【正文】 流動(dòng)計(jì)算的相容性也不相同。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。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：式中 μ——爐膛吸熱率,%L——空氣與燃料的質(zhì)量比,kg/kgB——以優(yōu)質(zhì)煙煤為基準(zhǔn)計(jì)算的燃料量,kg/hFl——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,KTb——壁面溫度,KH——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,稱為ЦКТИ法。 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)。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。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。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。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。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。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。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,比較新爐的燃料與樣機(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),從而作為新爐的設(shè)計(jì)依據(jù)。爐膛設(shè)計(jì)需要充分考慮使用燃料的特性。燃料在爐膛內(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。爐膛又稱燃燒室，是供燃料燃燒的空間。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。 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。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。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。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。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。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。煤倉(cāng)內(nèi)的煤通過(guò)煤閘門，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。最后過(guò)熱蒸汽經(jīng)出汽總管輸送到使用地點(diǎn)。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。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）。鍋爐中有汽水系統(tǒng)和煤煙系統(tǒng)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，稱為鍋爐本體。將固體燃料放在爐排上，進(jìn)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(qiáng)烈火燒的圓筒形爐膛稱為旋風(fēng)爐[3]。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。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，再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能[1]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 46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。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)備稱為鍋爐。 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。產(chǎn)生蒸汽的鍋爐稱為蒸汽鍋爐，又叫蒸汽發(fā)生器，常簡(jiǎn)稱為鍋爐，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)車和工礦企業(yè)。 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。鍋爐本體中兩個(gè)最主要的部件是爐膛和鍋筒[3]。（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）。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。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。（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)。爐排后部的爐渣進(jìn)入灰斗進(jìn)入灰坑，有除渣機(jī)除去。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。 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]。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。（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?，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。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]。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。尤其自改革開放以來(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]。爐膛的橫截面一般為正方形或矩形。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)煔獾拇罅枯椛錈醄6]。每臺(tái)鍋爐應(yīng)盡量燃用原設(shè)計(jì)的燃料。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,并令新爐與樣機(jī)爐兩者性能相等,從而解出欲求的新爐設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，按此法設(shè)計(jì),保證新爐的性能與樣機(jī)爐一致。其它尺寸則參考樣機(jī)由設(shè)計(jì)者自行決定。這種熱交換過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的。但是，它傳熱的主要形式卻是輻射換熱[6]。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。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。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。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。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次寫入前蘇聯(lián)鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法中。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,常見的主要有:蒙特卡羅法、熱流法、離散坐標(biāo)法等。（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。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。（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)首先提出的，并被Lathrp等人應(yīng)用于中子傳輸問(wèn)題。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。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。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。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=%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。過(guò)量空氣系數(shù)也與燃煤種類有關(guān)，對(duì)于固體燃料的鍋爐過(guò)量空氣系數(shù)應(yīng)較大。非額定負(fù)荷時(shí)漏風(fēng)系數(shù)△α= 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。顯然，鍋爐輔助計(jì)算將直接影響鍋爐熱力計(jì)算的質(zhì)量[13]。2．1 燃料數(shù)據(jù)的分析和整理燃料數(shù)據(jù)應(yīng)符合鍋爐設(shè)計(jì)熱力計(jì)算的規(guī)定和要求。2．2 鍋爐的空氣量平衡在負(fù)壓下工作的鍋爐機(jī)組，爐外的冷空氣不斷地漏入爐膛和煙道內(nèi)，致使?fàn)t膛和各個(gè)煙道內(nèi)的空氣量、煙氣量、溫度和焓值相應(yīng)的發(fā)生變化。在鍋爐熱力計(jì)算中，常用過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)說(shuō)明鍋爐爐膛和煙道的實(shí)際空氣量。2．3 燃料燃燒計(jì)算 計(jì)算內(nèi)容 燃燒計(jì)算是以單位質(zhì)量或體積的燃量為基礎(chǔ)。（1）燃燒計(jì)算需計(jì)算出：理論空氣量、理論氮容積、RO2容積、理論干煙氣容積、理論煙氣。計(jì)算中需注意的是，由于本爐屏和凝渣管的漏風(fēng)系數(shù)為0，故爐膛、屏式過(guò)熱器、凝渣管的出口過(guò)量空氣系數(shù)均相同，可直接取爐膛出口過(guò)量空氣系數(shù)；爐膛、屏式過(guò)熱器、凝渣管平均過(guò)量空氣系數(shù)也直接取爐膛出口過(guò)量空氣系數(shù)；其他受熱面的平均過(guò)量空氣系數(shù)則取該受熱面的進(jìn)、出口過(guò)量空氣系數(shù)的算術(shù)平均值。計(jì)算過(guò)程中用到的受熱面出口過(guò)量空氣系數(shù)見表15[3] 。（1）理論空氣焓已知：燃料的種類及其元素分析成分計(jì)算R2O容積計(jì)算理論氮容積計(jì)算理論空氣量計(jì)算理論干煙氣容積VgyO已知：各受熱面出口過(guò)量空氣系數(shù)計(jì)算各受熱面煙道平均過(guò)量空氣系數(shù)αpj計(jì)算各受熱面理論水蒸氣容積計(jì)算各受熱面實(shí)際干煙氣容積Vgy計(jì)算各受熱面水蒸汽容積VH2O計(jì)算各受熱面實(shí)際煙氣容積Vy根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取飛灰份額αfh計(jì)算各受熱面三原子氣體和水蒸氣容積總份額r(=rR2O+rH2O)計(jì)算質(zhì)量飛灰濃度μy圖1 燃料燃燒計(jì)算方框圖根據(jù)理想氣體焓的計(jì)算方法，理論空氣量的焓為為 =Vo(ct)k kJ/kg（2）實(shí)際空氣量的焓 實(shí)際空氣量的焓hk的計(jì)算式為 hk=β=βVo(ct)k kJ/kg式中 (ct)k——1 m3標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的干空氣連同其攜帶的水蒸氣在溫度toC時(shí)的焓。有工程熱力學(xué)可知，其焓值等于各組成成分焓的總和，所以理論煙氣的焓的計(jì)算式為 = kJ/kg煙氣焓溫表（用于爐膛、屏式過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器的計(jì)算）煙氣或空氣溫度υ（℃）理論煙氣焓h0y（kJ/㎏）理論空氣焓h0k（kJ/㎏）理論煙氣焓增（每100℃）?h0y爐膛、屏、凝渣管高溫過(guò)熱器ɑ=ɑ=hy?hyhy?hy400———50060070