说明书哈锅300MW燃煤电站锅炉热力设计及计算

一、引言在我国电力工业发展历程中，300MW等级燃煤发电机组曾作为主力机型，在电网中承担着重要的基荷与调峰任务。哈尔滨锅炉厂（以下简称“哈锅”）作为国内电站锅炉设计制造的领军企业之一，其开发的300MW燃煤电站锅炉以技术成熟、运行可靠、效率优良而著称。本文将围绕哈锅300MW燃煤电站锅炉的热力设计及计算展开探讨，旨在从专业角度剖析其设计思路、关键环节与计算方法，为相关工程技术人员提供参考。二、锅炉热力设计的基本依据与原则锅炉热力设计是一项系统性工程，其首要任务是根据给定的原始数据和设计要求，确定锅炉的整体结构、受热面布置及各项热力参数。（一）设计原始数据原始数据是设计的基石，主要包括：1.燃料特性：这是锅炉设计，尤其是燃烧系统和炉膛设计的根本依据。具体包括收到基碳、氢、氧、氮、硫含量，收到基水分，收到基灰分，干燥无灰基挥发分，以及燃料的低位发热量、灰熔点（变形温度DT、软化温度ST、流动温度FT）、灰的成分分析等。这些参数直接影响燃烧方式的选择、炉膛容积热负荷、断面热负荷的确定，以及受热面的积灰结渣特性判断。2.蒸汽参数：即锅炉额定蒸发量、过热蒸汽出口压力和温度，再热蒸汽进口/出口压力、温度及流量。这些参数决定了锅炉热力循环的效率和受热面的布置方式。3.给水温度：由回热系统的设计确定，影响省煤器的吸热量和布置。4.热风温度：根据燃料着火特性和燃烧要求确定，影响空气预热器的设计和锅炉效率。5.锅炉效率：设计时需达到的目标值，是衡量锅炉经济性的重要指标。6.排污率：根据水质情况确定，影响锅炉的给水量和热损失。（二）设计基本原则在设计过程中，需遵循以下原则：1.安全性：确保锅炉各部件在额定工况及允许的变工况下安全可靠运行，防止超温、超压、爆管、结渣、腐蚀等现象发生。2.经济性：在保证安全的前提下，力求提高锅炉效率，降低能耗，减少金属耗量和制造成本。3.可靠性与耐久性：选择成熟可靠的结构形式和材料，保证锅炉具有较长的使用寿命和良好的运行维护性能。4.环保性：考虑燃料燃烧对环境的影响，预留必要的脱硝、脱硫、除尘设备接口，并优化燃烧以减少原始排放。5.符合相关标准与规范：严格遵守国家及行业的有关标准、规程和法规。三、锅炉整体热力系统概述哈锅300MW燃煤锅炉通常采用∏型布置或塔型布置，以∏型布置为例，其主要由以下部分组成：1.燃烧系统：包括炉膛、燃烧器、点火及助燃系统等，是燃料燃烧放热的场所。2.蒸发系统：由汽包、下降管、水冷壁、联箱等组成，完成水的加热、蒸发过程。3.过热系统：由各级过热器（如顶棚过热器、包墙过热器、低温过热器、屏式过热器、高温过热器等）组成，将饱和蒸汽加热至额定过热蒸汽温度。通常采用喷水减温或汽汽热交换器等方式调节汽温。4.再热系统：由低温再热器和高温再热器组成，将汽轮机高压缸排汽重新加热至额定再热蒸汽温度，以提高机组循环效率。再热汽温调节常采用烟气挡板、摆动燃烧器、喷水减温（作为事故备用）等方式。5.省煤器：布置在尾部烟道，利用烟气余热加热给水，提高锅炉效率，保护汽包。6.空气预热器：布置在省煤器之后，利用烟气余热加热燃烧所需的空气，改善燃料着火条件，提高锅炉效率。300MW等级锅炉常用的有管式空气预热器和回转式空气预热器。这些受热面通过烟道和汽水管道有机地连接在一起，构成一个完整的热力循环系统。四、主要受热面的设计与计算（一）炉膛设计与传热计算炉膛是锅炉的核心部件，其设计的合理性直接关系到燃烧的稳定性、经济性以及锅炉的安全运行。1.炉膛容积与断面尺寸确定：主要依据燃料特性和燃烧器型式，通过选取合适的炉膛容积热负荷（qV）和炉膛断面热负荷（qF）来确定。qV反映了单位炉膛容积内燃料的放热量，其值过大易导致结渣，过小则炉膛体积增大，金属耗量增加。qF则关系到燃烧器区域的温度水平和火焰充满度，对燃料着火和燃烧稳定性有重要影响。对于固态排渣煤粉炉，需保证炉膛出口烟温低于灰的软化温度ST，并留有一定余量，以防止对流受热面结渣。2.水冷壁设计：水冷壁是炉膛的主要辐射受热面，同时也是构成炉膛空间的屏障。其结构型式（光管、膜式、内螺纹管等）的选择需考虑工质压力、热负荷水平及防结渣性能。对于高热负荷区域（如燃烧器区域），可能采用内螺纹管水冷壁以增强传热，防止膜态沸腾。水冷壁的布置需保证良好的水动力特性，避免出现循环停滞、倒流等问题。3.炉膛传热计算：炉膛传热计算的目的是确定炉膛出口烟温和水冷壁的吸热量。目前工程上广泛采用的是“热平衡法”结合经验公式或线算图进行计算。其基本思路是：根据燃料燃烧放出的热量（扣除化学不完全燃烧热损失和机械不完全燃烧热损失），减去炉膛散热量，得到有效辐射传热量。然后根据炉膛黑度、火焰平均温度、受热面面积等参数，通过辐射传热公式计算水冷壁吸热量，并迭代计算炉膛出口烟温，直至计算值与预设值相符。（二）过热器与再热器设计及计算过热器和再热器的设计关键在于保证在各种工况下能将蒸汽加热到额定温度，且受热面管壁不超温。1.受热面布置与结构：过热器和再热器通常布置在烟温较高的区域，如炉膛出口、水平烟道和尾部烟道上部。为了调节汽温并降低高温段受热面的金属温度，常采用分级布置，并进行交叉混合。受热面管子的材料选择需根据其工作温度和压力确定，高温段通常选用合金钢管。2.热力计算：过热器和再热器的传热过程以对流换热为主，同时伴有辐射换热。其热力计算的基本步骤为：*确定各段受热面的烟气和工质进出口参数。*计算烟气和工质的平均温度。*计算受热面的传热系数，考虑烟气侧和工质侧的放热系数、管壁热阻及可能的积灰和结垢热阻。*根据传热方程Q=K·F·Δt计算传热量Q，并与工质所需吸热量进行比较，通过调整受热面积F或烟气流速等参数进行迭代计算，直至两者相符。*对受热面管壁温度进行校核计算，确保其在允许范围内。3.汽温特性与调节：分析不同工况下（如负荷变化、燃料变化、给水温度变化等）过热汽温和再热汽温的变化趋势（即汽温特性），并据此选择合适的汽温调节方式，确保汽温稳定。（三）省煤器与空气预热器设计及计算省煤器和空气预热器均为尾部受热面，其主要作用是利用低温烟气的余热，提高给水温度和空气温度，从而提高锅炉效率。1.省煤器：省煤器一般为卧式布置的蛇形管受热面。其设计需考虑防磨和防腐蚀。对于燃用高硫煤的锅炉，低温省煤器区域可能存在硫酸露点腐蚀问题，需合理选择其布置位置和管材。热力计算方法与过热器类似，主要考虑对流换热。2.空气预热器：*管式空气预热器：结构简单，制造安装方便，但体积大，金属耗量多。其传热计算需考虑管内空气和管外烟气的对流换热。*回转式空气预热器：体积小，重量轻，传热效率高，但结构复杂，漏风问题需重点关注。其传热计算基于蓄热式换热原理，需考虑受热面的旋转、烟气和空气的交替流过以及漏风的影响。（四）锅炉整体热力计算锅炉整体热力计算是在各部件受热面热力计算的基础上进行的，通常采用“烟风侧”和“汽水侧”联立迭代的方法。1.烟风侧计算：从炉膛开始，依次计算各受热面的烟气温度、烟气流速、烟气成分（考虑漏风）及传热量。2.汽水侧计算：根据给水参数和蒸汽参数要求，计算各受热面（省煤器、水冷壁、过热器、再热器）的工质吸热量和流量分配。3.迭代与平衡：由于烟温与传热量相互影响，需进行多次迭代计算，直至各受热面的吸热量、烟气温度、工质温度等参数满足设计要求，并最终保证锅炉的热平衡和各项性能指标达标。这一过程通常借助计算机程序完成，如采用哈锅自主开发或行业通用的锅炉热力计算软件。五、设计中的关键问题与考量1.热偏差问题：由于烟气速度和温度在烟道截面上分布不均，以及受热面结构和吸热条件的差异，会导致过热器和再热器管屏间及管间存在热偏差，严重时可能造成个别管子超温爆管。设计中需采取受热面分级、交叉混合、合理布置、优化流量分配等措施来减轻热偏差。2.水动力特性：对于强制循环锅炉或直流锅炉，水冷壁的水动力稳定性至关重要。需进行详细的水动力计算，确保在各种工况下均能保证良好的水循环。3.受热面磨损与腐蚀：烟气中携带的飞灰对受热面（尤其是省煤器和空气预热器）会造成磨损，燃料中的硫等成分可能导致低温腐蚀或高温腐蚀。设计中需合理选择烟气流速、采用防磨措施（如防磨罩、导流板）、控制管壁温度避开腐蚀区域等。4.启动与变工况适应性：设计应考虑锅炉从冷态启动到满负荷运行以及负荷变化过程中的安全性和经济性，如设置启动旁路系统、考虑低负荷时的汽温调节等。5.环保性能优化：通过优化燃烧器结构和配风方式，降低氮氧化物生成；合理设计炉膛和燃烧区域，减少飞灰含碳量，为后续除尘创造有利条件。六、结论哈锅300MW燃煤电站锅炉的热力设计及计算是一个多学科交叉、理论与经验并重的复杂过程。它不仅要求设计人员具备扎实的热工学、流体力学、金属材料等专业知识，还需要丰富的工程实践经验。设计过程中，需从原始数据出发，遵循安全、经济、可靠的原则，对锅炉各受热面进行详细的热力计算和结构设计，并综合考虑热偏差、水动力、磨损腐蚀等关键问题。通过严谨的计算