电站锅炉炉膛设计

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1、1 引言锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉包 括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。锅 炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能， 也可通过蒸汽动力装置 转换为机械能，再通过发电机将机械能转换为电能 1 。1 1 锅炉简介及发展状况1.1.1 锅炉简介 将其它热能转变成其它工质热能，生产规定参数和品质的工质的设备称为锅炉。燃 烧设备以提供良好的燃烧条件， 以求能把燃料的化学能最大限度地释放出来并其转化为 热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备 2 。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，

2、也可通过蒸汽动 力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水 锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，又叫 蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、 机车和工矿企业。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、 气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤 粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉； 利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉 3。1.1.2 锅炉结构锅炉整体的结构包括锅

3、炉本体和辅助设备两大部分。 锅炉中的炉膛、 锅筒、燃烧器、 水冷壁过热器、 省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分， 称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒 3。锅炉中有汽水系统和煤烟系统两大部分。（1）汽水系统 经过水处理设备软化处理符合质量要求的给水，由给水本送至省煤器，经预热器提 高温度后进入上锅筒（上汽包） 。上锅筒内的炉水，连续的沿着处在烟气温度较低区域 的对流管束流入下锅筒（下汽包） 。下锅筒内的炉水，一部分进入炉膛四周的水冷壁下 集箱和水冷壁管；另一部分进入烟气温度较高的对流管束。由于高温作用，在水冷壁内 受热汽化，汽化混合物上升至上集箱或上

4、锅筒；进入烟气温度较高区域对流管束内的水 也受热汽化，汽水混合物也上升进入上锅筒。再上过桶内汇集并净化的饱和蒸汽，经出 气管进入过热器继续受热，提高温度和除去水分，成为过热蒸汽。最后过热蒸汽经出汽 总管输送到使用地点。（2）煤烟系统 锅炉所需的燃煤，在经过筛选和破碎后，经斗式提升机、皮带输送机送到锅炉前部 的煤仓。煤仓内的煤通过煤闸门，随着链条炉排的移动，连续的落到炉排上进入炉膛内 燃烧。炉排后部的炉渣进入灰斗进入灰坑，有除渣机除去。锅炉燃烧所需的空气，由送 风机进入锅炉后部的空气预热器，经预热提高温度后分段送到炉排下，穿过炉排缝隙进 入煤层助燃。燃料燃烧产生的高温烟气，现将一部分热量传给炉膛

5、四周的水冷壁管，然 后高温烟气从炉膛上部经过立式过热器往后折转与对流管束，在进入后烟道、省煤器和 空气预热器，进一步放出热量。此时烟气温度已经大大降低，不再利用，经除尘器、引 风机和烟囱排放至大气 2 。1.1.3 锅炉的发展 随着生产的发展蒸汽锅炉在工业生产或热力发电厂中的使用越来越多， 在国民经济 中的地位也更为重要，因此如何提高锅炉的安全性、经济性，降低其造价，增长其使用 寿命，减少其对环境的污染等等，已成为锅炉发展和研究的重大问题 1。火力发电厂中，锅炉是主要生产设备之一，它随着电力事业的发展而不断发展，其 发展趋势大体上可按下述几方面来说明：（1）锅炉容量 世界工业先进国家为了适应电

6、力需要的增长，大多尽快扩大发电机组的单机容量。 机组容量增大则每千瓦的设备费用降低，金属耗量减少，基建投资节省。在其他条件相 同时，锅炉容量增大一倍，每吨的金属用量金属减少 5-20%，所需要管理人员也减少。（2）蒸汽参数随机组容量的增大，提高电厂的热效率就变得更为迫切，提高蒸汽参数和采用蒸 汽再热提高电厂热效率的有效措施。1 2 锅炉炉膛1.2.1 锅炉炉膛的概念 锅炉炉膛是用来燃烧燃料和空气的有限空间。现代锅炉的炉膛既是一个燃烧室，又 是一个换热设备。 锅炉中工质的总吸热量有一半左右是通过布置在炉膛四周的受热面完 成的。因此，分析炉膛的传热特征和研究传热计算的方法是锅炉工作者的重要任务4。

7、1.2.2 锅炉炉膛的设计锅炉是中国重要的热能动力设备 ,中国是当今世界燃煤锅炉生产和使用得最多的国 家之一。但我国对锅炉设计的起步较晚，发展较慢，尽管如此，广大热工技术人员还是 做了大量研究工作。中国锅炉制造业是在新中国成立后建立和发展起来的。尤其自改革 开放以来 ,随着国民经济的蓬勃发展 ,全国有上千家持有各级锅炉制造许可证的企业 ,可以 生产各种不同等级的锅炉 5 。炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料 在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构 成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温

8、烟 气的大量辐射热 6。炉膛设计需要充分考虑使用燃料的特性。每台锅炉应尽量燃用原设计的燃料。燃用 特性差别较大的燃料时锅炉运行的经济性和可靠性都可能降低锅炉炉膛设计的一种方法是参照本厂或其它厂已经投运的性能良好的锅炉 （ 即所谓 样机炉 ）结构尺寸及其性能 ,比较新炉的燃料与样机炉的燃料特性差别 ,适当调整样机锅 炉的结构尺寸及工况参数 ,从而作为新炉的设计依据。为了适应设计者的习惯 ,从理论上 给出锅炉燃烧稳定性及燃尽性能公式 ,并令新炉与样机炉两者性能相等 ,从而解出欲求的 新炉设计数据，按此法设计 ,保证新炉的性能与样机炉一致。在进行炉膛设计时，炉膛结构尺寸主要包括：炉膛截面深a和宽b,

9、燃烧器上下一次 风中心喷嘴距离h，上排一次风喷嘴中心至屏下缘距离 L。其它尺寸则参考样机由设计 者自行决定。1 3 锅炉炉膛的传热1.3.1 锅炉炉膛的传热概述炉膛的传热过程主要是指炉膛内火焰与水冷壁管间的热交换过程。 这种热交换过程 是相当复杂的。它常常伴随着燃料的燃烧、火焰和烟气的流动以及水冷壁管外表面辐射 特性的变化等。但是，它传热的主要形式却是辐射换热 6。炉膛结构的几何特征主要包括：（ 1）炉膛容积；（ 2）炉膛内炉墙总面积；（ 3） 炉膛有效辐射受热面的面积；（ 4）炉膛火焰有效辐射层厚度；（ 5）炉膛水冷程度。 关于锅炉炉膛传热计算方法的研究已有 100多年的历史。迄今为止 ,工

10、程界和学术界提出 的炉膛传热计算方法和模型各式各样、名目繁多。由于炉内传热过程复杂、相关因素很 多,现有的炉膛传热计算方法和模型难免存在这样或那样的问题。为便于从现有的众多计算方法和模型中选用合适的计算方法和模型 ,因此要对炉膛传热计算方法的发展状况及 现有的主要计算方法进行分析。 在此基础上 ,指出目前工程设计计算中应优先选用的方法 以及今后炉膛传热计算方法研究的方向。1.3.2 锅炉炉膛传热计算常用方法由于辐射换热在工程领域中的普遍存在及其求解的重要意义,国外锅炉炉膛传热设计一直在发展，一些新的炉膛传热计算方法和模型仍在不断涌现。这些模型各有优劣 对不同的问题所能获得的解的精度和适用性各不

11、相同。零维模型Hudso n最早进行锅炉炉膛传热试验研究，并于1890年提出了锅炉炉膛传热计算的经 验公式,后由 Orrok 加以修正,得到如下形式的经验关系式：100L B59.6 Fl式中卩炉膛吸热率,%L空气与燃料的质量比，kg/kgB以优质烟煤为基准计算的燃料量，kg/hFi辐射受热面投影面积，卅Mullikin根据辐射传热的Stefan-Boltzmann定律提出了如下形式的炉内辐射传热计 算公式：Q=aH Thy4-Tb4)式中 a黑度oStefa n-Boltzma nn 常数Thy火焰平均温度,KTb壁面温度,KH有效辐射受热面积，卅前苏联中央汽轮机锅炉研究所(ukt以)ryp

12、BH为首的研究小组在综合了大量的 试验数据的基础上，提出了锅炉炉膛传热计算的半经验方法,称为UKT法。由于此方法 当时在实际计算中有较高的准确性，于1957年和1973年2次写入前苏联锅炉机组热力计 算标准方法中。零维模型粗糙，但形式简单、使用方便、适合炉膛初步设计使用。多维模型自50年代末Hottel等人提出辐射换热的区域法模型以来，目前已有许多辐射换热的 计算方法,常见的主要有：蒙特卡罗法、热流法、离散坐标法等。这些方法各有优劣，所能获得的解的精度及详细程度以及网格与流动计算的相容性也不相同。(1) 蒙特卡洛法蒙特卡洛法作为一种概率模拟方法，自Howell将其引入到辐射传热计算领域中以来：

13、 已有很长的一段历史。其基本思想是对微元体的发射、吸收和散射以及边界壁面的发射、 吸收和反射过程作概率模拟。通过概率模拟跟踪每个能束的发射、吸收、散射和反射的 情况,直到吸收为止，并统计每个微元吸收能束的数目。(2) 热流法热流法将微元体界面上复杂的半球空间热辐射简化成垂直于此界面的均匀热流，使积分-微分形式的辐射传递方程简化为一组有关热通量的线性微分方程，然后用通用的输运方程求解方法求解。(3) 离散坐标法辐射传递方程的离散坐标解法是 Cha n-drasekhar研究星际和大气辐射问题时首先提 出的，并被 Lathrp 等人应用于中子传输问题。 Love 等人最早将其引入到一维平板辐射 换

14、热问题的求解中。最近， Truelove、Fiveland 和 Jamaluddin 对离散坐标法在三维辐射 传热计算中的应用进行了研究。离散坐标法基于对辐射强度的方向变化进行离散， 将辐射传递方程中的内向散射项 用数值积分近似代替，通过求解覆盖整个 4n立体角的一套离散方向上的辐射传递方程 而得到问题的解 8 。14本次炉膛设计方法及目的本次设计主要采取零维模型法，先要完成锅炉整体的校核热力计算，之后完成煤种 改变后炉膛及其中各受热面的结构设计及热力计算，总结煤种改变对炉膛的传热影响。 绘制锅炉本体结构图，炉膛及其中各受热面平面图、剖面图及管道布置图 9。通过对某型号电站锅炉炉膛的设计，让学

15、生通过具体的实践，进一步深入理解、掌 握和综合运用所学的专业课知识，进一步拓宽知识面，通过一定的技能训练，培养分析 和解决实际问题的能力，使学生得到基本的训练，达到本科生培养目标的要求。通过毕 业设计进一步提高和训练学生工程制图、计算机应用和文献阅读、外文翻译、摘要书写 的能力；熟悉有关设计规范、技术手册和工具书；增强本科生毕业后到生产第一线工作 的适应能力。1 5 设计的基本参数1.5.1 锅炉参数锅炉额定蒸发量：De=220t/h=220 103kg/h给水温度：tgs=215C过热蒸汽压力（表压）： pgs=9.8Mpa过热蒸汽温度： 540oC制粉系统：中间仓式（热空气做干燥剂、钢球筒

16、式磨煤机）燃烧方式：四角切圆燃烧排渣方式：固态环境温度： 20oC1.5.2 燃料特性水分：Mar=24%灰分：Aar=21.3%碳：Car=39.3%氢：Har=2.7%氧：Oar=11.2%氮：Nar=0.6%硫：Sar=0.9%收到基低位发热量：Q=14580kJ/kg干燥无灰基挥发分：Vdaf=37%空气干燥基水分：Mad=1.6%BTH法可磨性系数：Kkm=1.3变形温度：1150 C软化温度：1300 C熔化温度：1360 C1.5.3 过量空气系数和漏风系数选取过量空气系数总的原则是在保证燃料稳定燃烧的基础上，减少锅炉的热损失。由于过量空气系数引起的热损失主要是排烟热损失q2但在

17、一定范围内还可以使 q3、q4减少，使锅炉效率降低。过量空气系数也与燃煤种类有关，对于固体燃料的锅炉过量空 气系数应较大。设计锅炉时一般以炉膛出口烟窗处的过量空气系数作为选取基点，它主要与炉膛中燃料的燃烧效率有关，燃烧效率越高，炉膛出口烟窗处的过量空气系数选取的较小。0.5De非额定负荷时漏风系数D式中De锅炉额定负荷D锅炉实际负荷2辅助计算为了便于锅炉各受热面的热力计算，往往在热力计算开始之前，依据提供的原始资 料和数据，将热力计算中常用到的一些基本参数和数据，如锅炉的各处烟气量、烟气成 分、烟气特性参数以及烟气焓温表等，设计成计算图或计算表，以便在以后的计算中随 时查用。这些计算图(表)的

18、计算称为锅炉热力计算的辅助设计计算或准备计算。显然,锅炉辅助计算将直接影响锅炉热力计算的质量13。辅助计算包括以下内容：(1) 燃料数据的分析和整理；(2) 锅炉漏风系数的确定和空气量平衡；(3) 燃料的燃烧计算及烟气特性参数的确定；(4) 锅炉热平衡及锅炉热效率、燃料消耗量的估算。2. 1燃料数据的分析和整理燃料数据应符合锅炉设计热力计算的规定和要求。 对燃料来说，要求提供以下原始 资料:（1）煤的应用基元素成分；（2）用测热计测取的煤的应用基低位发热量；（ 3） 煤的干燥无灰基挥发分含量；（4）灰的熔融特性参数（tl、t2、t3）值；（ 5） 煤的可磨性系数以上数据均已在前言中燃料特性中说

19、明。2 2 锅炉的空气量平衡在负压下工作的锅炉机组，炉外的冷空气不断地漏入炉膛和烟道内，致使炉膛和各 个烟道内的空气量、烟气量、温度和焓值相应的发生变化。对于炉膛和烟道各处实际空气量的计算称为锅炉的空气量平衡。在锅炉热力计算 中，常用过量空气系数来说明锅炉炉膛和烟道的实际空气量。锅炉的空气量热平衡见表 1-11 。2 3 燃料燃烧计算2.3.1 计算内容燃烧计算是以单位质量或体积的燃量为基础。燃料燃烧计算包括：燃烧计算、烟 气特性计算、烟气焓计算。（ 1 ）燃烧计算需计算出：理论空气量、理论氮容积、 RO2 容积、理论干烟气容积、 理论烟气。（2）烟气特性计算：各受热面的烟道平均过量空气系数、

20、干烟气容积、水蒸气积、 烟气总容积、RO2容积份额、三原子气体和水蒸气容积份额、容积飞灰浓度、烟气质量、 质量飞灰浓度等。计算中需注意的是，由于本炉屏和凝渣管的漏风系数为 0，故炉膛、屏式过热器、 凝渣管的出口过量空气系数均相同，可直接取炉膛出口过量空气系数；炉膛、屏式过热 器、凝渣管平均过量空气系数也直接取炉膛出口过量空气系数；其他受热面的平均过量 空气系数则取该受热面的进、出口过量空气系数的算术平均值。（3）烟气焓的计算需要分别计算炉膛、屏式过热器、高温过热器、低温过热器、 高温省煤器、高温空气预热器、低温空气预热器、低温省煤器等所在烟气区域的烟气不 同温度下的焓，并列成表格，做成所谓的焓

21、温表，以备以后计算查用。计算过程中用到 的受热面出口过量空气系数见表 1-53 。2.3.2 空气和烟气的焓要进行锅炉受热面的传热计算必须知道如何计算空气和烟气的焓， 在这里空气和烟 气的焓在定压条件下将1kg燃料所需的空气量或所产生的烟气量从 0oC加热到toC （空 气）或C （烟气）时所需的热量，单位为 kJ/kg。（ 1 ）理论空气焓图1燃料燃烧计算方框图根据理想气体焓的计算方法，理论空气量的焓为h；为h；=V(ct)k kJ/kg(2)实际空气量的焓实际空气量的焓hk的计算式为hk= Bhk = BV(ct)k kJ/kg式中（ct）k 1 m3标准状态下的干空气连同其携带的水蒸气在

22、温度toC时的焓。表2.1 1 m3空气、各种气体及1kg灰的焓气温 体二氧化碳氮气水蒸气干空气飞灰、灰渣度、kJ/(Nm3)kJ/(kg)100170.03129.58150.52130.0480.8200357.46259.52304.46261.42169.1300558.51392.01462.72395.46263.7400771.58526.52626.16531.56360500994.35663.8794.85671.35458.56001224.66804.12968.88813.9559.87001461.88947.521148.84959.56663.28001704.

23、881093.61334.41107.36767.29001952.281241.551526.041257.84873.910002203.51391.71722.91409.798411002458.391543.741925.111563.54109612002716.561697.162132.281719.24120613002976.741852.762343.641876.16136014003239.042009.722559.22033.92157115003503.121662779.052193175816003768.82324.483001.762353.281830

24、17004036.312484.043229.322513.96206618004303.72643.663458.342676.06218419004574.062804.013690.372838.41235820004844.229653925.63002251221005115.33427.534463.253165.33264022005386.483289.224401.983329.72760（3）理论烟气焓理论烟气是多种成分的混合气。有工程热力学可知，其焓值等于各组成成分焓的总和，所以理论烟气的焓hy的计算式为hy=VRO2（C ） RO2VN2（C ） N2VH2O（C ）

25、H 2OkJ/kg烟气焓温表烟气或空 气温度u(C)理论烟气焓h( kJ/kg)理论空气焓 hk(kJ/k)理论烟气 焓增(每100 C) ?hy炉膛、屏、凝渣管高温过热器a =1.2a =1.225hy?hyhy?hy4002595.612096.61一3014.93一3067.35一696.04806.25820.025003291.652647.663821.183887.37714.67827.36841.456004006.323211.094648.544728.82733.12848.12862.497004739.443786.105496.665591.31749.29866

26、.01880.608005488.734369.706362.676471.91762.29880.87895.699006251.024962.587243.547367.60775.29895.24910.2410007026.315562.358138.788277.84787.32909.29924.5411007813.636172.229048.079202.38797.24919.96935.3012008610.876785.819968.0310137.68808.17932.64948.1913009419.047408.1510900.6711085.87713.6093

27、8.95954.62140010232.648034.9011839.6212040.49821.79947.72963.46150011054.438664.5412787.3413003.95828.55955.47971.34160011882.989299.1513742.8113975.29836.40963.69979.60170012719.389935.6114706.5014954.89838.20965.54981.46180013557.5810572.3015672.0415936.35843.75972.98989.14190014401.3311218.471664

28、5.0216925.49847.17976.23992.36200015248.5011863.7717621.2517917.85854.88985.081001.3210016103.3812514.7718606.3318919.205852.94982.86999.10220016956.3213164.3519589.1919918.30式中 （C ）ro2、（c ） n2、（c ） h2o理论烟气中各成分在温度 C时的焓值。由于Vco2V SO2 , 且两者的比热容接近，故取(C )ro2(c )co2 0(4) 实际烟气的焓实际烟气的焓hy等于理论空气焓h；、过量空气焓(al)h

29、O和烟气中灰飞焓hfh之 和，即hy=h；+ ( a-1) hk +hfhkJ/kg其中飞灰焓hfh为：Aar hF血几kJ/kg式中 (c )h 1kg灰在 C时的焓(见表2.1)飞灰的焓数值较小，因此只有在满足以下条件时才计算：4187 fhAar 6Q在锅炉烟道中，沿着烟气温度的流程。不同部位的过量空气系数和烟温不同，因此 烟气的焓也不同。在受热面的传热计算中，必须分别计算各个受热面所在部位的烟气焓 并制成焓温表，根据过量空气系数和烟气温度，可求出烟气的焓；反之，也可以由过量 空气系数和烟气的焓查出烟气的温度14 02. 4锅炉热效率及燃烧消耗量的估算2.4.1 锅炉热效率及燃烧消耗量计

30、算步骤锅炉热效率及燃烧消耗量可按以下步骤估算：(1) 计算锅炉输入热量；(2) 依照燃料及燃烧设备估计机械不完全燃烧热损失和化学不完全燃烧热损失；(3) 假定锅炉排烟温度并计算锅炉排烟温度热损失；(4) 确定锅炉散热损失和灰渣物理损失；(5) 用反平衡法计算；(6) 计算锅炉工质有效利用热量；(7) 计算锅炉燃料消耗量。由于计算时涉及的排烟温度为假定温度，所以计算出的燃料消耗量实为估算值15计算锅炉输入热量图2锅炉热平衡及燃料消耗量计算方框图2.4.2 锅炉输入热量应用于1kg燃料输入锅炉的热量为Qr=Q+h r+Q wr+Q vq式中 Q燃料的收到基低位发热量，kJ/kg ；hr燃料物理显热

31、，kJ/kg；Qwr外来热源加热空气时带入的热量，kJ/kg；Qvq雾化燃油所用蒸汽带入的热量，kJ/kg ； 式中各项热量计算如下：(1) 燃料的物理显热hr设计时hr=Cp.artt试运行时hr=Cp.ar(tr-to) kJ/kg式中cp.ar燃料的收到基比定压热容，kJ/(kg oC)；tr 燃料温度，C；to基准温度，取送风机入口空气温度，C。固体燃料比热容Cp.ar为100 M ar“ Mari o、Cp.ar=Cdr一 4.187 kJ/(kg C)100 100式中Cdr 燃料干燥基比热容，kJ/(kgC)。对于煤粉炉，hr相对数值较小。若燃料未用外界热能加热，则只有当Mar

32、QL %628时，才必须计算这项热量。(2) 外来热源加热空气时带入的热量 QwrQwr= (hk h；) kJ/kg式中空气预热器入口的过量空气系数；hO 按加热后空气温度计算理论空气的焓，kJ/kg ；hlk 基准温度下的理论空气焓，kJ/kg(3) 对于燃煤锅炉，如果燃料和空气都没有利用外界热量进行预热，且燃煤水分M arQ %，则输入热量 Qr=Q6282.4.3 各项热损失(1) 化学不完全热损失q3根据经验取用0.5%，机械不完全燃烧热损失q4根据经验 取用1.5%。(2) 锅炉散热损失q5根据经验取用0.5%。(3) 灰渣物理热损失qe灰渣物理热损失是指锅炉排出的炉渣、飞灰与沉降

33、所携带的热量未被利用而引起的热损失。AarQe= hz -(c )hz kJ/kg100qe=Q 100%Qr式中hz 灰渣中灰分的份额，由固态排渣炉和褐煤煤粉根据经验取用0.08;灰渣温度，当不能直接测量时，固态煤粉排渣炉可取6000C;液态排渣煤粉炉可取tiz=FT3+100C( FT3为煤灰的熔化温度)(c )hz 1kg灰渣在 C时的焓，按表2.1查取，kJ/kg当燃煤的折算灰分小于10% （即Azs=巴10% ）时，固态排渣炉可忽略炉渣Qar .net德尔物理热损失；液态排渣炉、旋风炉可忽略飞灰的物理热损失；对燃油及燃气锅炉， q6=0。（4）排烟热损失q2Q2 （hpy hik）

34、1 益 kJ/kgQ2100 q4q22 100% （hpy h,）4QrQrhlk= pyV（Ct）lk式中hpy排烟焓，kJ/kghlk冷空气焓，kJ/kgpy排烟处的过量空气系数。在设计锅炉时，合理的取用锅炉排烟温度是一个关系锅炉长期经济可靠工作的实际 问题。选择较低的排烟温度可以降低锅炉排烟热损失，有利于提高锅炉热效率，节约能 源及锅炉的运行费用。但是，排烟温度降低却使尾部受热面中烟气与工质的传热温差减 小，传热面积增大，金属消耗量和设备的初投资增多。另外排烟温度低还会引起末级烟 道中硫酸蒸汽街路，使低温受热面腐蚀及堵灰，这样缩短了设备的使用寿命，增加了烟 气的流动阻力和引风机的电功率

35、消耗。堵灰严重时，引风机的压头不能保证炉膛和各个 烟道正常的负压状态，还会危及到锅炉的出力和机组的正常运行。所以，排烟温度的选 择是一个涉及到很多因素的复杂问题。仅仅根据锅炉设备的投资、运行费用和设备德尔 补偿年限等条件所确定的排烟温度较经济排烟温度，随着锅炉参数的提高，给水温度的 不断增加，经济排烟温度也不断提高，给水温度不断增加，经济排烟温度也不断提高， 对于中小型锅炉虽然给水温度低，但由于排烟过量空气系数较大，经济排烟温度也较大。 对于大中型锅炉，由于燃料消耗量的绝对值增大，为了节省燃料，需提高锅炉的热效率。 各受热面的传热温差设计较小，因此经济排烟温度也较低。在进行校核热力计算时，如果

36、计算经验不足，计算q2时，也可暂时按表2-7选择排烟温度（我国电厂锅炉排烟温度推荐值）。其中皿；=见匚4187%Q ar .net对于本设计经计算得M ； =0.069%3%;故排烟温度选取为125 oC。2.4.4 锅炉热平衡及燃烧消耗计算（1）锅炉输入热量 Qr Qr Qar,net=14580 kJ/kg(2)排烟温度py2要先估后校取125 C(3)排烟焓hpy查焓温表用插值法求得为1031.88 kJ/kg(4)冷空气温度tlktlk=20C(5)化学未完全燃烧损失q3=0.5(6)机械未完全燃烧损失q4=1.5(7)排烟处过量空气系数py查表1-13即低温空预器出口过量空气过量系数

37、可得py=1.39(8)排烟损失q2q2=(100-q4)(hpy-pyhlk)/Qr=6.00(9)散热损失q5q5=0.5(10)灰渣损失q6q6=0(11)锅炉总损失EqZq= q2 +q3+ q4+ q5+ q6=8.5(12)锅炉热效率=100-Eq=91.5(13)保热系数q5=1 =0.9946qs(14) 锅炉有效利用热QQ=Dgr(hgg-hgs) = 5.613 W8 kJ/h式中Dgr=D=220X103kg/h;hgg 过热蒸汽焓依据高温过热蒸汽参数在附录表中查得，其值将在表格中列出，查表得3475.4kJ/kg；hgs给水焓依据低温省煤器入口参数在附录表中查得，其值将

38、在表格中列出，查表得 924.15kJ/kg。(15) 实际燃料消耗量BB=100 Q ( Qr )=42100 kg/h式中 Q锅炉有效利用热效率;锅炉热效率;Qr锅炉输入热量，近似等于 Q(16) 计算燃料消耗量BjBj=B(1-q4.100 )=41500 kg/h烟气特性如下表所示表2.5烟气特性表序号项目名称符号单位炉膛，屏， 凝渣管咼温过热器低温过热器高温省煤器高温空预器低温省煤器低温空预器1受热面出口过量 空气系数烟道平均过量空a1.21.2251.251.271.321.341.392气系数a1.21.21251.23751.261.2951.331.3653干烟气容积V gy

39、m3/ kg4.57324.6224.71824.80524.945.0765.2114水蒸气容积Vh2om3/ kg0.67240.67320.67480.67620.67840.68050.68275烟气总容积Vym3/ kg5.24565.29525.3935.48145.625.7615.89376RO2容积份额rR2O0.140.1410.1370.1350.1320.1280.1267水蒸气容积份额rH2O0.1280.1270.1250.1230.1210.1180.1168二原子气体和水蒸气容积总份额r0.270.2670.2610.2570.2530.2460.249容积飞灰

40、浓度a vg/m337.3637.2636.3435.7534.8734.0233.2510烟气质量myk /k6.856.917.0367.157.3277.5037.6811质量飞灰浓度a yk /k0.0290.0280.0280.0270.0270.0260.0252.4.5 锅炉内的燃烧计算（1）理论空气量VV=0.0889（Car+0.375Sar）+0.265Har-0.0330ar=3.87 m3/kg（2）理论氮容积VN2VoN2=0.8CaL +0.79V=3.06 m3/kg100（3）RO2 容积 VRO2VRO2=1.866CaL +0.7 电=0.74 m3/kg1

41、00 100（4）理论干烟气容积VgyVgy= VoN2+VRO2=3.81 m3/kg（5）理论水蒸气容积VOH2OHVOH2O = 11 1 aL100+1.24Mar100+1.61dkV（dk=0.01kg/kg）= 0.66 m3/kg(6) 飞灰份额a fh查表2-43可得0.92 烟气焓温表(用于低温空预器的计算)表2.7烟气焓温表(用于低温空预器的计算)3锅炉炉膛受热面的布置及其热力计算3. 1锅炉的外形布置校核热力计算：校核热力计算的任务是在锅炉容量和参数、燃料性质、锅炉各部结 构、和尺寸已知的情况下，确定各受热面边界处的水、风、烟温度以及风、烟流经各受 热面时的速度和锅炉效

42、率、燃料消耗量等。校核热力计算可以帮助人们正确制定出提高 锅炉安全经济运行的和改造锅炉的合理措施，同时也为锅炉的其他计算，如锅炉的通风 计算、强度计算及水动力计算提供依据10。校核热力计算的主要内容包括：(1) 锅炉辅助设计计算：这部分计算的目的是为后面受热面的热力计算提供必要的 基本计算数据或图表。(2) 受热面热力计算：其中包含为热力计算提供结构数据的各受热面的结构计算。(3) 计算数据分析：这部分内容往往是鉴定设计质量、考核学生专业知识水平的主 要依据。整体校核热力计算过程如下：(1) 列出热力计算的主要原始数据，包括锅炉主要参数和燃料特性参数；(2) 根据燃料、燃烧方式及锅炉结构布置特

43、点，进行锅炉通道空气量平衡计算；(3) 理论工况下(a=1)的燃烧计算；(4) 计算锅炉通道内烟气的特性参数；(5) 绘制烟气温焓表；(6) 锅炉热平衡计算和燃料消耗量的估算；(7) 锅炉炉膛热力计算；(8) 按烟气流向对各受热面依次进行热力计算；、(9) 锅炉整体计算误差的校验；(10) 编制主要计算误差的校验；(11) 设计分析及结论11。锅炉的热力系统确定之后需要选择一定得锅炉外型以满足热力系统对各个受热面布 置得要求。锅炉外型的布置与锅炉参数、燃烧设备的型式以及制造工艺条件等因素有关, 还与锅炉房的建筑模式及其他设备的配合等方面的要求有关。图3大中型电站锅炉的整体布置方案对于中等参数和

44、中等容量以上的电站锅炉大多采用室然方式。室燃炉由于热力循环效率的要求，给水温度和蒸汽温度都比较高，过热器、省煤器、空气预热器等受热面成 为锅炉热力系统不可缺少的部件，而很少在布置锅炉管束。锅炉本体的外型取决于炉膛 和尾部受热面的相对位置，下图给出了几种常见的本体布置方案。图中(a)通常称为“ ”型布置，他是国内外大中型锅炉应用的最为广泛的一种布置 型式。因此本设计也采用这种布置型式。这种布置对于受热面的布置比较简便，各受热 面易于和烟气成逆流形式。锅炉排烟出口在底层，送、引风机等动力设备以及除尘设备 都可以安置在地面基础上。锅炉德尔构架和厂房建筑高度比较低。本设计国产220t/h锅炉采用这种方

45、案可以节省钢材约 250t，占结构用钢的15%。 然而，由于尾部烟道和炉膛后墙靠的太近，使尾部受热面检修空间减小，不利于维修。3. 2锅炉炉膛及辐射受热面的布置锅炉炉膛兼有完成燃料燃烧和传热的任务，在布置和设计炉膛时首先要满足燃料燃 烧的要求，在此前提下考虑炉膛中合理布置辐射受热面，使炉膛中辐射受热面的吸热量 达到锅炉热力系统所分配的吸热量的规定。3.2.1 炉膛燃烧器的布置方式对于室燃炉的炉膛根据燃烧器的类型和布置方式可分为下图几种方案一 一次凤 二畑图4室燃炉炉膛型式对于直流燃烧器多采采用四角切圆布置方式， 如图3-2 (b)所示。这种角置式直流 燃烧器的炉膛在锅炉容量小于 670t/h时

46、一般为单炉膛型式，为了保证良好的炉内空气动 力场结构，炉膛横截面的形状应尽可能的设计成正方形或接近正方形的矩形。3.2.2 炉膛中辐射受热面的布置炉膛中的辐射受热面主要是指炉膛的水冷壁。水冷壁管有光管或鳍片管两种形式，在中小锅炉中，水冷壁多由光管组成。锅炉容量增大后，炉膛面积相对减少，为了充分利用炉膛面积，水冷壁管的节距比较小，布置紧密。当然这对保护炉墙的结构影响 很大。大容量锅炉将光管或鳍片管焊接在一起，构成膜式水冷壁，如下图所示，膜式水 冷壁节距越大，水冷壁的管束越少，膜式壁的金属耗材降低，但是由于鳍片宽度增加， 在同样的向火面热负荷时鳍端的金属温度升高，容易烧损。另外，如果相邻鳍片热负荷

47、 不均匀，鳍片越宽，两端的温差越大，由此产生的附加热应力也越大，可能造成鳍片焊 口的断裂，是水冷壁失效，在目前焊接工艺条件下不允许相邻管子的金属温差超过50C由于采用膜式水冷壁，炉墙不直接与高温火焰接触，可省去笨重的耐火材料，只要 轻便的保温材料即可。这样可以大大简化炉膛的结构，减轻炉膛重量，有效的改善炉膛 的密封性。在现代大中型锅炉中，为了改善炉内的空气动力工况，减少烟气死滞区，增加火焰的充满度，都将后墙水冷壁上的靠近出口烟窗处弯制成折烟角，如图3-4所示。折烟角可以增加水平烟道的长度，可以在不改变锅炉深度的条件下布置更多的对流过热器受热 面。折烟角迫使烟气流转向，防止烟气短路流入水平烟道，

48、改善烟道冲刷屏式过热器的 空气动力特性，增加横向冲刷作用，是烟气流速沿水平烟道高度分布趋于均匀，折烟角 入炉膛的深度约占炉膛深度的1/31/2, 般取a =25o45, B =45o75。图6炉膛折焰角示意图水冷壁通常要分成几段：(1) 炉膛下部(亦称下辐射区)的水冷壁管内工质一般为过冷水或干读很小的汽水 混合物状态，在该区内工质存在从单相流体变成两相流体的相变过程，为了获得稳定的 两相流体流动的稳定性，水冷壁管采用不同的管径。(2) 炉膛中部(亦称中辐射区)的受热面是蒸发受热面，管内工质为汽水两相状态。为了使下辐射区出来的汽水混合物能均匀的分配至中辐射区的并行管子，两端之间设置 有汽水分离器

49、。中辐射区的管径较大。该区段是工质完成蒸发的主要区段，一般情况下 辐射区的干度约为0.70.85左右。（3）炉膛上部（亦称上辐射区）的水冷壁管是全部完成工质的汽化过程并逐步使之 过热的辐射受热面。由于上辐射区存在工质的蒸干点，为了使水冷壁金属耗材有足够的 冷却条件，设计时管内工质的质量流速选取较高。 工质到达出口集箱时，蒸汽有 5oC8oC。炉膛水冷壁的设计，除了要考虑其受热特性外，还要考虑水循环的可靠性、热膨胀 位移的自由度及支撑吊挂的结构型式等。3.2.3 锅炉凝渣管的布置 现代锅炉一种常见的对流蒸发受热面时布置在炉膛现户口烟窗后的凝渣管束。 它的 作用是确保烟气下游行程中的对流受热面不发

50、生结渣现象。 虽然炉膛出口的烟气温度再 设计炉膛时已考虑到使其低于煤的灰熔点，但由于炉内温度场的不均匀，仍有可能在烟 窗的局部区域烟气温度超过炉膛出口烟气温度，烟气中的灰粒可能处于熔化状态。如果 这些溶化的灰粒凝结在较密集的对流换热面上，则容易粘结成片，堵塞烟气通道，增加 烟气流动阻力，影响锅炉的正常运行。 布置凝结管束后可以使流过的烟气温度降低 50 oC80C，飞灰会因此而全部凝固，不会在粘附在下游的受热面上。为了使粘附在凝管上 的灰渣不至于连成片，凝渣管的横纵向节距都应设计的较大。现代锅炉的凝渣管多是由后墙水冷管（或后拱管）拉宽而成。后墙水冷壁管到达烟 窗后有规则的移除后墙水冷壁的平面，

51、 形成 35排的错列布置的管束形式。虽然流过凝 渣管束的工质实际上是后墙水冷壁内的工质，管外烟气的流速也较低，但是他已不属于 炉膛的辐射受热面，他的传热计算方式也完全不同于水冷壁。在锅炉热力计算中它是烟 气辐射换热和对流传热的分界面，自此以后烟气流过的受热面均匀的流过受热面。高压锅炉过热蒸汽温度较高，通常都布置有屏式过热器，这时炉膛出口烟气首先经 过后屏，凝渣管的作用可以由后屏来代替。而后墙水冷壁管则通过特制的后墙引出管将 烟气引出锅炉的水平烟道。后墙水冷壁引出管节距较大，它的主要作用是承受后墙水冷 壁和炉墙的重量，但热力计算时要单独计算其对流吸热量。综上锅炉炉膛及相关受热面已经布置完毕，接下

52、来将进行热力校核计算。4 炉膛的热力计算4 1 炉膛校核热力计算的步骤炉膛校核热力计算可以按以下步骤进行：（1）计算炉膛结构尺寸及烟气有效辐射层厚度；（2）选取热风温度，并依据有关条件计算随每千克燃料进入炉膛的有效热量；（3） 根据燃料种类、燃烧设备的形式和布置方式，计算火焰中心位置的系数 M；（4）估计炉膛出口烟温，计算炉膛烟气平均热容量；（5）计算炉膛受热面辐射换热特性参数，如水冷壁的灰污系数 Z、辐射角系数X、热有效系数书等；（6）根据燃料和燃烧方式计算火焰黑度和炉膛黑度；（7）计算炉膛出口烟温；（8）核对炉膛出口烟温误差；（9）计算炉膛热力参数，如炉膛容积热强度等；（10）炉膛内其他辐

53、射受热面的换热计算，如屏式过热器等。假定热风温度trk*:计算完尾部受热面:后，来校核热风温度计算对应每千克燃料送入炉膛的热量Qi计算出理论燃烧温 度To计算火焰中心位置修 正系数M假设炉膛出口烟气温度i （估）计算炉膛出口烟气温度（计数值）Toi 3 273M（ 0 1 如0）0.6 iBjVc判断计算误差：i （计算值）-i （估）w I00C以计算i作为屏过入口烟温，计算屏过热受热面图9炉膛校核热力计算方框图4. 2炉膛几何特征的计算4.2.I 炉膛结构的几何特征参数及其影响因素炉膛结构的几何特征主要包括：（1）炉膛容积；（2）炉膛内炉墙总面积；（3）炉墙有效辐射受热面的面积；(4) 炉

54、前火焰有效辐射层厚度；(5) 炉墙水冷程度。炉膛结构几何特征参数与锅炉的设计容量、燃料特性、炉膛容积热负荷、炉膛截面 热负荷、燃烧区域受热面热负荷、炉膛辐射受热面热负荷、炉膛出口烟气温度等设计参 数密切相关。锅炉炉膛设计中，参照设计规范中推荐的取值范围和选取原则，再接合以 往经验来决定这些参数的合理取值。422 炉膛容积热负荷炉膛容积和尺寸的确定，根据燃料特性及燃烧方法等工况条件，按下表推荐的数值 范围，并参考以往的经验选择炉膛容积热负荷 qv的数值，然后再求炉膛的容积。 炉膛容积为：V=BQqv根据本设计的实际情况取qv=0.12 MW/ m 3。炉膛容积热负荷的取值越小，则折算到 单位炉膛

55、容积内的放热量越大；反之，则越小。显然炉膛容积热负荷决定了炉膛内的整 体温度水平，同时也决定了燃料在炉膛内的停留时间。但二者的影响规律相反，炉膛整 体温度高。则燃料停留时间短；反之，锅炉整体温度低，则燃料停留时间长。为了考虑燃料燃烧和炉内传热过程对室燃炉炉膛的限制，设计锅炉时通常用炉膛热负荷这一参数表示，炉膛热负荷是一个大尺度的统计数据，他能够从某种程度上反映燃 烧和传热对炉膛几何尺寸的要求，但是由于炉内燃烧温度和传热计算的复杂性，炉膛热 负荷仅仅是一种经验性的参数。4.2.3 炉膛截面热负荷炉膛容积确定后，再根据表4-2推荐的炉膛断面热负荷qA，并参考以往经验，计算 炉膛截面尺寸：A=BQq

56、A截面热负荷从另一角度反映了炉膛内的温度水平和燃料在炉膛内的停留时间，弥补了炉膛容积热负荷仅能够确定炉膛容积而不能其形状的不足。炉膛容积热负荷和截面热负荷的结合可以合理的确定炉膛的容积、形状和尺寸。在 相同的炉膛容积条件下，选取较高的截面热负荷可以得到较高的炉膛，而选取较低的截 面热负荷可以得到相对较大的炉膛截面和较低的炉膛高度。对于本设计qA选取为2.45 MW/ m2,炉膛的宽度和深度的比例应保持在 11.1的范 围内。炉膛的高度尺寸主要受燃料在炉膛内停留的时间的影响，炉膛越高，燃料可停留 时间越长，煤粉燃尽几率越大。故经计算和经验的炉膛宽度为 8622mm,深度为7983mm。表4.2炉

57、膛截面热负荷qA统计值MW/ m锅炉蒸发量D(t/h)22023040041067010002000切 向 燃 烧褐煤和易结渣煤2.102.562.913.373.203.723.203.783.303.83烟煤2.332.672.794.073.724.654.375.404.805.62无烟煤、贫煤2.203.482.583.502.734.004.98前墙或对冲布置2.212.793.023.723.494.07油、气4.074.774.195.235.236.166.127.797.098.14截面热负荷取决于燃料的燃烧特性和灰渣特性等因素。对着火和燃烧性能较差的煤，趋向于选择较高的截

58、面热负荷，过低的截面热负荷会造成燃烧器区域温度下降，不 利于正常着火。但同时还需要考虑煤燃烧时的结渣特性，如果截面热负荷较高，则将没 有足够的受热面吸收燃烧器区域燃料燃烧释放的热量，是局部温度过高，引起燃烧器附 近区域结渣。对固态排渣炉，当然用灰熔融温度较高的煤种时，qA可取较高数值，对灰熔融温度较低的煤，qA应适当降低。截面热负荷的选择还应考虑到水冷壁内工质冷却能力的影响，避免局部水冷壁热负荷过高，对亚临界锅炉，工质冷却能力较差，局部偏高的热负荷会使水冷壁金属温度升 咼至U危险温度。另外，炉膛容积热负荷增大会使炉膛面积相对减少，可布置的受热面减少，辐射传 热量降低，火焰平均温度提高，容易在受热面上结渣。如果选取过低，炉膛容积过大， 使锅炉结构不紧凑，降低了炉膛的火焰温度水平，不利于燃料的稳定燃烧。以上讨论的是从锅炉总体平均的角度。根据炉内燃烧和传热的特点得到的一些结 果。但是，炉膛内局部的qv和qA的值却是十分不同的，特别是在燃烧器附近，燃料大部 分集中在这个区域内燃烧，燃烧强度最大，火焰的温度最高，即便整个炉膛德尔辐射受 热面面积是足够的，在燃烧器区的水冷壁上仍然存在结渣的危险。所以进一步设计炉膛 时还应考虑到燃烧器附近的局部特性。工程上通常用燃烧器区域的炉膛断面热负荷