锅炉原理设计125祝慧雯学.docx
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锅炉原理设计125祝慧雯学
125t/h(34.72kg/s)中参数燃煤锅炉的热力计算
1.设计任务
(1)锅炉额定蒸发量D=125t/h
(2)蒸汽参数:
1)汽包蒸汽压力:
p=4.3MPa
2)过热器出口蒸汽压力:
pgr=3.9MPa
3)过热器出口蒸汽温度:
tgr=450℃
(3)给水温度:
tgs=170℃
(4)给水压力:
pgs=4.9MPa
(5)排污率:
ppm2%
(6)排烟温度:
θpy=140℃
(7)预热空气温度:
trk=370℃
(8)冷空气温度:
tlk=30℃
(9)空气中含水蒸汽量:
d=10g/kg
2.燃料特性:
(1)燃料名称:
阳泉无烟煤
(2)煤的收到基成分:
1)碳Car=69.01%
2)氢Har=2.89%
3)氧Oar=2.36%
4)氮Nar=0.99%
5)硫Sar=0.76%
6)水分Mar=5.0%
7)灰分Aar=18.99%
(3)煤的干燥无灰基挥发份Vdaf=9%
(4)煤的收到基低位发热量:
Qar,net,p=26400kJ/kg
(5)灰熔点特性:
DT=1400℃
ST=1500℃
FT>1500℃
(6)煤的可磨度:
Kkm=1
3.确定锅炉基本结构
采用单锅筒Ⅱ型布置,上升烟道为燃烧室及凝渣管。
水平烟道布置两级悬挂对流过热器,垂直下行烟道布置两级省煤器及两级管式空气预热器。
整个炉膛全部布满水冷壁,炉膛出口凝渣管簇由锅炉后墙水冷壁延伸组成,在炉膛出口处采用由后墙水冷壁延伸构成的折焰角,以使烟气更好地充满炉膛。
采用光管水冷壁。
对流过热器分两级布置,由悬挂式蛇形管束组成,在两级之间有锅炉自制冷凝水喷水减温装置,由进入锅炉的给水来冷却饱和蒸汽制成凝结水,回收凝结放热量后再进入省煤器。
省煤器和空气预热器采用两级配合布置,以节省受热面,减少钢材消耗量。
锅炉采用四根集中下降管,分别供水给12组水冷壁系统。
燃烧方式采用四角布置的直流燃烧器。
根据煤的特性选用中速磨煤机的负压直吹系统。
锅炉本体结构见附图。
4.辅助计算
(1)燃烧产物容积计算
煤完全燃烧(α=1)时理论空气量及燃烧产物容积计算见表I-1(以1kg燃料为准)。
表I-1初始数据
序号
名称
符号
单位
公式及计算
结果
1
理论空气容积
Vko
m3/㎏
0.0889(Car+0.375Sar)+0.265Har-0.0333Oar
6.8476
2
三原子气体容积
VRO2
m3/㎏
0.01866(Car+0.375Sar)
1.2930
3
理论氮气容积
VN2o
m3/㎏
0.008Nar+0.79Vko
5.4175
4
理论水蒸气容积
VH2Oo
m3/㎏
0.111Har+0.0124Mar+0.0161Vko
0.4930
5
理论烟气容积
Vyo
m3/㎏
VR02+VN2o+VH20o
7.2036
6
飞灰中纯灰份额
αfh
―
查表8-51
0.95
7
烟气中飞灰质量浓度
Gfh
㎏/㎏
αfhAar/100
0.1804
8
烟其中飞灰质量浓度
Azh
g/MJ
10000Aar/Qar,net,p
7.1932
(2)空气平衡及焓温表
1)烟道各处过量空气系数、各受热面的漏风系数及不同过量空气系数下燃烧产物的容积见表I-2,炉膛出口处过量空气系数按表4-2取。
I-2烟气特性
名称及公式
符号
单位
炉膛及凝渣管
第二过热器
第一级过热器
上级省煤器
上级空气预热器
下级省煤器
下级空气预热器
漏风系数
Δα
─
0.1
0.015
0.015
0.02
0.03
0.02
0.03
出口过量空气系数
α"
─
1.25
1.265
1.28
1.3
1.33
1.35
1.38
平均过量空气系数
αpj
─
1.25
1.2575
1.2725
1.29
1.315
1.34
1.365
水蒸气容积
VH
O
Nm3/kg
0.5206
0.5214
0.5231
0.525
0.5278
0.5305
0.5333
烟气总容积
Vy
Nm3/kg
8.9431
8.9952
9.0996
9.2214
9.3953
9.5693
9.7432
RO2容积份额
Nm3/kg
0.1446
0.1437
0.1421
0.1402
0.1376
0.1351
0.1327
H2O容积份额
─
0.0582
0.058
0.0575
0.0569
0.0562
0.0554
0.0547
三原子气体总容积
rΣ
─
0.2028
0.2017
0.1996
0.1972
0.1938
0.1906
0.1874
烟气质量
Gy
kg/kg
11.9887
12.0558
12.1899
12.3464
12.57
12.7936
13.0171
飞灰浓度
μfh
kg/kg
0.0151
0.015
0.0148
0.0148
0.0146
0.0141
0.0139
烟道各处过量空气系数及各受热面的漏风系数列于表I-1中。
空气预热器出口热空气的过量空气系数:
ß
=al-△al-△af=1.25-0.1-0.1=1.05
2)不同过量空气系数下燃烧产物的焓温表见表I-3
3)锅炉热平衡及燃料消耗计算见表I-4
表I-4热平衡及燃料消耗量计算
序号
名称
符号
单位
公式及计算
结果
1
固体未完全燃烧损失
qgt
%
查表
4
2
气体未完全燃烧损失
qqt
%
查表
0
3
外部冷却损失
qlq
%
由D=37.5kg/s,查教材71页
0.66
4
灰渣物理热损失
qhz
%
Qar,net,p/420=26400/420=62.85>19=Aar,不计算
0
5
排烟过量空气系数
αpy"
—
查表4.2
1.38
6
排烟温度
θpy
℃
见任务书
140
7
排烟焓
Ipy
kJ/kg
查表4.3
1908.187
8
冷空气温度
tlk
℃
见任务书
30
9
冷空气焓
Ilk
kJ/kg
查表4.3
271.185
10
排烟损失
qpy
%
(Ipy-αpy"Ilk)(100-qgt)/Qar,net,p
5.578
11
锅炉效率
ηgl
%
100-qgt-qqt-qlq-qhz-qpy
89.762
12
锅炉蒸发量
D
kg/s
见任务书
34.72
13
过热蒸汽出口焓
igr"
kJ/kg
p=3.9MPa,t=450℃,查水蒸气表
3332.4
14
饱和水焓
ibh
kJ/kg
p=4.3MPa,查水蒸气表
1108.5
15
给水温度
tgs
℃
见任务书
170
16
给水焓
igs
kJ/kg
p=4.9MPa,t=170℃,查水蒸气表
721.65
17
排污率
ppw
%
见任务书
2
18
锅炉总吸热量
Qgl
kw
D(igr"-igs)+ppwD(ibh-igs)
90914
19
燃料消耗量
B
kg/s
100Qgl/(ηgl*Qar,net,p)
3.8365
20
计算燃料消耗量
Bj
kg/s
B(1-qgt/100)
3.683
21
制粉系统漏风系数
Δαf
—
查表
0.1
22
空气预热器出口空气温度
trk
℃
见任务书
370
23
空气预热器出口空气焓
Irk
kJ/kg
查表4.3
3418.72
24
空气预热器吸热量
Qky
kJ/kg
βky"(Irk-Ilk)
3304.91175
25
空气预热器吸热量与燃料热量的百分比
qky
%
100Qky/Qar,net,p
12.519
26
保热系数
Φ
—
ηgl/(ηgl+qlq)
0.9927
I-5燃烧室设计及计算
1.燃烧室尺寸的决定
(1)炉膛宽度及深度
因采用角置直流式燃烧器,炉膛采用正方形截图。
按表8-39取炉膛截面热负荷qF=2519kW/㎡,炉膛截面F=40.145㎡,取炉膛宽度a=6.213m,炉膛深度6.213m,布置Φ60*3的水冷壁管,管间距s=64mm,侧面墙的管数为100根,前、后墙的管数为98根。
(2)燃烧室炉墙面积的决定
燃烧室侧面尺寸见附表,决定过程见表I-5。
表I-5炉膛结构尺寸
序号
名称
符号
单位
公式及计算
结果
1
炉膛截面热负荷
qF
kW/m2
查表
2519
2
炉膛截面积
F
m2
a2=BjQar,net,p/qF
38.59912664
3
炉膛宽度
a
m
F0.5取整,64的倍数
6.336
4
第一根凝渣管高
hnl
m
设定
4.2
5
顶棚宽度
ldp
m
a-lzy-lxcosγx
3.8
6
折焰角前端到第一排凝渣管斜管段长
lx
m
设定
0.734
7
折焰角宽度
lzy
m
设定
1.9
8
折焰角上倾角度
γs
设定
45
9
折焰角下倾角度
γx
设定
30
10
顶棚倾角
γd
设定
8
11
凝渣管与炉墙距离
lnz
m
a-ldp
2.536
12
顶棚高度
hdp
m
hnl+ldptanγd
4.734
13
折焰角高度
hzy
m
lzytanγx
1.097
14
—
hzy"
m
lnztanγx
1.464
15
冷灰斗底口宽度
lhd
m
设定
1.062
16
冷灰斗倾角
γhd
设定
55
17
冷灰斗中部宽度
ldz
m
(a+lhd)/2
3.699
18
冷灰斗高度
hhd
m
(a-lhd)(tanγhd)/2
3.766
19
冷灰斗斜边长度的一半
lhx
m
hhd/(2sinγhd)
2.299
20
炉膛容积热负荷
qv
kJ/m3
选定
169
21
炉膛容积
Vl
m3
BjQar,net,p/qv
575.3325444
22
侧墙面积
Fc
m2
Vl/a
90.804
23
炉膛中部高度
hlz
m
(Fc-(hnl+hdp)ldp/2-(ldp+a)hzy"/2-(a+ldz)hhd/4)/a
8.99
24
出口窗中心到灰斗中心高
hck
m
(hnl+lxsinγx)/2+hzy+hlz+hhd/2
14.253
25
前墙面积
Fq
m2
(hdp+hzy"+hlz+lhx+ldz/2)a
122.516
26
后墙面积
Fh
m2
(lzy/cosγx+hlz+lhx+ldz/2)*a
97.146
27
出口窗面积
Fch
m2
(hnl+(lnz-lzy)/cosγx)*a
31.264
28
顶棚面积
Fd
m2
ldp*a/cosγd
24.313
29
炉膛总面积
Fl
m2
2Fc+Fq+Fh+Fch+Fd
456.847
30
炉膛总高
hlz
m
hdp+hzy"+hlz+hhd/2
17.071
2.粉煤燃烧器的型式及布置
采用角置直流式粉煤燃烧器,分布于炉膛四角,燃烧器的中心距冷灰斗上沿为1.73m。
每组燃烧器都有两个一次风口,两个二次风口和两个废气燃烧器,燃烧器的结构计算见表I-6。
表I-6燃烧器结构
序号
名称
符号
单位
公式及计算
结果
1
一次风率
r1
查表,选取
0.25
2
磨煤废气(三次风率)
r3
由制粉系统得
0.22
3
二次风及送粉热风温度
t2
℃
trk-10
360
4
炉膛漏风系数
Δαl
由表4.2烟气特性得
0.1
5
炉膛出口过量空气系数
αl"
由表4.2烟气特性得
1.25
6
一次风温
t1
℃
先假设,后校核
350
7
煤粉温度
ti
℃
由制粉系统得
150
8
炉膛漏风率
rlf
Δαl/αl"
0.08
9
二次风率
r2
1-r1-r3-rlf
0.45
10
二次风量
V2
m3/s
r2αl"V0Bj(1+t2/273)
32.89
11
一次风量
V1
m3/s
r1αl"V0Bj(1+t1/273)
17.99
12
磨煤废气量
Vi
m3/s
r3αl"V0Bj(1+ti/273)
10.75
13
一次风速
w1
m/s
查表,选取
22
14
二次风速
w2
m/s
查表,选取
50
15
磨煤废气风速
w3
m/s
查表,选取
55
16
燃烧器数量
Z
—
切向燃烧四角布置
4
17
一次风口面积
f1
m2
V1/(2W1)
0.41
18
二次风口面积
f2
m2
V2/(2W2)
0.3
19
废气喷口面积
f3
m2
Vf/(2W3)
0.1
20
下二次风口下沿到冷灰斗转角的距离
H'
m
选定
0.6
25
燃烧器喷口宽度
br
m
结构设计定为
0.28
26
燃烧器喷口高度
hr
m
按f1、f2要求画出结构图,得hr
2.26
27
燃烧器占有面积
FR
m2
1.4142(br+0.03)(hr+0.03)*4
4.0158
3.燃烧室水冷壁布置
水冷壁采用Φ60的光管,管节距s=64mm,管子悬挂炉墙,管子中心和炉墙距e=0,。
每面墙宽6213mm,侧面墙的管数为100根,前、后墙的管数为98根。
后墙水冷壁管子在折角处有叉管,直叉管垂直向上连接联箱,可以承受后墙管子和炉墙的重量,斜叉管组成凝渣管和折焰角。
凝渣管有24*3=72根管子,折焰角上有22根管子,另4根管子直接与联箱相连。
侧墙水冷壁向上延伸,在折焰角区域和凝渣管区域形成附加受热面。
燃烧室结构特性计算见表I-7。
表I-7炉膛受热面
序号
名称
符号
单位
公式及计算
结果
前、后、侧
顶棚
出口窗
1
水冷壁规格
d
mm
60
60
60
δ
mm
3
3
3
2
管节距
s
mm
64
84.5
—
3
相对值
s/d
—
1.067
1.408
—
4
管中心与炉墙距离
e
mm
0
30
—
5
相对值
e/d
—
0
0.5
—
6
角系数
x
—
查图
0.99
0.94
1
7
炉墙面积
Fl
m2
401.27
24.313
31.264
8
水冷壁有效辐射面积
H0
m2
393.2384
22.854
31.264
9
总水冷壁有效辐射面积
H
m2
∑H0
447.3564
10
灰垢系数
ζ
—
查表
0.45
11
水冷壁受热面平均热有效系数
Ψpj
—
ζ*H/F1
0.4407
12
烟气辐射层有效厚度
s
m
3.6Vl/Fl
4.534
13
燃烧器中心高度
hr
m
0.5hr+H'+0.5hhd
3.613
14
燃烧器相对高度
xr
—
hr/Hlz
0.2116
15
火焰中心相对高度修正
Δx
—
查表
0
16
火焰中心相对高度
xh
—
xr+Δx
0.2116
燃烧室的传热计算见表I-8
I-8炉膛传热计算
1
热空气温度
trk
℃
查表4.4
370
2
热空气焓
Irk
kJ/kg
查表4.4
3418.7
3
冷空气温度
tlk
℃
查表4.4
30
4
冷空气焓
Ilk
kJ/kg
查表4.4
271.19
5
炉膛漏风系数
Δαl
—
查表4.2
0.1
6
煤粉系统漏入风系数
Δαf
—
查表4.4
0.1
7
空气预热器热空气份额
βky"
—
查表4.4
1.05
8
空气进入炉膛的热量
Qk
kJ/kg
βky"Irk+(Δαl+Δαf)Ilk
3643.9
9
燃料有效放热量
Qd
kJ/kg
Qar,net,p(100-qqt-qgt)/(100-qgt)+Qk
30044
10
理论燃烧温度
θll
℃
查表4.3(α"=1.25)
2008.2
Tll
K
θll+273
2281.2
11
炉膛出口烟温
θl'
℃
先假定,再校核
1072
Tl"
K
θl'+273
1345
12
炉膛出口烟焓
Il'
kJ/kg
查表4.3(α"=1.25)
14971
13
烟气平均热容量
Vc
kJ/(kg·℃)
(Qd-Il")/(θll-θl")
16.10019227
14
容积份额,水蒸气/三原子气体
rH2O/r∑
—
查表4.2(α"=1.25)
0.287
15
烟气密度
ρy
kg/Nm3
Gy/Vy
1.3406
16
飞灰浓度
μfh
kg/kg
查表4.2(α"=1.25)
0.0150
17
飞灰颗粒平均直径
dfh
μm
查表,用钢球滚筒磨煤机
13
18
三原子气体分压
P∑
Mpa
0.1013r∑
0.0205
19
三原子气体辐射减弱系数
kqr∑
1/(m·Mpa)
10.2*((0.78+1.6rH2O)/(10.2P∑S)^0.5-0.1)*(1-0.37*Tl"/1000)*r∑
0.8279
20
灰粒辐射减弱系数
kfhμfh
1/(m·Mpa)
43850*ρy*μfh/(Tl"*dfh)^(2/3)
1.3131
21
焦炭辐射减弱系数
x1
—
无烟煤
1
x2
—
悬浮燃烧
0.1
kj
—
经验数据
10.2
kjt
1/(m·Mpa)
kjx1x2
1.02
22
火焰辐射减弱系数
k
1/(m·Mpa)
kqr∑+kfhμfh+kjt
3.161
23
火焰辐射吸收率
kps
—
kps
1.4331974
24
火焰黑度
ah
—
1-exp(-kps)
0.761455022
25
炉膛黑度
al
—
ah/(ah+(1-ah)*Ψpj)
0.88
26
火焰中心高度系数
M
—
对无烟煤,0.56-0.5xh
0.4542
27
炉膛出口烟温
Tl"
K
Tll/((5.67*10^(-11)*ΨpjF1alTll^3/(φBjVc))^0.6*M+1)
1346.814335
θl"
℃
Tl"-273
1073.814335
28
炉膛出口烟焓
Il"
kJ/kg
查表4.3(α"=1.25)
15165
29
炉内辐射传热量
Ql
kJ/kg
φ(Qd-Il")
14770
30
辐射受热面热负荷
ql
kW/m2
BjQl/H
121.6
4.燃烧室辐射吸热量的分配
燃烧室辐射吸热量中有部分由凝渣管及高温过热器吸收。
(1)凝渣管直接吸收燃烧室的辐射热量
现凝渣管有三排,总的角系数为
Xnz=1-(1-X)3=1-(1-0.32)3=0.6856
凝渣管辐射受热面为
Hnz=XnzFch=0.6856*29.606=20.298㎡
由于出口窗位于燃烧室上部,热负荷比较小,需要计算沿高度的热负荷不均匀系数。
出口窗中心的高度hck,从冷灰斗中心到炉顶的总高度为H1,根据
hck/H1=14.949/17.750=0.84
燃烧器中心相对高度xr=0.2,查图15-4的2线,得到hrh=0.7
凝渣管吸收的辐射热量为:
Qfnz=hrhqfHnz=0.7*105.8*20.298=1503.3(kW)
(2)高温过热器直接吸收燃烧室的辐射热量
Qfgr=hrhqf(29.606-20.298)=689.35(kW)
(3)水冷壁的平均辐射受热面热负荷
qs=[Q1Bj-(Qfnz-Qfgr)]*1/(407.65+22.86)
=[14687.85×3.3885-(1503.3+689.35)]×1/430.51=110.5(kW/㎡)
5.凝渣管的传计算
凝渣管束是错列布置的,由后墙水冷壁延伸而成,每四根相邻的管子组成第1、2、3排和折焰角,所以凝渣管的横向节距为4×64㎜。
表I-9凝渣管结构
序号
名称
符号
单位
公式及计算
结果
1
管子规格
d
㎜
—
60
δ
㎜
—
3
2
横向管子节距
s1
㎜
—
256
3
纵向管子节距
s2
㎜
—
250
4
横向相对节距
σ1
—
s1/d
4.267
5
纵向相对节距
σ2
—
s2/d
4.167
6
平均每排管子数目
n
根
设定
24
7
第一排凝渣管高度
h1
m
见表I-5的hnz
4.2
8
前两排凝渣管间底斜边长
m1
m
s2/cosγx
0.289
9
第三排凝渣管与折焰角距离
s3
m
Lnz-lzy-2s2
0.136
10
第三排凝渣管间底斜边长
m3
m
s3/cosγx
0.157
11
第二排凝渣管高度
h2
m
h1+s2(tanγx-tanγd)
4.039
12
第三排凝渣管高度
h3
m
2h2-h1
4.418
13
凝渣管出口高度
hc
m
h1+(lnz-lzy)tanγd+0.18
4.747
14
每根管计算长
第一排
l1
m
h1+2m1+m3
4.934
第二排
l2
m
h2+m1+m3+s2/2cosγd
4.881
第三排
l3
m
H3+m3+s2/cosγd
4.828
15
凝渣管受热面面积
H
㎡
n(l1+l2+l3)πd
66.24
16
侧墙水冷壁附加受热面面积
Hfj
㎡
πd(lnz-lzy)(hl-hc)/128
8.375
17
计算受热面面积
Hj
㎡
H+Hfj
74.615
18
烟气辐射层有
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