锅炉热平衡设计计算大纲

2/2锅炉热平衡设计计算大纲一、编制依据与适用范围1.1编制依据本大纲严格遵循现行国家及行业锅炉热工、热平衡、结构设计相关规范标准，所有计算方法、公式及参数取值均以规范条文与工程通用理论为依据，确保计算结果的科学性与合规性，主要依据包括：+-《锅炉热平衡》（GB/T14549-1993）

+-《工业锅炉热工性能试验方法》（GB/T10180-2017）

+-《锅炉设计计算方法》（JB/T8659-1997）

+-《工业锅炉通用技术条件》（GB/T17954-2007）

+-《电站锅炉性能试验规程》（GB/T10184-2015）

+-《水管锅炉》（GB/T16507-2013）

+-《锅壳锅炉》（GB/T16508-2013）

+-《钢结构设计标准》（GB50017-2017）

+-《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）

+-《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010，2016年版）

+-《工业设备及管道防腐蚀工程施工规范》（GB50726-2011）

+-《工业设备及管道绝热工程设计规范》（GB50264-2013）

+-《锅炉安全技术规程》（TSG11-2020）1.2适用范围本大纲适用于燃煤、燃气、燃油、生物质等各类燃料的工业锅炉、电站锅炉的热平衡与性能设计计算工作，涵盖水管锅炉、锅壳锅炉、循环流化床锅炉、煤粉锅炉、燃气热水锅炉等各类结构形式，涵盖碳钢、合金钢、不锈钢等各类锅炉钢材，涵盖容量0.7\1000t/h、压力0.1\16MPa、温度100~550℃的各类尺寸工况，涵盖不同燃料品质、不同负荷率的各类工况，可作为锅炉热平衡设计阶段计算工作的统一指导框架，与其他热力系统设计大纲形成完整的热力供应系统设计体系，满足锅炉20年设计寿命的全周期安全与性能要求。二、基础设计参数计算2.1运行设计参数锅炉的运行设计参数，是热平衡与性能计算的核心基础，取值规则如下：+-燃料参数：收到基低位发热量：单位kJ/kg，常规烟煤取18800\25100kJ/kg，无烟煤取20900\27200kJ/kg，天然气取35500\39800kJ/kg，重油取40000\42000kJ/kg，生物质取12500~16700kJ/kg，是热平衡计算的核心输入收到基成分：Car、Har、Oar、Nar、Sar、Aar、Mar，单位%，分别为收到基碳、氢、氧、氮、硫、灰分、水分的质量百分比燃料消耗量：单位kg/h，常规1t/h锅炉的燃煤消耗量约150~180kg/h

+-锅炉运行参数：额定蒸发量：单位t/h，锅炉的额定出力，常规1~1000t/h额定工作压力：单位MPa，锅炉的额定蒸汽压力，常规0.1~16MPa额定蒸汽温度：单位℃，饱和蒸汽取对应压力下的饱和温度，过热蒸汽取250~550℃给水温度：单位℃，常规20~105℃，除氧后的给水温度排烟温度：单位℃，常规120~180℃，是排烟热损失的核心参数过量空气系数：单位1，炉膛出口过量空气系数常规取1.2~1.5，是燃烧计算的核心参数

+-环境设计参数：环境温度：单位℃，常规计算取20℃，冬季最低计算温度取-20℃，用于冷空气焓的计算大气压力：单位kPa，常规取101.325kPa，高海拔地区需修正空气湿度：单位g/kg，常规取10g/kg，用于空气焓的计算地震烈度：按《建筑抗震设计规范》确定场地的地震烈度，常规7度及以下地区需进行抗震验算，8度及以上地区需进行专项抗震设计2.2材料力学与热工参数锅炉钢材、保温与受热面的参数，是强度与热工计算的基础，核心参数及取值如下：+-锅炉钢材参数：20G锅炉管：20℃下的抗拉强度设计值410MPa，屈服强度245MPa，弹性模量2.06×10⁵MPa，热膨胀系数1.2×10⁻⁵/℃，导热系数45W/(m・℃)15CrMoG合金管：20℃下的抗拉强度设计值440MPa，屈服强度295MPa，弹性模量2.06×10⁵MPa，热膨胀系数1.3×10⁻⁵/℃，导热系数35W/(m・℃)Q245R锅筒钢板：20℃下的抗拉强度设计值400MPa，屈服强度245MPa，弹性模量2.06×10⁵MPa

+-保温材料参数：硅酸铝保温棉：导热系数0.035W/(m・℃)，密度100kg/m³，长期使用温度≤1000℃岩棉保温板：导热系数0.040W/(m・℃)，密度120kg/m³，长期使用温度≤600℃硅酸钙保温板：导热系数0.050W/(m・℃)，密度220kg/m³，长期使用温度≤650℃

+-工质参数：水：定压比热4.186kJ/(kg・℃)，密度1000kg/m³蒸汽：饱和蒸汽焓2675\2780kJ/kg，过热蒸汽焓2800\3400kJ/kg烟气：定压比热1.34kJ/(kg・℃)，密度1.34kg/m³2.3结构基础参数锅炉的结构基础参数，是热工与结构计算的基础：+-受热面参数：水冷壁管：常规规格φ51×5、φ60×5，材质20G，节距80~120mm对流管束：常规规格φ51×3.5、φ57×3.5，材质20G，横向节距100~150mm省煤器管：常规规格φ32×3、φ38×3.5，材质20G，横向节距60~100mm空气预热器管：常规规格φ40×1.5，材质Q235B，横向节距60~80mm

+-炉膛参数：炉膛容积：单位m³，常规1t/h锅炉的炉膛容积约8~12m³炉膛截面积：单位m²，常规1t/h锅炉的炉膛截面积约2~3m²炉排面积：单位m²，链条炉的炉排面积热负荷常规取600~800kW/m²

+-保温层参数：炉墙保温层：常规厚度150~300mm，由保温棉+抹面组成管道保温层：常规厚度50~150mm，根据管道温度确定三、锅炉热平衡作用与工况设计计算3.1热平衡基本方程热平衡的基本方程，输入热量与输出热量的平衡，按下式计算：

Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

热效率：

η=Q1Qr×100

参数说明：

+-Qr：单位质量燃料的输入总热量，kJ/kg

+-Q1：单位质量燃料的有效利用热量，kJ/kg，即锅炉输出的热量

+-Q2：排烟热损失，kJ/kg，烟气带走的热量损失3.2输入热量计算输入热量的计算，包括燃料的发热量、燃料的物理显热、空气的显热等，按下式计算：

Qr=Qnet,ar+Qfuel,ph+Qair,ph+Qsteam,in

参数说明：

+-Qnet,ar：收到基低位发热量，kJ/kg，燃料的核心发热量

+-Qfuel,ph：燃料的物理显热，kJ/kg，Qfuel,ph=cfuel⋅tfuel，cfuel为燃料的比热，3.3有效利用热量计算有效利用热量的计算，锅炉输出的蒸汽或热水的热量，按下式计算：

Q1=D⋅(hq″-hgs)B

对于热水锅炉：

Q1=G⋅cp⋅(tw″-tw')B

参数说明：

+-D：蒸汽锅炉的蒸发量，kg/h

+-hq″：出口蒸汽的焓，kJ/kg

+-hgs：给水的焓，kJ/kg

+-G：热水锅炉的循环水量，kg/h

+-cp：水的比热，kJ/(kg・℃)3.4排烟热损失计算排烟热损失是最大的热损失，按下式计算：

q2=Q2Qr×100

参数说明：

+-q2：排烟热损失占输入热量的百分比，%

+-hpy：排烟的焓，kJ/kg，排烟温度下的烟气焓

+-hlk：冷空气的焓，kJ/kg，环境温度下的空气焓

+-q4：固体不完全燃烧热损失，%，修正固体未燃烧的部分

示例：某锅炉，3.5气体不完全燃烧热损失计算气体不完全燃烧热损失，是CO、H2、CH4等未燃烧的损失，按下式计算：

q3=Vgy⋅(126.36CO+107.92H2+358.18CH4)Qr×100

参数说明：

+-q3：气体不完全燃烧热损失，%

+-Vgy：干烟气的容积，Nm³/kg3.6固体不完全燃烧热损失计算固体不完全燃烧热损失，是飞灰、炉渣、漏煤中未燃烧的碳的损失，按下式计算：

q4=328.66⋅Aar⋅(alzClz100-Clz+afhCfh100-Cfh+almClm100-Clm)Qr×100

参数说明：

+-q4：固体不完全燃烧热损失，%3.7散热损失计算散热损失，锅炉表面向环境的散热，按下式计算：

q5=q5,e⋅DeD

参数说明：

+-q5：实际负荷下的散热损失，%

+-q5,e：额定负荷下的散热损失，%，D≤2t/h的锅炉q_5,e=3\5%，2\10t/h的取2\3%，10t/h以上的取0.5\2%

+-De：额定蒸发量，t/h

+-D3.8灰渣物理热损失计算灰渣物理热损失，高温灰渣带走的显热，按下式计算：

q6=Aar⋅alz⋅cash⋅tlzQr×100

参数说明：

+-q6：灰渣物理热损失，%

+-cash：灰渣的比热，kJ/(kg・℃)，取0.92kJ/(kg・℃)

+-3.9工况组合计算承载力极限状态的工况组合，取最不利的组合：1.2×自重+1.2×额定压力1.2×自重+1.4×水压试验压力1.2×自重+1.3×地震荷载1.0×自重+1.0×满水试验压力1.2×自重+1.4×最大负荷热膨胀力取以上组合的最大值，作为主体元件与基础设计的控制荷载。

规范依据：《锅炉热平衡》（GB/T14549-1993）第3章，《工业锅炉热工性能试验方法》（GB/T10180-2017）第4章四、主体元件截面设计计算4.1主体元件选型根据容量与压力，选择合适的主体元件：

+-小容量锅炉（0.7~4.2MW）：受热面：采用φ51×5的20G水冷壁管，φ51×3.5的对流管锅筒：采用Q245R的钢板，厚度12~16mm保温层：采用150mm的硅酸铝保温棉

+-中容量锅炉（7~29MW）：受热面：采用φ60×5的20G水冷壁管，φ38×3.5的省煤器管锅筒：采用Q245R的钢板，厚度16~20mm保温层：采用200mm的硅酸铝保温棉

+-大容量锅炉（29MW以上）：受热面：采用φ60×6的15CrMoG过热器管，φ32×3的省煤器管锅筒：采用P355GH的钢板，厚度20~30mm保温层：采用300mm的硅酸铝保温棉4.2炉膛热负荷计算炉膛的热负荷，保证燃烧充分，防止结焦，按下式计算：容积热负荷：

q截面热负荷：

q炉排面积热负荷：

qR=B⋅Qnet,arAR

参数说明：

+-qv：炉膛容积热负荷，kW/m³，燃煤锅炉常规取150~300kW/m³

+-qA：炉膛截面热负荷，kW/m²，燃煤锅炉常规取2000~4000kW/m²

+-qR：炉排面积热负荷，kW/m²，链条炉常规取600~800kW/m²

+-Vl：炉膛容积，m³

+-Al：炉膛截面积，m²

+-AR：炉排面积，m²

示例：某4.3受热面传热计算对流受热面的传热计算，按下式计算：

Q=K⋅A⋅Δtm

其中传热系数：

K=11α1+δwλw+δashλash+1α2

对数平均温差：

Δtm=(Δt'-Δt″)ln⁡(Δt'Δt″)

参数说明：

+-Q：受热面的传热量，W

+-K：传热系数，W/(m²・℃)

+-A：受热面的面积，m²

+-Δtm：对数平均温差，℃

+-α1：烟气侧对流换热系数，W/(m²・℃)，常规4.4锅筒强度计算锅筒的强度验算，承受内压，按下式计算：

σ=p⋅(Dn+δ)2⋅δ⋅ϕ≤[σ]

参数说明：

+-σ：锅筒的计算应力，MPa

+-p：计算内压，MPa，常规取1.6倍的工作压力

+-Dn：锅筒的内径，mm

+-δ：锅筒的壁厚，mm

+-ϕ：焊缝系数，取0.85~1.0

+-[σ]：钢材的许用应力，MPa

示例：某锅筒，D_n=1200mm4.5受热面管子强度计算受热面管子的强度验算，按下式计算：

σ=p⋅(dn+δ)2⋅δ⋅ϕ≤[σ]

参数说明：

+-σ：管子的计算应力，MPa

+-p：计算内压，MPa

+-dn：管子的内径，mm

+-δ：管子的壁厚，mm

+-ϕ：焊缝系数，无缝管取1.0

+-[σ]：管子的许用应力，MPa

示例：某φ51×5的20G4.6受热面刚度与膨胀计算受热面的热膨胀量计算，按下式计算：

ΔL=α⋅L⋅ΔT

参数说明：

+-ΔL：热膨胀量，mm

+-α：热膨胀系数，/℃，钢材取1.2×10⁻⁵

+-L：管子的长度，m

+-ΔT：温度变化量，℃，常规取200℃

示例：某5m长的管子，温度变化200℃，计算ΔL=1.2×10-5×5000×200=12mm，需要设置膨胀节吸收。五、连接节点设计计算5.1连接节点选型根据荷载与工况，选择合适的连接节点：

+-焊接连接：适用于锅筒、集箱的工厂拼接，适用于高压锅炉的节点，强度高

+-胀接连接：适用于受热面管子与锅筒、集箱的连接，适用于中低压锅炉，安装方便

+-法兰连接：适用于管道、阀门的连接，适用于可拆卸的节点，方便检修

+-焊接+胀接混合连接：适用于高压锅炉的管子连接，双重密封，可靠性高5.2胀接连接强度计算胀接连接的拉脱力验算，按下式计算：

τ=Nπ⋅d⋅l≤[τ]

参数说明：

+-τ：胀接面的剪应力，MPa

+-N：胀接面的拉力，N，内压产生的拉力

+-d：管子的外径，mm

+-l：胀接长度，mm，常规取15~25mm

+-[τ]：许用剪应力，MPa，常规取40MPa

示例：某φ51的管子，胀接长度20mm，拉力10kN5.3焊缝连接计算角焊缝的强度验算，按下式计算：

τf=Nhelw≤ffw

参数说明：

+-τf：焊缝的剪应力，MPa

+-N：焊缝的受力，N

+-he：角焊缝的有效厚度，he=0.7hf，hf为焊脚尺寸

+-lw：焊缝的计算长度，取实际长度减去25.4法兰连接计算法兰连接的强度验算，按下式计算：

单个螺栓的抗拉承载力：

Ntb=πde24ftb

参数说明：

+-Ntb：单个螺栓的抗拉承载力，N

+-de：螺栓的有效直径，mm

+-ftb：螺栓的抗拉强度设计值，MPa5.5膨胀节补偿计算膨胀节的补偿量验算，按下式计算：

Xallow≥ΔL

参数说明：

+-Xallow：膨胀节的允许补偿量，mm，常规波纹膨胀节的补偿量为20~50mm

+-ΔL：管道的热膨胀量，mm

保证膨胀节能够吸收管道的热膨胀，防止管道变形。

六、锅炉基础与支座设计计算6.1基础选型根据场地条件，锅炉的场地多为平原或坡地，选择合适的基础形式：

+-混凝土独立基础：适用于土层均匀、承载力高的场地，稳定性好，适用于中小型锅炉，施工简单

+-桩基础：适用于软土、回填土的场地，承载力高，适用于大型锅炉，因为锅炉的自重可达几百吨

+-条形基础：适用于小型的锅壳锅炉，整体受力均匀

+-钢筋混凝土承台基础：适用于桩基础的顶部，连接桩与锅炉支座，适用于大型锅炉6.2基础承载力计算基础的地基承载力验算，按下式计算：

pk=Fk+GkA≤fak

参数说明：

+-pk：基础底面的平均压力标准值，kPa

+-Fk：上部结构传下来的轴力标准值，kN，锅炉的自重，常规10t/h锅炉的自重约50\100kN，65t/h的约500\800kN

+-Gk：基础的自重标准值，kN

+-A：基础的底面积，m²

+-fak：地