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锅炉设计基础,中国特种设备检测研究中心李林录,锅炉设计基础,一、概述1、锅炉设计的几个主要方面（1）锅炉结构设计（2）锅炉燃烧系统设计（3）锅炉燃烧计算（4）锅炉热力计算（5）管壁温度计算（6）锅炉强度计算（7）锅炉水动力计算（含流动阻力计算）（8）锅炉空气动力计算,锅炉设计基础,2、设计要求：确定锅炉型式；决定各部件的构造及尺寸；在保证安全可靠的基础上力求技术先进、节约金属、制造安装简便、高效率、低燃料消耗；,锅炉设计基础,3、锅炉设计时已知条件：（1）燃料特性；（2）煤粉制备系统、燃烧设备的型式；（3）根据发电机组的运行参数确定的锅炉设计参数，如锅炉额定蒸发量、给水压力与给水温度、过热蒸汽额定压力与温度、再过热蒸汽流量、再过热蒸汽额定压力与温度。,锅炉设计基础,4、锅炉设计计算：（1）锅炉设计计算是在锅炉额定负荷下进行的，也就是锅炉各部件的结构尺寸是按额定负荷设计的。（2）锅炉设计工作的特点之一是按指定的燃料设计的，锅炉对燃料的适应性差，燃料的通用范围小。如果燃用非设计燃料将使燃烧特性与锅炉的热力特性发生变化，甚至发生故障。,锅炉设计基础,5、锅炉校核计算：（1）锅炉校核计算是根据已有的锅炉结构数据，对改变负荷、燃料、运行工况或改变某些部件结构的情况下确定各受热面交界处的水温、汽温、空气温度烟气温度、锅炉效率、燃料耗量、及空气烟气流量、流速。（2）校核的目的是为了估计锅炉在非设计工况下运行的经济指标，寻求改进锅炉结构的必要措施，以及为选择辅助设备和进行管壁温度计算、锅炉水动力计算、锅炉空气动力计算、锅炉强度计算和其他可靠性计算提供数据及资料。,锅炉设计基础,二、锅炉的结构设计要求：锅炉的设计必须符合安全、可靠的要求。（1）各部分在运行时应能按设计预定方向自由膨胀;（2）保证各循环回路的水循环正常，所有受热面都应得到可靠的冷却；（3）各受压部件应有足够的强度;（4）受压元、部件结构的形式、开孔和焊缝的布置应尽量避免或减少复合应力和应力集中;（5）水冷壁炉膛的结构应有足够的承载能力;,锅炉设计基础,（6）炉墙应具有良好的密封性;（7）承重结构在承受设计载荷时应具有足够的强度、刚度、稳定性及防腐蚀性;（8）便于安装、运行操作、检修和清洗内外部;（9）燃煤粉的锅炉，其炉膛和燃烧器的结构及布置应与所设计的煤种相适应，并防止炉膛结渣或结焦。,锅炉设计基础,（10）额定蒸汽压力大于或等于3.8MPa的锅炉，锅筒和集箱上应装设膨胀指示器。悬吊式锅炉本体设计确定的膨胀中心应予固定;（11）锅炉锅筒的最低安全水位，应能保证下降管可靠供水;（12）凡属非受热面的元件，如由于冷却不够，壁温可能超过该元件所用材料的许用温度时，应予绝热;,锅炉设计基础,（13）装设空气预热器的燃油锅炉，尾部应装设可靠的吹灰及灭火装置。燃煤粉锅炉在炉膛和布置有过热器、再热器的对流烟道、应装设吹灰器;（14）装有可分式铸铁省煤器的锅炉，宜采用旁路烟道或其他有效措施，同时应装设旁通水路。装有不可分式省煤器的锅炉，应装设再循环管或采取其他措施防止锅炉启动点火时省煤器烧坏;,锅炉设计基础,（15）膜式水冷壁鳍片与管子材料的膨胀系数应相近，鳍片宽度应保证鳍片各部分在锅炉运行中的温度不超过所用材的许用温度;（16）为确保过热器、再热器在启动及甩负荷时的冷却，应采取向空排汽、装设蒸汽旁通管路或限制烟温等措施。,锅炉设计基础,（17）锅炉主要受压元件的主焊缝锅筒及集箱的纵向和环向焊缝，封头的拼接焊缝等应采用全焊透的对接焊接;,锅炉设计基础,（18）锅炉的下降管与集箱连接时，应在管端或集箱上开全焊透型坡口。当下降管的外径小于或等于108MM且采用插入式结构时可不开坡口。对于额定蒸汽压力大于或等于3.8MPa的锅炉，集中下降管管接头与筒体和集箱的连接必须采用全焊透的接头型式，焊接时要保证焊透。额定蒸汽压力大于或等于9.8MPa的锅炉，管子或管接头与锅筒、集箱、管道连接时，应在管端或锅筒、集箱、管道上开全焊透型坡口(长管接头除外)。,锅炉设计基础,（19）凡能引起锅筒(锅壳)壁或集箱壁局部热疲劳的连接管(给水管、减温水管等)，在穿过锅筒(锅壳)壁或集箱壁处应加装套管;,锅炉设计基础,（20）受压元件上管孔的布置应符合下列规定:a胀接管孔中心与焊缝边缘及管板扳边起点的距离不应小于0.8d(d为管孔直径)，且不小于0.5d+12mm。胀接管孔不得开在锅筒筒体的纵向焊缝上，同时亦应避免开在环焊缝上。如结构设计不能避免时，在管孔周围60mm(若管孔直径大于60mm，则取孔径值)范围内的焊缝经射线探伤合格，且焊缝在管孔边缘上不存在夹渣，并对开孔部位的焊缝内外表面进行磨平和将受压部件整体热处理后，方可在环向焊缝上开胀接管孔;,锅炉设计基础,b.集中下降管的管孔不得开在焊缝上。其他焊接管孔亦应避免开在焊缝上及其热影响区。如不能避免时，在管孔周围60mm(若管孔直径大于60mm，则取孔径值)范围内的焊缝经射线或超声波探伤合格，并且焊缝在管孔边缘上不存在夹渣，管接头焊后经热处理消除应力的情况下，方可在焊缝上及热影响区开孔。,锅炉设计基础,（21）锅筒(筒体壁厚不相等的除外)上相邻两筒节的纵向焊缝都不应彼此相连。其焊缝中心线间外圆弧长至少应为较厚钢板厚度的3倍，且不小于100mm。,锅炉设计基础,（22）锅炉受热面管子直段上，对接焊缝间的距离不应小于150mm。受热面管子的对接焊缝中心线至管子弯曲起点、锅筒及集箱外壁、管子支、吊架边缘的距离至少为50mm；对于额定蒸汽压力大于3.8MPa的锅炉至少为70mm。对于管道上述距离应不小于管道外径，且不小于100mm。受热面管子以及锅炉汽水管道如采用无直段弯头，无直段弯头与管道对接焊缝应经100%射线探伤合格。受热面管子上无直段弯头的弯曲部位不宜焊接任何元件;,锅炉设计基础,（23）受压元件主要焊缝及其邻近区域应避免焊接零件。如不能避免，则焊接零件的焊缝可穿过主要焊缝，而不应在焊缝及其邻近区域终止，以避免在这些部位发生应力集中;,锅炉设计基础,（24）锅筒纵、环缝两边的钢板中心线应对齐。锅筒环缝两侧的钢板不等厚时，一般应采用中心线对齐，也允许一侧的边缘对齐。公称壁厚不同的两元件或钢板对接时，两侧中任何一侧的名义边缘厚度差值若超过规定的边缘偏差值，则厚板的边缘须削至与薄板边缘平齐，削出的斜面应平滑，并且斜率不大于1:4;,锅炉设计基础,（25）额定蒸发量小于或等于75t/h的水管锅炉，当采用煤粉、油或气体作燃料时，在炉膛和烟道等容易爆燃的部位一般应设置防爆门。防爆门的设置应不致危及人身的安全;（26）封头的弯曲部位不宜焊接任何元件;（27）微正压燃烧的锅炉，炉墙、烟道和各部位门孔必须有可靠的密封，看火孔必须装设防止火焰喷出的联锁装置。,锅炉设计基础,（28）锅炉上开设的人孔、头孔、手孔、清洗孔、检查孔、观察孔的数量和位置应满足安装、检修，运行监视和清洗的需要;锅炉受压元件的人孔盖、头孔盖、手孔盖应采用内闭式结构。额定蒸汽压力大于3.8MPa的锅炉，其受压元件的手孔盖可采用焊接式结构。,锅炉设计基础,（29）操作人员立足地点距离地面(或运转层)高度超过3000mm的锅炉，应装设平台、扶梯和防护栏杆等设施。锅炉的平台、扶梯应符合下列规定:1.扶梯和平台的布置应保证操作人员能顺利通向需要经常2.扶梯和平台应防滑，平台应有防火设施。3.扶梯、平台和需要操作及检查的炉顶周围，都应有铅直高度不小于1000mm的栏杆、扶手和高度不小于80mm的挡脚板。4.扶梯的倾斜角度以45-50为宜。如布置上有困难时，倾斜角度可以适当增大。5.水位表前的平台到水位表中间的铅直高度应为1000-1500mm。,锅炉设计基础,三、锅炉燃烧计算1、燃料：固体燃料煤、油页岩、木材等液体燃料重油、各种渣油及炼焦油气体燃料天然气、工艺气（高炉煤气、焦炉煤气等）等,锅炉设计基础,2、煤：无烟煤含碳量高，挥发份低，灰分低，水分低，热值高（2500032000Kj），着火困难，燃尽不容易。烟煤含碳量较高，挥发份不大，灰分不大，水分不大，热值高（约20000Kj），着火不容易，有的易结焦。褐煤含碳量较高，挥发份高，灰分和水分大，热值低（约1000020000Kj），着火及燃尽容易。泥煤含碳量低，挥发份很高，灰分和水分很大，热值很低（约800010000Kj），着火容易。,锅炉设计基础,3、燃料（煤）成分：碳（C）主要可燃元素。氢（H）含量少氧（0）及氮（O）不可燃，氮为有害元素硫（S）有害元素灰分不可燃。结渣、积灰、磨损。水分降低炉内温度，低温腐蚀及堵灰。,锅炉设计基础,4、燃烧所需空气量与烟气量计算：根据燃料成分分析数据，应用化学原理计算。（1）理论空气量V0（1Kg燃料完全燃烧所需空气量）V0（1.866Cy+5.55Hy+0.7Sy-0.7Oy）/21（2）理论烟气量Vy0（1Kg燃料完全燃烧所产生的烟气量）Vy0由Vco20、Vso20、VH2O0、VN20组成。,锅炉设计基础,5、过量空气系数：为了保证燃料与空气成分混合燃烧，送入炉膛的空气量均大于理论空气量，其比值称为过量空气系数。一般取1.2左右，根据燃料特性选取。过量空气系数与机械不完全燃烧热损失、化学不完全燃烧热损失，排烟热损失之间密切相关，应取合理值。,锅炉设计基础,5、燃料耗量计算：Bj=Q/(Qr)100。Q锅炉有效利用热（Kj）Qr燃料发热量（Kj/Kg）锅炉热效率,锅炉设计基础,四、锅炉燃烧系统设计1、燃烧系统设计要求：（1）保证着火及时而又稳定（2）保证较好的燃尽程度，（3）应防止发生严重结渣，（4）具有良好的调节性能，以适应煤质或负荷的变化。,锅炉设计基础,2、燃烧器种类漩流燃烧器：燃烧器的出口气流为旋转射流。直流燃烧器：燃烧器的出口气流为直流射流。,锅炉设计基础,3、炉膛型式、高度及截面尺寸的设计炉膛容积热负荷：qv=Q/V炉膛断面热负荷:qA=Q/V要从燃烧与传热二个方面考虑，并应考虑燃料特性，应使燃料在炉内有足够的停留时间以保证其充分燃烧、要求炉内能布置足够的水冷壁，使炉膛出口烟温在允许的范围内，以保证不出现结渣。,锅炉设计基础,3、热空气一次风：输送煤粉时偕同煤粉一起送入炉膛的热风。二次风：燃烧所需的空气量光一次风远远不够，还需大量的热风送至燃烧器，这为二次风。三次风：热风送粉的储仓式制粉系统中含有一定量细粉的乏气。,锅炉设计基础,一次风风率与风速增大，则着火推迟，应根据燃料的着火性能选择一次风率与风速。二次风风率与风速与煤粉与空气的有效混合及燃尽程度有关。一次风、二次风、三次风量之和是一定的，因此因控制一二次风风率的比率，以控制着火与燃烧。,锅炉设计基础,一次风风率与风速增大，则着火推迟，应根据燃料的着火性能选择一次风率与风速。二次风风率与风速与煤粉与空气的有效混合及燃尽程度有关。一次风、二次风、三次风量之和是一定的，因此因控制一二次风风率的比率，以控制着火与燃烧。,锅炉设计基础,五、锅炉热力计算1、目的：在给定的给水温度和燃料特性的前提下确定保证达到额定蒸发量、选定的经济指标及给定的蒸汽参数所必须的锅炉各受热面的结构和尺寸，并为选择辅助设备和进行空气动力计算、水动力计算、管壁稳定计算、强度计算和其他可靠性计算提高依据。,锅炉设计基础,2、计算原理：（1）热量平衡，即烟气的焓降，等于工质（水、蒸汽）的焓增。（2）先根据经验布置锅炉受热面，然后进行校核计算。,锅炉设计基础,3、炉膛热力计算：炉膛出口烟温的选取应保证布置在炉膛之后的受热面不发生结渣，炉膛容积热负荷及断面热负荷在燃烧条件允许的范围内。一般根据燃料特性、炉膛容积热负荷、断面热负荷、炉膛出口烟温等经验数据选取炉膛结构，然后进行计算，计算结果与假设炉膛出口烟气温度之差小于100，认为计算合格。,锅炉设计基础,4、过热器热力计算：大型锅炉过热器由辐射式、屏式、对流式、包墙管式等各种结构型式。所以有多种传热方式，通常分为若干级按照烟气流程分级计算。（1）辐射式布置在炉膛上部或中部的屏式过热器，辐射传热。（2）半辐射式布置在炉膛出口处的屏式过热器，对流与辐射传热。（3）对流式布置在对流烟道中，对流传热。,锅炉设计基础,（4）先假定烟气出口温度，再计算工质吸热量与工质的传热量，二者计算后的误差控制在2。（有减温器时3）（5）过热器计算时应考虑减温器流量及减温水温度或汽汽热交换器热交换量。,锅炉设计基础,5、再热器的热力计算：大型锅炉再热器一般分为二级，低温过热器一般布置再尾部烟道，高温再热器一般布置在水平烟道，现也有部分锅炉低温再热器布置在炉膛上部与水冷壁相接触为壁式再热器。热力计算方法与过热器相同。,锅炉设计基础,6、凝渣管与对流管束热力计算：工质温度保持不变。先假定烟气出口温度，再计算工质的传热量与烟气焓降，二者计算后的误差控制在2。（有减温器时3）,锅炉设计基础,7、直流锅炉过渡区的热力计算：过渡区由蒸发段与过热段组成，将蒸发段的末断布置在尾部烟道中，一般合并计算，当工质温度大于40时分开计算。,锅炉设计基础,8、省煤器热力计算：设计计算时入口烟气、水的焓均为已知，总的吸热量也为已知。根据吸热量计算出口水焓及出口烟气的焓。按对流换热计算受热面的传热能力。计算时应考虑喷水减温的减温水的流量。分级布置时应分别计算。,锅炉设计基础,9、空气预热器热力计算：设计时冷热空气的温度是给定的，排烟温度、空气预热器漏风系数是选定的，主要是计算受热面的传热能力。分级布置时应分别计算。,锅炉设计基础,10、附加受热面热力计算：主受热面的周围并联或串联的各种不同的附加受热面，如：过热器区域的包墙水冷壁、包墙过热器、顶棚管、各种支吊管、引出管。如果附加受热面不超过主受热面的5，可不单独计算。,锅炉设计基础,11、烟气与工质之间热平衡：设计计算完成后汽水系统工质的吸热量的总和与燃料生成的烟气理论烟气焓降到排烟焓的差值应相等。,锅炉设计基础,12、几个主要参数的选择（1）排烟温度：排烟温度低排烟热损失小，热效率高，节约燃料；但温差小，增加锅炉受热面，增加金属消耗，增加投资。易产生低温腐蚀与堵灰，降低锅炉工作的可靠性。一般电站锅炉排烟温度根据燃料特性、给水温度等因素选择110180。,锅炉设计基础,（2）热空气温度：应保证燃料在炉膛内迅速着火。热空气温度高，有利于着火，但空气预热器金属消耗量增大。一般电站锅炉热空气温度根据燃料特性、燃烧方式、排渣方式等因素选择250400。,锅炉设计基础,13、蒸汽参数与燃料特性对受热面布置的影响：（1）蒸汽参数：,锅炉设计基础,压力升高加热水至饱和温度所需的热量增加，即省煤器所需受热面增加；蒸发所需的热量减少，即水冷壁所需的受热面减少；过热所需的热量略有增加,但实际上高压必随着高温，过热所需的热量大为增加，即过热器所需的受热面大大增加，对超高压参数及以上机组采用中间再热系统，所需的过热吸热了就更大了。当超临界压力时，蒸发吸热量为零。由于以上特性，中压锅炉有时布置对流管束，高压及以上锅炉将一部分过热受热面布置在炉膛中。,锅炉设计基础,（2）燃料特性：A、燃料发热量、水分发热量低、水分就高，影响炉膛温度，增加烟气量与流速，提高对流受热面吸热量，提高排烟温度。B、灰分影响对流受热面的磨损，应采取不同的烟气流速。灰分还使对流受热面积灰，影响传热。C、挥发分影响着火与燃尽的难易，炉膛容积热负荷不同，炉膛的高矮有所不同。D、硫分主要影响烟气的露点温度，从而影响排烟温度的选取。,锅炉设计基础,六、管壁温度计算：1、概述：保证锅炉工作的可靠性，使受热面金属壁温低于它的安全极限。根据热力计算数据进行计算。,锅炉设计基础,2、计算同一管组中热力、水力最不利条件下的局部最大壁温，即热负荷大、工质温度高和水力偏差大的地方。最大热负荷管的位置：顺列管束和屏烟气冲刷的第一排管子错列管束和屏烟气冲刷的第一排或第二排管子屏最外圈或流程最长的管子（不同的金属材料时应考虑相邻的管排）,锅炉设计基础,3、计算时应考虑的因素：沿烟道截面和管子周围的受热不均匀性、平行管的流动不均匀性和结构偏差、沿管壁热量的均流。,锅炉设计基础,4、一般按额定负荷进行计算，但对于辐射式受热面在低负荷时单位工质吸收更多的热量具有更高的工质汽温。,锅炉设计基础,七、受压元件强度计算GB9222-1988水管锅炉受压元件强度计算1、材料许用应力：=jj取b/nb、ts/ns、tD/nD三者最小值nb=2.7、ns=1.5、nD=1.5根据受压元件工作特点选取,锅炉设计基础,2、计算壁温：温度最高部位内外壁算术平均值，应取不得低于250。,锅炉设计基础,3、锅筒筒体的计算（1）计算公式Smin=Sl+CSSmin注：计算公式适应范围,锅炉设计基础,(2)、计算压力P=Pg+PaPg=Pe+Pz+Psz,锅炉设计基础,(3)、减弱系数min取焊缝减弱系数h、丛向减弱系数、2倍横向减弱系数2、斜向孔桥当量减弱系数d之最小值。当相邻两孔节距大于下式计算值时不按孔桥计算，当需考虑加强。（dp二孔平均当量直径）,锅炉设计基础,丛向孔桥减弱系数=(t-dp)/t横向孔桥减弱系数=(t-dp)/t斜向孔桥当量减弱系数dd=K(t-dp)/t,锅炉设计基础,（4）附加壁厚CC1C2C1考虑腐蚀减薄C2考虑钢板负偏差与加工工艺减薄,锅炉设计基础,（5）水压试验最高允许压力,锅炉设计基础,（6）弯曲应力校核当锅筒筒体支点间距大于10m或2倍横向减弱系数2不大于最小d时，需校核弯曲应力。弯曲应力弯曲应力与内压引起的轴向应力之和应小于许用应力。,锅炉设计基础,（7）中径相等不等壁厚锅筒锅筒筒体薄壁与厚壁部分分别计算。,锅炉设计基础,4、圆形集箱筒体的计算（1）计算公式Smin=Sl+CSSmin注：计算公式适应范围水及汽水混合物、饱和蒸汽过热蒸汽,锅炉设计基础,（2）附加壁厚腐蚀减薄和氧化减薄与壁厚负偏差之和。（3）计算压力计算压力为工作压力。但对再热蒸汽集箱，计算压力为额定工作压力的1.15倍。（4）减弱系数、水压试验最高允许压力、弯曲应力校核与锅筒计算方法相同。,锅炉设计基础,5、管子与锅炉范围内管道计算（1）计算公式Smin=Sl+CSSmin注：计算公式适应范围,锅炉设计基础,（2）附加壁厚腐蚀减薄和氧化减薄、壁厚负偏差、弯管减薄及弯头应力与直管不同的附加壁厚。（3）计算压力计算压力为工作压力。但对再热蒸汽管子与管道，计算压力为额定工作压力的1.15倍。（4）减弱系数主要为焊缝减弱系数（5）重量引起的应力校核：应考虑重量引起的轴向应力、附加弯曲应力、附加扭转应力。,锅炉设计基础,6、凸型封头计算（1）计算公式Smin=Sl+CSSmin注：计算公式适应范围hn/Dn0.2;Sl/Dn0.1;d/Dn0.6,锅炉设计基础,（2）凸型封头现状系数计算公式Smin=Sl+CSSmin注：计算公式适应范围hn/Dn0.2;Sl/Dn0.1;d/Dn0.6,锅炉设计基础,（3）附加壁厚腐蚀减薄、壁厚负偏差、工艺减薄。（4）减弱系数根据封头是否有拼接焊缝、开孔、及二者相对位置二定。（5）封头及其直段部分壁厚不应小于当最小减弱系数为min1.0时所计算的筒体部分的计算壁