷壁管的沾污系数 即 5 7 投射到受热面的热量 受热面吸收的热量 在实际计算炉膛传热时 综合考虑沾污系数和有效角系数对传热的影响 即采用热 有效系数 5 8 t f Q Q 投射到炉壁的热量 受热面吸收的热量 这样 热有效系数 沾污系数和有效角系数三者的关系为 x 5 9 第第 17 页页 共共 41 页页 值越大 表示受热面吸收的热量越多 由于水冷壁不是绝对黑体 火焰和高温烟 气投射到水冷壁的热量 其中有一部分又被水冷壁反射到火焰 此外 水冷壁受热面由 于被沾污 表面温度升高 本身具有相当的辐射能力 4 2 4 火焰黑度 计算炉膛辐射换热时 涉及了系统黑度 它与炉膛中火焰黑度和水冷壁黑度有关 在炉膛中 沿着火焰的行程 火焰中具有辐射能力的介质如三原子气体 灰粒 焦炭粒 的浓度也是改变的 并且随燃料种类 燃烧方法 燃烧工况的变化而不同 在炉膛传染 计算中 只得采用平均的火焰黑度 而且以炉膛出口烟温和成分作为计算依据 在传热学中将火焰作为灰体 火焰黑度原则上可按下式计算 1 kps hy e 5 10 式中 k 火焰辐射减弱系数 是火焰中各辐射介质的减弱系数的代数和 1 m MPa P 炉膛压力 一般供热锅炉在常压下燃烧 故 P 0 1 MPa 5 11 S 有效辐射层厚度 可由下式计算 m 5 12 3 6 l l V S F Vl 炉膛有效容积 m3 Fl 炉膛包覆面积 m2 在燃用气体 重油时的火焰中 主要辐射介质是三原子气体 CO2和 H2O 及悬浮在火 焰中细微的碳黑粒子 4 2 5 炉膛有效放热量与理论燃烧温度 在炉膛内存在着燃烧放热和辐射受热面的吸热 有关辐射受热面的一些特性已在上 面述及了 在燃烧放热方面 这里要引出量与质的概念 在数量方面用炉膛有效放热量 来表示 在质量方面用理论燃烧温度来表示 第第 18 页页 共共 41 页页 炉膛有效放热量 Ql是对每 kg 或每 m3完全燃烧的燃料 计算燃料 而言 并计及了 加入炉膛的各种热量 即 kJ kg kJ m3 5 13 346 4 100 100 lrk qqq QQQ q 式中 Qr q3 q4 q6 各项已在热平衡计算中有了说明 Qk是燃烧所需的空气带入炉 膛的热量 Qr 是每 kg 或每 m3燃料带入炉膛的热量 在燃烧中由于有一定热损失 所以燃烧后 的有效放热量为 5 14 346 4 100 100 r qqq Q q 而折算到每 kg 或每 m3计算燃料时 燃料在炉膛内有效放热量为 5 15 34636 44 100 1 100100 rr qqqqq QQ qq 通常 Qr可以认为就是燃料的应用基低位发热量 Qnet v ar 根据炉膛有效放热量 Ql 就可求出炉膛理论燃烧温度 所谓理论燃烧温度 是假定在 绝热情况下将 Ql作为烟气的理论焓而得到理论燃烧温度 ll 由 kJ kg kJ m3 5 16 lypjll QV c 式中 Vy 在 l情况下每 kg 或每 m3燃料燃烧后的烟气容积 m3 kg m3 m3 Cpj 烟气从 0 到 ll 温度范围内的平均容积比热 kJ m3 K 求得 Ql后 根据 l 可方便地从燃料燃烧计算所得的烟气焓温表中求得 ll 显然 ll 愈高 反映了炉膛温度水平愈高 有利于改善燃烧和增强传热 对发热量 高的燃料 ll 也较高 对一定的燃料而言 减少 l 提高送风温度也有利于提高 ll 不过应当指出 由于炉膛内传染过程的存在 燃料燃烧并不是在绝热条件下进行 故 实际上的炉膛烟气达不到理论燃烧温度 仅作为炉膛传热计算的一个参数 4 2 6 炉膛黑度 从炉膛传热的基本方程式可知 在均布水冷壁的炉膛内 火焰与水冷壁之间的辐射 换热可视做空腔和内包凸形物体组成的封闭系统之间的辐射换热 空腔的壁面作为火焰 的辐射面 壁面面积是炉壁面积 Fb 表面黑度为火焰黑度 hy 壁面温度是火焰的平均 第第 19 页页 共共 41 页页 温度 内包物体的面积是水冷壁有效辐射受热面 Hf 黑度为 b 表面温度是 Tb T 4 2 7 炉内温度场与火焰平均温度 炉膛内的温度场是比较复杂的 各处不尽相同 在炉内同时进行着燃烧的放热和受 热面的吸热过程 他们的比值决定了炉内各点的温度变化规律 沿这炉子的高度方向 当燃烧放热大于受热吸热时 火焰温度就上升 反之温度就下降 因此 炉内最高温度 是发生在放热等于吸热的时候 4 2 8 炉膛传热计算的步骤 炉膛传热计算按照计算的目的可分为设计计算和校核计算两种 设计计算是先选定 炉膛出口烟气温度 l 然后计算需要布置的辐射受热面 Hf 但是 通常遇到的是校核 计算 即在已布置好辐射受热面的情况下 校核炉膛出口烟气温度 l 看其是否在合力 的范围内 如 l 据经验预先布置好辐射受热面 然后进行校核计算 炉膛传热计算是 在燃烧计算和热平衡计算之后进行的 炉膛传热计算 校核计算 的步骤如下 1 根据已有炉膛的结构尺寸或者根据预先拟定好的炉子大致尺寸的布置草图确定 炉膛的结构特性 计算炉膛各面炉壁的总面积 Fb 炉膛包覆面积 Fl和炉膛容积 Vl 确 定水冷壁的结构特性并计算炉内有效辐射受热面积 Hf 炉膛的平均热有效系数 f以及 炉膛容积 Vl 确定水冷壁的结构特性并计算炉内有效辐射受热面积 Hf 炉膛的平均热 有效系数 f以及炉膛的有效辐射层厚度 S 2 计算燃料在炉内的有效放热量 Ql 在选定炉子过量空气系数 l和 l的情 况下 由焓温表求得理想燃烧温度 ll 3 先假定一个炉膛出口温度 l 在温焓表中求得相应的 I l 从而可求得烟气的 平均热容 VyCpj 4 计算火焰黑度 hy和炉膛黑度 l 5 计算炉膛出口温度 l 其结果应当与求烟气平均热容时所假定的温度值基本 相同 如误差不大于 100 则计算可以认为满足要求 如误差大于 100 则须再假定 l 并重新计算 直至误差小于 100 为止 最后以计算所得 l为准 6 计算辐射受热面面积平均热强度和容积平均热强度 kW m2 5 17 f f f H Q q 第第 20 页页 共共 41 页页 kW m3 5 18 l f v V Q q 表表 4 24 2 锅炉炉胆传热计算汇总表锅炉炉胆传热计算汇总表 序号名称符号单位公式结果 1锅炉输入热量 r Q kJ kg 设计给定 arvnetar QQ 42341 000 2计算燃料消耗量 j B kg h热平衡计算 207 838 3保热系数 热平衡计算 0 972 4炉胆出口过量空 气系数 l 选取 1 100 5炉胆漏风系数 l 选取 0 000 6冷空气温度 lk t 选定 30 000 7冷空气焓 0 lk I kJ kg查温焓表 424 100 8热空气温度 rk t 设计 30 000 9热空气焓 0 rk I kJ kg查温焓表 424 100 10空气带入炉内热 量 k Q kJ kg 0 lklI 466 510 11炉胆入炉内热量 l Q kJ kg Kr Q q qqq Q 4 634 100 100 42384 100 12绝热燃烧温度 ll 查温焓表 2012 193 13绝热燃烧绝对温 度 ll T K 273 ll 2285 193 14炉胆出口温度 l 假定 968 000 15炉胆出口绝对温 度 l T K 273 l 1241 000 16火焰绝对平均温 度 hy T K 4 1 llll TTT 1502 048 17炉胆壁温 b t 90 bh t283 355 18炉胆绝对壁温 b T K 273 b t556 355 19炉胆出口烟焓 l I kJ kg查温焓表 18775 200 第第 21 页页 共共 41 页页 20辐射和对流换热 系数 C 2 kmkW 设计选取12 000 21辐射和对流的有 效面积 f H 2 m 计算 8 007 22烟气放热量 rp Q kJ kg ll IQ 22956 054 23烟气传热量 cr Q kJ kg 100 100 4 4 b hy j f T T B H c 23089 175 24计算误差 100 rp crrp Q QQ 0 580 4 3 对流受热面计算对流受热面计算 4 3 1 计算考虑因素 锅炉中的对流受热面是指锅炉管束 过热器 省煤器 空气预热器等 在这些受热 面中 高温烟气主要以对流的方式进行放热 所以称之为对流受热面 由于烟气中含有 三原子气体及飞灰 他们具有一定的辐射能力 因此除对流放热外 还要考虑烟气的辐 射放热 此外对布置在炉膛出口处的对流受热面 还需考虑来自炉膛的辐射热量 对流受热面的传热计算 都是以燃烧 1kg 或 1m3燃料时 烟气的放热量或工质的吸 热量为计算基础 由此可得出对流受热面的传热方程式和热平衡方程式 传热方程式 kJ kg kJ m3 6 1 cr j KH t Q B 热平衡方程式 烟气侧 kJ kg kJ m3 6 2 0 rpk QIII 工质侧 kJ kg kJ m3 6 3 crf j D ii QQ B 式中 Qrp 在某一对流受热面汇总 每 kg 或每 m3计算燃料产生的烟气放给受热 面的热量 在稳定传热情况下 他等于工质的吸热量也就是经过受热面的传热量 第第 22 页页 共共 41 页页 Qcr kJ kg kJ m3 K 在某一对流受热面中 有管外烟气至管内工质的传热系数 kW m2 H 某一对流受热面的计算传热面积 m2 t 平均温差 Bj 每秒钟计算燃料消耗量 kg s 或 m3 s 计及散热损失的保热系数 I 和 I 烟气进入和离开此受热面时的焓 kJ kg 或 kJ m3 i 和 i 工质在受热面进口和出口处的焓 kJ kg D 每秒工质的流量 kg s Qf 工质所吸收来自炉膛的辐射热量 kJ kg kJ m3 以上三式是对流受热面计算的基本方程式 在已知对流受热面的传热面积情况下 需要确定烟气经放热后的焓 I 及相应的温度 这时计算的关键在于确定传热系数 K 4 3 2 传热系数 K 的计算 对流受热面的一侧是烟气 另一侧是工质 水 蒸汽或空气 而烟气侧的表面上 不可避免地有一层积灰 水或蒸汽测得表面上患有水垢 这就增加了传热热阻 锅炉对 流受热面上不可避免地有一层积灰 水或蒸汽侧的表面上还有水垢 这就增加了传热热 阻 锅炉对流受热面的传热系数可用下式表示 kW m2 12 1 11 sg hb hhbsgsg K 6 4 式中 1h 烟气对有灰污层管壁的放热系数 kW m2 灰污层的热阻 m2 kW h h 金属管壁的热阻也在传热计算中往往可以略去不计 b b 第第 23 页页 共共 41 页页 管壁表面水垢层的热阻 在锅炉正常工作时 不允许有较厚的水 sg sg 垢存在 因此在传热计算中可不计算 2sg 水垢层对内部工质的放热系数 由于锅炉正常运行不允许有较厚 水垢层存在 因此可采用干净管壁对工质的放热系数 2来替代 2sg 4 3 3 对流换热系数的计算 由传热学得知 在受迫流动情况下 放热的准则关系式为 6 5 Re Pr u Nf 即 6 6 p d gc dwd f 式中 称为努谢尔特准则数 d u d N 称为雷诺准则数 Re wd 称为普朗特准则 Pr p gc 根据相似原理通过大量试验研究 可以得到各种不同冲刷还热条件下准则之间的关 系式 从而可以求出相应的对流放热系数 d 4 3 4 对流传热温压 在对流受热面的传热计算中 除了需要确定传热系数 K 以外 还须确定传热温差 t 由于还热介质沿受热面有着温度变化 因此他们之间的温差是不等的 在实际计算中 就需要确定平均温差 从传热学中我们知道 平均温差和受热面两侧介质的相对流向有 关 在相同的进 出口温度条件下 逆流具有最大的平均温差 而顺流的平均温差最小 在实际的对流受热面布置中 往往不是纯逆流 通常采用的是混合流动系统 混合流动 系统包括 1 串联混合流 沿烟气流流向有串联的顺流和逆流 2 平行混合流 顺流和逆流并列在烟道中 3 交叉混合流 烟气流向与受热介质流向垂直交叉 可以 一次或多次交叉 第第 24 页页 共共 41 页页 4 3 5 对流受热面传热计算步骤 对流受热面的传热计算也是采用校核计算的方法 即已知受热面的结构特性 工质 的入口温度 计算燃料消耗量 烟气入口温度 漏风系数和漏风焓等 需要确定的是受 热面的传热量和烟气 工质的出口温度 计算的次序大致如下 1 先假定受热面的烟气出口温度 并由温焓表查的出口焓 I 然后按烟气侧 的热平衡方程算出烟气放热量 Qrp 2 按工质侧的热平衡方程式求得工质出口焓 I 并由水蒸气表查得相应出口温度 t 3 求得烟气平均温度 和工质平均温度 t 以及烟气平均流速和工质平均流速 4 确定 d 5 确定 f 6 确定烟气侧的放热系数 1 并在需要时求取工质侧的放热系数 2 7 取用灰污系数或有效系数 对空气预热器取用利用系数 8 确定传热系数 9 按烟气和工质的进出口温度已经他们之间的相对流动 确定平均温差 t 10 按传热方程式求得受热面的传热量 Qcr 11 检验某受热面的烟气出口温度的原假设值是否合理 可按下式计算烟气放热 量 Qrp和出热量 Qcr的误差分数 即 6 7 100 rpcr rp QQ Q Q 对防渣管 Q 5 对无减温器的过热器 Q 3 其他受热面当 Q 2 时 则可认为假定的烟气出口温度是合理的 该部分受热面的传热计算可告结束 此时 温 度和焓的最终数值应以平衡方程式中的值为准 4 3 6 结构设计计算 有连接在上下两锅筒或上锅筒与下集箱之间的多排并列管构成的受热面称为锅炉管 束 它是中 小型锅炉的主要对流受热面 管束所用的管子一般为 51 3mm 管束内管子的排列可以是顺列 也可以使错列 前者结构简单 便于检修 后者在烟气作横向冲刷时 传热效果好 通常 锅炉管束的横向节距 s1 和纵向节距 s2在下列范围内 s1 2 0 2 5 第第 25 页页 共共 41 页页 d s2 2 0 2 5 d 对于顺列 s2 1 5 2 0 d 对于错列 布置锅炉管束时 应尽量保证烟气对管束的均匀冲刷 并应考虑排放烟道积灰的可 能性 本锅炉为湿背式带回燃式的三回程锅壳式锅炉 对流受热面分第一烟管管束 第二烟 管管束和省煤器 其中第一管束烟管为螺纹管 第二管束烟管采用光管 省煤器为常规 光管 具体的计算结果参看下表 表表 4 34 3 第一管束结构计算第一管束结构计算 序号名称符号单位公式结果 1螺纹管节距tmm设计选取72 00 2螺纹管槽深 mm设计选取2 00 3螺纹管的内径drmm设计选取51 00 4螺纹管的根数Nr 设计选取92 00 5光管的内径dgmm设计选取51 00 6光管的根数Ng 设计选取0 00 7拉撑管的内径dlmm设计选取51 00 8拉撑管的根数Nl 设计选取0 00 9螺纹管烟气流通面积Frm2 Nrdr 2 785 0 0 19 10光管烟气流通面积Fgm2Ngdg 2 785 0 0 00 11拉撑管烟气流通面积Flm2 Nldl 2 785 0 0 00 12总想冲刷管长度Lm设计选取3 00 13螺纹管传热面积Hrm2NrLdr 44 20 14光管传热面积Hgm2NgLdg 0 00 15拉撑管传热面积Hlm2NlLdl 0 00 16烟气总流通面积Fdm2Fr Fg Fl0 19 17总传热面积Hdm2Hr Hg Hl44 20 表表 4 44 4 第一光管热力计算第一光管热力计算 序号名称符号单位公式结果 1入口烟温 设计给定 968 000 第第 26 页页 共共 41 页页 2入口烟焓 I kg h查温焓表 18775 200 3出口烟温 热平衡计算 280 000 4出口烟焓 I kg h查温焓表 4981 600 5 管束出口估 量空气系数 2 d 选取1 100 6管束漏风系 数 选取 0 000 7冷空气温度 lk t 选取 30 000 8冷空气焓 0 lk I kJ kg查温焓表 424 100 9保热系数 热平衡计算 0 972 10管束热平衡 入量 2 rp Q kJ kg II 13412 172 11平均烟气温 度 p 2 624 000 12大端温度 d t t 774 645 13小端温度 x t t 86 645 14对数温度t x d xd t t tt ln 314 071 15 平均烟气流 量Wsm 273 273 3600 pyj Fd VB 11 936 16烟气的普朗 特数 Pr 查烟气特性表 0 618 17烟气运动粘 性系数 sm 2 查烟气特性表 0 000 18烟气导热系 数 cmkW 查烟气特性表 0 076 19光管火拉撑 管雷诺数 Reg wdg 20螺纹管雷诺 数 Reg wdr 6208 576 21比值R1 dr t 1 412 22比值R2 dr 0 039 第第 27 页页 共共 41 页页 23 光管对流换 热系数 g 2 cmkW 4 08 0 PrRe023 0g dg 0 000 24 螺纹管对流 换热系数 r 2 cmkW 无螺纹烟管0 078 25 烟气的总对 流换热系数 d 2 cmkW HrHg HrHg rg 0 078 26工质温度与 管壁温差 dt 60 60 000 27管壁温度 b t 60 bh t254 000 28烟气压力 p MPa0 1 0 100 29水蒸气体积 份额 OH r 2 OH r 2 0 124 30三原子气体 体积份额 q r OHRO rr 22 0 248 31烟气容积 y Vkgm 00 1 061 1 2 VV dy 11 820 32 三原子气体 辐射减弱系 数 q 1mMPa 100 273 37 0 1 p q q OH r psr r 1 06 5 47 2 2 15 046 33 飞灰辐射减 弱系数h 1mMPa 0 000 34 气体介质吸 收力 ps 1mMPa 9 0 dgspskhkq 0 069 35烟气黑度 y a kps e 1 0 067 36温度比 273 273 p b t 0 588 37 烟气辐射放 热系数 f 2 cmkW 311 273 101 5 py a 1 1 2 0 005 38热有效系数 估取 0 680 第第 28 页页 共共 41 页页 39总传热系数K 2