锅炉整体设计和受热面布置.ppt

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1、第十一章第十一章 锅炉整体设计和受热面布置锅炉整体设计和受热面布置第一节第一节 锅炉热力计算的程序和方法锅炉热力计算的程序和方法 第二节第二节 锅炉主要设计参数的选择锅炉主要设计参数的选择 第三节第三节 电站锅炉的整体布置电站锅炉的整体布置 第四节第四节 影响锅炉受热面布置的主要因素及影响规律影响锅炉受热面布置的主要因素及影响规律 第一节第一节 锅炉热力计算的程序和方法锅炉热力计算的程序和方法 在锅炉受热面设计中，通常采用校核热力计算的算法，另外，对实际运行的锅炉也通常需要在燃料发生较大的变更、制粉系统改造、锅炉受热面改造、部分负荷或超负荷运行等情况下，进行整台锅炉的校核计算。校核热力计算的任

2、务是按锅炉已有的结构参数，在给定的锅炉负荷和燃料特性条件下，确定锅炉炉膛出口截面上的平均烟气温度、各个受热面进出口截面上的平均烟气温度、水温、蒸汽温度以及空气温度等，并同时确定锅炉的热效率、燃料消耗量以及空气和烟气的流量和流速等。锅炉的整体校核热力计算的内容包括炉膛和其后的所有受热面，一般均是从燃料的燃烧和热平衡计算开始的，然后按烟气流经锅炉各个受热面的顺序进行计算，即炉膛、半辐射屏式过热器、对流过热器和再热过热器、省煤器和空气预热器等。锅炉各个受热面的计算也均采用校核计算的方法，根据已知的受热面的结构参数，采用逐次逼近的算法进行计算。整台锅炉的校核计算实际上是多次反复和逐次渐近的计算过程，而

3、且比单个受热面计算繁杂得多。此时不仅烟气的中间温度和内部工质温度是未知数，而且锅炉最后的排烟温度、热空气温度、锅炉的燃料消耗量、甚至过热蒸汽的温度都是未知数，在计算开始时均需预先假定，然后用逐次逼近的方法完成。另外，锅炉过热器系统本身的计算也具有多次反复和逐次渐近的计算特点，这是由于过热器各个部件的布置方式使得工质的流程和烟气流向不一致所造成的。因此，对于任一级过热器工质侧和烟气侧的进出口参数的确定有待于整个过热器系统热力计算完成。譬如，对某高压参数锅炉，按烟气流程计算屏式过热器时，由于其工质来自低温过热器的出口，而低温过热器通常布置在高温对流对热器之后，所以，屏式过热器的进出口工质温度均为未

4、知，须预先假定，然后，按烟气流程计算到低温过热器时才得以校核，因此，需要逐次逼近进行计算，锅炉整体热力计算流程见图11-2。在进行空气预热器与省煤器双级布置的尾部烟道受热面计算和两级布置的再热器系统计算时也具有类似的逐次逼近特点。第二节第二节 锅炉主要设计参数的选择锅炉主要设计参数的选择一、一、炉膛设计参数炉膛设计参数二、二、锅炉的排烟温度锅炉的排烟温度 三、三、热空气温度热空气温度四、四、给水温度给水温度 五、五、烟气流速烟气流速 一、炉膛设计参数一、炉膛设计参数 进行炉膛设计计算之前，需先确定炉膛的结构尺寸，而结构尺寸与炉膛的设计容量、燃料特性、炉膛容积热负荷、炉膛截面热负荷、燃烧器区域的

5、壁面热负荷、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，再结合以往经验来决定这些参数的合理取值。炉膛设计参数的选取应能保证锅炉运行的安全性和灵活性，对燃料有尽可能广的适用范围，不发生诸如炉膛的结渣、燃烧设备的过热损坏等非正常运行工况。值得注意的是，所有炉膛设计参数的选取均是基于锅炉额定参数（负荷、蒸汽参数、空气基础温度、给水温度等）的条件，所以，一般均能保证锅炉在额定参数下运行时满足设计要求，而锅炉还通常需要在偏离额定工况下远行，此时往往经济性和安全性均较差。（一）炉膛容积和结构尺寸 （二）炉膛出口烟气温度（一）炉膛容积和结

6、构尺寸 锅炉炉膛的容积和结构尺寸取决于炉膛容积热负荷qV，炉膛截面热负荷qA以及燃烧器区域的壁面热负荷qR（见第六章所述），还与炉膛辐射受热面热负荷qH有关（见第九章所述）。为确定炉膛容积和尺寸，首先应按燃料特性及燃烧方法等工况条件，根据表111的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，然后由式（11-1）来确定所需要的炉膛容积。3,mnet,arVBQV=q（11-1）炉膛容积热负荷的取值越小，则折算到单位炉膛容积内的放热量越小，而折算到单位放热量的炉膛容积则越大，反之，则相反。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

7、响规律相反，炉膛整体温度高，则燃料停留时间短；反之，炉膛整体温度低，则燃料停留时间长。炉膛容积确定后，再根据表112推荐的炉膛断面热负荷qA并参考以往经验，由式（11-2）计算炉膛截面尺寸。2,mnet,arABQF=q 截面热负荷从另一个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确定其形状的不足。容积热负荷和截面热负荷的结合可以合理地确定炉膛的容积、形状和尺寸。在相同的炉膛容积的条件下，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，则可以得到相对较大的炉膛截面和较低的炉膛。截面热负荷取决于燃料的燃烧特性和灰渣特性等。对着

8、火和燃烧性能较差的煤，趋向于选择较高的截面热负荷，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，使局部温度过高，会引起燃烧器附近区域结渣。对固态排渣煤粉炉，当燃用灰熔融温度较高的煤种时，qA可取较高的数值，对灰熔融温度较低的煤，qA应适当降低，图11-3 所示为燃用结渣性能相差很大的煤种时炉膛结构尺寸的大致差别。截面热负荷的选择还应考虑到水冷壁管内工质冷却能力的影响，避免局部水冷壁热负荷过高，对亚临界压力锅炉，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高到危险程

9、度。对qV 和qA 选值的各影响因素的分析见表11-3。对大容量锅炉，由于需要较多的辐射受热面参加热交换以冷却燃烧产物，特别是灰熔融温度低的煤种，为了保证锅炉在最大连续出力（MCR）工况下能长期连续运行，避免炉膛及高温对流受热面的严重结渣，需要有足够的炉膛空间和炉膛受热面冷却燃烧生成的燃烧产物，因此，煤种的影响非常显著。设计时还应考虑到设计燃料变化的可能性，特别是要求能适应燃料变劣的情况，这均需要将炉膛尽可能设计得大一点。但炉膛容积过大将使投资增加，同时还会影响低负荷时燃料燃烧的稳定性。所以，应在技术经济比较的基础上选择。图11-4与表11-4为燃用不同煤种的670th锅炉炉膛结构尺寸和热力参

10、数的比较，同一容量的煤粉炉中，燃用褐煤的锅炉炉膛比燃用无烟煤、烟煤的炉膛大。按照上述程序，即可大致确定炉膛的宽度、深度和高度。炉膛宽度和深度的具体数值还应考虑到燃烧器的型式和布置、水冷壁管的管径和节距、炉膛出口对流受热面的布置等。此外，在确定炉膛高度时要根据所燃煤种的燃尽和煤灰特性，从最上层燃烧器中心到炉顶要有足够的距离，以保证所燃烧煤种必需的火炬长度，对特别难燃尽的煤种，设计时可以考虑适当增加炉膛的高度。对四角切圆燃烧的炉膛，为了尽量减弱在炉膛出口的残余旋转，减少热偏差，也应适当增加炉膛的高度。该尺寸还与炉膛的宽度及深度有关，一般在13.7 18.3m。从炉膛内最下一排燃烧器中心线到冷灰斗上

11、沿处的高度，对于切圆燃烧炉膛，通常取为3.99.1m。为获得炉膛内良好的空气动力工况和火焰充满度，炉膛出口处的折焰角的形状和尺寸通常按图115中所示选取，取30 50，取为20 30，折焰角的深度约为炉膛深度的1/3左右。冷灰斗的倾角 取为50 55 左右，出渣口宽度一般为0.61.4m。（二）炉膛出口烟气温度 炉膛出口烟气温度 系指炉膛出口截面上的烟气温度平均值，是衡量锅炉炉膛受热面设计是否合理的重要参数之一，其选择应兼顾炉膛工作的可靠性要求和技术经济条件。l 炉膛出口烟温通常受到燃料灰分结渣指标的限制。对固体燃料，这一温度不应高于燃料灰分开始变形的温度DT，否则高温烟气中所携带的灰分将在炉

12、膛出口处的密集管束对流受热面上结渣。对于不受结渣限制的燃料，可以适当提高炉膛出口烟温，但过高将可能使高温对流受热面（过热器、再热器）管子金属的温度工况处于不安全状态。对炉膛自身工况来说，炉膛出口烟气温度也不应取得过低，炉膛出口烟温低，意味着炉膛内平均温度水平降低，低负荷时温度水平更低，将影响低负荷时燃料的着火和燃烧的稳定，限制稳定燃烧的最低负荷范围。决定炉膛出口烟气温度的另一重要因素是技术经济条件。炉膛出口截面大致是辐射和对流受热面的分界面，炉膛出口烟温高低，表示了辐射换热量和对流换热量间的比值。由于辐射换热服从于绝对温度四次方差的关系，在高温区，单位受热面积的辐射吸热量较对流吸热量大，因此，

13、尽量利用辐射方式换热对节约受热面积是有利的。在进入烟温较低区域后，单位受热面积的辐射吸热量将低于对流吸热量。因此，从传热的角度，存在一个最经济的炉膛出口烟气温度值，此时全部受热面的总费用最经济，根据计算一般在12001400。综合上述因素，对于固体燃料，由于不结渣允许的最低温度往往低于技术经济条件决定的炉膛出口烟气温度，因此，炉膛出口烟温的选取取决于结渣条件。一般取等于或略低于灰分的变形温度DT。当灰分的软化温度ST与变形温度DT相差小于100 时，取 低于ST-100 ，对大容量锅炉一般为10501100 。如果烟气在进入密集的对流管束前没有拉稀的凝渣管，的数值应较上述推荐值再低50 左右。

14、对炉膛出口处布置有屏式受热面的大容量锅炉，屏前的烟气温度可控制在12001250 ，使屏后的烟气温度不高于DT-50 或ST-150 。ll 燃油锅炉虽可采用比燃烧固体燃料锅炉高的炉膛出口烟气温度，但由于燃料油中通常含有V2O5，应考虑高温过热器受热面的严重污染和高温腐蚀问题。燃气锅炉没有结渣条件的限制，可按技术经济条件选定炉膛出口烟气温度，但也应注意 过高时高温对流受热面的管壁金属温度工况。l二、锅炉的排烟温度二、锅炉的排烟温度 锅炉排烟温度直接影响到锅炉机组运行的经济性和尾部受热面工作的安全性。较低的排烟温度可以降低锅炉的排烟损失，提高锅炉的热效率，减少锅炉的运行费用。但是，排烟温度降低会

15、使尾部受热面中烟气与工质的传热温压减小，传热面积增大，金属的消耗量增加，另外还会引起末级烟道中烟气中的硫酸蒸汽凝结，使受热面严重腐蚀及堵灰，缩短设备的使用寿命，增加了烟道的阻力和引风机的电功率消耗。对水分多、硫分多的燃料，需要采用较高的排烟温度，反之可选用较低的排烟温度。排烟温度的选择还与锅炉给水温度、环境空气温度、除尘和烟气净化设备等有关。所以，排烟温度的选择是一个涉及到锅炉经济性和安全性的复杂问题。通常，大型锅炉的排烟温度常比小型锅炉低些，电站锅炉的排烟温度在120140 之间综合选择，一般情况下很少采用低于120的排烟温度。三、热空气温度三、热空气温度 对燃烧煤粉的锅炉，空气预热器出口热

16、空气温度的选取应首先考虑煤粉气流的着火与稳定燃烧对热空气温度的要求，然后再考虑原煤的干燥与粉碎。对容易着火且煤中水分不太高的煤种，通常不需要过高的热空气温度一般为300左右。对难燃的煤种（挥发分低、水分高等），为了改善着火条件和燃烧过程，降低燃烧不完全损失，有时需要将热空气温度加热到380430 。热空气温度越高，空气预热器金属的消耗急剧增加，并不得不采用空气预热器双级布置，锅炉结构复杂，烟气侧和空气侧阻力也增加。因此，近年来的大容量电站锅炉在燃用难燃煤时，不再单纯依赖提高热空气温度，而采用改进燃烧的技术措施。固态排渣煤粉炉热风温度的推荐范围见表63。对液态排渣炉，由于炉膛造渣的需要，要求相对较高的热空气温度，譬如380420。燃油和燃气炉采用空气预热器的主要目的是降低排烟温度，着火与燃烧一般没有问题，没有必要选取较高的热空气温度，一般为200300。燃煤循环流化床锅炉通常不需要干燥原煤，也无须磨制煤粉，而且炉内煤的着火条件优越，所以，热空气温度也较低，一般为180200。四、给水温度四、给水温度 电站锅炉给水温度的取值与电厂的热力系统密切相关，由于发电机组为了提高发电效率均采用回热循