600MW超临界压力煤粉锅炉课程设计.docx

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600MW超临界压力煤粉锅炉课程设计

第1章锅炉设计的目的和意义

1.1锅炉课程设计的目的和内容

1.1.1锅炉课程设计的目的

锅炉课程设计是《锅炉原理》课程的重要教学实践环节。

通过课程设计，使学生对锅炉原理课程的知识得到巩固、充实和提高；掌握锅炉机组的热力计算方法，学会使用与热力计算相关的标准或导则，培养综合考虑锅炉机组设计与布置的初步能力；培养学生查阅资料和分析数据的能力，提高学生运算、绘图等基本技能；培养学生对待工程技术问题的严肃认真和负责的态度。

1.1.2锅炉课程设计的内容

本书的设计任务是根据一台给定规范和形式的600MW等级超临界压力直流煤粉锅炉的原始资料，进行锅炉的结构设计和热力计算。

（1）锅炉设计计算时应提供的原始资料

1）锅炉的主要参数，包括锅炉蒸发量、再热蒸汽流量、给水压力和温度、过热蒸汽和再热蒸汽的压力和温度。

2）给定的燃料和燃料特性。

3）锅炉概况，如锅炉结构和受热面布置、制粉系统、燃烧设备的形式等。

4）锅炉结构简图、烟风和汽水系统流程简图等。

在设计计算时，锅炉的排烟温度和热空气温度应预先选定，也可以原始数据给定。

炉膛出口烟气温度和烟道烟气温度，以及汽水流程中各受热面进出口处工质的温度和焓，应根据技术要求在合理的范围内选定。

（2）课程设计的内容

1）锅炉炉膛及主要受热面的结构设计。

2）额定负荷下锅炉的热力计算。

3）绘制锅炉受热面的结构图。

4）编写课程设计报告。

1.1.3锅炉设计的要求

随着科学技术的进步和国家对节能、环保要求的提高，电力工业的发展日益受到资源和环境等因素的制约，以降低能源消耗、减少污染物排放为目标的节能减排能力已成为衡量一个企业竞争力的首要标准。

因此，针对新型锅炉的技术发展趋势以及新情况下对锅炉系统的特殊要求，科技工作者子在锅炉设计时应着重考虑以下几个方面：

（1）采用成熟、先进的超临界压力技术，确保机组具有较高的循环效率和可用率。

（2）选用合适的炉膛尺寸及热负荷指标，采用先进的燃烧方式和燃烧设备，在保证炉膛不结渣和不产生水冷壁高温腐蚀的前提下，提高锅炉的燃烧效率、减小炉内烟气温度及速度偏差、降低锅炉的NOX排放。

（3）采用成熟可靠的受热面布置方式，减小汽温偏差，保证受热面安全可靠。

（4）具有较好的煤种适应性和低负荷稳燃性能以及良好的启、停及调峰性能等。

（5）采用先进可靠的计算方法，确保设计结果经得起实践的检验。

要达到上述要求，必须在进行广泛深入调查研究的基础上，综合运用相关的理论知识以及制造和运行方面的实践经验，集合国内外先进技术，在对各种技术方案进行精确计算分析的同时，通过试验对结果进行约验证，从而批国家各个方案的优劣。

1.2锅炉课程设计的方法和步骤

1.2.1锅炉课程设计热力计算方法

锅炉热力计算可分为设计计算和校核计算。

两者的计算方法基本相同，都从燃料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、对流过热器等）进行计算，其区别在于计算任务和所需求的数据不同。

设计计算的任务是根据给定的锅炉容量、参数和燃料特性来确定锅炉机组的结构尺寸和各个部件的受热面面积，并确定锅炉的燃料消耗量、锅炉效率、各受热面交界处工质和烟气的温度和焓、各受热面的吸热量和介质速度等参数，为选择辅助设备和进行空气动力计算、水动力计算、管子金属壁温计算和强度计算等提供原始资料。

校核计算的任务是在给定锅炉负荷和燃料特性的前提下，按锅炉机组已有的结构和尺寸，去确定各个受热面交界处的水温、汽温、空气和烟气温度、锅炉效率、燃料消耗量以及空气和烟气的流量和流速。

校核计算是为了估计锅炉机组按指定燃料运行的经济指标，寻求必要的改进锅炉结构的措施，选择辅助设备（或检验原有辅助设备的适用性）以及为空气动力、水动力、壁温和强度等计算提供原始资料。

为了计算方便，设计计算也通常采用校核计算的方法，先根据经验并参考同类型锅炉结构，预先布置好各部件受热面的结构尺寸，然后进行校核计算。

如不合适，修改后再进行校核计算。

对锅炉机组做校核计算时，烟气的中间温度、内部工质温度、排烟温度以及热空气温度等都是未知数，上述温度需先假设，然后用渐进法（见此逼近法）去确定。

1.2.2锅炉课程设计的步骤

锅炉课程设计的步骤包括：

（1）了解给定锅炉的结构、受热面布置、汽水和烟风系统流程等。

（2）进行锅炉热力计算，包括各受热面的设计、结构计算、校核计算等。

（3）锅炉总体的热量平衡校核和误差检查。

（4）编写课程设计报告。

第2章锅炉简介

2.1锅炉的整体布置

本课程设计锅炉为超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、全钢架悬吊结构、Ⅱ形布置、固态排渣。

炉后尾部布置2台三分仓容式空气预热器。

锅炉总体布置见图2-1。

锅炉燃烧系统为配6台中速磨煤机的直吹式制粉系统，24只直流式燃烧器分六层布置于炉膛下部四角，煤粉和空气从四角送入，在炉膛中呈切圆方式燃烧。

在锅炉最大出力工况时，5台磨煤机和五层20只燃烧器投入运行，1台磨煤机备用。

在主燃烧器和炉膛出口之间布置一组分离燃尽风（SOFA）喷嘴。

2.2省煤器和水冷壁系统

2.2.1省煤器和水冷壁系统流程

给水由省煤器进口联箱流经省煤器管组、中间集箱和悬吊管，然后汇合在省煤器箱，再由2根连接管道分别引入水冷壁左右侧墙下集箱，水冷壁下集箱为四周相连通的集箱，水经由前后墙下集箱进入炉膛四周水冷壁。

锅炉水冷壁由炉膛下部螺旋管圈式和上部垂直管圈式水冷壁组成，水从下集箱进入螺旋段水冷壁经水冷壁过渡段进入垂直水冷壁，其流程如图所示。

在锅炉启动阶段和低于最低直流运行工况（30%BMCR）时，水在水冷壁内吸热形成汽水混合物，汇集至水冷壁上集箱，通过水冷壁引出汽水分离器，在汽水分离器内进行汽水分离，分离后的蒸汽引至过热器，水则通过调节阀进入除氧器或大气式扩容器至凝汽器，进行工质和热量的回收。

在高于最低直流运行工况时，水在水冷壁内吸热形成的过热蒸汽汇集至水冷壁上集箱，通过引出管进入汽水分离器后，直接由连接管道引出到过热器，此时的汽水分离器仅作为连接水冷壁与过热器之间的汽水通道。

2.2.2省煤器

省煤器的作用是在给水进入水冷壁以前，将水进行预热，并借以回收锅炉排烟中的部分热量，提高其经济性。

省煤器布置于锅炉的后烟井低温再热器下面，采用光管蛇形管，顺列排列，与烟气成逆流布置，并由悬吊管悬吊，悬吊管内的工质来自省煤器。

为了确保后烟井的烟气分布均匀，在后烟井入口的后墙包覆管及省煤器进口处前后墙包覆管上均焊有烟气阻流板，以防止形成烟气走廊，造成局部磨损。

2.3过热器系统

过热器系统按蒸汽流向可分为:

顶棚和包覆过热器，前屏过热器，后屏过热器和末级过热器（高温对流过热器），其中主受热面为前屏过热器，后屏过热器和末级过热器。

2.3.1过热蒸汽系统流

从汽水分离器引出的蒸汽进入炉顶进口集箱，经前炉顶管至炉顶出口集箱，为减少蒸汽阻力损失，在BMCR工况下约35.6%的蒸汽经旁路管直接进入炉顶出口集箱。

从炉顶出口集箱引出的蒸汽经过后炉顶管，后烟井包覆，后烟井延伸侧墙，再汇总至后烟井侧墙上集箱，分四路引入前屏进口集箱，进入前屏加热后进入前屏出口集箱，再分两路经第一级喷水减温后进入后屏过热器进口集箱，流经后屏并进入后屏过热器出口集箱，从后屏过热器出口集箱分两路经第二级喷水减温后进入末级过热器进口集箱，在末级过热器加热后进入末级过热器出口集箱。

再由两根末级过热器出口集箱引出管引出至两根主蒸汽管道并送往汽轮机高压缸。

2.3.2前屏过热器

前屏过热器（也称大屏，分隔屏过热器）布置于炉膛上部不仅可吸收炉膛上部的烟气辐射热，还能分隔烟气流，起到减弱切圆燃烧时炉膛出口烟气残余旋转的作用，降低炉膛出口烟温偏差。

2.3.3后屏过热器

后屏加热器布置在炉膛上部，前屏之后，炉膛折焰角的前方，可吸收部分炉膛上部的辐射热量。

2.3.4末级过热器

末级过热器布置于水平烟道，在高温再热器和炉膛后墙水冷壁悬吊管之后，受热面呈顺列逆流布置，主要靠对流传热吸收热量。

2.3.5减湿系统

过热器汽温通过两级喷水控制，第一级喷水布置在前屏过热器出口管道上，第二级喷水布置在后屏过热器出口管道上，过热器喷水取自省煤器进口管道的给水。

2.4再热器系统

再热器系统由低温再热器和高温再热器两级组成。

2.4.1再热蒸汽系统流程

自汽机高压缸排出的蒸汽分成两路经事故喷水减温器后引入低温再热器进口集箱，经低温再热器后进入低温再热器出口集箱，再经过两根连接管道引至高温再热器进口集箱，经过高温再热器后从高温再热器出口集箱上引至两根蒸汽管道，送往汽轮机中压缸，其流程图如图所示。

低温再热器和高温再热器之间通过连接管道进行左右交叉，以减少因炉膛左右侧烟温偏差而引起的再热蒸汽温度偏差。

2.4.2低温再热器

低温再热器布置于后竖井烟道中，顺列排列，与烟气成逆流布置，靠对流传热吸收热量，低温再热器又分成水平段和垂直段。

垂直段布置于水平烟道的尾部竖井前墙悬吊管之后锅炉转向室的入口处。

2.4.3高温再热器

由于再热蒸汽采用摆动燃烧器调温，故高温再热器布置于炉膛折焰角上部烟气高温区，与烟气成顺流流动，顺列布置。

2.5燃烧系统

锅炉采用配中速磨煤机，冷一次风机，正压直吹式制粉系统。

煤粉燃烧器为四角布置，切圆燃烧，摆动式燃烧器。

通过燃烧设备设计和炉膛布置的匹配来满足各项燃烧指标的要求，即煤粉的及时着火，稳定燃烧和低NO排放，并保证炉内不能发生明显的结渣和水冷壁的高温腐蚀。

主风箱设有6层强化着火煤粉喷嘴，在煤粉喷嘴四周布置有燃料风（周界风）。

煤粉喷嘴和二次风喷嘴相间布置。

除底部二次风（也称火下风）（UFA）和顶部二次风外，中间五层二次风（也称辅助风）的一层喷嘴都由三层小喷嘴组成，其中上下两层为偏置的CFS喷嘴，中间一层为直吹风喷嘴。

在主风箱上部设有两层紧凑燃尽风（ClosecoupledOFA，CCOFA）喷嘴，在主风箱下部设有一层火下风（underfireair，UFA）喷嘴。

在CCOFA上部布置有分离燃尽风（separatedOFA，SOFA）喷嘴，即五层可水平摆动的分离燃尽风喷嘴。

在本锅炉课程设计中，燃烧设备和制粉系统不需要设计和计算，直接给定。

2.6烟风系统

2.6.1烟气系统

炉膛中产生的烟气流过后烟井后，通过烟道进入空气预热器烟气仓，在预热器中利用烟气余热使一、二次风得到预热。

烟气在烟气仓中将预热器的波形板受热面加热而得到冷却。

加热后的波形板先进入二次风分隔仓加热二次风，然后再进入一次风分隔仓加热一次风。

从空气预热器出来的烟气通过静电除尘器、脱硫设备等，排至烟囱。

2.6.2空气系统

一次风的作用是干燥和输送煤粉，从大气中抽吸的空气通过一次风机，送入三分仓预热器的一次风分隔仓，加热后通过热一次风道进入磨煤机，在进预热器前有一部分冷风在磨煤机进口前与热一次风相混合。

作为磨煤机调温风。

二次风的作用是强化燃烧和控制NOx生成量。

从大气吸入的空气通过送风机进入预热器的二次风分隔仓，加热后经二次风道进入大风箱，并由大风箱分配到各二次风喷嘴。

供给五层分离燃尽风喷嘴的空气也由大风箱上抽取。

第3章热力计算

3.1设计任务书

设计题目：

600MW等级超临界压力煤粉锅炉

原始资料如下：

锅炉蒸发量：

Dsh=1913t/h

过热蒸汽压力：

psh''=25.4MPa（表压）

过热蒸汽温度：

tsh''=571℃

再热蒸汽流量：

Drh=1586t/h

再热蒸汽入口压力：

prh'=4.35MPa（表压）

再热蒸汽入口温度：

trh'=310℃

再热蒸汽出口压力：

prh''=4.16MPa（表压）

再热蒸汽出口温度：

trh''=569℃

给水压力：

pfw=29.35MPa

给水温度：

tfw=282℃

周围环境温度：

tca=20℃

排烟温度：

vexg=126℃

制粉系统：

直吹式、中速磨

（1）燃料名称：

神府东胜煤

（2）煤的收到基成分（%）：

Car=57.33,Har=3.62，Oar=9.94,Nar=0.70,

Sar=0.41,Aar=15.00,Mar=13.00

（3）煤的干燥无灰基挥发分：

Vdaf=33.64%

（4）煤的收到基低位发热量：

Qnet,ar=21805kj/kg

（5）灰熔点：

DT、ST、FT>1500℃

3.2煤的元素分析数据校核和煤种判别

表4-1燃料的数据校核和煤种判别

序号

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）

22943

低位发热量（经验公式）

Q'net,ar

kJ/kg

Qgr,ar-r（0.09Har+0.01Mar）

21803

经验公式值和给定值之差

⊿Qnet,ar

kJ/kg

Q'net,ar-Qnet,ar

-2

误差判别

—

│⊿Qnet,ar│<800

正确

煤的折算因子

red

—

4190/Qnet,ar

0.192

折算灰分

Ared,ar

％

red×Aar

2.88

折算水分

Mred,ar

％

red×Mar

2.50

折算硫分

Sred,ar

％

red×Sar

0.08

煤的灰分特性判断

—

Ared,ar<4%

低灰分煤

—

Mred,ar<8%

低水分煤

—

Sred,ar<0.2%

低硫分煤

*注（给定煤质的收到基低位发热量与用经验公式算出的收到基低位发热量，两者之差超过800，故误差在规定范围。

）

3.3燃烧产物和锅炉热平衡计算

3.3.1燃烧产物的计算

表4-2理论空气量和理论烟气量计算

序号

名称

符号

单位

计算公式或数据来源

结果

理论空气量

Nm3/kg

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

5.739

理论氮气容积

VoN2

Nm3/kg

0.79×V0+0.008×Nar

4.539

三原子气体RO2的容积

VRO2

Nm3/kg

0.01866×（Car+0.375×Sar）

1.073

理论水蒸汽容积

V0H2O

Nm3/kg

0.111×Har+0.0124×Mar+0.0161×V0

0.655

理论烟气容积

Vog

Nm3/kg

VoN2+VoH2O+VRO2

6.267

表4-3烟气特性表

序号

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

Nm3/kg

1.148

1.262

1.492

水蒸汽容积

VoH2O+0.0161ΔV

VH2O

Nm3/kg

0.674

0.676

0.679

烟气总容积

Vgo+1.0161（αav-1）Vo

Nm3/kg

7.433

7.550

7.783

RO2占烟气容积份额

VRO2/Vg

rRO2

—

0.1443

0.1421

0.1378

H2O占烟气容积份额

VH2O/Vg

rH2O

—

0.0907

0.0895

0.0873

RO2+H2O的容积份额

rRO2+rH2O

—

0.2350

0.2316

0.2251

烟气质量

1-Aar/100+1.306αavVo

kg/kg

9.844

9.993

10.293

飞灰浓度，αfa取0.95

αfaAar/（100Gg）

μash

kg/kg

0.0145

0.0143

0.0138

烟气焓温的计算

温度

空气焓

CO2

H2O

灰焓

100

132

169

130

132

151

200

266

357

260

267

304

169

300

403

559

392

407

463

264

400

542

772

527

551

626

360

500

684

996

664

699

794

459

600

830

1222

804

850

967

560

700

979

1461

946

1005

1147

663

800

1130

1704

1093

1160

1335

767

900

1281

1951

1243

1319

1524

874

1000

1436

2202

1394

1478

1725

984

1100

1595

2457

1545

1637

1926

1096

1200

1754

2717

1695

1800

2131

1206

1300

1913

2976

1850

1963

2344

1360

1400

2076

3240

2009

2127

2558

1571

1500

2239

3504

2164

2294

2779

1758

1600

2403

3767

2323

2461

3001

1830

1700

2566

4035

2482

2629

3227

2066

1800

2729

4303

2642

2796

3458

2184

1900

2897

4571

2805

2968

3688

2385

2000

3064

4843

2964

3139

3926

2512

2100

3232

5115

3127

3307

4161

2640

2200

3399

5387

3290

3483

4399

2760

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

7664.0

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

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