毕业设计(300MW电站锅炉热力系统和燃烧器系统设计)

1、 毕业设计(论文题目名称:300MW电站锅炉热力系统和燃烧器系统设计学院名称:能源与环境学院班级:热能071学号:200701124213学生姓名:卢万飞指导教师:孙昆峰2011 年 6 月 300MW电站锅炉热力系统和燃烧器系统设计Design for thermodynamic system and burner system of 300MW boiler学院名称:能源与环境学院班级:热能071学号:200701124213学生姓名:卢万飞指导教师:孙昆峰2011 年 6 月摘要随着国民经济和电力负荷的迅速增长,电网容量也随之增长,电力需求越来越大,发展电力产业已刻不容缓。本文以300M

2、W锅炉机组的热力系统和燃烧器系统设计计算为例,简述了大型电站煤粉锅炉设计的步骤和方法,并对计算结果进行分析,指出设计过程中的问题和不足,以及对发展计算机技术在锅炉设计中应用的期望。本文叙述了300MW电站锅炉热力系统和燃烧器系统的设计过程。首先确定了锅炉的整体布置,包括前屏过热器,后屏过热器,对流过热器,高温再热器,低温再热器,省煤器和回转式空气预热器的布置;然后确定锅炉的汽水系统和烟风系统的流程,并绘制锅炉热力系统图;最后详细阐述了锅炉各个受热面的结构设计以及热力计算过程,并进行热力计算数据的修正以及计算结果校核。本文还对锅炉排烟温度,热空气温度和燃烧器主要参数的选取进行了分析,并阐述了锅炉

3、汽温的调节方法。关键词:300MW电站锅炉热力系统燃烧器设计ABSTRACTWith the rapid growth of the national economy and power load, power capacity and the demand for electricity also increase, the development of power industry has become essential. In this paper, the calculation design for thermodynamic system and burner system of

4、 300MW boiler, for example, describes the design steps and methods of the large-scale coal power plant boiler, and results analysis, and the problems and deficiencies of the design process, as well as the expectations of the development of computer the application of technology in boiler design.The

5、paper describes the design process of thermodynamic system and burner system of 300MW boiler. Firstly, we determined the overall layout of the boiler, including the former screen superheater, rear screen superheater, convection superheater, high-temperature reheater, low temperature reheater, econom

6、izer and rotary arrangement air preheater; and then we determined the the water flow system and smoke flow system, and drew the diagram of boiler thermodynamic system; At last, we detailed elaborated the structure design and thermodynamic calculation of each heating surface of boiler, and the data a

7、mendment of thermodynamic calculations and check of the result.Paper also analyzed the temperature of exhausted gas and hot air, and the selectet of the main parameters of burner, and elaborated the regulation method of steam temperature.Key words: 300MW plant bolier thermal system burner design目录1引

8、言 (12锅炉的整体布置及系统 (32.1锅炉的整体布置 (32.2锅炉的热力系统 (32.3锅炉气温的调节 (63计算方法及主要参数的选取 (73.1锅炉热力计算方法 (73.2锅炉排烟温度的选择 (73.3热空气温度的选择 (84锅炉的设计计算 (94.1原始资料 (94.2煤的元素分析数据校核和煤种判别 (94.3燃烧产物和锅炉热平衡计算 (104.4炉膛设计和热力计算 (154.5后屏过热器热力计算 (264.6对流过热器设计和热力计算 (314.7高温再热器设计和热力计算 (374.8转向室热力计算 (424.9低温再热器设计和热力计算 (424.10减温水量校核 (474.11省煤

9、器设计和热力计算 (474.12空气预热器热力计算 (514.13热力计算数据的修正和计算结果汇总 (555总结 (575.1设计锅炉的主要特点 (575.2设计不足及展望 (57参考文献 (58致谢 (59附录 (60 1引言设计工作是产品生产的第一道重要工序,设计好坏对产品的性能和质量有着决定性的影响。设计布置新锅炉的要求是:确定锅炉的型式,以及各个受热面的结构尺寸,在保证安全可靠的基础上力求技术先进、节约金属、制造安装维修方便,并且有较高的锅炉效率,节约燃料。因此,在设计锅炉之前,应根据所给定的锅炉容量,参数和燃料特性,有目的地进行广泛深入的调查研究,综合利用有关的理论以及制造、运行方面

10、的知识,查阅相关资料,进行各种技术方案的斟酌和比较,并进行各种精确的计算。一般开始设计时,先选定锅炉的总布置,进行燃料消耗量的计算,然后再决定锅炉结构,进行炉膛传热计算,决定对流受热面的结构,进行对流受热面的传热计算。本锅炉设计的任务是300MW电站锅炉热力系统和燃烧器系统设计,其中热力计算是锅炉设计中的一项最主要的计算。热力计算的方法,按照已知的条件和计算目的,可以分为设计计算和校核计算两种。在设计新锅炉时的热力计算称为设计热力计算。设计热力计算的任务是在给定的煤种、给定的给水温度前提下,确定保证达到额定蒸发量,选定的锅炉经济指标以及给定的蒸汽参数所必需的锅炉各受热面的结构尺寸。在进行设计热

11、力计算之前要进行锅炉的整体布置。即确定炉型(型、塔形或其它布置方式、水循环方式(自然循环、强制循环、直流、燃烧方式(直流燃烧器、旋流燃烧器、过热汽温、再热汽温的调节方式(摆动式直流燃烧器、烟气挡板、烟气再循环等。上述几个大的方面确定后,就要设计布置受热面,即决定炉膛、对流烟道以及受热面之间的相对位置和相互关系,各种受热面的型式(即错列或顺列、立式或卧式和尾部受热面的布置方式(单级布置或双级布置、还要确定制粉系统的方式,燃烧器型式与布置,并预先选定锅炉的排烟温度、热空气温度等经济性指标。在进行设计热力计算时,应具备下列原始数据:(1锅炉的蒸发量、给水压力和温度,以及主汽阀前过热蒸汽压力和温度。(

12、2再热器进口和出口处再热蒸汽的参数和流量。(3从锅炉汽包抽出的饱和蒸汽流量。(4连续排污量。(5燃用的燃料特性,如煤应包括:应用基元素成分和低位发热量,可燃基挥发分,灰的特征温度,可磨度。(6周围环境温度。(7有关煤粉制备系统、燃烧设备的型式,以及锅炉整体布置的资料。设计热力计算是在锅炉额定负荷下进行的,即锅炉各部件的结构尺寸是按额定负荷设计的。为了预先估计锅炉在其他负荷下的工作特性,往往对新设计的锅炉进行非额定负荷下的热力特性计算(校核热力计算的一种,一般作70%负荷和50%负荷的计算。锅炉的校核热力计算是对一台已经设计好的锅炉进行的。锅炉的负荷变化、燃用煤质变化,以及给水温度改变,合称为锅

13、炉的变工况。锅炉在变工况下运行时(例如煤种变化,其过热汽温、再热汽温、各受热面进、出口的烟气温度、介质温度(包括热风温度和排烟温度、锅炉效率、燃料消耗量以及空气和烟气的流量和速度等都要发生改变而偏离设计值。校核热力计算的任务就是通过热力计算,定量地确定这些新的数值。在进行校核热力计算时,锅炉受热面的结构是已知的,锅炉烟气和内部介质的中间温度、排烟温度、预热器出口空气温度有时甚至是过热汽温等则是未知的。为完成计算,需要利用迭代计算的方法逐步接近待计算值。为了进行校核热力计算,必须提供锅炉的图纸和有关燃烧设备、各受热面和烟风道的结构和尺寸的资料,并给出在校核工况下的锅炉参数、燃料性质和给水温度。对

14、于锅炉的单个受热部件,也有设计热力计算和校核热力计算的区分。部件的设计热力计算是根据给定的受热面传热量(或给定受热面的介质流量和进、出口温度,去计算传热温差和传热系数,最终求出受热面积的数值。设计计算是一种直接计算的方法,一般不需要进行逐步近似的计算过程。校核热力计则不然,进行单个受热面的校核计算时,一般只能知道热侧介质和冷侧介质的各一个温度或焓(进口的或出口的,介质的另一端的温度或焓为未知。因此要预先假定一个数值,然后借助两个热平衡方程和一个传热方程,经迭代计算逐步逼近真实值。校核热力计算的目的是为了估计锅炉在非设计工况条件下运行的经济指标对锅炉运行缺陷(例如汽温偏低、排烟温度偏高等的可能原

15、因做出分析判断,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空气动力计算、水动力计算、管壁温度计算和其它可靠性计算提供基础资料。设计热力计算和校核热力计算在计算方法上基本上是相同的,计算时所依据的传热原理、计算公式和图表曲线也都是相同的,区别仅在于计算任务和所求结果不同。而且设计计算和校核计算也没有绝对的界限,一个部件的设计计算往往可以采用校核计算的方法来完成。有经验的设计人员常可以根据他的经验,预先将锅炉受热面的结构尺寸决定,然后逐步进行校核计算,如果不合适,则重新调整受热面的结构(主要是调整受热面的面积,直至满足换热量的要求,这也是一种设计计算方法。2锅炉的整体布置及系统2.1 锅

16、炉的整体布置(1锅炉整体的外型选型布置选择型布置的理由如下:a.锅炉的排烟口在下方,送、引风机及除尘器等设备均可布置在地面,锅炉结构和厂房较低,烟囱也可以建筑在地面上;b.在对流竖井中,烟气下行流动,便于清灰,具有自身除灰的能力;c.各受热面易于布置成逆流方式,以加强对流换热;d.机炉之间连接管道不长。(2受热面的布置本锅炉为亚临界参数,汽化吸热较小,加热吸热和过热吸热相应较大。为使炉膛出口烟温降低到要求的数值,保护水平烟道内的对流受热面,除在水平烟道内布置高温再热器外,还在炉内布置全辐射式的前屏过热器,炉膛出口布置半辐射式的后屏过热器,折焰角上方布置对流过热器。为使前屏、后屏过热器中的传热温

17、差不致过大,在炉顶及水平烟道的两侧墙和后墙均布置包覆过热器。为了减小热偏差,节省金属用量,采用二级再热方式,其中高温再热器置于对流过热器后的烟温较高的区域,低温再热器设置在尾部竖井烟道中。在低温再热器下面设置省煤器,根据锅炉的参数,省煤器出口工质状态选用非沸腾式的。热风温度要求较高,采用回转式空气预热器,移致炉外布置,这样不仅结构紧凑,节省材料,而且维修也方便。在省煤器的烟道转弯处,设置落灰斗,由于转弯处离心力的作用,颗粒较大的灰粒顺落灰斗下降,有利于防止回转式空气预热器的堵灰,减轻除尘设备的负担。锅炉整体布置如图2-1所示。2.2 锅炉的热力系统锅炉的热力系统是指锅炉各受热面沿烟气流程布置的

18、位置和相互间热量分配的关系。对锅炉热力系统提出的最基本的要求是锅炉的可靠性和经济性,亦即锅炉应在达到安全可靠的基础上力求先进、金属节约、制造安装简便、热效率高。本文300MW电站煤粉锅炉的热力系统如图2-2所示。109 876543211-冷灰斗;2-燃烧器;3-炉膛;4-前屏过热器;5-后屏过热器;6-对流过热器;7-高温再热器;8-低温再热器;9-省煤器;10-回转式空气预热器图2-1锅炉布置图 图 2-2 1000t /h 亚临界自然循环锅炉的热力系统34536037240047846754045454045432532727532020128.535854973774284486210

19、431204工质温度(烟气温度(烟气流向1-汽包;2-炉膛;3-水冷壁;4-前屏过热器;5-顶棚过热器;6-第一级喷水;7-后屏过热器;8-第二级喷水;9-对流过热器;10-包覆墙过热器;11-后墙引出管;12-高温再热器;13-转弯烟室;14-低温再热器;15-省煤器;16-空气预热器热出口气进口口2.3 锅炉气温的调节维持稳定的过热汽温和再热汽温是保证锅炉机组运行安全和经济所必需的。对电厂锅炉来说,要求在运行中维持过热汽温的变动不超过±510。另外,从保护过热器受热面来说,除了汽温应维持正常以外,还要保持某一级过热器的管壁温度不超过这一级过热器所采用的钢材的许用温度,因此锅炉汽温

20、的调节除了满足汽轮机的要求之外,还有保护过热器本身的作用。一般情况是锅炉负荷在70%100%内能维持额定蒸汽温度。由于许多因素影响到汽温,因而就需要采取适当的调温方法。调节汽温的方法很多,而使用条件和优点又各不相同。为使调温灵活,也可同时采用两种不同的调温方式。总之,应根据具体情况通过技术经济比较合理的选择调温方法。(1过热汽温调节采用两级喷水减温器调节蒸汽温度。第一级喷水减温器位于包覆过热器出口集箱到前屏过热器进口集箱的连接管道上,左右各一,设计喷水量全部放在这一级,起主调作用,并可保护前屏过热器管壁不超温;第二级喷水减温器位于后屏出口集箱到对流过热器进口集箱的连接管上。当一级减温器喷水量受

21、到限制或一级减温幅度不能满足要求时,此级减温器将投入。减温器本体包括简体、喷头、文丘利混合管及衬套等。在最大连续负荷时,预期喷水量约为主蒸汽流量的3%5%。(2再热汽温调节再热蒸汽温度调节主要通过位于尾部竖井底部的烟气调节挡板,由逻辑系统自动调整挡板到适当位置,以保证控制负荷范围内的再热汽温保持在540,在稳态情况下,再热器出口集箱两端汽温偏差将不超过10,为适应过渡或事故工况的需要,在再热蒸汽入口管道上装设左右各一的事故喷水减温器,减温器本体包括筒体,喷嘴装置和直套筒等。3计算方法及主要参数的选取3.1 锅炉热力计算方法锅炉热力计算分为设计计算和校核计算,设计计算一般是在设计新锅炉时运用的方

22、法,而校核计算是在锅炉结构已定,燃料变更时进行的计算。本文所用设计计算的计算步骤为:(1按设计任务书列出原始数据;(2选取各烟道的过量空气系数,计算三原子气体的容积和容积份额、烟气和空气的焓;(3预先估计排烟温度和热风温度,用以确定热损失、锅炉效率和燃料消耗量;(4计算炉膛传热,设计辐射受热面的结构,求出炉膛出口处的烟温,设计各对流受热面结构,再计算各对流受热面的烟温,按烟气流动方向顺序计算;(5如果计算得出的排烟温度与起初所估计的排烟温度之差未超过±10,而热空气温度之差未超过±40,则可认为锅炉机组的热力计算结束。如超过误差,则需重新假定排烟温度及热空气温度进行计算;(

23、6确定锅炉机组热平衡计算的误差,应不超过Qr的0.5%:(7最后将整台锅炉机组的主要计算数据列出汇总表。3.2 锅炉排烟温度的选择排烟温度低,排烟热损失少,锅炉效率高,节约燃料;但会使尾部受热面的传热温差大幅降低,增加受热面积。此外,如排烟温度取得过低,还会引起空气预热器的严重低温腐蚀。低温腐蚀与堵灰都将严重影响到锅炉工作的经济性和可靠性,并且两者相互影响。防止的主要方法是提高受热面壁面温度,使它不低于烟气中硫酸蒸汽和水蒸汽的露点。为提高锅炉效率,排烟温度相应取得低一些。蒸汽参数高的锅炉,给水温度较高,为了保证尾部受热面的温差,锅炉排烟温度比中参数的取得高些。我国大中型锅炉的排烟温度,多在12

24、0160内,一般很少采用低于120的排烟温度。下表列出了排烟温度的推荐值,可供参考。 依据上表,由于(4182418230.4527800yyzs yd wW W Q =%<3%,且给水温度g s t =275,本次设计的排烟温度选取为130。3.3 热空气温度的选择热空气温度的选择主要应保证燃料在锅炉炉膛内迅速着火。它的选择主要取决于燃料的着火性能。着火性能好,可选得低些;着火性能差,则应选得高些。一般只是挥发分少的无烟煤,水分高的褐煤以及用液态排渣方式时需选用高的热空气温度。下表所列数据为固态排渣煤粉炉及燃油、燃气锅炉的热风温度,可供选择时参考。 依据上表,由于燃烧使用的是大同烟煤,

25、采用回转式空气预热器,故本次设计的热风温度选取为320。4 锅炉的设计计算4锅炉的设计计算4.1 原始资料本次设计的锅炉燃用大同烟煤,低位发热量yQ=27800 KJ/Kg,采用筒式钢球磨d w煤机,直吹式热风送粉。煤的应用基成分如下表: 4.2 煤的元素分析数据校核和煤种判别(1煤的元素各成分之和为100%的校核y y y y y y y+=70.8+4.5+7.1+0.7+2.2+3+11.7=100%C H O N S W A(2元素分析数据校核a.可燃基元素成分的计算可燃基元素成分与应用基元素成分之间的换算因子为100100 1.172100100311.7r yyK WA=-则可燃基

26、元素成分应为(%1.17270.882.98ryr C K C = 1.172 4.5 5.27ryr HK H=1.1727.18.32r yr O K O = 1.1720.70.82ryr NK N=1.1722.2 2.58r yr SK S=b.干燥基灰分的计算10010011.712.061001003gyyAAW=-%c.可燃基低位发热量(试验值的计算(100100252780025332679/100100311.7ryyd w d w yyQ Q Wk J k gWA=+=+=-d.可燃基低位发热量(门德雷也夫公式计算值的计算'3391030109(33982.981

27、030 5.27109(8.32 2.5832933(/y rrr rd w Q CH O S K J K g =+-=+-='3293332679254(/y yd w d w Q Q K J K g -=-=因为254 KJ/Kg < 800 KJ/Kg ,所以元素成分是正确的。 (3煤种判别a.由燃料特性得,y d w Q =27800 KJ/Kg>18840KJ/Kg,所以属于优质烟煤。b.折算成分的计算(4182418211.7 1.7627800yyzs yd w A A Q =%(4182418230.4527800yy zs y d w W W Q =%(4

28、1824182 2.20.3327800yyzs y d wS S Q =%因此4y z sA <%,属于低灰分煤。4.3 燃烧产物和锅炉热平衡计算(1燃烧产物计算a.理论空气量及理论烟气容积根据计算公式,得出理论空气量及理论烟气容积的计算表如下: b.空气平衡表及烟气特性表根据该锅炉的燃料属优质烟煤,查表选取炉膛出口过量空气系数"1.20l =,再查表得各受热面烟道的漏风系数,然后列出空气平衡表如下: fh 特性表如下: c.烟气焓温表计算下表中的各项,此为烟气焓温表。 (2热平衡及燃料消耗量计算锅炉热平衡及燃料消耗量计算列于下表: 4.4 炉膛设计和热力计算炉膛设计内容主要

29、包括燃烧器型式的选择及布置,炉膛尺寸的确定和水冷壁的布置等。固态排渣煤粉炉目前从燃烧器的布置及火焰形状可以分为一下几种类型:一种是燃烧器前墙布置,L形火焰炉膛;一种是燃烧器四角布置的炉膛;一种是燃烧器两侧墙布置,火焰对撞的炉膛;还有一种是U形火焰炉膛。目前以前两种炉膛使用最广。在设计炉膛时,首先应当使燃料能燃烧地比较完全,同时又必须保证燃烧室能长期可靠地运行,不会因为严重结渣等事故而被迫停炉。因此,必须深入地调查研究,然后根据实践的经验决定炉膛的形状和容积,才能达到燃烧效率高运行又安全可靠地效果。(1炉膛结构设计(带前屏过热器炉膛结构设计(带前屏过热器列于下表:表4-9炉膛结构设计(带前屏过热

30、器 为了保证后墙水冷壁在折焰角处得刚度,便于后墙水冷壁的悬吊,其中有54根水冷壁用分叉管,即有54根上升管在折焰角处呈三叉管结构,考虑到流动阻力的影响,在54根上升叉管上方装有直径为10mm的节流孔,使有足够的汽水混合物流过折焰角处得上升管,以免烧坏。(2燃烧器的设计本锅炉选用四角切圆布置的直流煤粉燃烧器,因为是优质烟煤,所以配风方式选用均等配风,理想切圆直径为1000mm。这样不仅能保证稳定燃烧,还有利于加强炉内气流扰动,使燃料在炉内的停留时间增长。为了加强燃烧器对煤种的适用性及适应负荷的变化,燃烧器的喷口截面采用可调的,以调节气流量和火炬长度。此外,喷口还可以摆动一角度,单个喷口的摆动为&

31、#177;10°,联动时能上下摆动±20°,这样可以改变火焰中心高度。燃烧器风口布置如图4-1所示,其中一次风喷口层数按参考文献选取为6层。燃烧器结构尺寸及热力计算列于下表: (3炉膛和前屏过热器结构尺寸计算炉膛和前屏过热器结构尺寸如图4-2所示。 炉膛结构尺寸鳍片管 d =60×6 s =80前屏过热器结构尺寸(a 主视图;(b 侧视图d =38×4.5 s 1=1200 s 2=42R =75 n 1=41根 z 1=10片(a (b 图 4-1 燃 烧器喷口结构尺寸图 4-2 炉膛及前屏过热器结构尺寸计算数据列于下表: (4炉膛热力计算(

32、带前屏过热器炉膛热力计算(带前屏过热器列于下表: 4.5 后屏过热器热力计算屏式过热器是半辐射受热面,热力计算必须考虑从炉膛直接吸收的辐射热量。由于屏式过热器多属于整个过热器系统中的中间级过热器,进口工质参数在完成炉膛热力计算后已知,需要预先假定对流吸热量,然后计算出口工质参数,从而完成结构设计。然后进行热力计算,对预先假定的相关参数进行校核。(1后屏过热器结构尺寸计算后屏过热器结构尺寸如图4-3所示。(a (b (a 主视图;(b 侧视图 d =45×5 s 1=630 s 2=63.44 R = 75 n 1=16根 z 1=20片图 4-3 后屏过热器结构尺寸计算数据列于下表: (2后屏过热器热力计算后屏过热器热力计算列于下