第十二章 锅炉机组的设计和布置

1、第十二章 锅炉机组的设计和布置1一、校核计算和设计计算 设计计算给定：锅炉容量、参数、燃料特性确定：锅炉尺寸、各部件的受热面面积、燃料消耗量、锅炉效率、各受热面交界处的温度和焓、各受热面的吸热量和介质速度等，为辅助设备选择、空气动力计算、水动力计算、管子金属壁温计算、强度计算提供资料。校核计算给定：锅炉负荷、燃料特性、及锅炉的结构和尺寸确定：受热面交界处的水温、烟温、空气和烟气温度、锅炉热效率、燃料消耗量以及空气和烟气的流量、流速。从而估计锅炉的经济指标，为设备改造、辅助设备选择、空气动力计算、水动力计算、管子金属壁温计算、强度计算提供资料。第一节 锅炉热力计算的程序和方法2二、热力计算程序和

2、方法 已知条件锅炉容量和参数D、P、t给水温度、环境温度锅炉的型式蒸发受热面的循环方式燃烧方式（包括制粉系统型式）排渣方式是否中间再热燃料特性Car、Har、Oar、Nar、Sar、Aar、War、Vdaf、Qar,net灰熔融特性温度DT、 ST 、 FT可磨性系数HGI或Kgr第一节 锅炉热力计算的程序和方法3设计步骤（尾部受热面为单级布置）1.预备性计算燃料燃烧计算烟气特性表焓温表2.预先假定排烟温度exg和热空气温度tha3.热平衡计算锅炉热损失、锅炉效率b、计算燃料量Bcal、保热系数4.炉膛传热计算炉膛出口烟温炉膛辐射传热量5.依次从炉膛出口至省煤器进行对流传热计算计算进出口参数烟

3、气对流放热量与传热量第一节 锅炉热力计算的程序和方法46.空预器对流传热计算 计算进出口参数 烟气对流放热量与传热量7.计算校核 校核排烟温度和热空气温度第一节 锅炉热力计算的程序和方法 修正计算 根据所得的排烟温度去校正排烟热损失、锅炉效率和燃料消耗量 根据计算所得的热空气温度去修正空气带入锅炉的热量Qa及炉内有效放热量Qfef 根据前面计算的炉膛出口烟温去校正炉膛辐射受热面的吸热量QR排烟温度误差不满足时则重现进行整个机组的计算5第一节 锅炉热力计算的程序和方法热平衡校验6第一节 锅炉热力计算的程序和方法尾部受热面双级布置时的校核计算程序和方法 特殊性高温级省煤器计算时，在受热面进、出口介

4、质两端(每种介质的两端)的温度中，只知道一种介质一端的温度(高温级省煤器进口烟温)两级省煤器和空气预热器的计算中分别所求出的水温和空气温度的中间值之差需满足不超过10。 7现代锅炉设计发展的关键推动因素效率（锅炉热效率和循环热效率）可靠性投资和运行费用环境保护这些因素结合特殊的应用要求导致锅炉设计的多样化。一、炉膛热强度炉膛容积热强度、断面热强度、燃烧器区域壁面热强度、燃尽区容积热强度（或最上层煤粉喷口至折焰角尖端的垂直距离），取值参考DL/T 831-2002 大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则第二节 主要设计参数的选择8二、炉膛主要尺寸炉膛的基本功能要求提供足够的容积，以保证：燃料的完全燃烧；

5、能布置足够的受热面以冷却烟气，避免对流受热面的严重积灰；NOx生成量最小。其中，保证烟气的冷却决定了炉膛的最小尺寸。炉膛深度D和炉膛宽度W保证炉内良好的空气动力场，防止火焰冲墙（避免水冷壁管过热和结渣）宽度、深度保证断面热负荷不过大（避免结渣）与锅炉容量、燃料种类、燃烧器形式有关锅炉容量增大，深度、宽度一般稍有增加炉膛高度h炉膛容积和炉膛高度需保证足够的受热面布置以冷却烟气到一定的炉膛出口烟温，防止对流受热面的严重积灰。第二节 主要设计参数的选择9其它尺寸：燃烧区高度满足燃烧和NOx控制的需要和避免结渣。燃尽风布置高度保证足够的烟气停留以还原NOx，也满足燃尽率的要求。燃烧器到冷灰斗高度避免火

6、焰下冲进入冷灰斗，以减少不炉渣含碳和避免冷灰斗结渣。其取值也取决于设计煤的结渣特性。第二节 主要设计参数的选择10三、炉膛出口烟气温度对于中小型锅炉是指凝渣管或锅炉管束前的烟温；对于大容量锅炉是指屏式过热器前的烟温。根据锅炉受热面的辐射和对流传热的最佳比值，维持炉膛出口烟温约为1250是最经济的。设计时，炉膛出口烟气温度主要受燃料的结渣特性限制。对于中小型锅炉，无屏式过热器，指凝渣管或锅炉管束前的烟温 f 灰的变形温度DT对于大型锅炉，指屏式过热器前的烟温 f =11001200 f =10001050（易结渣煤）大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则推荐炉膛出口烟窗的烟温 f (DT-100) f

7、(ST-150)（当ST-DT 50 ）第二节 主要设计参数的选择11四、排烟温度排烟温度选择的影响因素钢煤比价：燃料费用（排烟温度每升高15-20C，q2增加约1%，锅炉效率降低约1%）和尾部受热面金属费用总和最少时所对应的温度给水温度燃料的水分燃料的含硫量排烟温度的设计推荐值见表12-1，对于600MW及以上机组，排烟温度一般不超过130C。此外，排烟温度的选择还与尾部除尘和烟气净化设备有关。 第二节 主要设计参数的选择12五、热空气温度燃烧方式燃料种类和特性（煤粉炉主要决定因素）一次风粉混合物的温度和二次风温对低挥发分煤及高灰、高水分煤的着火燃烧影响很大难着火、水分高的煤，要求热空气温度

8、高（燃用低挥发分煤，空预器出口一次风温不低于330 C ）制粉系统的型式（直吹式、中间储仓式乏气送粉和热风送粉）及干燥剂种类（褐煤）锅炉的排渣方式推荐值见表12-2（对二次风温）。空气预热器出口一次风温和一次风粉混合物的温度一次风粉混合物的温度取决于磨煤机出口温度（直吹式、中间储仓式乏气送粉）和空气预热器出口一次风温（中间储仓式热风送粉。）第二节 主要设计参数的选择13六、工质的质量流速（表12-3、4）主要影响受热面运行的安全性和经济性。传热能力流动阻力七、烟气速度也影响受热面运行的安全性和经济性。传热能力受热面的积灰 wg6m/s受热面的磨损（700）一般燃料 wg=910m/s 多灰燃料

9、 wg=78m/s少灰燃料 wg=1012m/s第二节 主要设计参数的选择14一、蒸汽参数工质加热过程中水的预热、水的蒸发、蒸汽的过热三个阶段的吸热量的比例，是随着蒸汽压力而变化的。压力越高，蒸发热的比例越小，预热热和过热热的比例越大。因此，影响受热面的布置。第三节 影响锅炉布置的因素15低压锅炉：以蒸发受热面为主，除水冷壁外，布置有大量的对流管束用于蒸发吸热。中压锅炉：炉膛辐射吸热量基本能满足水的蒸发所需的热量，毋需布置大量的对流管束，只在炉膛出口处布置几排从后墙水冷壁延伸的凝渣管。高压锅炉：炉膛的辐射热量超过蒸发热，将一部分过热器受热面移入炉内，如顶棚过热器、屏式过热器。超高压锅炉：与高压

10、相比在炉膛上部多布置一个前屏过热器，并在烟道内布置有再热器。亚临界和超临界锅炉：需布置更多的辐射式过热器。具体的布置受炉型和受热面布置方式的影响第三节 影响锅炉布置的因素16第三节 影响锅炉布置的因素二、锅炉容量 （大容量即高参数）设BQnet,arDsh，qa或qf不随锅炉容量D而变化，则17第三节 影响锅炉布置的因素二、锅炉容量 （大容量即高参数）对水冷壁管的布置18结论：当锅炉容量增大时，炉膛的线性尺寸（宽、深、高，及周界）增大（1/2次方），容积增大（3/2次方），截面积和炉墙面积增大（成正比）；炉膛容积的增大超过锅炉容量的增大，炉膛容积热强度降低（-1/2次方）。当锅炉容量增大时，容

11、许炉膛断面热强度有所提高。炉墙面积的增加落后于锅炉容积的增大，炉膛出口烟温提高。为保证烟气有足够的冷却，可布置双面受热的水冷壁或布置较多的屏式过热器。当锅炉容量增大，单位锅炉宽度的蒸汽量增大，为保证蒸汽流速，出现小直径水冷壁管、或多管圈的布置形式。当锅炉容量增大，单位蒸发量的炉膛线形尺寸相对减小，为了保持对流烟道的烟气流速，对流烟道尺寸将变大或出现“T型”布置方式。第三节 影响锅炉布置的因素19三、燃料（固体燃料）挥发分挥发分低，不易着火、燃尽保证燃尽：容积热强度小、炉膛容积大以增加燃烧时间。保证着火：采用热风送粉和较高热风温度（空预器大）；采用卫燃带，减少燃烧器区域水冷壁吸热，提高燃烧区域温

12、度；增加断面热强度（炉膛断面小，高度大）。采用W型火焰燃烧方式。水分水分高，火焰温度低，炉内辐射少、对流传热多；要求风温高（空预器大）第三节 影响锅炉布置的因素20三、燃料（固体燃料）灰分（含灰量、灰的熔点、灰的成分）含灰多，易磨损，要求低烟速、烟速和飞灰浓度均匀灰熔点低限制热强度（各种热强度），以避免和炉膛出口受热面结渣；煤的结渣特性显著地影响炉膛尺寸。结渣、积灰也影响过、再热器的布置，如节距（避免积灰搭桥）和受热面之间的距离（便于安装足够的吹灰器）。含硫量影响受热面的高温、低温腐蚀，及限制排烟温度，影响空预器的结构。燃料各特性的影响相互耦合。第三节 影响锅炉布置的因素21四、热空气温度影响

13、尾部受热面的布置尾部受热面的单级、双级布置；空气预热器的型式和容量。第三节 影响锅炉布置的因素22炉型布置：考虑锅炉容量、参数、和燃料性质常见炉型：型布置：大中型锅炉最广泛采用的一种布置方式，由垂直柱体炉膛、水平烟道和下行对流烟道三部分组成。 主要优点：锅炉和厂房的高度都较低。厂房和锅炉构架的负载相对小。在水平烟道中，可以采用支吊方式比较简便的悬吊式受热面。在下行对流竖井中，受热面易于布置成逆流传热方式。这种布置方案使尾部受热面的检修比较方便。主要缺点：占地面积较大。烟气从炉膛进入对流烟道时要改变流动方向(转弯)，从而造成烟气速度场和飞灰浓度场的不均匀性，影响传热性能和受热面的局部磨损。 第四

14、节 锅炉的典型布置23塔型布置：对流烟道就布置在炉膛的上方，锅炉垂直向上发展。 主要优点：取消了不宜布置传热面的转向室，锅炉炉墙表面和占地面积均较小；锅炉对流烟道有自身通风作用，烟气阻力有所降低(和型方案相比)；过热器和再热器均采用水平布置方式，容易清除管内的沉积物，便于进行酸洗；在炉膛上部的对流受热面，烟气速度场及温度场分布较均匀，减小了流场不均匀造成的热偏差，有利于提高金属材料的安全裕度；受热面的局部磨损也可以减轻，对于多灰燃料非常有利。主要缺点锅炉的高度很大。过热器、再热器和省煤器都布置得很高，汽、水管道较长；锅炉构架和厂房的负载大，使造价提高。第四节 锅炉的典型布置24锅炉热力计算的方

15、法和特点；炉膛尺寸的主要影响因素；锅炉的主要设计参数及其选择；锅炉受热面布置的主要影响因素：蒸汽参数、锅炉容量、燃料特性型和塔式布置锅炉的特点；本章小结25炉膛主要尺寸1）炉膛宽度W：左右侧墙水冷壁中心线之间的距离；2）炉膛深度D：前后墙水冷壁中心线之间的距离；3）炉膛高度h：炉底排渣喉口到炉膛顶棚管中心线（型、W型）或炉膛出口水平烟窗（塔型）之间的距离；4）燃烧器高度：最上层燃烧器煤粉喷口（或乏气喷口）到最下层燃烧器煤粉喷口中心线之间的距离；5）燃尽区高度：最上层燃烧器煤粉喷口（或乏气喷口）中心线到折焰角尖端（有直线段时的上折点）之间的垂直距离（ 型） ；6）最下层燃烧器煤粉喷口中心线到冷灰斗上折点之间的垂直距离。26煤种和炉膛尺寸27排烟温度的设计推荐值表12-1 D75t/h(20.8kg/s)锅炉的排烟温度 给水温度tfw（C）150215235265燃料折算水分干燃料（Mar,red20)130140160170170180对于600MW及以上机组，排烟温度一般不超过130C。现代锅炉设计一般是根据最低金属温度（一般低于酸露点）确定排烟温度。最低金属温度的取值是保证获得的效率效益大于因腐蚀导致的维护费用的增加，也即控制空预器冷段的腐蚀速度以保证冷段受热面一定的寿命。28结渣对炉膛尺寸设计的影响炉膛断面面积 1.0 1.11 1.24炉