锅炉热力计算

煤粉锅炉热力计算热力计算方法

主要设计参数的选择

炉膛传热计算

对流受热面计算

锅炉校核热力计算程序

F220/100-W锅炉校核热力计算说明热力计算方法与应用1/1

锅炉机组的热力计算从燃料的燃烧和热平衡计算开始，然后按烟气流向对锅炉机组的各个受热面（炉膛、屏式过热器、对流过热器及尾部受热面等）进行计算

锅炉热力计算分为设计计算和校核计算

设计计算

给定锅炉容量、参数和燃料特性确定炉膛尺寸和各部件的受热面积；燃料消耗量；锅炉效率；各受热面交界处介质的参数；各受热面吸热量和介质速度等常用于新锅炉的设计。在额定负荷下进行热力计算方法1/2热力计算方法校核计算已知锅炉结构和尺寸、锅炉负荷和燃料特性确定各受热面交界处介质参数、锅炉热效率、燃料消耗量等用于考核锅炉在非设计负荷或燃用非设计燃料时热力特性及经济指标；由于计算参数多与炉膛结构有关，故设计计算也常采用校核计算方法

锅炉校核热力计算应在锅炉结构计算的基础上进行对锅炉机组作校核计算时，烟气的中间温度和内部介质温度包括排烟温度、热空气温度，甚至过热蒸汽温度均是未知数，故需先假定，然后用逐步逼近法去确定

2/2炉膛出口烟气温度的选择炉膛出口烟气温度为凝渣管或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（辐射受热面和对流受热面的金属耗量及总成本最小），应为1250℃

为防止对流受热面的结渣。则一般应取<(ST-100)℃当没有可靠的灰熔点资料时，不应超过1050℃

当炉膛出口处布置着屏式受热面时，一般取1100～1200℃对于易结渣的燃料，应保持在1000～1050℃的水平1/3排烟温度与热空气温度的选择

最佳排烟温度为燃料费用和尾部受热面金属费用总和最少时所对应的排烟温度，同时还与锅炉的给水温度、燃料的性质等因素有关。推荐值见表12-3

低，排烟热损失小，锅炉热效率高，节约燃料；但由于尾部受热面的传热温压降低，金属耗量增多

热空气温度trk主要取决于燃料的性质着火性能好和水分低的燃料，可以采用较低trk；着火性能差或水分较多的燃料，一般要求采用较高值。此外，trk值还与制粉系统的干燥剂种类、锅炉的排渣方式等有关。推荐值见表12-42/3工质质量流速ρω太低，工质的传热能力下降，受热面管壁温度升高；ρω太高，工质的流动阻力大，电耗大通常要求过热器系统的总阻力应不大于过热器出口压力的10%；再热系统的总阻力应不大于再热蒸汽进口压力的10%；省煤器中水的阻力应不大于汽包压力的10%。推荐值见表12-5

烟气流速Wy过低，受热面面积增加，积灰加重，同时影响传热；Wy过高，飞灰磨损加重当≤7000C时，飞灰颗粒变硬，磨损问题相对突出，这时，应按磨损条件确定横向冲刷受热面的极限烟速对于一般的煤为9～10m/s；对于灰多和灰分磨蚀性较强的燃料为7～8m/s；对于灰少和磨蚀性较弱的煤为10～12m／s工质质量流速ρω与

烟气速度Wy的选择3/3炉内传热计算目的确定炉膛出口烟气温度和炉膛的辐射传热量，以便进行对流受热面的换热计算及锅炉热平衡校核。为应用传热学基本原理分析炉内辐射传热，简化计算，需作以下假设把传热过程和燃烧过程分开，在必须计及燃烧工况影响时，引入经验系数予以考虑炉内传热只考虑辐射换热，略去约占总换热量5%的对流换热炉内的各物理量（温度、黑度和热负荷等）认为是均匀的与水冷壁相切的平面是火焰的辐射面，也是水冷壁接受火焰辐射的面积，称为水冷壁面积这样，炉内火焰与四周炉壁之间的辐射换热可简化为两个互相平行的无限大平面间的辐射换热来考虑

炉内传热计算模型1/12高温烟气和管壁间的辐射换热根据传热学基本公式，高温烟气每小时传给辐射受热面的热量可用下列公式计算：式中：为炉膛黑度；Fi为布置水冷壁的炉墙面积，m2，xi为

水冷壁的角系数（14-28），查图14-3；Thy、Tb分别为火焰平均温度与辐射受热面上灰污层表面温度；（1–Tb4

/Thy4）为因受热面管壁污染而使其吸热量降低的程度，用污染系数ζ(14-31)表示ζ与燃料性质、燃烧工况、水冷壁结构等因素有关，推荐值见表14-2。当炉膛出口烟窗布置屏式水冷壁时，考虑炉膛与屏之间的热交换，ζ=ζ0β。β与燃料种类和屏区烟温有关。可查图14-4显然，水冷壁污染越严重，Tb越大，管壁灰污层反方向辐射越强，水冷壁吸收辐射热能力下降，这时，污染系数ζ是减小的。不同受热面污染情况不同，ζ也不同

2/12高温烟气和管壁间的辐射换热上式可改写为：

令，称之为炉墙的热有效系数（14-30）锅炉各部分水冷壁的角系数x不同，水冷壁污染情况ζ也不同，故对整个炉墙，应采用平均热有效系数，即式中=F1+F2+...,为炉膛总炉墙面积,m2。将式(14-35)代入上式,即可得到炉内高温烟气(火焰)和水冷壁之间的辐射热交换公式3/12式中：为保热系数，考虑炉膛向外部环境散热的系数炉内烟气放热量假设1Kg计算燃料在炉内完全燃烧产生的有效热量全部用于加热燃烧产物而不与炉壁发生热交换时，燃烧产物所能达到的最高温度称为绝热燃烧温度或理论燃烧温度，用Ta表示，Ia=

燃料燃烧过程中，将热量传给水冷壁，离开炉膛时烟气冷却到，对应的烟气焓为，若以作为定性温度，则烟气在炉内的放热量可用下式计算4/12炉内烟气放热量

为温度Ta至之间燃烧产物的平均热容量炉内有效放热量包括燃料及燃料燃烧所需空气送入的热量,即其中为空气带入炉内的热量式中：、

分别为理论热空气、冷空气的焓，KJ/Kg。5/12高温烟气和管壁间辐射换热量应等于炉内烟气的放热量，由此可得炉内辐射传热基本方程式

根据相似理论将上述方程变换为无因次相似准则方程可得到炉膛出口烟气温度计算式对应1kg燃料的炉膛辐射传热量为炉膛出口烟气温度及

辐射传热量计算式6/12

炉膛黑度(P325)对应火焰有效辐射的假想黑度室燃炉与火焰黑度ahy及热有效系数ψ有关，即

火焰黑度ahy(P326)

表示炉内高温介质的辐射能力

k为总辐射减弱系数，固体燃料火焰的主要辐射成分是三原子气体、灰粒和焦碳粒子,故有炉膛黑度与火焰黑度7/12

三原子气体辐射减弱系数kq按下式计算（或由有关标准中的线算图查出）三原子气体的辐射减弱系数kqr为三原子气体总的容积份额，r=，其中、分别为水蒸汽和三原子气体的容积份额，用下式计算8/12dh为烟气中灰粒子直径,μm，取决于磨煤机型式，对钢球磨，取dh=13μh为灰分浓度，Kg/Kg，用下式计算灰分颗粒的辐射减弱系数kh按下式计算（或由有关标准中的线算图查出）灰分颗粒的辐射减弱系数kh9/12

x1、x2分别为考虑焦碳颗粒浓度影响的无因次量x1取决于燃料种类：无烟煤、贫煤取x1=1；烟煤、褐煤x1=0.5x2取决于燃烧方式：室燃炉取x2=0.1

p为炉内介质压力,常压锅炉p=0.1Mpa

s为炉内介质的辐射层有效厚度,m火焰黑度计算式中其它物理量10/12经验系数M

M(P333)为考虑炉内火焰最高温度相对位置的经验系数，与燃料性质、燃烧方式及燃烧器布置的相对高度等因素有关。可由经验公式计算确定：M=A–B（xr

+Δx）为燃烧器相对高度，hr、hl分别为燃烧器和炉膛的高度，即从冷灰斗中心或炉底到燃烧器轴线和到炉膛出口中心的高度Δx为火焰最高温度变化的修正值，对于四角切圆燃烧器，Δx=0，A、B为经验系数，与燃料种类和炉子的结构有关，燃用无烟煤、贫煤时A=0.56；B=0.511/12式中为炉膛水冷壁的辐射受热面，，m2

炉内热负荷沿炉膛的宽度、深度和高度是变化的。为确定炉膛某区域受热面实际热负荷，引入沿炉膛高度、宽度或深度热负荷不均匀系数和沿各侧炉壁热负荷不均匀系数炉膛高度某个区段上辐射受热面的热负荷为辐射受热面平均热负荷系数ηg可从图14-9中查得当炉膛出口烟窗布置屏式受热面时，考虑屏间烟气对炉膛的反辐射，炉膛出口截面的热负荷还应乘以图14-4所示的β，即12/12烟气对流放热量Qdf对于空气预热器以外的各对流受热面，漏风焓值取冷空气温度（20～30℃）计算对管式空气预热器，按该段空气预热器进、出口空气温度的平均值计算1/22

过热器和省煤器：

工质对流吸热量Qdx

屏式过热器及吸收炉内辐射热的对流过热器：2/22ηg为屏区（在炉膛高度方向）热负荷分布不均匀系数，查图14-9β为考虑屏间烟气向炉膛反辐射影响的修正系数，查图14-4qf为炉膛辐射受热面平均热负荷，kw／m2，式（10-25）计算确定为炉膛出口（屏进口）处烟窗面积，m2屏进口处截面（炉膛出口截面）所吸收的炉膛辐射热量工质对流吸热量Qdx3/22工质对流吸热量Qdx4/22从炉膛（透过屏）向屏后受热面的直接辐射热，即来自炉膛的辐射热量经屏吸收后，继续向屏后受热面辐射的热量a为屏间烟气黑度，用后述有关公式计算确定b、s1分别为屏间烟气空间的深度和宽度，后者即为屏间节距工质对流吸热量Qdx为屏进口截面对出口截面的角系数，表示炉膛辐射热透过屏间空间而落在屏后面受热面的部分

5/22

对于空气预热器，空气的吸热量按下式计算为空气预热器出口处空气量与理论空气量之比，

、为空气预热器进、出口理论空气焓，kJ/kg工质对流吸热量Qdx6/22对流传热量Qdc对应于一公斤计算燃料，对流传热量按下式计算式中K为传热系数，kW/（m2.℃）H为传热面积，m2Δt为传热温压，℃在稳定状态下7/22传热温压△t△t参与换热的两种介质在整个受热面中的平均温差，与两种介质相互间的流动方向有关

顺流或逆流的△t按对流平均温差计算

△td、△tx分别为受热面两端温差中的较大值和较小值，℃当≤1.7时,传热温压可取算术平均值、为烟气与工质进、出口温度算术平均值其它流动方式的温压,则按逆流温压△tnl

乘以修正系数Ψ来计算系数Ψ由图查出。为此，需先计算一些辅助参数。见P366～3708/22管式受热面的传热系数可简化为多层平壁的传热系数进行计算，即传热系数K的表达式α1、α2

分别为加热介质对管壁及管壁对受热介质的放热系数，kW/（m2.℃）δh、δm、δg分别为烟气侧灰层、管壁及工质侧水垢层的厚度，mλh、λm、λg分别为烟气侧灰层、管壁及工质侧水垢层的导热系数，kW/（m.℃）可简化为：9/22横向冲刷错列（式15-15）、顺列（式15-16）布置的光管管束：对流受热面传热系数K受热介质为水、汽水混合物和超临界压力过热蒸汽的受热面，式（15-15）、（15-16）可变为管式空气预热器：10/22屏式受热面应考虑较大的炉内辐射热使管壁温度升高，以导致对流传热减少的影响，这时有

屏式受热面传热系数KQf为屏从炉膛中吸收的辐射热，kJ/kg；Qd为屏以对流方式（包括管间空间的烟气辐射）传递的热量，kJ/kg11/22

α1

包括烟气的对流放热系数αd和管间烟气容积的辐射放热系数αf

对流管束：烟气对管壁的放热系数α1与

管壁对受热介质的放热系数α2ξ

为受热面的利用系数，考虑烟气冲刷受热面的不均匀等引起受热面吸热量减少的影响。大锅炉管子被横向冲刷时，可取ξ=1；空预器因K中已考虑了ξ的影响，ξ也可取为1屏式受热面：

s2

、d分别为屏中的管间纵向节距和管子外径x为屏管角系数，根据屏式受热面的s2/d，查图14-3（a）曲线5α2只与对流放热系数αd有关

12/22烟气对屏式受热面、过热器、再热器、省煤器以及空气对空预器的传热，均属横向冲刷方式横向冲刷顺列管束

对流放热系数αd

Re为雷诺准则，反映流动状态对热交换的影响

Pr为普朗特准则，反映流体物性对热交换的影响μ和υ分别为

动力粘度和运动粘度，μ

=ρυ

ω为

介质流速,m/s；d为受热面管子外径,m；cp为定压比热，kJ/（kg.℃）；λ为

流体导热系数,Kw/(m.℃)Cz为沿烟气流向管排的修正系数，当管子排数≥10时,取

Cz=1；当

<10时,需按式（15-19）计算确定cs为管子几何布置方式的修正系数,与横向相对节距σ1=S1/d和纵向(沿烟气流动方向)相对节距σ2=S2/d有关,可按式（15-18）和有关规定计算确定13/22横向冲刷错列管束

对流放热系数αd

Cz为沿烟气流程管排Z2的修正系数，与Z2及横向相对节距σ1有关，按式（15-22）计算确定

Cs为与管子节距有关的修正系数,与横向相对节距σ1及系数（取决于σ1和斜向相对节距）有关，按式（15-21）计算确定

公式（15-17）～（15-22）已分别绘成线算图（见图15-2和图15-3），温度及烟气成分等物理性能的变化对放热系数的影响体现在中。使用该图时14/22过、再热器中受热介质（蒸汽、水等）及空预器中的烟气均在管内作纵向冲刷纵向冲刷对流放热系数αdddl为当量直径（P354）Cl为相对长度修正系数，即考虑传热的入口效应对αd的影响，当≥50时，Cl

=1；Ct为考虑介质温度与壁温差别的影响系数（即物性随温度变化的影响），水和蒸汽被加热或烟气被冷却时。

Ct

=1，空气被加热时，；其中T、Tb

分别为空气和管壁的绝对温度，K式（15-23）已绘成线算图，见图15-415/22辐射放热系数αf管间空间的高温烟气与受热面之间的辐射换热因其都不是黑体，辐射热能要经过多次吸收、反射过程才能被完全吸收。为简化计算，仅考虑一次吸收部分，而用加大壁面黑度（）的办法进行修正

烟气和灰污壁面间的第一次辐射热交换能量为（设吸收率与黑度相等）

考虑多次辐射吸收的影响，则辐射传热量可用下式计算

取ahb为0.8,则固体含灰燃料辐射放热系数计算式为16/22烟气黑度αy的计算式为:

其中辐射减弱系数：

密封空间内烟气容积向周围受热面辐射时的辐射层有效厚度S按式(15-44)～（15-46）计算确定对墙式及屏式受热面和对流过热器，灰污壁温：t为管内受热工质平均温度，℃；ε为污染系数，m2.

℃/kW，按后述方法选取在其它情况下，灰污壁温：

△t的取值见P360辐射放热系数αf17/22对流管束前面或管束之间烟气空间的辐射，可近似地用加大管束辐射放热系数的方法来考虑。修正后的辐射放热系数：Tqs为烟气空间（或管束前）的烟温，K、为烟气空间和管束的深度，mA为

与燃料有关的系数，对于烟煤和无烟煤，A=0.4；对于褐煤和页岩，A=0.5

位于管束后的烟气空间对该管束的辐射不予考虑辐射放热系数αf18/22燃用固体燃料的错列管束、燃用所有燃料的屏式受热面，计算传热系数时常采用污染系数ε来考虑因管外壁积灰引起的热阻对传热的影响

ε与烟速、烟温、燃料性质、管子排列方式及其节距等因素有关

燃用固体燃料的错列管束式中ε0

为基准污染系数，由实验获得，查图15-8（a）

Cd

为管径修正系数，查图15-8（b）

Ckl

为灰粒组分修正系数，对煤和页岩，取=1.0；泥煤取=0.7Δε为附加值，由表15-5查得

燃用固体燃料的屏式受热面，ε由图15-9查得

燃用固体燃料的顺列过热器和包墙管，ε=4.3（m2.0C）/kW污染系数ε19/22热有效系数和利用系数

热有效系数ψ

燃用固体燃料的顺列管束、燃用所有燃料的凝渣管均采用ψ来考虑灰污热阻对传热的影响，ψ可按不同情况，由表15-6查得

利用系数ξξ表示气流对受热面冲刷不均匀等因素的影响，对大锅炉横向冲刷管束，可取ξ=1；对屏式受热面系数ξ可由图15-10查出；当烟气流速ωy>4m/s时,取ξ=0.85

对于空气预热器，考虑冲刷不完善、管子污染等原因综合影响，ξ可查表15-7。当各空气行程间有中间管板时，ξ值有所下降。一层中间管板，ξ值下降0.1；二层中间管板，ξ值下降0.1520/22

管式受热面：当α1/α2<<1（如凝渣管、过热器、再热器和省煤器）时,以烟气侧管子外表面面积作为计算受热面面积。当α1与α2相差不大（如空气预热器）时，则取相应于管子平均直径的面积作为计算受热面的面积。

屏式受热面：考虑到屏间空间的烟气辐射热强度较对流热强度大的多，其计算受热面面积取为屏风面积（由屏最外圈管子的外轮廓线所围成的平面面积）的两倍再乘以角系数x，x查图10-5曲线5

烟气的对流放热系数仍应按屏的全部管子外表面面积计算受热面的面积21/22

介质流速按其平均温度和流通截面的最窄面积计算

烟气流速ωy：

介质流速

空气预热器中空气流速ωk

：

水和蒸汽的流速ω：22/22

按计算任务书列出原始数据

燃料的燃烧计算：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，绘制烟气焓温表等表格

锅炉的热平衡计算：假设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

炉膛传热计算：假定炉膛出口处的烟温，求出烟气的有效放热量、烟气的平均热容量、水冷壁的面积、受热面的热有效系数、系数M和炉膛黑度等，按公式（14-43）、（14-3）计算炉膛出口的烟温及炉膛辐射传热量如果计算得到的炉膛出口烟温与假设值之差未超过土100℃，则炉膛传热计算结束；如超过误差，则需重新假定炉膛出口处的烟温进行计算锅炉校核热力计算程序1/4

按烟气流程进行炉膛与空气预热器之间各对流受热面的传热计算已知受热面每种介质任一端的温度，假定另一端的一个温度，根据两种介质的热平衡，由公式求出另一个温度及烟气的放热量