【正文】 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 1 頁 共 43 頁 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，也可通過蒸汽動力裝置轉(zhuǎn)換為機械能， 再通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能 [1]。 1． 1 鍋爐 簡介 及發(fā)展?fàn)顩r 鍋爐 簡介 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并其轉(zhuǎn)化為熱能，把水加熱成為熱 水或蒸汽的機械設(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，也可通過蒸汽動力裝置轉(zhuǎn)換為機械能，或再通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能。提供熱水的鍋爐稱為熱水鍋爐，主要用于生活，工業(yè)生產(chǎn)中也有少量應(yīng)用。產(chǎn)生蒸汽的鍋爐稱為蒸汽鍋爐，又叫蒸汽發(fā)生器，常簡稱為鍋爐，是蒸汽動力裝置的重要組成部分，多用于火電站、船舶、機車和工礦企業(yè)。 將固體燃料放在爐排上，進行火床燃燒的爐膛稱為層燃爐，又稱火床爐；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為室燃爐，又稱火室爐；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)燃料的爐膛稱為沸騰爐，又稱流化床爐；利用空氣流使煤粒高速旋轉(zhuǎn)，并強烈火燒的圓筒形爐膛稱為旋風(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，稱為鍋爐本體。鍋爐本體中兩個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)域的對流管束流入下鍋筒（下汽包）。下鍋筒內(nèi)的爐水 ，一部分進入爐膛四周的水冷壁下集箱和水冷壁管；另一部分進入煙氣溫度較高的對流管束。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入上鍋筒。再上過桶內(nèi)匯集并凈化的飽和蒸汽，經(jīng)出氣管進入過熱器繼續(xù)受熱，提高溫度和除去水分，成為過熱蒸汽。最后過熱蒸汽經(jīng)出汽總管輸送到使用地點 。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 2 頁 共 43 頁 （ 2）煤煙 系統(tǒng) 鍋爐所需的燃煤，在經(jīng)過篩選和破 碎后，經(jīng)斗式提升機、皮帶輸送機送到鍋爐前部的煤倉。煤倉內(nèi)的煤通過煤閘門，隨著鏈條爐排的移動，連續(xù)的落到爐排上進入爐膛內(nèi)燃燒。爐排后部的爐渣進入灰斗進入灰坑，有除渣機除去。鍋爐燃燒所需的空氣，由送風(fēng)機進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，穿過爐排縫隙進入煤層助燃。燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，現(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)過立式過熱器往后折轉(zhuǎn)與對流管束， 在進入后煙道、省煤器和空氣預(yù)熱器，進一步放出熱量。此時煙氣溫度已經(jīng)大大降低，不再利用，經(jīng)除塵器、引風(fēng)機和煙囪排放 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)電廠中的使用越來越多，在國民經(jīng)濟中的地位也更為重要，因此如何提高鍋爐的安全性、經(jīng)濟性，降低其造價，增長其使用壽命，減少其對環(huán)境的污染等等，已成為鍋爐發(fā)展和研究的重大問題 [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)展趨勢大體上可按下述幾方面來說明： （ 1）鍋爐容量 世界工業(yè)先進國家為了適應(yīng)電力需要的增長，大多盡快擴大發(fā)電機組的單機容量。機組容量增大則每千瓦的設(shè)備費用降低，金屬耗量減 少，基建投資節(jié)省。在其他條件相同時，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 鍋爐爐膛是用來燃燒燃料和空氣的有限空間。現(xiàn)代鍋爐的爐膛既是一個燃燒室，又是一個換熱設(shè)備。鍋爐中工質(zhì)的總吸熱量有一半左右是通過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 鍋爐是中國重要的熱能動力設(shè)備 ,中國是當(dāng)今世界燃煤鍋爐生產(chǎn)和使用得最多的國家之一。但我國對鍋爐設(shè)計的起步較晚，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。中國鍋爐制造業(yè)是在新中國成立后建立和發(fā)展起來的。尤其自改革開放以來 ,隨著國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展 ,全國有上千家持有各級鍋爐制造許可證的企業(yè) ,可以生產(chǎn)各種不同等級的鍋爐 [5]。 爐膛又稱燃燒室，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 第 3 頁 共 43 頁 在爐膛內(nèi)燃燒形成火焰和高溫?zé)煔猓誀t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)計需要充分考慮使用燃料的特性。每臺鍋爐應(yīng)盡量燃用原設(shè)計的燃料。燃用特性差別較大的燃料時鍋爐運行的經(jīng)濟性和可靠性都可能降低 鍋爐爐膛設(shè)計的一種方法是參照本廠或其它廠已經(jīng)投運的性能良好的鍋爐 (即所謂樣機爐 )結(jié)構(gòu)尺寸及其性能 ,比較新爐的燃料與樣機爐的燃料特性差別 ,適當(dāng)調(diào)整樣機鍋爐的結(jié)構(gòu)尺寸及工況參數(shù) ,從而作為新爐的設(shè)計依據(jù)。為了適應(yīng)設(shè)計者的習(xí)慣 ,從理論上給出鍋爐燃燒穩(wěn)定性及燃盡性能公式 ,并令新爐與樣 機爐兩者性能相等 ,從而解出欲求的新爐設(shè)計數(shù)據(jù)，按此法設(shè)計 ,保證新爐的性能與樣機爐一致。 在進行爐膛設(shè)計時，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由設(shè)計者自行決定。 1． 3 鍋爐爐膛的傳熱 鍋爐爐膛 的傳熱概述 爐膛的傳熱過程主要是指爐膛內(nèi)火焰與水冷壁管間的熱交換過程。這種熱交換過程是相當(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算方法和模型各式各樣、名目繁多。由于爐內(nèi)傳熱過程復(fù)雜、相關(guān)因素很多 ,現(xiàn)有的爐膛傳熱計算方法和模型難免存在這樣或那樣的問題。為便于從現(xiàn)有的眾多計算方法和模型中選用合適的計算方法和模型 ,因此要對爐膛傳熱計算方法的發(fā)展?fàn)顩r及現(xiàn)有的主要計算方法進行分析。在此基礎(chǔ)上 ,指出 目前工程設(shè)計計算中應(yīng)優(yōu)先選用的方法以及今后爐膛傳熱計算方法研究的方向。 鍋爐爐膛傳熱計算常用方法 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 ,國外鍋爐爐膛傳熱設(shè)計一直在發(fā)展，一些新的爐膛傳熱計算方法和模型仍在不斷涌現(xiàn)。這些模型各有優(yōu)劣 ,對不同的問題所能獲得的解的精度和適用性各不相同。 零維模型 Hudson最早進行鍋爐爐膛傳熱試驗研究 ,并于 1890年提出了鍋爐爐膛傳熱計算的經(jīng)驗公式 ,后由 Orrok 加以修正 ,得到如下形式的經(jīng)驗關(guān)系式： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 4 頁 共 43 頁 1100FBL??? 式中 μ——爐膛吸熱率 ,% L——空氣與燃料的質(zhì)量比 ,kg/kg B——以優(yōu)質(zhì)煙煤為基準(zhǔn)計算的燃料量 ,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)中央汽輪機鍋爐研究所 (ЦКТИ)以 ГУРВИЧ為首的研究小組在綜合了大量的試驗數(shù) 據(jù)的基礎(chǔ)上 ,提出了鍋爐爐膛傳熱計算的半經(jīng)驗方法 ,稱為 ЦКТИ 法。由于此方法當(dāng)時在實際計算中有較高的準(zhǔn)確性 ,于 1957年和 1973年 2次寫入前蘇聯(lián)鍋爐機組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法中。 零維模型粗糙 ,但形式簡單、使用方便、適合爐膛初步設(shè)計使用。 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 ,目前已有許多輻射換熱的計算方法 ,常見的主要有 :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程度以及網(wǎng)格與流動計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算領(lǐng)域中以來 ,已有很長的一段歷史。其基本思想是對微元體的發(fā)射、吸收和散射以及邊界壁面的發(fā)射、吸收和反射過程作概率模擬。通過概率模擬跟蹤每個能束的發(fā)射、吸收、散射和反射的情況 ,直到吸收為止 ,并統(tǒng)計每個微元吸收能束的數(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題時首先提 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 5 頁 共 43 頁 出的 ， 并被 Lathrp 等人應(yīng)用于中子傳輸問題。 Love 等人最早將其引入到一維平板輻射換熱問題的求解中。最近 ， Truelove、 Fiveland 和 Jamaluddin 對離散坐標(biāo)法在三維輻射傳熱計算中的應(yīng)用進行了研究。 離散坐標(biāo)法基于對輻射強度的方向變化進行離散 ， 將輻射傳遞方程中的內(nèi)向散射項用數(shù)值積分近似代替 ， 通過求解覆蓋整個 4π 立體角的一套離散方向上的輻射傳遞方程而得到問題的解 [8]。 1． 4 本次爐膛設(shè)計方法及目的 本次設(shè)計 主要采取 零維模型 法， 先 要 完成鍋爐整體的校核熱力計算 ，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)計及熱力計算，總結(jié)煤種改變對爐膛的傳熱影響。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]。 通過對某型號電站鍋爐爐膛的設(shè)計，讓學(xué)生 通過具體的實踐，進一步深入理解、掌握和綜合運用所學(xué)的專業(yè)課知識， 進一步 拓寬知識面，通過一定的技能訓(xùn)練，培養(yǎng)分析和解決實際問題的能力，使學(xué)生 得到 基本 的 訓(xùn)練，達到本科生培養(yǎng)目標(biāo)的要求。 通過畢業(yè)設(shè)計進一步提高和訓(xùn)練學(xué)生工程制圖、計算機應(yīng)用和文獻閱讀、外文翻譯、摘要書寫的能力；熟悉有關(guān)設(shè)計規(guī)范、技術(shù)手冊和工具書；增強 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 過熱蒸汽壓力（表壓）： pgs= 過熱蒸汽溫度： 540oC 制粉系統(tǒng)：中間倉式（熱空氣做干燥劑、鋼球筒式磨煤機） 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 第 6 頁 共 43 頁 收到基低位發(fā)熱量： =14580kJ/kg 干燥無灰基揮發(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 過量空氣系數(shù)和漏風(fēng)系數(shù) 選取過量空氣系數(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。過量空氣系數(shù)也與燃煤種類有關(guān)，對于固體燃料的鍋爐過量空氣系數(shù)應(yīng)較大。 設(shè)計鍋爐時一般以爐膛出口煙窗處的過量空氣系數(shù)作為選取基點，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量空氣系數(shù)選取的較小。 非額定負(fù)荷時漏風(fēng)系數(shù) △α= ?????? DDe 式中 De——鍋爐額定負(fù)荷 D——鍋爐實際負(fù)荷 2 輔助計算 為了便于鍋爐各受熱面的熱力計算，往往在熱力計算開始之前，依據(jù)提供的原始資料和數(shù)據(jù)，將熱力計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)計成計算圖或計算表，以便在以后的計算中隨時查用。這些計算圖（表）