【正文】 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 1 頁(yè) 共 43 頁(yè) 1 引言 鍋爐是利用燃料或其他能源的熱能，把水加熱成為熱水或蒸汽的機(jī)械設(shè)備。鍋爐包括鍋和爐兩大部分， 鍋的原義是指在火上加熱的盛水容器，爐是指燃燒燃料的場(chǎng)所 。 鍋爐中產(chǎn)生的熱水或蒸汽可直接為 生產(chǎn)和生活提供所需要的熱能，也可通過(guò)蒸汽動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)換為機(jī)械能， 再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能 [1]。 1． 1 鍋爐 簡(jiǎn)介 及發(fā)展?fàn)顩r 鍋爐 簡(jiǎn)介 將其它熱能轉(zhuǎn)變成其它工質(zhì)熱能，生產(chǎn)規(guī)定參數(shù)和品質(zhì)的工質(zhì)的設(shè)備稱(chēng)為鍋爐。燃燒設(shè)備以提供良好的燃燒條件，以求能把燃料的化學(xué)能最大限度地釋放出來(lái)并其轉(zhuǎn)化為熱能，把水加熱成為熱 水或蒸汽的機(jī)械設(shè)備 [2]。 鍋爐中產(chǎn)生的熱水或蒸汽可直接為生產(chǎn)和生活提供所需要的熱能，也可通過(guò)蒸汽動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。提供熱水的鍋爐稱(chēng)為熱水鍋爐，主要用于生活，工業(yè)生產(chǎn)中也有少量應(yīng)用。產(chǎn)生蒸汽的鍋爐稱(chēng)為蒸汽鍋爐，又叫蒸汽發(fā)生器，常簡(jiǎn)稱(chēng)為鍋爐，是蒸汽動(dòng)力裝置的重要組成部分，多用于火電站、船舶、機(jī)車(chē)和工礦企業(yè)。 將固體燃料放在爐排上，進(jìn)行火床燃燒的爐膛稱(chēng)為層燃爐，又稱(chēng)火床爐；將液體、氣體或磨成粉狀的固體燃料，噴入火室燃燒的爐膛稱(chēng)為室燃爐，又稱(chēng)火室爐；空氣將煤粒托起使其 呈沸騰狀態(tài)燃燒，并適于燃燒劣質(zhì)燃料的爐膛稱(chēng)為沸騰爐，又稱(chēng)流化床爐；利用空氣流使煤粒高速旋轉(zhuǎn)，并強(qiáng)烈火燒的圓筒形爐膛稱(chēng)為旋風(fēng)爐 [3]。 鍋爐 結(jié)構(gòu) 鍋爐整體的結(jié)構(gòu)包括鍋爐本體和輔助設(shè)備兩大部分。鍋爐中的爐膛、鍋筒、燃燒器、水冷壁過(guò)熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、構(gòu)架和爐墻等主要部件構(gòu)成生產(chǎn)蒸汽的核心部分，稱(chēng)為鍋爐本體。鍋爐本體中兩個(gè)最主要的部件是爐膛和鍋筒 [3]。 鍋爐 中 有 汽水系統(tǒng)和煤 煙系統(tǒng)兩大部分。 （ 1） 汽水 系統(tǒng) 經(jīng)過(guò)水處理設(shè)備軟化處理符合質(zhì)量要求的給水，由給水本送至省煤器，經(jīng)預(yù)熱器提高溫度后進(jìn)入上 鍋筒（上汽包 ） 。 上鍋筒內(nèi)的爐水，連續(xù)的沿著處在煙氣溫度較低區(qū)域的對(duì)流管束流入下鍋筒（下汽包）。下鍋筒內(nèi)的爐水 ，一部分進(jìn)入爐膛四周的水冷壁下集箱和水冷壁管；另一部分進(jìn)入煙氣溫度較高的對(duì)流管束。由于高溫作用，在水冷壁內(nèi)受熱汽化，汽化混合物上升至上集箱或上鍋筒；進(jìn)入煙氣溫度較高區(qū)域?qū)α鞴苁鴥?nèi)的水也受熱汽化，汽水混合物也上升進(jìn)入上鍋筒。再上過(guò)桶內(nèi)匯集并凈化的飽和蒸汽，經(jīng)出氣管進(jìn)入過(guò)熱器繼續(xù)受熱，提高溫度和除去水分，成為過(guò)熱蒸汽。最后過(guò)熱蒸汽經(jīng)出汽總管輸送到使用地點(diǎn) 。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 2 頁(yè) 共 43 頁(yè) （ 2）煤煙 系統(tǒng) 鍋爐所需的燃煤，在經(jīng)過(guò)篩選和破 碎后，經(jīng)斗式提升機(jī)、皮帶輸送機(jī)送到鍋爐前部的煤倉(cāng)。煤倉(cāng)內(nèi)的煤通過(guò)煤閘門(mén)，隨著鏈條爐排的移動(dòng)，連續(xù)的落到爐排上進(jìn)入爐膛內(nèi)燃燒。爐排后部的爐渣進(jìn)入灰斗進(jìn)入灰坑，有除渣機(jī)除去。鍋爐燃燒所需的空氣，由送風(fēng)機(jī)進(jìn)入鍋爐后部的空氣預(yù)熱器，經(jīng)預(yù)熱提高溫度后分段送到爐排下，穿過(guò)爐排縫隙進(jìn)入煤層助燃。燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓F(xiàn)將一部分熱量傳給爐膛四周的水冷壁管，然后高溫?zé)煔鈴臓t膛上部經(jīng)過(guò)立式過(guò)熱器往后折轉(zhuǎn)與對(duì)流管束， 在進(jìn)入后煙道、省煤器和空氣預(yù)熱器，進(jìn)一步放出熱量。此時(shí)煙氣溫度已經(jīng)大大降低，不再利用，經(jīng)除塵器、引風(fēng)機(jī)和煙囪排放 至大氣 [2]。 鍋爐 的發(fā)展 隨著生產(chǎn)的發(fā)展蒸汽鍋爐在工業(yè)生產(chǎn)或熱力發(fā)電廠中的使用越來(lái)越多，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位也更為重要，因此如何提高鍋爐的安全性、經(jīng)濟(jì)性，降低其造價(jià)，增長(zhǎng)其使用壽命，減少其對(duì)環(huán)境的污染等等，已成為鍋爐發(fā)展和研究的重大問(wèn)題 [1]。 火力發(fā)電廠中，鍋爐是主要生產(chǎn)設(shè)備之一，它隨著電力事業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)大體上可按下述幾方面來(lái)說(shuō)明： （ 1）鍋爐容量 世界工業(yè)先進(jìn)國(guó)家為了適應(yīng)電力需要的增長(zhǎng)，大多盡快擴(kuò)大發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量。機(jī)組容量增大則每千瓦的設(shè)備費(fèi)用降低，金屬耗量減 少，基建投資節(jié)省。在其他條件相同時(shí)，鍋爐容量增大一倍，每噸的金屬用量金屬減少 520%，所需要管理人員也減少。 （ 2）蒸汽參數(shù) 隨機(jī)組容量的增大，提高電廠的熱效率就變得更為迫切，提高蒸汽參數(shù)和采用蒸汽再熱提高電廠熱效率的有效措施。 1． 2 鍋爐爐膛 鍋爐爐膛的概念 鍋爐爐膛是用來(lái)燃燒燃料和空氣的有限空間?，F(xiàn)代鍋爐的爐膛既是一個(gè)燃燒室，又是一個(gè)換熱設(shè)備。鍋爐中工質(zhì)的總吸熱量有一半左右是通過(guò)布置在爐膛四周的受熱面完成的。因此，分析爐膛的傳熱特征和研究傳熱計(jì)算的方法是鍋爐工作者的重要任務(wù) [4]。 鍋爐爐膛 的 設(shè)計(jì) 鍋爐是中國(guó)重要的熱能動(dòng)力設(shè)備 ,中國(guó)是當(dāng)今世界燃煤鍋爐生產(chǎn)和使用得最多的國(guó)家之一。但我國(guó)對(duì)鍋爐設(shè)計(jì)的起步較晚，發(fā)展較慢，盡管如此，廣大熱工技術(shù)人員還是做了大量研究工作。中國(guó)鍋爐制造業(yè)是在新中國(guó)成立后建立和發(fā)展起來(lái)的。尤其自改革開(kāi)放以來(lái) ,隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展 ,全國(guó)有上千家持有各級(jí)鍋爐制造許可證的企業(yè) ,可以生產(chǎn)各種不同等級(jí)的鍋爐 [5]。 爐膛又稱(chēng)燃燒室，是供燃料燃燒的空間。爐膛的橫截面一般為正方形或矩形。燃料 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 3 頁(yè) 共 43 頁(yè) 在爐膛內(nèi)燃燒形成火焰和高溫?zé)煔?，所以爐膛四周的爐墻由耐高溫材料和 保溫材料構(gòu)成。在爐墻的內(nèi)表面上常敷設(shè)水冷壁管，它既保護(hù)爐墻不致燒壞，又吸收火焰和高溫?zé)煔獾拇罅枯椛錈?[6]。 爐膛設(shè)計(jì)需要充分考慮使用燃料的特性。每臺(tái)鍋爐應(yīng)盡量燃用原設(shè)計(jì)的燃料。燃用特性差別較大的燃料時(shí)鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性都可能降低 鍋爐爐膛設(shè)計(jì)的一種方法是參照本廠或其它廠已經(jīng)投運(yùn)的性能良好的鍋爐 (即所謂樣機(jī)爐 )結(jié)構(gòu)尺寸及其性能 ,比較新?tīng)t的燃料與樣機(jī)爐的燃料特性差別 ,適當(dāng)調(diào)整樣機(jī)鍋爐的結(jié)構(gòu)尺寸及工況參數(shù) ,從而作為新?tīng)t的設(shè)計(jì)依據(jù)。為了適應(yīng)設(shè)計(jì)者的習(xí)慣 ,從理論上給出鍋爐燃燒穩(wěn)定性及燃盡性能公式 ,并令新?tīng)t與樣 機(jī)爐兩者性能相等 ,從而解出欲求的新?tīng)t設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，按此法設(shè)計(jì) ,保證新?tīng)t的性能與樣機(jī)爐一致。 在進(jìn)行爐膛設(shè)計(jì)時(shí)，爐膛結(jié)構(gòu)尺寸主要包括 :爐膛截面深 a 和寬 b， 燃燒器上下一次風(fēng)中心噴嘴距離 h， 上排一次風(fēng)噴嘴中心至屏下緣距離 L。其它尺寸則參考樣機(jī)由設(shè)計(jì)者自行決定。 1． 3 鍋爐爐膛的傳熱 鍋爐爐膛 的傳熱概述 爐膛的傳熱過(guò)程主要是指爐膛內(nèi)火焰與水冷壁管間的熱交換過(guò)程。這種熱交換過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的。它常常伴隨著燃料的燃燒、火焰和煙氣的流動(dòng)以及水冷壁管外表面輻射特性的變化等。但是，它傳熱的主要形式卻是輻射換熱 [6]。 爐膛結(jié)構(gòu)的幾何特征主要包括 ：（ 1） 爐膛容積；（ 2）爐膛內(nèi)爐墻總面積；（ 3）爐膛有效輻射受熱面的面積 ；（ 4）爐膛火焰有效輻射層厚度；（ 5）爐膛水冷程度。 關(guān)于鍋爐爐膛傳熱計(jì)算方法的研究已有 100 多年的歷史。迄今為止 ,工程界和學(xué)術(shù)界提出的爐膛傳熱計(jì)算方法和模型各式各樣、名目繁多。由于爐內(nèi)傳熱過(guò)程復(fù)雜、相關(guān)因素很多 ,現(xiàn)有的爐膛傳熱計(jì)算方法和模型難免存在這樣或那樣的問(wèn)題。為便于從現(xiàn)有的眾多計(jì)算方法和模型中選用合適的計(jì)算方法和模型 ,因此要對(duì)爐膛傳熱計(jì)算方法的發(fā)展?fàn)顩r及現(xiàn)有的主要計(jì)算方法進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上 ,指出 目前工程設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)優(yōu)先選用的方法以及今后爐膛傳熱計(jì)算方法研究的方向。 鍋爐爐膛傳熱計(jì)算常用方法 由于輻射換熱在工程領(lǐng)域中的普遍存在及其求解的重要意義 ,國(guó)外鍋爐爐膛傳熱設(shè)計(jì)一直在發(fā)展，一些新的爐膛傳熱計(jì)算方法和模型仍在不斷涌現(xiàn)。這些模型各有優(yōu)劣 ,對(duì)不同的問(wèn)題所能獲得的解的精度和適用性各不相同。 零維模型 Hudson最早進(jìn)行鍋爐爐膛傳熱試驗(yàn)研究 ,并于 1890年提出了鍋爐爐膛傳熱計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式 ,后由 Orrok 加以修正 ,得到如下形式的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 4 頁(yè) 共 43 頁(yè) 1100FBL??? 式中 μ——爐膛吸熱率 ,% L——空氣與燃料的質(zhì)量比 ,kg/kg B——以?xún)?yōu)質(zhì)煙煤為基準(zhǔn)計(jì)算的燃料量 ,kg/h Fl——輻射受熱面投影面積 ,㎡ Mullikin 根據(jù)輻射傳熱的 StefanBoltzmann 定律提出了如下形式的爐內(nèi)輻射傳熱計(jì)算公式： Q=aHσ(Thy4Tb4) 式中 a——黑度 σ——StefanBoltzmann 常數(shù) Thy——火焰平均溫度 ,K Tb——壁面溫度 ,K H——有效輻射受熱面積 ,㎡ 前蘇聯(lián)中央汽輪機(jī)鍋爐研究所 (ЦКТИ)以 ГУРВИЧ為首的研究小組在綜合了大量的試驗(yàn)數(shù) 據(jù)的基礎(chǔ)上 ,提出了鍋爐爐膛傳熱計(jì)算的半經(jīng)驗(yàn)方法 ,稱(chēng)為 ЦКТИ 法。由于此方法當(dāng)時(shí)在實(shí)際計(jì)算中有較高的準(zhǔn)確性 ,于 1957年和 1973年 2次寫(xiě)入前蘇聯(lián)鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法中。 零維模型粗糙 ,但形式簡(jiǎn)單、使用方便、適合爐膛初步設(shè)計(jì)使用。 多維模型 自 50 年代末 Hottel 等人提出輻射換熱的區(qū)域法模型以來(lái) ,目前已有許多輻射換熱的計(jì)算方法 ,常見(jiàn)的主要有 :蒙特卡羅法、熱流法、離散坐標(biāo)法等。這些方法各有優(yōu)劣 ,所能獲得的解的精度及詳細(xì)程度以及網(wǎng)格與流動(dòng)計(jì)算的相容性也不相同。 （ 1） 蒙特卡洛法 蒙特卡洛法作為一種概率模擬方 法 ,自 Howell 將其引入到輻射傳熱計(jì)算領(lǐng)域中以來(lái) ,已有很長(zhǎng)的一段歷史。其基本思想是對(duì)微元體的發(fā)射、吸收和散射以及邊界壁面的發(fā)射、吸收和反射過(guò)程作概率模擬。通過(guò)概率模擬跟蹤每個(gè)能束的發(fā)射、吸收、散射和反射的情況 ,直到吸收為止 ,并統(tǒng)計(jì)每個(gè)微元吸收能束的數(shù)目。 （ 2） 熱流法 熱流法將微元體界面上復(fù)雜的半球空間熱輻射簡(jiǎn)化成垂直于此界面的均勻熱流 ,使積分 微分形式的輻射傳遞方程簡(jiǎn)化為一組有關(guān)熱通量的線性微分方程 ,然后用通用的輸運(yùn)方程求解方法求解。 （ 3） 離散坐標(biāo)法 輻射傳遞方程的離散坐標(biāo)解法是 Chandrasekhar 研究星際和大氣輻射問(wèn)題時(shí)首先提 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 5 頁(yè) 共 43 頁(yè) 出的 ， 并被 Lathrp 等人應(yīng)用于中子傳輸問(wèn)題。 Love 等人最早將其引入到一維平板輻射換熱問(wèn)題的求解中。最近 ， Truelove、 Fiveland 和 Jamaluddin 對(duì)離散坐標(biāo)法在三維輻射傳熱計(jì)算中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。 離散坐標(biāo)法基于對(duì)輻射強(qiáng)度的方向變化進(jìn)行離散 ， 將輻射傳遞方程中的內(nèi)向散射項(xiàng)用數(shù)值積分近似代替 ， 通過(guò)求解覆蓋整個(gè) 4π 立體角的一套離散方向上的輻射傳遞方程而得到問(wèn)題的解 [8]。 1． 4 本次爐膛設(shè)計(jì)方法及目的 本次設(shè)計(jì) 主要采取 零維模型 法， 先 要 完成鍋爐整體的校核熱力計(jì)算 ，之后完成煤種改變后爐膛及其中各受熱面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及熱力計(jì)算，總結(jié)煤種改變對(duì)爐膛的傳熱影響。繪 制鍋爐本體結(jié)構(gòu)圖，爐膛及其中各受熱面平面圖、剖面圖及管道布置圖 [9]。 通過(guò)對(duì)某型號(hào)電站鍋爐爐膛的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生 通過(guò)具體的實(shí)踐，進(jìn)一步深入理解、掌握和綜合運(yùn)用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)課知識(shí)， 進(jìn)一步 拓寬知識(shí)面，通過(guò)一定的技能訓(xùn)練，培養(yǎng)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生 得到 基本 的 訓(xùn)練，達(dá)到本科生培養(yǎng)目標(biāo)的要求。 通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高和訓(xùn)練學(xué)生工程制圖、計(jì)算機(jī)應(yīng)用和文獻(xiàn)閱讀、外文翻譯、摘要書(shū)寫(xiě)的能力；熟悉有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、技術(shù)手冊(cè)和工具書(shū)；增強(qiáng) 本科生畢業(yè)后到生產(chǎn)第一線工作的適應(yīng)能力。 1． 5 設(shè)計(jì)的基本 參數(shù) 鍋爐 參數(shù) 鍋爐額定蒸發(fā)量： De=220t/h=220103kg/h 給水 溫度： tgs=215oC 過(guò)熱蒸汽壓力（表壓）： pgs= 過(guò)熱蒸汽溫度： 540oC 制粉系統(tǒng)：中間倉(cāng)式（熱空氣做干燥劑、鋼球筒式磨煤機(jī)） 燃燒方式：四角切圓燃燒 排渣方式：固態(tài) 環(huán)境溫度： 20oC 燃料特性 水分： Mar=24% 灰分： Aar=% 碳： Car=% 氫： Har=% 氧： Oar=% 氮： Nar=% 硫： Sar=% 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 6 頁(yè) 共 43 頁(yè) 收到基低位發(fā)熱量： =14580kJ/kg 干燥無(wú)灰基揮發(fā)分： Vdaf=37% 空氣干燥基水分 ： Mad=% BTH 法可磨性系數(shù)： Kkm= 變形溫度： 1150 oC 軟化溫度： 1300 oC 熔化溫度： 1360 oC 過(guò)量空氣系數(shù)和漏風(fēng)系數(shù) 選取過(guò)量空氣系數(shù)總的原則是在保證燃料穩(wěn)定燃燒的基礎(chǔ)上，減少鍋爐的熱損失 。由于過(guò)量空氣系數(shù)引起的熱損失主要是排煙熱損失 q2 但在一定范圍內(nèi)還可以使 q q4減少，使鍋爐效率降 低。過(guò)量空氣系數(shù)也與燃煤種類(lèi)有關(guān)，對(duì)于固體燃料的鍋爐過(guò)量空氣系數(shù)應(yīng)較大。 設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)一般以爐膛出口煙窗處的過(guò)量空氣系數(shù)作為選取基點(diǎn)，它主要與爐膛中燃料的燃燒效率有關(guān)，燃燒效率越高，爐膛出口煙窗處的過(guò)量空氣系數(shù)選取的較小。 非額定負(fù)荷時(shí)漏風(fēng)系數(shù) △α= ?????? DDe 式中 De——鍋爐額定負(fù)荷 D——鍋爐實(shí)際負(fù)荷 2 輔助計(jì)算 為了便于鍋爐各受熱面的熱力計(jì)算，往往在熱力計(jì)算開(kāi)始之前，依據(jù)提供的原始資料和數(shù)據(jù)，將熱力計(jì)算中常用到的一些基本參數(shù)和數(shù)據(jù)，如鍋爐的各處煙氣量 、煙氣成分、煙氣特性參數(shù)以及煙氣焓溫表等，設(shè)計(jì)成計(jì)算圖或計(jì)算表，以便在以后的計(jì)算中隨時(shí)查用。這些計(jì)算圖（表）