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锅炉课程设计

YL学院

题目

锅炉课程设计

学生姓名

学号

院（系）

能源工程学院

专业

能源与动力工程

指导教师

报告日期

2015年12月23日

前言

第一章

锅炉课程设计任务书……………………………………………………………………………4

第二章

煤的元素分析数据校核和煤种判别……………………………………………………………5

第三章

燃料燃烧计算……………………………………………………………………………………6

第四章

锅炉热平衡计算…………………………………………………………………………………8

第五章

炉膛设计和热力计算……………………………………………………………………………9

第六章

前屏过热器设计和热力计算……………………………………………………………………13

第7章

后屏过热器设计和热力计算……………………………………………………………………17

第八章

高温再热器设计和热力计算……………………………………………………………………21

第九章

第一悬吊管热力计算……………………………………………………………………………25

第十章

高温对流过热器设计和热力计算………………………………………………………………27

第十一章

第二悬吊管热力计算……………………………………………………………………………30

第12章

低温再热器垂直段设计和热力计算……………………………………………………………32

第十三章

转向室热力计算…………………………………………………………………………………36

第十四章

低温再热器水平段设计和热力计算……………………………………………………………38

第十五章

省煤器设计及热力计算…………………………………………………………………………41

第十六章

分离器气温和前屏进口气温的校核……………………………………………………………44

第十七章

空气预热器设计和热力计算……………………………………………………………………45

第十八章

锅炉整体热平衡校核………………………………………………………………………………52

第十九章

热力计算结果的汇总………………………………………………………………………………53

前言

《锅炉原理》是一门涉及基础理论面较广，而专业实践性较强的课程。

该课程的教学必须有相应的实践教学环节相配合，而课程设计就是让学生全面运用所学的锅炉原理知识设计一台锅炉，因此，它是《锅炉原理》课程理论联系实际的重要教学环节。

它对加强学生的能力培养起着重要的作用。

本设计说明书详细的记录了锅炉本体各受热面的结构特征和工作过程，内容包括锅炉受热面，锅炉炉膛的辐射传热及计算。

对流受热面的传热及计算，锅炉受热面的布置原理和热力计算，受热面外部工作过程，锅炉蒸汽参数的变化特性与调节空气动力计算等。

由于知识掌握程度有限以及三周的设计时间对于我们难免有些仓促，此次设计一定存在一些错误和遗漏。

第一章锅炉课程设计任务书

1.1引言

锅炉课程设计是巩固我们理论知识和提高实践能力的重要环节。

它不仅使我们对锅炉原理课程的知识得以巩固、充实和提高掌握了锅炉机组的热力计算方法，学会使用锅炉机组热力计算标准方法，并具有综合考虑锅炉机组设计与布置的初步能力而且培养了我们查阅资料，合理选择和分析数据的能力，培养了我们严肃认真和负责的态度。

我国的锅炉目前以煤为主要燃料。

锅炉的结构设计和参数的设计与选择以及煤种的选择与应用等都将会对燃料效率、锅炉安全经济运行水平以及环境污染等问题有影响。

因为在锅炉设计中对锅炉的性能、结构、经济性和可靠性等方面进行各种计算，尤其是热力计算作为主要和基础的计算，为锅炉的其他计算，如水和空气动力计算、烟气阻力计算、强度计算等提供相关的重要的基础数据

1.2锅炉设计参数

（1）锅炉额定蒸发量：

D1=1913t/h

（2）过热蒸汽压力:

P1=25.4Mpa

（3）过热蒸汽温度:

t1=571℃

（4）给水温度:

tgs=282℃

（5）给水压力：

pgs=29.35Mp

（6）周围环境温度：

t1k=20℃

（7）排烟温度假定值：

126℃

1.3燃料特性;

（1）燃料名称：

阜新烟煤

（2）煤的收到基成分：

（%）：

Cy=48.34Hy=3.29Oy=8.63Ny=0.81Sy=0.98My=15.00Ay=22.95

（3）煤的干燥无灰基挥发分：

Vy=41.00%

（4）煤的低位发热值：

Qydw=18645kJ/kg

（5）灰熔点：

DT=1280℃、ST=1340℃、FT=1340℃

名称

符号

单位

计算公式或数据来源

结果

额定蒸发量

Dsh''

t/h

给定

1913

过热蒸汽压力

psh''

MPa

给定，表压

25.4

过热蒸汽温度

tsh''

℃

给定

571

再热蒸汽流量

Drh''

t/h

给定

1586

再热蒸汽入口压力

prh'

MPa

给定，表压

4.35

再热蒸汽入口温度

trh'

℃

给定

304

再热蒸汽出口压力

prh''

MPa

给定，表压

4.17

再热蒸汽出口温度

trh''

℃

给定

569

给水压力

pfw

MPa

给定，表压

29.35

给水温度

tfw

℃

给定

282

周围环境温度

tca

℃

给定

锅炉燃煤特性

阜新烟煤

（1）碳收到基质量百分比

Car

给定

48.34

（2）氢收到基质量百分比

Har

给定

3.29

（3）氧收到基质量百分比

Oar

给定

8.63

（4）氮收到基质量百分比

Nar

给定

0.81

（5）硫收到基质量百分比

Sar

给定

0.98

（6）灰分收到基质量百分比

Aar

给定

22.95

（7）水分收到基质量百分比

Mar

给定

15.00

（8）挥发分干燥无灰基质量百分比

Vdaf

给定

41.00

（9）燃料收到基低位发热量

Qnet,ar

kJ/kg

给定

18645

第二章煤的元素分析数据校核和煤种判别

2.1煤的元素分析数据校核和煤种判别列于表4-1：

表4-1

名称

符号

单位

计算公式或数据来源

结果

元素之和

—

％

Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar

100

元素之和正确否？

—

正确

高位发热量（经验公式）

Qgr,ar

kJ/kg

339Car+1256Har-109（Oar-Sar）

19685.65

低位发热量（经验公式）

Q'net,ar

kJ/kg

Qgr,ar-r（0.09Har+0.01Mar）

18570

经验公式值和给定值之差

⊿Qnet,ar

kJ/kg

Q'net,ar-Qnet,ar

-75

误差判别

—

│⊿Qnet,ar│<800

正确

煤的折算因子

red

—

4190/Qnet,ar

0.225

折算灰分

Ared,ar

％

red×Aar

5.16

折算水分

Mred,ar

％

red×Mar

3.37

折算硫分

Sred,ar

％

red×Sar

0.22

煤的灰分特性判断

—

Ared,ar<4%

高灰分煤

—

Mred,ar<8%

低水分煤

—

Sred,ar<0.2%

高硫分煤

2.2炉整体的外型——选Π型布置

选择Π形布置的理由如下：

（1）锅炉排烟口在下方送、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，烟囱也建在地面上；

（2）对流竖井中，烟气下行流动便于清灰，具有自身除尘的能力；

（3）各受热面易于布置成逆流的方式，以加强对流换热；

（4）机炉之间的连接管道不长。

2.3受热面的布置

在炉膛内壁面，全部布置水冷壁受热面，其他受热面的布置主要受蒸汽参数、锅炉容量和燃料性质的影响。

本锅炉为中压参数，汽化吸热较少，加热吸热和过热吸热较多。

为使炉膛出口烟温降到要求的值，保护水平烟道的对流受热面，在水平烟道内布置高、低温对流过热器。

前后隔墙省煤器采用膜式水冷壁结构。

设置省煤器时，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

=350

，本锅炉尾部布置2台三分仓容克式空气预热器。

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。

2.4汽水系统

按锅炉热力系统的设计要求，该锅炉的汽水系统的流程设计如下：

（1）过热蒸汽系统的流程

汽包——顶棚式过热器——低温对流过热器——一级喷水减温——高温对流过热器——汽轮机

（2）水系统的流程

给水泵——低温级省煤器——高温级省煤器——汽包——下降管——下联箱——水冷壁——上联箱——汽包。

第三章燃料燃烧计算

3.1燃烧产物计算

（1）理论空气量和理论烟气量列于表4-2

表4-2

名称

符号

单位

计算公式或数据来源

结果

理论空气量

m3/kg

0.0889×（Car+0.375×Sar）+0.265×Har－0.0333×Oar

4.915

理论氮气容积

VoN2

m3/kg

0.79×V0+0.008×Nar

3.889

三原子气体RO2的容积

VRO2

m3/kg

0.01866×（Car+0.375×Sar）

0.909

理论水蒸汽容积

V0H2O

m3/kg

0.111×Har+0.0124×Mar+0.0161×V0

0.630

理论烟气容积

Vog

m3/kg

VoN2+VoH2O+VRO2

5.428

（2）烟气特性计算列于表4-3

表4-3

名称及公式

符号

单位

前屏至省煤器

空预器热段

空预器冷段

烟道进口过量空气系数

（查表3-3）

—

1.20

1.24

烟道出口过量空气系数

（查表3-4）

—

1.20

1.24

1.28

烟道平均过量空气系数

（α'+α"）/2

aav

—

1.20

1.22

1.26

过剩空气量

（αav-1）Vo

⊿V

m3/kg

0.983

1.081

1.278

水蒸汽容积

VoH2O+0.0161ΔV

VH2O

m3/kg

0.646

0.647

0.651

烟气总容积

Vgo+1.0161（αav-1）Vo

m3/kg

6.427

6.527

6.726

RO2占烟气容积份额

VRO2/Vg

rRO2

—

0.1414

0.1393

0.1351

H2O占烟气容积份额

VH2O/Vg

rH2O

—

0.0981

0.0966

0.0937

RO2+H2O的容积份额

rRO2+rH2O

—

0.2395

0.2358

0.2288

烟气质量

1-Aar/100+1.306αavVo

kg/kg

8.473

8.601

8.858

飞灰浓度，αfa取0.95

αfaAar/（100Gg）

μash

kg/kg

0.0257

0.0253

0.0246

（3）烟气焓温表

表4-4烟气焓温表

序号

温度（℃）

理论烟气焓I0g（kJ/kg）

理论空气焓I0a（kJ/kg）

飞灰的焓Ifa（kJ/kg）

烟气的焓Ig=I0g+（α-1）I0a+Ifa（kJ/kg）

α=1.2

α=1.24

α=1.28

ΔIg

100

870.3

757.5

11.5

—

1063.6

1089.2

1093.9

1119.9

200

1762.3

1526.5

24.1

—

2152.8

1122.2

2213.9

—

300

2682.4

2312.7

37.6

3182.5

1121.3

3275.0

—

400

3630.5

3110.3

51.3

4303.8

1149.3

—

500

4602.7

3925.2

65.3

5453.1

1173.3

—

600

5594.0

4763.0

79.8

6626.4

1204.6

—

700

6612.9

5618.1

94.5

7831.0

1239.2

—

800

7664.4

6484.6

109.3

9070.2

1258.2

—

900

8733.7

7351.2

124.5

10328.5

1279.9

—

1000

9820.1

8240.6

140.2

11608.4

1289.1

—

1100

10910.7

9153.1

156.2

12897.5

1292.3

—

1200

12004.8

10065.5

171.9

14189.8

1325.4

—

1300

13125.8

10977.9

193.8

15515.2

1362.3

—

1400

14271.0

11913.3

223.9

16877.5

1345.3

—

1500

15402.5

12848.7

250.5

18222.8

1347.8

—

1600

16551.9

13789.9

260.8

19570.6

1378.0

—

1700

17709.2

14725.3

294.4

20948.6

1369.0

—

1800

18874.3

15660.6

311.2

22317.7

1399.5

—

1900

20052.4

16624.7

339.9

23717.2

1379.2

—

2000

21221.9

17583.1

358.0

25094.4

1396.7

—

2100

22407.5

18547.2

376.2

26487.1

1396.4

—

2200

23595.1

19505.5

393.3

27889.5

—

第四章锅炉热平衡计算

4.1热平衡及燃料消耗量计算

锅炉热平衡及燃料消耗量计算，如表

表4-5锅炉热平衡及燃料消耗量

序号

名称

符号

单位

计算公式或数据来源

结果

燃料带入的热量

kJ/kg

≈Qnet.ar

18645

排烟温度

ϑexg

℃

给定

126

排烟的焓

Iexg

kJ/kg

调用函数（插值法）

1634.0

冷空气温度

tca

给定

理论冷空气焓

Icao

kJ/kg

调用函数

127.8

机械不完全燃烧热损失

取用

0.60

化学不完全燃烧热损失

取用

0.00

排烟热损失

（Iexg-αexgI0ca）·（1-q4/100）/Qf×100

7.84

散热损失

取用

0.20

灰渣热损失

取用

0.06

总热损失

∑q

q2+q3+q4+q5+q6

8.70

锅炉热效率

ηb

100-∑q

91.30

保热系数

—

1-q5/（ηb+q5）

0.9978

过热蒸汽的焓

i"sh

kJ/kg

调用函数，psh"=25.4MPa注

3400.5

给水的焓

ifw

kJ/kg

调用函数，pfw=19.35MPa

1239.3

过热蒸汽流量

Dsh

t/h

给定

1913

再热蒸汽出口焓

i"rh

kJ/kg

调用函数，prh"=4.16MPa

3601.4

再热蒸汽进口焓

i'rh

kJ/kg

调用函数，prh'=4.35MPa

2975.0

再热蒸汽流量

Drh

t/h

给定

1586

锅炉有效利用热量

kJ/h

Dsh（i"sh-ifw）+Drh（i"rh-i'rh）

5.1279E+09

锅炉实际燃料消耗量

kg/h

Q1/（ηbQf/100）

301236

锅炉计算燃料消耗量

Bcal

kg/s

B（1-q4/100）/3600

83.17

第五章炉膛设计和热力计算

炉膛尺寸的确定是借助于恰当选取一组炉膛热力参数（如炉膛的容积热负荷qv、截面热负荷qa等）来完成的。

当选取了较大的qv时，炉膛容积就要小一些；当选取了较小的qa时，炉膛截面就大一些，炉膛变得较为矮胖。

在选取炉膛容积热负荷qv时，要综合考虑煤粉在炉内的停留时间、燃尽的条件、水冷壁受热面是否布置得开、炉膛出口烟温、炉膛温度和结焦倾向、整个炉膛的造价等。

在一般情况下，按燃尽条件确定的炉膛容积VL，都不足以使烟气在炉内得到足够的冷却，因此，按冷却条件确定的qv值都要小于按燃尽条件确定的qv值。

我国各大锅炉制造厂在炉膛设计中，多从燃烧安全、传热充分出发，按照冷却条件来确定qv，因此qv值都选得小些，从煤种的通用性来说采用较低的qv值较合适，缺点是锅炉尺寸较大，消耗钢材量较多。

“标准”中表ⅩⅧ所规定的是按燃尽条件允许的qv值范围，其确定的炉膛容积都较小些。

按照冷却条件确定qv值一般在80~120kW/m3之间选取；按燃尽条件确定qv值一般在110~170kW/m3之间选取。

表1列出了我国大容量锅炉炉膛热力参数的推荐范围：

表1我国300MW、600MW电站锅炉热力参数的推荐值

燃烧方式

切向燃烧方式

对冲燃烧方式

机组容量等级

300MW

600MW

300MW

600MW

容积热负荷qv，kW/m3

贫煤

85～116

82～102

90～120

85～105

烟煤

90～118

85～105

95～125

90～115

褐煤

75～90

60～80

80～100

75～90

截面热负荷qa，MW/m2

贫煤

4.5～5.2

4.6～5.4

4.2～5.2

4.6～5.4

烟煤

3.8～5.1

4.4～5.2

3.6～5.0

3.8～5.2

褐煤

3.3～4.3

3.6～4.5

3.2～4.5

3.5～4.8

上排一次风喷嘴中心至屏下沿的距离L，m

贫煤

17～21.5

19～23

15～20

18～23

烟煤

16～20

18～22

14～18

18～22

褐煤

18～24

20～25

16～22

18～24

表2列出了炉膛热力参数选取的某些影响因素。

表2对炉膛热力参数选取的一些影响因素

名称

机组容量↑

煤的着火性能↓

煤的燃尽性能↓

煤灰的结焦倾向↑

容积热负荷qv

↓

截面热负荷qa

↑

↓

选定了炉膛容积热负荷qv之后，即可求炉膛容积VL：

（1）

式中B—实际燃料消耗量，kg/s；

Q,p—燃料低位发热量，kJ/kg。

确定了炉膛容积以后，即可根据所选取的另外一个炉膛热力参数qa，按下式确定炉膛的截面面积AL（通常指燃烧器标高处的炉膛截面积）：

（2）

式中符号意义同前。

在选取qa时，主要考虑燃料的着火、燃尽性能、炉膛和燃烧器的结焦、水冷壁高温腐蚀等要求，例如当煤的挥发分低、灰分高时，应重点考虑煤的着火问题，qa不宜选取太低，以便提高燃烧器区域的炉温，促进煤的着火和燃尽；当燃用灰熔点偏低、易结焦的煤时，应注意考虑炉膛和燃烧器可能产生结焦问题，qa不宜选取太高，以便降低燃烧器区域的炉温，防止炉膛结焦。

电站锅炉qa值的范围大致在3.2～5.4MW/m2之间。

选取合宜的炉膛宽深比c，可以确定炉膛的截面形状，从而在炉膛截面积AL已定的条件下，计算出炉膛截面的宽度和深度。

对于采用四角布置直流燃烧器的锅炉，一般希望炉膛的宽深比不大于1.2，以保证良好的炉内空气动力工况。

在确定炉膛宽度时还要兼顾尾部烟道的尺寸，能很好布置尾部受热面。

以上只是大略地决定炉膛的宽度和深度，然后再根据水冷壁的具体结构加以修正。

5.1炉膛结构设计

表4-6炉膛结构特征和水冷壁有效系数的计算

序号

名称

符号

单位

计算公式或数据来源

结果

前墙面积

Ffr

（35.538+7.332+9.458/2）×18.816

895.62

后墙面积

（6.751+30.367+7.332+9.458/2）×18.816

925.35

侧墙面积

（13.356+17.696）/2×5.171+30.367×17.696+（17.696+9.458）/2×6.006

699.20

两侧墙

2Fs

1398.41

四角的四个切角削去炉墙的面积

4×1.33×24.0×2

255.36

四角补加面积

Fadd

4×1.88×24.0

180.48

应扣去布置燃烧器损失的面积

Fd-Fadd

74.88

出口烟窗面积

Fout

13.356×18.816

251.31

包围炉膛的总面积

∑F

Ffr+Fb+2Fs+Fout-Fl

3395.81

方形炉膛容积

Fs·W

131

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