12第十二章 锅炉热力计算及其设计布置

第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 1 第十二章第十二章 锅炉热力计算及其设计布置锅炉热力计算及其设计布置 第一节第一节 电厂锅炉整体布置及其主要设计参数的选择电厂锅炉整体布置及其主要设计参数的选择 一 电厂锅炉的整体布置 电厂锅炉的整体布置是指锅炉炉膛 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 随着锅 炉容量 参数和燃料性质等具体条件的不同 会产生很多不同的整体布置 方案 其中比较典型的大中型锅炉的布置方案示于图 12 1 中 图 12 1 锅炉的典型布置方案 a 型 b 型 c T 型 d 塔型 e 半塔型 f 箱型 1 型布置 图 12 1 a 是 型布置示意图 这是大中型锅炉最广泛采用的一 种布置方式 它由垂直柱体炉膛 水平烟道和下行对流烟道三部分组成 型布置方案的优点是 锅炉和厂房的高度都较低 转动机械和笨重 设备 如送吸风机 除尘器和烟囱等均可作低位布置 建筑在地面上 因 此 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 在下行对流竖井中 受热面易于布置成逆流传热 方式 这种布置方案也便于尾部受热面的检修 型布置的主要缺点是占地面积较大 烟气从炉膛进入对流烟道时要 改变流动方向 转弯 从而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 2 型布置 这种布置方案 图 12 1 b 与 型方案相近似 只是取消了水平烟 道 尾部受热面和炉膛一样完全采用悬吊结构 这种布置可以节省钢材 但取消炉膛后墙与下行对流烟道前墙之间的走廊 对尾部受热面的检修和 管式空气预热器的支撑都带来不便 3 塔型布置 在塔型布置 图 12 1 c 中 它的对流烟道就布置在炉膛的上方 锅炉笔直向上发展 这种布置的优点是取消了不宜布置受热面的转弯室 锅炉炉墙的表面积和占地面积均较小 锅炉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 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 2 损可以减轻 最适合应用于燃用多灰燃料的锅炉 但是塔型锅炉的高度高 过热器 再热器和省煤器都布置在很高处 汽 水管道较长 在这种布置 中 空气预热器 送引风机 除尘器和烟囱都采用高位布置 布置在锅炉顶 部 加重了锅炉构架和厂房的负载 使锅炉造价提高 为了减轻转动机械和笨重设备施加给锅炉和厂房的载荷 有时把空气 预热器 送引风机 除尘器和烟囱等布置在地面 构成半塔型布置 图 12 3 e 4 箱型布置 箱型布置 图 12 1 f 主要用于燃油和燃气锅炉 因为炉膛容积可 以相对减小 又可以省去或简化凝渣管束 可以把锅炉布置成箱型 并在 炉膛上方布置对流受热面 这种方案的特点是锅炉的布置很紧凑 其他布置方案 如 T 型 图 12 1 c 前苏联采用较多 N 型 L 型 U 型等 国内很少采用 这里不一一叙述 二 影响锅炉布置的主要因素 一 蒸汽参数 工质在锅炉受热面中的加热过程可分为水的加热 水的蒸发 蒸汽的 过热三个阶段 这三个阶段吸热量的份额是随蒸汽压力的变化而变化的 压力超过 14MPa 的机组 除了上述三项吸热还有再热蒸汽的吸热 随着压 力的提高 水的汽化潜热减少 如图 12 2 所示 而水和蒸汽的比热增加 使水加热蒸发及过热的吸热比例发生变化 表 12 1 示出了不同蒸汽参数 下工质吸热量的分配份额 图 12 2 工质的焓与压力 温度之间的关系 表 12 1 蒸汽参数与工质吸热量的分配比例 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 3 注 注 分母为再热蒸汽的参数 分母为再热蒸汽的参数 分子为过热蒸汽的参数 分子为过热蒸汽的参数 由表可见 随着蒸汽参数的提高 水加热吸热份额增大 蒸发吸热份 额减少 过热吸热份额增大 再热蒸汽吸热量也随着压力升高而增大 因 而 不同参数的锅炉 水加热 蒸发及蒸汽过热和再热蒸汽再热等受热面 的面积和布置都不相同 对于低参数蒸汽 水加热与蒸汽过热吸热份额小 水汽化吸热比例大 70 90 因此 低参数锅炉的过热器 省煤器受 热面积小 蒸发受热面积大 仅靠炉膛布置的水冷壁吸热不能满足水蒸发 所需的热量 需要在烟道布置一定的对流受热面供水吸热蒸发之用 省煤 器也常常采用沸腾式 随着蒸汽参数的提高 与工质吸热份额的变化相适 应 过热器受热面积和省煤器受热面积增大 蒸发受热面积减小 超高压 力以上的锅炉 炉膛内全部辐射受热面的吸热量超过水的蒸发所需热量太 多 需要布置一定的辐射过热器或再热器 如壁式辐射过热器 炉顶辐射 过热器 前屏或大屏辐射过热器和后屏半辐射过热器等 省煤器也为非沸 腾式 例如 现代亚临界压力锅炉 为了使过热器和再热器的汽温特性保 持平稳 总是采用辐射 半辐射和对流受热面的串联布置方式 二 锅炉容量 锅炉容量增大时炉膛容积和炉膛内表面积也随之增大 但炉膛内表面 积增加较少 这是因为内表面积与边长成二次方关系 而容积与边长成三 次方关系 所以 锅炉容量越大 能布置水冷壁的内表面积相对越少 大 容量锅炉为了限制炉膛出口烟温 必须在炉膛内布置足够的辐射面积 因 此 为解决炉膛内表面积不够的矛盾 除了在壁面布置水冷壁等辐射受热 面外 还布置了一定量的屏式受热面 三 燃料性质 燃料性质对锅炉整体布置的影响较大 1 燃料水分 燃烧水分较多的煤 炉内燃烧温度低 烟气量增大 使炉膛的辐射传 热量减少 烟道对流传热量增多 水分较多的煤着火热较大 在挥发分等 其它条件相同时需要采用较高的热空气温度 空气预热器的受热面积随之 增加 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 4 2 燃料灰分 燃烧灰分多的煤应采用较低的烟气速度或其它减轻磨损的措施 有些 国家对燃用多灰燃料的锅炉采用塔型或半塔型布置方式 使烟气不改变流 动方向 飞灰在横断面上的分布比较均匀 有利于减轻受热面的飞灰磨损 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 3 燃料挥发分 燃烧挥发分多的煤易于着火和燃烧 燃尽所需时间短 故所需炉膛容 积较小 热空气温度较低 对于挥发分少的难着火的煤 要求炉膛容积较 大 炉膛横断面较小 炉膛呈瘦高型 并在燃烧器区敷设卫燃带 使着火 区烟温提高 燃料在炉膛内停留时间加长 为减少着火热 要求较高的热 空气温度 因而所需的空气预热器的受热面较多 4 燃料硫分 硫分是十分有害的元素 详见第二章 对水冷壁高温服饰 高温对流 受热面的积灰和腐蚀以及低温受热面的腐蚀都有直接或间接的影响 锅炉 设计时应对燃料硫分的影响给与足够的重视 四 热空气温度对省煤器和空气预热器布置的影响 当热空气温度低于 300 350 时空气预热器和省煤器可以采用单级布 置方式 高于此温度时应采用两级布置方式 采用管式空气预热器时 双 级布置应与省煤器交错布置 如果采用回转式空气预热器 单级布置空气 温度可达 350 如果需要采用两级布置时 一般第二级采用管式空气预 热器 三 锅炉主要设计参数的选择 一 炉膛热强度 炉膛热强度包括容积热强度 截面热强度 燃烧器区域热强度 v q a q 和炉膛壁面热强度 下面分别介绍 r q lb q l 容积热强度 V q 炉膛容积热强度是指锅炉输入热量占炉膛容积的比值 即单位炉膛 V q 容积的热功率 用下式表示 kw m3 l pnetar V V BQ q 12 1 式中 一一炉膛容积 m3 l V 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 5 B 锅炉燃料消耗量 kg s 燃料的低位发热量 pnetar Q 值的大小还表示燃料及其所生成的烟气在炉内的停留时间 s 的倒数 V q 值选得过大 表示燃料和烟气在炉内的停留时间过短 燃料来不及完全 V q 燃烧 此外 值过大 还意味着炉膛容积太小和炉内所能布置的水冷壁 V q 受热面的面积过少 烟气在炉膛出口处难以冷却至给定的 或选定的 出口 烟温 这将引起炉膛出口部位或对流受热面结渣 在一般情况下 按燃 l 料燃烧条件所确定的值都不足以使烟气在炉内得到足够的冷却 因此 V q 一般均按烟气的冷却条件来选取炉膛容积 也就是说的数值应保证炉内 v q 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的 温度值 对于固态排渣煤粉炉 值一般在 l00 175kw m3之间 l V q 随着锅炉容量的增加 炉膛水冷壁受热面积的增加比炉膛容积的增加 要缓慢 所以 大容量锅炉的值 一般比中 小锅炉小一些 V q 2 截面热强度 A q 炉膛截面热强度是指锅炉输入热量占炉膛截面积的比值 即单位截 A q 面积上的热功率 用下式表示 kw m2 A BQ q pnetar A 12 2 A 是炉膛的截面积 它等于炉膛宽度 a 和深度的乘积 炉膛断面热强 度是炉膛的重要计算特性 它反映了燃烧器区域的温度水平 表示炉内 A q 炽热烟气以一定速度流过这个断面 如果值选得过高 说明炉膛断面积 A q 过小 在燃烧器区域燃料燃烧放出的大量热量没有足够的水冷壁受热面来 吸收 就会使燃烧器区域的局部温度过高 引起燃烧器区域的结渣 值 A q 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 6 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 对于固态排渣煤粉炉 当燃用灰熔点较高的煤时 可适当选大些 A q 对于灰熔点较低的煤 应适当降低 对于配 100MW 以上机组的固态排 A q 渣煤粉炉 值一般在 3 4 5MW m2之间 A q 当燃烧器为多层布置时 一层燃烧器的断面热强度也是炉膛的一个重 要特性 kw m2 n q q A An 12 2 式中 n 燃烧器的层数 对于固态排渣煤粉炉 约为 1100 1400kw m2 过高的及 An q A q 会导致水冷壁 特别是燃烧器区域的水冷壁 强烈结渣 对于亚临界压力 An q 的锅炉 还会使水冷壁金属的温度升高到危险的程度 所以 及的 A q An q 选取 还应考虑防止水冷壁管内发生膜态沸腾以及对水冷壁管内质量流速 的影响 3 燃烧器区域壁面热强度 r q 对于大容量锅炉 采用 指标还不能全面反映出炉内的热力特 V q A q 性 因此 又采用一个补充指标 燃烧器区域壁面热强度 其定义为 r q kw m2 r pnetar r F BQ q 12 3 Fr 2 a b n 1 sr m2 12 4 式中 a b 一一炉膛宽度和深度 m n 燃烧器的层数 sr 各层燃烧器之间的间距 m Fr 燃烧器区域的炉墙面积 m2 值越大 说明火焰越集中 r q 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 7 燃烧器区域的温度水平就越高 这对燃料的着火和维持燃烧的稳定性是有 利的 但燃烧器区域局部温度过高 容易造成燃烧器区域的壁面结渣 按 国内的运行经验 对于褐煤 可取 0 9 1 2MW m2 对于贫煤和无烟煤 r q 可取 1 4 2 1MW m2 对烟煤可取 1 4 2 3MW m2 4 炉膛壁面热强度 lb q 炉膛壁面热强度 也称炉膛辐射受热面的热强度 或热流密度 它 lb q 是单位炉膛壁面所吸收的炉内辐射热量的平均值 按下式计算 kw m2 lb fj lb F QB q 12 5 式中 炉膛辐射吸热量 kJ kg 见本章第三节 f Q Bj 计算燃料消耗量 kg s 炉膛水冷壁的面积 m2 lb F 炉膛壁面热强度越大 表示单位壁面所吸收的热量越大 说明炉内 lb q 烟气平均温度的水平越高 过高 会造成炉膛结渣 此外 的数值 lb q lb q 是判断膜态沸腾是否会发生的主要指标之一 某些国家建议的数值如下 lb q 褐煤 100kw m2 烟煤和无烟煤 140kw m2 油和天然气 180kw m2 二 炉膛主要尺寸 如前所述 炉膛的主要尺寸是宽度 深度和高度 炉膛尺寸与炉膛的 热强度是紧密联系在一起的 炉膛深度 b 的选取 应保证火焰在炉膛断面内的自由发展 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 它的数值 与燃烧器的型式和燃烧器的布置情况等有关 当采用大功率燃烧器 此时 燃烧器喷口的直径较大 或在炉墙上布置多层燃烧器时 炉膛深度应适当增 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 8 加 因此 随锅炉容量的增加 b 值一般稍为增大 炉膛宽度 a 与锅炉容量和燃料的种类有关 其数值的选取还应考虑燃 烧器的型式 炉膛的宽度 a 和深度玩 b 应保证所选取的炉膛断面热热强度 不超过相应燃料所规定的数值 A q 随着锅炉容量的增大 a 值也增加 但并不是按比例增加 这说明炉 膛断面热强度和烟气速度要相应提高 炉膛高度 h 应保证燃料在炉内能完全燃烧以及布置足够的水冷壁面积 以使烟气冷却至给定的出口温度 l 按完全燃烧条件所需的炉膛高度 应等于炉膛断面的平均烟气速度乘 以燃料完全燃烧所需的时间 在煤粉炉膛内 根据燃料的性质和煤粉颗粒 的粗细 燃料完全燃烧的时间约为 1 2 5 s 对于固体燃料 根据燃烧条 件所确定的炉膛高度和炉膛容积 一般都不能满足冷却烟气的要求 而这 一要求 是锅炉安全运行所必须保证的 因此 不得不把炉膛尺寸 特别 是炉膛高度 加大 随着锅炉容量的增大 炉膛容积的增加比水冷壁面积的 增大来得快 见下 因此 单位炉膛容积的冷却面积减少 为了不使锅炉 变得过分笨重 锅炉容量增加时 炉膛出口温度有时选得稍高一些 但 l 在任何情况下 对流受热面之前的烟温都不应超过灰分开始变形的温度 DT 三 炉膛出口烟气温度 炉膛出口烟气温度 对于中 小型锅炉 是指凝渣管或锅炉管束前 l 的烟温 对于大容量锅炉 是指屏式过热器前的烟温 根据锅炉受热面的辐射和对流传热的最佳比值 维持炉膛出口烟温约 为 1250 是最经济的 但是 对大多数燃料 这是做不到的 因为炉膛出 口处的对流受热面 凝渣管或对流过热器的拉稀部分 前的烟温 不应超过 灰分开始变形的温度 DT 以防对流受热面的结渣 当炉膛出口处布置着屏式受热面时 炉膛出口烟温一般取 l 1100 1200 但是 对于易结渣的燃料 这一温度应保持在 1000 1050 的水平 对于不受结渣条件限制的燃料 如液体和气体燃料 炉膛出口烟温 可适当提高 但考虑过热器壁温和高温腐蚀及控制 的产生 l x NO x SO 炉膛出口温度一般也不应超过 1250 而且 进入对流受热面前的烟温 l 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 9 一般不宜超过 1050 四 排烟温度 锅炉的排烟温度主要是根据燃料的价格和锅炉尾部受热面金属耗量的 经济比较来选择 较低的排烟温度 对应于较小的排烟热损失 和较高 2 q 的锅炉热效率 燃料消耗量也较少 但是 由于尾部受热面的传热温压降 低 其金属耗量也就增多 锅炉的最佳排烟温度 应该是燃料费用和尾部 受热面金属费用总和最少时所对应的温度 最佳排烟温度的选取 还与锅炉的给水温度 燃料的性质 燃料的水分 和硫分 省煤器与空气预热器的金属价格比值等因素有关 给水温度较高 时 尾部受热面的传热温压下降 最佳的排烟温度应稍为提高 燃料中水 分增加时 空气和烟气的热容之比减小 则最经济的排烟温度趋于升高 现代大容量锅炉设计的排烟温度在 130 140 范围内 当燃料含硫量较多 金属壁温低于烟气露点时 为保证锅炉排烟温度 能按上述数值选取 空气预热器必须采取防止低温腐蚀的措施 五 热空气温度 锅炉热空气温度的选取 与燃料的燃烧方式 燃料的种类和特性 锅 炉的排渣方式等因素有关 层燃炉可以采用温度较低的预热空气或直接采 用冷空气 煤粉锅炉则要求采用温度较高的预热空气 室燃炉热空气温度的选取 主要取决于燃料的性质 着火性能好和水 分低的燃料 可以采用较低的热空气温度 着火性能差或水分较多的燃料 一般要求采用较高的热空气温度 此外 热空气温度还与制粉系统的干燥 剂种类 锅炉的排渣方式等有关 表 12 2 列出大 中型锅炉热空气温度 的推荐值 可供参考 表 12 2 锅炉热风温度的推荐值 六 工质的质量流速 受热面中水和蒸汽的质量流速 对受热面运行的安全性和经济性有很 大影响 以过热器为例 如果蒸汽速度选得太低 蒸汽的传热能力下降 过热器管的金属温度很高 将影响过热器的安全运行 反之 如果速度选 得太高 蒸汽的流动阻力就很大 根据受热面内工质的特性以及各受热面 所处的烟温及其对循环经济性影响的不同 质量流速的推荐值列于表 12 3 中 超临界压力受热面中工质的质量流速的数值列于表 12 4 中 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 10 对于非沸腾式省煤器 质量流速的下限由排除受热面内部 氧 腐蚀的条件 来确定 对于沸腾式省煤器 则由消除汽水分层的条件所确定 表 12 3 亚临界压力以下锅炉受热面工质质量流速的推荐值 表 12 4 超临界压力锅炉受热面工质质量流速的推荐值 七 烟气速度 烟气流速对受热面运行的安全性和经济性也有影响 烟速选得过低 y w 除需布置更多的受热面外 还会加重受热面的灰分污染 一般在锅炉额定 负荷下 对于横向冲刷的对流受热面 应大于 6m s 烟气流速的上限受 y w 飞灰磨损条件的限制 因为管子金属的磨损同烟气流速的三次方成正比 飞灰磨损还与受热面所处的烟气温度有关 当烟温 时 按磨损700 条件确定的横向冲刷错列布置受热面的极限烟速 对于一般的煤为 9 l0m s 对于灰多和灰分磨蚀性较强的燃料为 7 8m s 对于灰少和磨蚀 性较弱的煤为 10 12m s 第二节第二节 电厂锅炉热力计算的任务及顺序电厂锅炉热力计算的任务及顺序 一 热力计算的任务 锅炉热力计算是在燃料燃烧计算和热平衡计算之后进行的 其任务是 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 按计算任务的不同 每一部分又可分为设计计算和校核 计算 两种计算方法基本上相同 其区别仅在于已知条件不同及计算所求 参数不同而已 见表 12 5 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 11 表 12 5 锅炉受热面热力计算的任务 二 热力计算的方法与顺序 一 炉膛辐射受热面热力计算方法 由于影响炉膛传热过程的因素很多 所以到目前为止 直接用理论分 析方法来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 简化的传热模型 再进行近似计算 炉膛传热计算方法较多 较实用的是 半经验法 即运用相似理论分析 并通过大量试验而综合得出半经验公式 假定传热过程与燃烧过程分开 在必须考虑燃烧工况影响时 引入经验系 数修正 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 此法简便 并大致反映了炉 内传热基本规律 因此是目前工程上炉膛传热计算的主要方法 锅炉热力计算分设计和校核热力计算两种 见表 12 5 在进行炉膛校核热力计算时 需先假设炉膛出口烟温 再与最后计 lj 算求出的进行比较 误差不能超过下式范围 反之重新假设再反复计算 l 直至满足条件为止 受热面 类型 计算任务计 算 目 的 及 用 途 设计计算 根据给定或选定的炉膛出口烟气温度 确定炉膛内需要布置的辐射受热面积 l f F 多用于新锅炉的设计 炉膛辐射受热面 校核计算 现有锅炉在非设计工况下 如燃料 负荷 运行工况或某些部件结构改变的情况下 的校核计算 是根据已知炉膛的结构特性参数 校核炉膛出口烟气温度 看其是否处于 l 合理范围 若值过高 则应增加辐射受热面 反之应减少辐射受热面 l 由于多数计算与炉膛结构有关 所以设计新锅炉时也通常采用校核计算方法 即预先 布置好炉膛结构和辐射受热面 校核炉膛出口烟气温度是否合理 若不合理 则修改受 l 热面布置再进行计算 设计计算 设计新锅炉时 根据受热面所需的传热量和工质的进 出口温度 确定受热面的面积 半辐射 和对流 受热面校核计算 根据预先布置的受热面结构特性 设计新锅炉时 或已知的受热面结构特性 校核现 有锅炉时 计算燃料消耗量 工质流量 漏风系数 烟气的进口温度和工质的进口或出口 温度等 确定受热面的传热量 烟气的出口温度 工质的出口或进口温度 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 12 100 llj 12 6 对于炉膛内的壁式过热器或再热器 前屏等辐射受热面的热力计算 常合并在炉膛传热计算中进行统一计算 不另作计算 但要考虑辐射面积 的计算方法和沿高度方向热力不均 二 半辐射和对流受热面热力计算方法 半辐射受热面系指布置在炉膛上部或出口烟窗的大屏和后屏受热面 对流受热面系指凝渣管束 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 这些受热面同时兼有对流和辐射传热 而以对 流传热为主 故按对流传热进行计算 某些受热面 如屏 凝渣管束和高 温烟气区域的对流过热器 从炉膛里直接吸收的辐射热 在炉膛传热计算 时已经确定 这部分辐射热量在对流传热计算中应考虑进去 对于烟气在 受热面管间的辐射传热 也折算为对流传热来考虑 按传热计算的任务不 同 也分为设计计算和校核计算 设计计算顺序 先确定受热面的布置形式及设计参数 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 需先假设出口烟温或工质的进口 出口 温 lj t t 度 校核计算下列误差为宜 2100 df crdf Q QQ Q 12 7 式中 用热平衡公式计算出的烟气对流放热量 kJ kg df Q 用传热公式计算出的对流传热量 kJ kg cr Q 三 锅炉机组热力计算顺序 锅炉热力计算 不论是设计计算或校核计算 均可按下列顺序进行 1 列出与计算任务相应的原始数据 当设计计算时应列出锅炉的蒸发 量和蒸汽参数 给水参数等 校核计算时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 2 燃料的燃烧计算 包括沿烟道各段过量空气条件下的三原子气体容 积 水蒸气容积 容积份额以及烟气和空气的焓 3 机组的热平衡计算 需假定锅炉排烟温度 并确定锅炉效率和燃料 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 13 消耗量 4 假定热空气温度 5 炉膛计算 6 炉膛上部各级受热面的热力计算 包括过热器 再热器或锅炉管束 等受热面 7 尾部受热面的热力计算 8 整个锅炉机组主要计算数据汇总表 当对锅炉的某一部件进行热力计算时 通常根据该部件进 出口的烟 气温度和工质温度 用逐次渐近法计算该部件的吸热量 传热系数和传热 温压 保证按热平衡方程所确定的烟气放热量和按传热方程所确定的 df Q 传热量两者间的误差在规定范围内 dc Q 尾部受热面热力计算完成后 要对假设的排烟温度和热空气温度进行 校核 当假设烟温及热空气温度和计算烟温及热空气温度满 py rk t py rk t 足下述关系时认为计算合格 否则应用逐次渐进法重新计算 直至满足下 述要求时为止 10 pypy 12 8 40 rkrk tt 12 9 传热计算全部结束后 对热力计算数据进行修正 复算锅炉效率 燃 料消耗量 炉膛放热量及锅炉热平衡误差等 并列出锅炉主要热力数据的 汇总表 对热平衡误差用下式计算 kJ kg 100 1 4 q QQQ glr 12 10 式中 除空气预热器外的各级受热面的热平衡吸热量总和 Q kJ kg 锅炉效率 gl 锅炉输入热量 r Q kJ kg 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 14 热力计算相对误差标准 Q 5 0 100 r Q Q 第三节第三节 炉膛热力计算炉膛热力计算 一 炉膛几何尺寸的计算一 炉膛几何尺寸的计算 由于炉膛传热计算与炉膛结构尺寸和布置有关 所以在炉膛传热计算 之前应进行炉膛结构特性计算 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 的燃烧器形式 数目 布置方式等确定炉膛的深度 宽度和高度 采用校 核计算方法时 要先布置炉膛辐射受热面 可采用简易估算法 并绘出炉 膛结构草图 进行炉膛结构特性计算 对于现有锅炉炉膛进行校核热力计 算 虽然结构已知 也要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 则应对炉膛结构和辐射受热面布置进行修正 后再进行计算 一 炉膛容积计算 炉膛容积计算按图 12 3 和图 12 4 确定 容积的边界是水冷壁管中 心线所在的平面或者是绝热保温层的向火表面 在不敷设水冷壁的地方则 是炉膛的壁面 炉膛出口边界是通过屏式过热器 凝渣管或锅炉排管的第 一排管子中心线所在平面 炉膛下部容积的边界是炉底 当有水冷灰斗时 则以冷灰斗等分水平面为炉膛容积边界 图 12 3 炉膛容积及水冷壁曝光长度的计算 当屏沿整个炉膛断面布置在炉膛上部 如图 12 4 中型式 1 2 或屏 只布置在炉膛出口烟窗 如图 12 4 中型式 3 时 炉膛容积不包括屏区 容积 当屏采用其它方式布置 如图 12 4 中型式 4 5 6 时 屏区容 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 15 积计算在炉膛容积之内 图 12 4 带有屏的炉膛容积的计算 二 炉壁面积计算 炉壁总面积按包覆炉膛的表面尺寸来计算 对双面曝光水冷壁及屏应 以其边界管中心线间距离与管子曝光长度乘积的两倍作为其相应的炉膛面 积 在计算半开式炉膛燃烧室时 炉壁面积应包括位于燃烧室及冷却室之 间的烟窗面积 当炉膛容积包含有屏时 见图 12 4 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 并且对后两项应计及它们的曝光不 完全性 即 m2 pbpbppkl ZFZFFF 12 11 k p p a a Z 12 12 k pb pb a a Z 12 13 kpppjp acaa 12 14 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 16 kpbpbpjpb acaa 12 15 式中 炉膛总炉壁面积 l F 2 m 空容积的炉膛面积 K F 2 m 屏和屏区水冷壁的炉壁面积 p F pb F 2 m 屏和屏区水冷壁的曝光不均匀系数 p Z pb Z 炉膛空容积的火焰黑度 k a 对应于屏和屏区水冷壁的火焰黑度 p a pb a 屏间容积的火焰黑度 pj a 系数 按附图 1 查取 图中所需参数 p pb p c pb c 按下式计算 A k hyA s A a 1ln 12 16 式中 炉膛空容积有效辐射层厚度 按下式计算 k s m k k k F V s6 3 12 17 A 屏外侧管与炉壁的距离或屏的深度尺寸 见图 12 4 m 炉膛火焰黑度 详见本节 hy a 计算炉膛火焰黑度 见式 12 41 时 炉内介质的有效辐射层厚度 S 按下式计算 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 17 不含屏时 m l l F V s6 3 含有屏时 1 6 3 l k pbk p pbpk l V V FF F FFF V s m 12 18 式中 炉膛空容积和炉膛总容积 k V l V 3 m 查图时还应注意以下几点 如果屏区与空容积间界面是两个平面 则取其中较大的作为朝向炉 膛容积的假想窗口 并以尺寸 L 表示 确定时 如果 则 如果 则 p c 1 sA LA A 1 s 为屏的间距 确定时 如果 L 则取 Ls 1 1 s pb c 1 sLA 如果 则 1 sL 1 sA 屏区内水冷壁的火焰黑度近似取屏的黑度 ppb aa 屏区内与屏及假想窗口垂直的水冷壁 其值可按附图 1 的 pb 查得 但要用 A L 代替 A 系数按图取用 p 1 s pb c p c 屏区内与屏及假想窗口平行的水冷壁 按附图 1 中 取 pb pb c 用 有两个空容积的炉膛 如图 12 4 中 5 型 其有效辐射层厚度为 两个容积的有效辐射层厚度的算术平均值 而式 12 14 12 15 pj s 右端第二项加倍取值 三 辐射受热面面积计算 炉膛水冷壁及双面曝光水冷壁的辐射受热面面积可当做一连续平面来 计算 该平面在吸热上与管子未沾污的水冷壁相当 liiF xF 2 m 12 19 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 18 12 20 blFli 2 m 式中 F 辐射受热面积 m2 水冷壁角系数 按附图 2 确定 i x 水冷壁所占据的炉壁面积 li F 2 m b 水冷壁边界管子中心线间的距离 m 水冷壁曝光长度 m l 确定时还应扣除炉壁上未敷设管子的区段和燃烧器等的面积 对于 li F 双面曝光水冷壁和屏 blFli2 2 m 12 21 当炉膛容积含有屏时 其屏和屏区水冷壁的有效辐射受热面积为 pPpp xZFF 2 m 12 22 pbPbpbpb xZFF 2 m 12 23 式中 屏及屏区水冷壁的角系数 查附图 2 p x pb x 二 炉膛传热计算的基本方程二 炉膛传热计算的基本方程 燃料在锅炉炉膛中进行燃烧 放出大量的热量 并通过辐射传给受热面 中的工质 因此 反映炉膛传热的基本方程有 高温烟气与辐射受热面间的辐射换热方程 kw lf aQ 0 4 1 TFl 12 24 高温烟气在炉内放热的热平衡方程 kw 1lapjlljj TTVCBIQBQB 12 25 式中 计算燃料消耗量 kg s j B 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 19 以 1kg 燃料为基准的炉内有效放热量 kJ kg 1 Q 波尔兹曼常数 0 11 0 1067 5 42 Kmkw 炉膛黑度 l a 炉内辐射受热面热的有效系数 炉膛辐射换热面积 m2 l F 考虑炉膛散热损失的保热系数 炉膛内介质的平均温度 K 1 T 炉膛出口截面上燃烧产物的焓 kJ kg l I 燃烧产物的平均比热容 p VC kJ kg K la ll p TT IQ VC 12 26 燃烧产物的理论燃烧温度 K a T 炉膛出口烟气温度 K l T 以 1kg 燃料为基准的炉内有效放热量 包括燃烧用空气带入炉 l Q 膛的热量 kJ kg krl Q q qqq QQ 4 643 100 100 12 27 1kg 燃料带入锅炉机组的热量 见第三章 kJ kg r Q 空气带入炉内的热量 k Q kJ kg 0 0 lkzflrkzfllk IIQ 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 20 12 28 式中 炉膛出口处过量空气系数 l 炉膛和制粉系统的漏风系数 由表 12 6 查取 l zf 理论热空气的焓和理论冷空气的焓 kJ kg 0 rk I 0 lk I 表 12 6 额定负荷时制粉系统 炉膛和对流烟道的漏风系数 系统或烟道名称漏风系数 制粉系统 钢球磨中间储仓式 中速磨直吹式 煤粉炉炉膛 屏式过热器 凝渣管 过热器 占据整个水平烟道时 多级布置时的每一级 再热器 省媒器 单级布置时 两级布置时的每一级 管式空气预热器 单级布置时 两级布置时的每一级 回转式空气预热器 0 1 0 04 0 05 0 1 0 0 05 0 03 0 03 0 03 0 02 0 05 0 03 0 2 炉膛内的热平衡方程 一般炉膛内高温烟气的流速较低 传热方式以辐射为主 对流传热量 只占 5 左右 为了简化计算 通常炉膛换热按纯辐射的方式计算 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 其热平衡方程式 l a 0 4 1 TFl lapj TTVCB 12 29 从传热基本方程可以看出 影响炉膛换热的主要因素为炉膛黑度 l 辐射受热面平均热有效系数 辐射受热面积及火焰平均温度 l FT 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 21 三 我国常用的炉膛换热计算方法三 我国常用的炉膛换热计算方法 一 炉膛传热计算方法 我国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 是经过修正的古尔维奇方法 由热平衡方程式 12 29 推出系统方程式 在 公式推导过程中作了以下假设 忽略了炉膛内的对流换热 假设存在一个燃料在进入炉膛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 实际上理论燃烧温 a T 度在炉膛中是不存在的 对炉膛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 将热平衡方程式 12 29 采用以下无因次量表示 无因次火焰平均温度 a T T1 1 12 30 无因次炉膛出口烟气温度 a l l T T 12 31 波尔兹曼准则 3 0a pj FT VCB Bo 12 32 将 12 30 12 31 和 12 32 式代入 12 29 式得 01 4 1 l l Bo a 12 33 设是介于和之间的烟温 由试验得知与之间存在下列关 1 T a T l T 1 T l T 系式 11l C 12 34 式中 C1 n 经验系数 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 22 将 12 34 式代入 12 33 可得 01 4 l n l l Bo Ca 12 35 由试验和准则方程解得炉内辐射传热的准则方程式 6 0 1 1 1 1 l a Bo M 12 36 式中 经验系数 它与燃料的性质 燃烧方式和燃烧器布置得相对M 高度 炉内火焰平均温度和理论温度等因素有关 将 12 36 式改写成炉膛出口温度计算式 273 ll T 273 1 6 0 3 0 pj all a VCB TFa M T 12 37 当计算水冷壁的面积 F1时 式 12 29 可写成 3 5 3 0 1 1 l a al pj l T T MTa VCB F m2 12 38 2 2 3 3 0 1 1 1 l a lal j T T MTTMa QB 式 12 37 和式 12 38 中的燃料消耗量 Bj 保热系数 烟气 的热容量 水冷壁的面积等可通过热平衡和几何尺寸计算得到 p VC l F 而炉膛黑度 系数 M 受热面的热有效系数 的计算方法将在下面分 l a 别介绍 二 炉膛黑度的计算 1 炉膛黑度 l a 炉膛黑度是表示火焰有效辐射热流的一个假想黑度 可按下式计算 l a 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 23 1 hyhy hy l aa a a 12 39 或 xaa a a hyhy hy l 1 12 40 式中 火焰黑度 hy a 水冷壁的热有效系数 水冷壁的污染系数 水冷壁辐射角系数 查附图 2 x 2 火焰黑度 火焰黑度表示炉内高温介质的辐射能力 炉内介质中的二原子气体 如 N2 02 H2等 其辐射能力很小 可以忽略不计 三原子气体 如 CO2 H2O SO2等 和碳氢化合物气体 如 CH4等 在很广的温度范围内 具有辐射力和吸收率 但在一般情况下 火焰中碳氢化合物气体的含量极 少 也可不予考虑 因此 一般只考虑三原子气体的辐射 此外 在燃用 气体和重油的锅炉中 燃烧时所生成的炭黑微粒 以及在燃煤锅炉中的灰 分颗粒和焦炭颗粒 也都具有较强的辐射能力 气体的辐射带有选择性 主要集中在红外线的波长范围 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因素 与固体物质相 比 在相同温度条件下气体具有较低的辐射力 火焰中的固体颗粒从其表面发射能量 其辐射力取决于颗粒的尺寸 或 表面积 浓度 温度及其特性 煤粉炉中焦炭颗粒的尺寸约为 10 一 250 m 就其单位辐射强度而言 已接近于绝对黑体 但是 火焰中焦炭 颗粒的浓度不高 约 0 lkg m3 而且基本上集中在燃烧器区域 焦炭颗粒的 辐射力约占火焰总辐射力的 25 30 灰分颗粒大约具有和焦炭颗粒相同的尺寸 但它充满整个炉膛 烟气 中飞灰的浓度主要决定于燃料中灰分的含量和燃烧方法 在煤粉炉中灰分 颗粒的辐射力大约占火焰总辐射能力的 40 一 60 灰分的辐射能力随温 度的升高而下降 燃气炉和燃油炉在燃烧时所产生的炭黑微粒 在火焰核心区具有很高 的浓度和很强的辐射力 在计算火焰的黑度时 要区分燃用气体 重油的火焰和燃用固体燃料 的火焰 前者的辐射成分是三原子气体和悬浮的炭黑微粒 后者的辐射成 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 24 分则是三原子气体和悬浮的灰分及焦炭颗粒 1 固体燃料的火焰黑度 燃烧固体粉状燃料时 火焰的黑度按下式计算 hy a kps hy ea 1 12 一 41 式中 k 炉内介质的辐射减弱系数 1 m MPa p 炉内介质的压力 对非正压锅炉 p 0 lMPa S 炉内介质的辐射层有效厚度 m 炉内介质的辐射减弱系数由下式确定 k 1 m MPa 21 10CCkrkk hhq 12 42 其中三原子气体的辐射减弱系数按下式求出 或由附图 3 查出 q k 1000 37 011 111 5492 2 2l OH q T prs r k 1 m MPa 12 43 式中 三原子气体的辐射减弱系数 1 m Mpa q k p 炉膛中火焰压力 对于平衡通风锅炉 p 0 1MPa S 火焰有效辐射层厚度 m 三原子气体的总容积份额 为二氧化碳 含二氧化硫 和水r 蒸气容积份之和 OHRO rrr 22 炉膛出口烟气温度 K l T 灰粒的辐射减弱系数 按下式求出 或由附图 4 查出 h k 1 m Mpa 3 2 2 55900 hl h h dT k 12 44 灰粒的直径 m 对 h d 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 25 于钢球磨煤机 13 对于中速锤击磨煤机 16 对于层燃炉 20 h d h d h d 飞灰浓度 kg kg 详见第三章 h 燃料种类修正系数 对于挥发分高的煤 烟煤 褐煤 泥煤 1 C 木材等 0 5 对于挥发分低的煤 无烟煤 贫煤等 1 C 1 0 1 C 燃烧方式修正系数 对于室燃炉 0 1 对于层燃炉 2 C 2 C 0 03 2 C 2 液体和气体燃料的火焰黑度 液体和气体燃料的火焰由发光火焰和不发光火焰两部分组成 三原子 气体为不发光火焰 炭黑等微粒为发光火焰 故燃烧气体和重油的锅炉 炉膛平均火焰黑度可按下式计算 hy a bfghy ammaa 1 12 45 式中 火焰发光部分的黑度 fg a 火焰不发光部分的黑度 b a 火焰发光系数 与燃料种类和燃烧方式有关 对于气体燃m 料的不发光火焰和 时的重油火焰 m 0 气体燃料的发光火焰 3 3 23mkwqv m 0 2 对于 233175 v q 3 mkw 时的重油火焰 m 0 6 对于煤粉火焰及时的重油 1160 v q 3 mkw 火焰 m 1 0 不发光火焰的黑度按下式计算 spk b qq ea 1 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 26 12 46 式中 三原子气体的辐射减弱系数 按式 12 43 求出 或由附图 q k 3 查出 三原子气体分压力 MPa q pprpq P 炉膛压力 对于煤粉锅炉 P 0 1 Mpa 三原子气体的总容积份额 r OHRO rrr 22 S 火焰有效辐射层厚度 m 发光火焰黑度按下式计算 psk fg fg ea 1 12 47 ar arl lfg H CT k 5 0 1000 6 1 2 3 0 12 48 式中 为发光火焰的辐射减弱系数 fg k 3 水冷壁的热有效系数和污染系数 水冷壁的热有效系数是水冷壁受热面实际吸热量与火焰辐射总热量 的比值 x TFa TTFa ll bls 4 0 44 0 12 49 式中 火焰与水冷壁封闭系统的黑度 s a 水冷壁表面温度 K b T 受热面的污染系数是指受热面受到污染而使吸热降低的一个修正系数 是火焰辐射到水冷壁上的热量被水冷壁受热面所获得的份额 4 101 TFa 4 4 0 44 0 1 T T TFa TTFa b ll bls 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 27 12 50 污染系数与燃料性质 燃烧工况 水冷壁结构等因素有关 可按表 12 6 选取相应的数值 双面曝光水冷壁的污染系数按单面曝光水冷壁相同方法取用 当炉膛 受热面中有局部覆盖时 如卫燃带 的平均值计算方法如下 21 2211 ll ll FF FF 12 51 式中 未覆盖及覆盖耐火层的有效辐射受热面积 m2 1l F 2l F 1 2 相应水冷壁的污染系数 见表 12 7 表 12 7 污染系数 水冷壁形式燃料种类污染系数 光管水冷壁和膜式水冷壁 固态排渣炉覆盖耐火涂料的销钉水冷壁 覆盖耐火砖的水冷壁 气体 气体和重油混合物 重油 煤粉炉 无烟煤 Cfh 12 贫煤 Cfh420t h D 420t h 摆动式燃烧器上下摆动 20 重油炉及燃气炉 燃烧器处过量空气系数 r 1 0 0 05 0 1 0 1 2 1 r 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 29 kw m2 12 55 l lj H F QB q 由于炉内各区段的温度场 浓度场存在着不均匀性 影响到水冷壁热 负荷沿炉膛宽度 深度和高度方面的分布 局部热负荷 qi按下式计算 qi iqH kw m2 12 56 式中 i 热负荷不均匀系数 热负荷不均匀系数与炉膛的结构 燃烧方式 燃烧器布置 燃料种类 有关 各炉墙间的热负荷不均匀系数 q 当前墙布置燃烧器时 后墙 q 1 10 竖井炉的后墙 q 1 2 其他情况 q 1 0 沿炉膛高度的热负荷不均匀系数 h可查图 5 也可近似地取用下 列数值 炉膛各墙上部 1 3 高度 h 0 8 1 4 高度 h 0 75 炉顶 h 0 6 四 美国 CE 公司炉膛热力计算方法简介 不同国家或公司对锅炉炉膛有不同的的换热计算方法 由于其经验数 据的局限性 一般只能适用于他们自己所生产的锅炉型式和燃烧方式 目 前我国引进美国 CE 公司技术生产的锅炉较多 下面简要介绍美国 CE 公 司炉膛热力计算方法 炉膛换热公式 kJ h 100 100 44 1 w gw g gs T a T KFq 12 57 E HE g F F 1 12 58 E HE gw F F 1 12 59 式中 q 炉膛换热量 kJ h K Stefan Boltzmann 常数 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 30 水冷壁的有效辐射系数 也称水冷壁受热面的黑度 与煤种 s 和污染程度有关 对于清洁炉膛 0 75 100 沾污的炉膛 0 65 其他 s s 情况取 0 75 0 65 s 燃烧产物的辐射率 按式 12 58 计算 g 只计算和的 Hottel 辐射率 H 2 COOH2 修正因子 1 0 取决于炉膛的有效辐射层厚度 燃烧 H F H F 产物的压力和温度 w g 由烟气吸收的边界面辐射系数 按式 12 59 计算 Hottel 给出的燃烧产物三原子气体的吸收率 H F1 接收辐射的有效受热面积 m2 Tg 烟气温度 K TW 水冷壁表面温度 K 采用上式计算很多修正系数不好确定 将上述计算公式绘成线算图 可利用线算图 附图 6 和图 7 进行计算 具体计算步骤如下 计算辅助参数 热输入率 KW m2 A QB argrj 12 60 炉膛相对高度 R ht 12 61 燃烧器相对高度 R hc 12 62 m 4AR 12 63 运行的顶层燃烧器至分隔屏底的距离 m t h tan R 第十二章 锅炉热力计算及其设计布置 31 12 64 燃烧器中心线至屏底距离 m c h tan R 12 65 式中 计算燃料消耗量 kg s j B 燃料收到基的高位发热量 MJ