第十二章 锅炉热力计算及其设计布置.ppt

1 第十二章锅炉热力计算及其设计布置 电厂锅炉整体布置及其主要设计参数的选择电厂锅炉热力计算的任务及顺序炉膛热力计算对流和半辐射受热面的热力计算 2 12 1电厂锅炉整体布置及其主要设计参数的选择 一 电厂锅炉整体布置 指锅炉炉膛 蒸发受热面 过热受热面 包括辐射 半辐射和对流受热面 和尾部受热面之间的相互位置关系 3 一 电厂锅炉整体布置 型布置 组成 垂直柱体炉膛 水平烟道和下行对流烟道 优点 锅炉和厂房的高度都较低 转动机械和笨重设备均可作低位布置 建筑在地面上 减轻了厂房和锅炉构架的负载 在水平烟道中 可以采用支吊方式比较简便的悬吊式受热面 4 一 电厂锅炉整体布置 缺点 占地面积较大 烟气从炉膛进入对流烟道时要改变流动方向 造成烟气速度场和飞灰浓度场的不均匀性 影响受热面的传热性能 加速受热面局部磨损 在下行对流竖井中 受热面易于布置成逆流传热方式且便于尾部受热面的检修 5 一 电厂锅炉整体布置 型布置 优点 节省钢材缺点 取消炉膛后墙与下行对流烟道前墙之间的走廊 对受热面的检修和管式空气预热器的支撑带来不便 6 一 电厂锅炉整体布置 塔型布置 优点 取消了转弯室 锅炉炉墙表面积和占地面积均较小 对流烟道有自身通风作用 烟气阻力有所下降 烟气在对流受热面中不改变流动方向 受热面的局部磨损减轻 缺点 高度高 过热器 再热器和省煤器都布置在高处 汽水管道较长 空气预热器 送引风机 除尘器等都采用高位布置 7 一 电厂锅炉整体布置 箱型布置 优点 布置紧凑 炉膛容积相对较小 省去或简化凝渣管束 8 二 影响锅炉布置的主要因素 蒸汽参数 9 二 影响锅炉布置的主要因素 中参数锅炉受热面布置1 汽包 2 水冷壁 3 集中下降管 4 凝渣管簇 5 高温对流过热器 6 低温对流过热器 7 省煤器 8 空气预热器 10 二 影响锅炉布置的主要因素 高参数锅炉受热面布置1 汽包 2 水冷壁 3 集中下降管 4 屏式过热器 5 顶棚过热器 6 高温对流过热器 7 低温对流过热器 8 省煤器 9 空气预热器 11 二 影响锅炉布置的主要因素 锅炉容量 锅炉容量越大 能布置水冷壁的炉内表面积相对减少 为限制炉膛出口烟温 在炉膛内布置足够的辐射面和屏式受热面 甚至需在炉膛中装设双面水冷壁 随着锅炉容量的增大 炉膛宽度 尾部烟道宽度 相对减小 就会影响到尾部受热面的布置 为使尾部受热面的工质流速不因尾部烟道宽度的相对减小而增大 尾部省煤器和空气预热器均采用双级双流布置 对于超高参数以上的锅炉 有时就将空气预热器移至炉外 且采用比较紧凑的回转式空气预热器 而省煤器则采用单级的非沸腾式结构布置在尾部烟道内 12 二 影响锅炉布置的主要因素 燃料性质 燃料水分 燃烧水分较多的煤 炉内燃烧温度低 烟气量增大 炉膛辐射传热量减少 烟道对流传热量增多 着火热较大 空气预热器的受热面积随之增加 燃料灰分 燃烧灰分多的煤应采用较低的烟气速度或其他减轻磨损的措施 而灰的熔化特性影响炉膛出口烟温的选择 而炉膛出口烟温的变化使锅炉中辐射 对流传热份额发生变化 13 二 影响锅炉布置的主要因素 燃料挥发分 挥发分少 着火困难 要求炉膛容积较大 炉膛横断面较小 炉膛呈瘦高型 并在燃烧器区辐射卫燃带 空气预热器的受热面较多 主要影响烟气的露点 所以 硫分不同 应选取不同的排烟温度和低温受热面结构 燃料硫分 14 二 影响锅炉布置的主要因素 热空气温度对省煤器和空气预热器布置的影响 热电气温度低于300 350 时采用单级布置方式 高于此温度时采用两级布置方式 管式空气预热器时 双级布置与省煤器交错布置 回转式空气气预热器采用两级布置时 第二级采用管式空气预热器 15 三 锅炉主要设计参数的选择 炉膛热强度 热负荷 包括容积热强度qV 截面热强度qA 燃烧器区域热强度qr和炉膛壁面热强度qlb 16 三 锅炉主要设计参数的选择 容积热强度qV 指锅炉输入热量占炉膛容积的比值 即单位炉膛容积的热功率 qV越大 燃料和烟气在炉内的停留时间越短 qV越大 炉膛容积越小 炉内能布置的水冷壁受热面面积越少 烟气在炉膛出口处烟温越高 qV应保证炉内布置有足够的水冷壁受热面积 使燃烧产物在炉膛出口处能冷却到给定温度 17 三 锅炉主要设计参数的选择 18 三 锅炉主要设计参数的选择 截面热强度qA 指锅炉输入热量占炉膛截面积的比值 即单位截面积上的热功率 qA反映了燃烧器区域的温度水平 qA越大 炉膛断面积过小 燃烧器区燃料燃烧放出大量热量没有足够的水冷壁受热面吸收 燃烧器区域的局部温度过高 易引起燃烧器区域结渣 19 三 锅炉主要设计参数的选择 燃烧器多层布置时 一层燃烧器的断面热强度 qA值的选取 与燃料的性质 炉子的排渣方式 燃烧器的型式和布置等因素有关 还应考虑防止水冷壁内发生膜态沸腾以及对水冷壁管内质量流速的影响 20 三 锅炉主要设计参数的选择 21 三 锅炉主要设计参数的选择 燃烧器区域热强度qr 式中a b 炉膛宽度和深度 n 燃烧器的层数 sr 各层燃烧器之间的间距 Fr 燃烧器区域的炉墙面积 qr值越大 火焰越集中 燃烧器区域的温度水平越高 22 三 锅炉主要设计参数的选择 炉膛壁面热强度qlb 也称为炉膛辐射受热面的热强度 或热流密度 是单位炉膛壁面所吸收的炉内辐射热量的平均值 qlb越大 单位壁面所吸收的热量越大 炉内烟气平均温度的水平越高 qlb的数值是判断膜态沸腾是否发生的主要指标之一 23 三 锅炉主要设计参数的选择 炉膛主要尺寸 炉膛深度b的选取应保证火焰在炉膛断面内自由发展 使高温火焰核心不致冲刷炉墙水冷壁 并保证炉内良好的空气动力工况 b的数值与燃烧器的型式和燃烧器的布置情况有关 炉膛宽度a与锅炉容量和燃料的种类有关 还应考虑燃烧器的型式 对四角布置燃烧器的炉膛 炉膛横截面的宽深比例不大于1 2 最好是正方形 24 三 锅炉主要设计参数的选择 冷灰斗的形状一般变化不大 取倾斜角不小于50 以便灰渣能自行下滑 其下口大小根据锅炉容量大小选取 一船取0 6 1 4m 炉顶的形状 采用悬吊结构的水冷壁和敷管炉墙时 炉顶呈方形 由水平的顶棚过热器组成 炉膛出口有屏式过热器 如220t h高压锅炉 有的在炉膛正中的上部装有前屏过热器 如400t h超高压中间再热锅炉 25 三 锅炉主要设计参数的选择 折焰角的长度一般取炉膛深度的1 3左右 上倾斜角取200 450 下倾斜角取200 300 炉膛出口高度由烟气温度和流速来决定 烟气流速一般取6m s左右 26 三 锅炉主要设计参数的选择 在炉顶与冷次斗的结构确定以后 即可确定炉膛主体高度 27 三 锅炉主要设计参数的选择 炉膛出口烟气温度 大容量锅炉 是指屏式过热器前的烟温 最经济的炉膛出口烟温为12500C 当炉膛出口布置屏式受热面时 炉膛出口烟温一般为1100 12000C 对于易结渣的燃料 一般为1000 10500C 28 三 锅炉主要设计参数的选择 排烟温度 最佳排烟温度是燃料费用和尾部受热面金属费用总和最少所对应的温度 还与锅炉给水温度 燃料性质 燃料的水分和硫分 省煤器与空气预热器的金属价格等因素有关 选用较低的排烟温度会使锅炉效率提高 减小燃料消耗量 降低锅炉运行费用 但会使尾部受热面烟气侧与工质侧的温差减小 增加受热面的金属消耗量 锅炉造价也会增大 运行中风机所消耗的电能也随之而增高 还会引起空气预热器的严重低温腐蚀 29 三 锅炉主要设计参数的选择 30 三 锅炉主要设计参数的选择 热空气温度 室燃炉热空气温度的选取 主要取决于燃料的性质 着火性能好 水分低的燃料 采用较低的热空气温度 着火性能差 水分较多的燃料 采用较高的热空气温度 31 三 锅炉主要设计参数的选择 工质的质量流速 32 三 锅炉主要设计参数的选择 烟气速度 烟气速度的选取与受热面的布置面积和受热面的灰分污染 受热面的磨损等因素有关 一般 横向冲刷的对流受热面 wy应大于6m s 当烟温小于7000C时 按磨损条件确定的横向冲刷错列布置受热面的极限烟速 一般煤9 10m s 灰分多和灰分磨蚀型较强的煤7 8m s 灰分小和磨蚀型较弱的煤10 12m s 33 12 2电厂锅炉热力计算的任务及顺序 一 热力计算的任务 锅炉热力计算的任务是确定锅炉受热面与燃烧产物和工质参数之间的关系 通常按锅炉受热面的传热特点进行热力计算 大致可分为辐射受热面 半辐射受热面和对流受热面计算三部分 34 一 热力计算的任务 按计算任务不同 又可分为设计计算和校核计算 设计计算 在给定的给水温度和燃料特性的前提下 为达到额定蒸发量和蒸汽参数以及选定的经济指标 计算 确定锅炉机组的炉膛尺寸及各个受热面的结构和尺寸 并确定锅炉的热效率和燃料消耗量 各受热面进出口处的烟温和工质温度 吸热量以及烟速和工质流速等 为选择辅机设备和进行上述其他各项提供原始资料 35 一 热力计算的任务 校核计算 在已定的锅炉结构和受热面积条件下 对锅炉负荷 燃料 运行工况或某些结构变化时 求取各受热面进出口处的工质温度和速度 烟气温度和速度 锅炉热效率 燃料消耗量 空气和烟气量等 36 一 热力计算的任务 37 二 热力计算的方法与顺序 炉膛辐射受热面热力计算方法 假设传热过程与燃烧过程分开 必须考虑燃烧工况影响时 引入经验系数修正 对流传热忽略不计 火焰和烟气的辐射传热量按某一平均温度计算 只有辐射传热和热平衡两个代数方程式 炉膛校核热力计算中 先假设炉膛出口烟温 再与最后计算处的烟温比较 直到误差不超过1000C时为止 38 二 热力计算的方法与顺序 壁式过热器和再热器 前屏等辐射受热面 合并在炉膛传热计算中同一计算 但要考虑辐射面积的计算方法和沿高度方向热力不均 半辐射和对流受热面热力计算方法 半辐射受热面 炉膛上部或出口烟窗的大屏和后屏受热面 对流受热面 凝渣管束 锅炉管束 对流过热器 再热器 省煤器 空气预热器和附加受热面等 39 二 热力计算的方法与顺序 设计计算顺序 先确定受热面的布置型式及设计参数 受热面工质的进 出口温度 计算所需的传热量 再根据已确定的进 出口烟气温度 计算所需的受热面积 校核计算顺序 先进行结构特性计算 为传热计算提供结构数据 在进行校核计算中 先假设出口烟温或工质进口 出口 温度 式中Qdf 用热平衡公式计算出的烟气对流放热量 Qcr 用传热公式计算出的对流传热量 40 二 热力计算的方法与顺序 锅炉机组热力计算顺序 列出与计算任务相应的原始数据 设计计算时应列出锅炉的蒸发量和蒸汽参数 给水参数等 校核计算应给出炉膛及各受热面的尺寸以及所校核的负荷工况 不论设计计算或校核计算 都应给出燃料的特性数据 选取各烟道的过量空气系数 计算三原子气体的容积和容积份额 烟气和空气的焓 预先估计排烟温度和热风温度 用以确定热损失 锅炉效率和燃料消耗量 41 二 热力计算的方法与顺序 计算炉膛传热 求出炉膛出口处的烟温 再用逐步逼近法计算各对流受热面的烟温 按烟气流动方向顺序计算 如果计算出的排烟温度与起初估计的排烟温度之差为超过100C 而热空气温度之差未超过400C 则可认为锅炉机组的换热计算结束 如果尾部受热面为双级布置 计算第二级省煤器时按已知的进口烟温和估算的出口工质焓 第二级空气预热器按已知的进口烟温和假定的热风温度 第一级省煤器按已知的进口烟温和进口水温 第一级空气预热器按已知 42 式中 Q 除空气预热器外的各级受热面的热平衡吸热量总和 gl 锅炉效率 Qr 锅炉输入热量 二 热力计算的方法与顺序 的进口烟温和进口空气温度 分别用逐次逼近法求出口烟温和进口 出口 工质温度 按下式确定锅炉机组热平衡计算的误差 43 二 热力计算的方法与顺序 热力计算相对误差标准 整个锅炉机组主要计算数据汇总表 44 12 3炉膛热力计算 一 炉膛几何尺寸的计算 设计新锅炉时 先按燃烧要求 根据选取的炉膛容积热负荷和断面热负荷确定炉膛容积及炉膛截面积 并根据选用的燃烧器型式 数目 布置方式等确定炉膛的深度 宽度和高度 锅炉校核计算时 先布置炉膛辐射受热面 可采用简易估算法 并给出炉膛结构草图 进行炉膛结构特性计算 若经炉膛传热计算后 校核的炉膛出口烟温不合理 应对炉膛结构和辐射受热面进行修正后再进行计算 45 一 炉膛几何尺寸的计算 炉膛容积计算 容积边界 水冷壁管中心线所在的平面或是绝热保温层的向火表面 不敷设水冷壁的地方为炉膛的壁面 炉膛出口边界 通过屏式过热器 凝渣管或锅炉排管的第一排管子中心线所在平面 炉膛下部边界 炉底 当有冷灰斗时 以冷灰斗等分水平面为炉膛容积边界 46 一 炉膛几何尺寸的计算 炉壁面积计算 炉膛容积含屏时 炉壁面积等于空容积的炉壁面积 屏的面积和屏区水冷壁面积之和 并应考虑屏和水冷壁的曝光不完全性 F1 Fk FpZp FpbZpbZp ap akZpb apb ak 47 一 炉膛几何尺寸的计算 辐射受热面面积计算 F xiFliFli bl 双面曝光水冷壁和屏 Fli 2bl 炉膛容积含屏时 屏和屏区水冷壁的有效辐射受热面积 Fyx p FpZpxpFyx pb FpbZpbxpb式中xp xpb 屏及屏区水冷壁的角系数 48 二 炉膛传热计算的基本方程 高温烟气与辐射受热面间的辐射换热方程 高温烟气在炉内放热的热平衡方程 49 二 炉膛传热计算的基本方程 炉膛内的热平衡方程 热平衡方程式 高温烟气与辐射受热面间的辐射换热量等于高温烟气在炉内的放热量 炉膛换热影响因素 炉膛黑度a1 辐射受热面平均热有效系数 辐射受热面积F1及火焰平均温度T 50 三 我国常用的炉膛换热计算方法 炉膛传热计算方法 基本假设 忽略了炉膛内的对流换热 假设存在一个燃料在进入炉腔后瞬间完成燃烧放热过程且不对外进行热交换所能达到的最高温度 称为理论燃烧温度Ta 对换热起决定性作用的是炉膛火焰温度 并且在计算中将炉内温度看作是均匀的 全部计算均以炉膛出口温度作为定性温度 将水冷壁的投影面作为火焰的辐射表面 称为水冷壁面积 51 三 我国常用的炉膛换热计算方法 无因次火焰平均温度 无因次炉膛出口烟气温度 波尔兹曼准则 带入炉膛热平衡方程 52 三 我国常用的炉膛换热计算方法 由试验得知 所以 由试验和准则方程可得炉内辐射传热的准则方程式 式中M 经验系数 与燃料的性质 燃烧方式和燃烧器布置得相对高度 炉内火焰平均温度和理论温度等因素有关 53 三 我国常用的炉膛换热计算方法 炉膛出口温度 水冷壁的面积F1 54 三 我国常用的炉膛换热计算方法 炉膛黑度的计算 炉膛黑度a1 表示火焰有效辐射热流的一个假想黑度 火焰黑度 炉膛中的辐射传热由燃料燃烧形成的高温火焰和烟气流通过辐射向受热面进行的热量传递 火焰中具有辐射能力的成分分为4种 三原子气体 55 三 我国常用的炉膛换热计算方法 三原子气体的辐射带有选择性 主要集中在红外线的波长范围内 其辐射力取决于温度 辐射成分的分压力和辐射层的有效厚度等 这种肉眼看不到的三原子气体组成的火焰称为不发光火焰 焦炭粒子焦炭粒子在未燃尽前悬浮在火焰气流中 具有很强的辐射能力 使火焰发光 是一种主要的辐射成分 灰粒灰粒在高温火焰中也以一定的辐射能力使火焰发光 含有焦炭粒子和灰粒的火焰称为半发光火焰 碳黑颗粒以固体表面辐射的方式呈现很强的辐射能力 使火焰发光 在燃烧器附近含有大量碳黑粒子的火焰称为发光火焰 56 12 4对流和半辐射受热面的热力计算 对流受热面 指凝渣管束 锅炉蒸发管束 对流过热器和再热器 省煤器 空气预热器以及以对流换热为主体的屏式受热面 一 基本方程 包括 烟气的对流放热公式 工质的对流吸热公式和对流传热公式 对流受热面的传热公式 对流受热面的传热两取决于对流受热面的传热面积 传热温差和传热系数 57 一 基本方程 1kg燃料为基准 烟气的对流放热量公式 对流受热面的工质吸热公式 对流吸热量为受热面本身工质的吸热量和受热面所在区域的附加受热面工质的吸热量 58 一 基本方程 附加受热面的吸热量 烟气的对流放热量公式 对于主受热面 对于附加受热面 59 二 传热系数 传热系数K 管式受热面的传热系数按多层屏壁的传热系数计算 灰污热阻 60 三 传热温压 传热温压 t是参与热交换的两种介