锅炉计算简介
锅炉计算简介
锅炉热力计算结果是由锅炉制造厂家设计计算完成的。厂家为用户提供热力计算说明书或热力计算汇总表，其结果往往和实际运行的参数有差别。为便于电厂锅炉技术人员对锅炉技术问题进行分析，需要了解锅炉热力计算的基本思路。对受热面改造要依据《锅炉热力计算标准》进行设计。
第一节 燃烧计算
一、化学燃烧方程式
单位数量的燃料[固体及液体用千克（kg ）计，气体燃料用标准立方米（Nm 3）计]完全燃烧时所需要的空气量称为理论空气量。单位为标准立方米每千克（Nm 3/kg ），在此情况下空气中的氧全部与燃料中的可燃元素化合，烟气中没有自由氧存在，即1kg 燃料中的可燃成分100ar C kg ，100
ar H kg ，100ar S kg ，完全燃烧时所需空气量之和。 1.碳（C ）
碳完全燃烧时，化学反应式为
C +O 2 → CO 2
12kgC + 22.4 Nm 3 O 2 → 22.4 Nm 3CO 2
或 1kgC + 1.866 Nm 3 O 2 → 1.866Nm 3CO 2
1kg 收到基燃料中含有100
ar C kg 碳，因而1kg 燃料中的碳完全燃烧时所需要的氧量为1.866100
ar C Nm 3。 2.氢（H ）
氢完全燃烧时，化学反应式为
2H 2 + O 2 → 2H 2O
4.032kgH 2 + 22.4Nm 3O 2 → 44．8 Nm 3H 2O
或 1kgH 2 +5.56Nm 3O 2 →11.1Nm 3H 2O
1kg 收到基燃料中含有100
ar H kg 氢，因而1kg 燃料中的氢完全燃烧时所需要的氧量为
5.56100
ar H Nm 3。 3.硫（S ）
硫完全燃烧时，化学反应式为
S + O 2 → SO 2
32kgS + 22.4Nm 3O 2 → 22．4Nm 3SO 2
或 1kgS + 0.7Nm 3O 2 →0．7Nm 3SO 2
1kg 收到基燃料中含有100
ar S kg 硫，因而1kg 燃料中的硫完全燃烧时所需要的氧量为0．7100
ar S Nm 3。 二、空气量的计算
(一)理论空气需要量用0
V 表示―单位燃料中的可燃质完全燃烧，而且空气中没有剩余氧时所需要空气的体积。
由于1kg 燃料本身含有的氧量为100ar O kg ，相当于100
7.0100324.22ar ar O O =?Nm 3。 所以，1kg 收到基燃料燃烧所需的理论氧量02O V 为式（2-1）
20ar ar ar ar O C S H O V 1.8660.7 5.560.7100100100100=++- Nm 3/kg （2—1）
在干空气中氧的容积含量为21%，所以，1kg 收到基固体或液体燃料燃烧时所需的理论空气量V 0
为
0ar ar ar ar ar ar ar ar C S H O 1V (1.8660.7 5.560.7)0.21100100100100
0.0889C 0.0333S 0.265H 0.0333O =++-=++- Nm 3/kg （2—2） 或写成式（2-3）的形式
0ar ar ar ar V 0.0889C 0.265H 0.0333(S O )=++- Nm 3/kg （2—3）
式中 C AR ——碳的收到基百分含量，%；
ar S ——硫的收到基百分含量，%；
ar H ——氢的收到基百分含量，%；
ar 0——氧的收到基百分含量，%。
（二）实际空气需要量与过量空气系数
为了使燃料在炉内完全燃烧，减少燃料的不完全燃烧热损失，实际供给燃料的空气量要比理论空气量多，我们将实际供到炉内的空气量称为实际空气需要量，用V K
表示。
实际空气需要量与理论空气需要量的比值称为过量空气系数，用α表示。
k
0V V α= （2―4） 式中 α——过量空气系数；
V K ——实际空气需要量Nm 3/kg ；
V 0——理论空气需要量Nm 3/kg 。
过量空气系数由实验测定，正在运行中的锅炉，一般测定炉膛出口处的过量空气系数αl 。煤粉炉的αl 一般取1.15～1.25，它的最佳值与燃料种类、燃烧方式、以及燃烧设备的完善程度等有关。
在运行中通过烟气成分分析可得到各处的过量空气系数，即
αl ＝2
2121o - （2―5） 式中 O 2——烟气中氧的成分，％。
三、烟气容积的计算
y V ＝2ar ar H O 21.866(C 0.375S )V RO CO +++ （2―6）
式中 ar C 、ar S ——燃料收到基的成分，％
2RO 、CO ——烟气中二氧化碳与二氧化硫成分之和及一氧化碳的成分，％
2H O
V ——烟气中水蒸气的分容积，Nm 3/kg 四、锅炉运行中烟气焓的计算
22y gy gy H O H O H (V C V C )=+?+fh H (2―7) 式中 y H 、fh H —烟气和飞灰的焓，kJ/kg ；
gy C 、2H O C —分别表示干烟气和烟气中水蒸气的容积的比热，kJ/Nm 3 ℃；
?—烟气温度，℃；
2H O V —烟气中水蒸气的容积，Nm 3
/kg ；
第二节 锅炉机组热平衡及锅炉的输入能量
一、热平衡概念
从能量平衡的观点出发，锅炉在稳定工况时，输入锅炉的热量与从锅炉输出的热量相平衡，这就是锅炉的热平衡。输入锅炉的热量，一般可以简单地认为就是燃料燃烧所放出的热量，从锅炉输出的热量可以分为两部分：一部分是使水变成过热蒸汽所吸收的热量，这部分热量通常称为锅炉的有效利用热量；另一部分就是锅炉在生产中由于各种原因不可避免地要损失掉的热量。
如果把燃料燃烧所放出的热量（即输入锅炉的热量）看做是100%，锅炉有效利用热量和各项热损失加起来同样是100%，这样就可以建立起以百分数表示的锅炉热平衡方程式
%100654321=+++++q q q q q q （2—8）
式中 1
q ——有效利用热量占输入热量的百分数，%； 2
q ——排烟热损失占输入热量的百分数，%； 3
q ——气体未完全燃烧热损失占输入热量的百分数，%； 4
q ——固体未完全燃烧热损失占输入热量的百分数，%； 5
q ——锅炉炉体的散热损失占输入热量的百分数，%； 6q ——灰渣物理热损失占输入热量的百分数，%。
研究热平衡的目的，就在于弄清楚燃料中热量有多少被有效利用，有多少损失掉了，以及损失到哪些方面去了，以便寻求提高锅炉热经济性的各种途径。
二、计算锅炉热效率的正、反平衡法
（一）锅炉热效率
所谓锅炉热效率，就是锅炉的有效利用热量占输入锅炉热量的百分数。所以，锅炉热效率
1gl 1r 100Q q Q η==? % （2—9）
式中
1Q ——有效利用热量，kJ/kg ； r
Q ——输入锅炉的热量，kJ/kg 。 由式（2—8）和式（2—9）可得式（2-10）
512346gl 100()q q q q q q η==-++++ % （2—10）
用式（2—8）计算锅炉热效率的方法，通常被称为正平衡法，或叫正平衡热效率；用式（2—9）所计算的锅炉热效率，称为反平衡法，或叫反平衡热效率。过去发电厂常用反平衡法计算锅炉的热效率，因为用正平衡法计算热效率时手续比较麻烦，所得出的结果往往有较大的误差，用反平衡法计算热效率时比较方便和准确。另外，在用反平衡法计算热效率时，必须先求出各项热损失的大小，这有利于对各项热损失进行分析，以便找出减少这些热损失的措施，提高锅炉的热效率。
随着我国研制的原煤计量设备和入炉煤的测量方法在不断地完善，大容量锅炉准确计量日趋成熟，因此大型电厂开始采用正平衡法求锅炉热效率。
（二）输入锅炉的热量及有效利用热量
对应于1kg 燃料输入锅炉的热量包括燃料收到基低位发热量，燃料的物理显热，雾化重油所用蒸汽带入的热量。物理显热的数值很小，可以忽略不计，如果不是烧油的锅炉，一般情况下输入锅炉的热量就可以视为燃料的收到基低位发热量，即
r net.ar Q Q ≈ kJ/kg （2—11）
锅炉有效利用热量包括过热蒸汽吸收的热量，饱和蒸汽吸收的热量，以及排污水带走的热量。但排污率＜2%，排污水带走的热量很少,可以忽略不计，对于1千克燃料的锅炉有效利用热量可用式（2-12）计算
()1gq gs gq Q D h h ''=- kJ/s (2―12)
式中 gq
D —过热蒸汽流量，kg/s ； gq
h ''—过热器出口过热蒸汽焓，kJ/kg ； gs h —锅炉给水的焓，kJ/kg 。
第三节 锅炉的热损失
由于生产过程中燃料的不完全燃烧，结构的散热等原因，锅炉运行过程中存在各项热损失，根据产生损失的原因不同，分为五项。
一、固体未完全燃烧热损失
灰中含有未燃尽的残碳造成该项热损失。对于运行中的煤粉炉，通常采用灰平衡法，即根据每小时的飞灰量、炉渣量以及飞灰和炉渣中残留的可燃物含量百分数来计算大小。
ar fh fh lz lz 4r fh lz 32892A C C 100-C 100C a a q Q ??=+ ?-?? % （2—13）
式中 32892——灰中残留可燃物的发热量，kJ/kg ；
C fh 、C lz ——飞灰和炉渣中可燃物含量百分数% ，由取样分析确定；
fh a 、lz a ——飞灰和炉渣中的灰占总灰量的份额，按经验选取。
在设计锅炉时，不能计算锅炉的固体未完全燃烧热损失，只能按照锅炉型式及煤种根据热力计算标准选取。
影响固体未完全燃烧热损失的主要因素有：燃烧方式、燃料性质、炉膛结构、锅炉负压以及运行工况、操作水平等。
对于室燃炉，由于飞灰占燃料的总灰分的份额较大，所以，飞灰不完全燃烧热损失占主要部分。而旋风炉的飞灰不完全燃烧热损失较小。燃料中的灰分越少，挥发分越多，煤粉越细，固体未完全燃烧热损失就越小。炉膛结构及喷燃器布置合理是煤粉在炉内有充足的停留时间和良好的空气动力条件、锅炉负荷及运行工况稳定、操作人员进行正确的运行调节、保持适当的过量空气系数、火焰中心位置正确并充满整个炉膛、则固体未完全燃烧热损失就小。
二、气体未完全燃烧热损失
因烟气中含有可燃气体造成。气体未完全燃烧热损失等于烟气中所有可燃气体的发热量之和，由于氢气和甲烷含量极少，所以只考虑烟气中的一氧化碳含量，计算公式如式（2-14）
ar ar 34r 256.3CO(C 0.375S )(100)(RO CO)q q Q +=?-+ % （2—14）
式 CO ——由烟气分析测得的干烟气中一氧化碳容积含量百分数，%；
RO 2——由烟气分析测得的干烟气中二氧化碳和二氧化硫之和的容积含量百分数，%； 4100q -——修正系数，是考虑燃烧过程中由于固体未完全燃烧热损失，使部分燃料没有生成烟气，因而对于烟气容积应进行的修正。
根据我国几十种煤种的统计，得出气体未完全燃烧热损失的简化计算公式
"43L 1003023CO 100q q α-= % （2—15）
式中 CO ——由烟气分析测得的干烟气中一氧化碳容积含量百分数，%；
"L α——炉膛出口的过量空气系数。
影响气体未完全燃烧热损失大小的主要因素有：过量空气系数、挥发分含量、炉膛温度及炉内空气动力工况等。
当燃料的挥发分多时，如果过量空气系数过小，将时燃烧因氧气不足而使气体未完全燃烧热损失增大，但过量空气系数过大，又会降低炉膛温度，而且由于CO 在低于800～900℃时很难燃烧，所以也会使气体未完全燃烧热损失增大。
炉内空气动力工况关系到可燃气体是否能得到充足的氧，因而也影响到气体未完全燃烧热损失的大小，炉内空气动力工况除了与炉膛结构和喷燃器型式及布置方式有关外，还与运行工况及操作水平有关。
在运行中，保持适当的过量空气系数和较高的炉内温度以及稳定的负荷，并组织好炉内空气动力工况，使燃料与空气实现充分的混合，会减少气体未完全燃烧热损失。
三、排烟热损失
排烟热损失是由于烟气在离开锅炉的最后受热面时，还具有相当高的温度带走一部分锅炉的热量而造成的热量损失。排烟热损失是锅炉各项热损失中最大的一项，对大、中型锅炉为4%～8%。
排烟热损失2q 可表示为式（2-16）
22r 100%Q q Q =? % （2—16）
如果不用外来热源加热燃料和空气，也不用蒸汽雾化燃油时，排烟热损失应等于排烟热焓与冷空气热焓之差。烟气的容积与热焓是根据完全燃烧这一假定计算的，由于部分燃料不能完全燃烧，每千克燃料所需空气量，燃烧后生成的烟气容积和热焓减少，所以，在实际计算时要对上述焓差进行修正。排烟热损失的简化计算公式为
'y k 422()
(1)CO 100t q q λ?-=?- % （2—17）
式中 '
λ——与煤质有关的系数，常取=0.70； y
?——排烟温度，℃； k t ——冷空气温度，℃；
CO 2——排烟中CO 2容积含量百分数，%。
影响排烟热损失的主要因素是排烟容积和排烟温度。排烟容积大、排烟温度高则排烟热损失大。在一般情况下，当排烟温度升高10～15℃时，排烟热损失约增加1%。
降低排烟温度可以降低排烟热损失。但是将排烟温度降得过低是不合理的，也是不允许的。因为降低排烟温度，势必增加锅炉尾部受热面，不但增加钢材耗量，同时增加了排烟侧
的流动阻力，运行中要多耗电能。另外，为减轻尾部受热面的低温腐蚀，特别是当燃用含硫量较大的燃料时，排烟温度应高些。所以，合理的排烟温度应通过技术经济比较来确定。对于近代大中型锅炉，排烟温度通常为110～160℃。
降低炉内过量空气系数可以减少排烟容积，使排烟热损失减少。但过量空气系数过低，又会增大气体未完全燃烧热损失和固体未完全燃烧热损失，所以最合理的过量空气系数应按排烟热损失、气体未完全燃烧热损失和固体未完全燃烧热损失之和为最小值的原则来选取。运行中，漏风会使排烟容积增大并使漏风处以后受热面的传热减弱，炉膛下部的漏风还会使排烟温度升高，增加排烟热损失。因此应尽量减少炉膛及烟道各部的漏风以减少排烟热损失。
当受热面积灰、结渣和结垢时，会使传热减弱、排烟温度升高，造成排烟热损失增大。因此，应及时吹灰、打焦和清除结垢，保持受热面内外清洁，降低排烟热损失。
四、散热损失
锅炉散热损失是锅炉在运行中，由于锅炉联箱、炉墙、金属结构以及各类管道的温度均高于周围环境温度，向周围环境散热所造成的热量损失。
锅炉散热损失的数值计算比较复杂，通常可按经验曲线查得。该曲线表示了锅炉额定蒸发量与散热损失的关系。额定蒸发量下的散热损失e 5q 可在曲线上直接查出。
当锅炉在非额定工况下运行时，其散热损失可按式（2-18）计算
e e 55D q q D = % （2—18）
式中 e 5q ——锅炉额定蒸发量下的散热损失，%；
e
D ——锅炉额定蒸发量，t/h ； D ——锅炉运行中的实际蒸发量，t/h 。
运行中为了精确计算散热损失，也可以将5q 作为锅炉热平衡的剩余项来计算，即
)(100643215q q q q q q ++++-= % （2—19）
影响散热损失的主要因素有：锅炉容量及炉体的外表面积、水冷壁与炉墙结构、周围空气的温度、空气流动状况和锅炉负荷变化等。
一般来说，锅炉容量越大，外表面积也越大，散热损失绝对值就越大。但按散热损失的百分数来说，当锅炉容量增大时，燃料消耗量大致成正比例增大，而锅炉的外表面积和炉膛温度并不随锅炉容量的增大成正比例的增加。这样，对应于单位蒸发量（或单位燃料消耗量）的外表面积是减少的，所以，锅炉容量越大，散热损失就越小。
若水冷壁与炉墙结构严密紧凑，保温良好，锅炉周围空气温度高及流动缓慢，则散热损失小。
五、灰渣物理热损失
锅炉燃用固体燃料时，从锅炉排出的灰和渣还具有相当高的温度，因为炉渣、飞灰以及沉降灰排出锅炉造成的热量损失称为灰渣物理热损失。
灰渣物理热损失按式（2-20）计算
cjh cjh 0cjh ar lz lz 0lz fh fh 0fh 6c c c r lz fh cjh ()C A ()C ()C []100100C 100C 100C t t t t t t q Q ααα---=++--- % （2－20）
式中 t lz ——炉膛排烟温度，固态排渣煤粉炉取800℃，液态排渣煤粉炉取lz 100t FT =+ ℃；
t fh ——飞灰温度，取排烟温度，℃；
t cjh ——烟道排出的沉降灰的温度，可取沉降灰部位的烟气温度，℃；
C lz 、C fh 、C fh ——炉渣、飞灰、沉降灰的比热容，查灰的平均定压比热表。 当燃煤折算灰分ar zs net.ar 4187A A Q =<10%时，固态排渣煤粉炉可忽略物理热损失；液态排渣
煤粉炉、旋风炉可忽略飞灰物理热损失；对于燃油炉，灰渣物理热损失为零。
影响灰渣物理热损失的因素有：燃料中的灰分含量、炉渣占总灰分的份额和排渣方式等。主要取决于排渣量和排渣温度。
排渣量与燃烧方式有关：一般悬浮燃烧的排渣量较小，其他燃烧方式较大；悬浮燃烧的排渣量与排渣方式有关：固态排渣的渣量较小，液态排渣的渣量较大。
排渣温度与排渣方式有关。显然，固态排渣锅炉的排渣温度低，灰渣物理热损失较小，而液态排渣锅炉的排渣温度较高，灰渣物理热损失较大，必须予以考虑。
第四节 锅炉输出热量和燃料消耗量
一、锅炉输出热量
锅炉输出热量是指燃料带入锅炉的热量中，用以生产蒸汽的那部分热量。它是相对于每千克固体燃料、工质在锅炉中所吸收的总热量，以及排污水和其他外用蒸汽所消耗的热量的总和，即锅炉送出蒸汽的总热量与给水、返回锅炉蒸汽的总热量之差，用式（2-21）计算。 ''
'''''1gq gq gs zq zq zq zj zq zj bq bq gs pw bs gs 1[()(h )()()()]Q D h h D h D h h D h h D h h B =-+-+-+-+- （2
—21）
式中 B ——锅炉燃料消耗量，kg/s ；
gq D ——主蒸汽流量，kg/s ；
zq
D ——再热器入口蒸汽流量，kg/s ； zj D ——再热器减温水流量，kg/s ；
bq
D ——饱和蒸汽抽出量，kg/s ； pw D ——排污水流量，kg/s ；
gq h ''——主蒸汽焓，kJ/kg ；
gs h ——给水焓，kJ/kg ；
zq
h ''、zq h ''——再热器出、入口蒸汽焓，kJ/kg ； zj h ——再热器减温水焓，kJ/kg ；
bq h 、bs h ——饱和蒸汽、饱和水焓，kJ/kg 。
上式计算适用于一次再热，以给水作为喷水减温的机组。对于多次再热机组，应加入其余各级再热器所吸收的热量。
二．燃料消耗量
锅炉的燃料消耗量是指单位时间内锅炉所消耗的燃料量。用式（2-22）计算。 '''''''gq gq gs zq zq zq zj zq zj bq bq gs pw bs gs r ()()()()()
100D h h D h h D h h D h h D h h B Q η-+-+-+-+-=?kg /s （2—22）
B 一般称为锅炉的实际燃料消耗量，即在单位时间内必须送入锅炉的燃料量。因此，在燃料运输系统和制粉系统的计算时，应按实际燃料消耗量进行计算。但是，在锅炉运行中由于机械未完全燃烧热损失的存在，1kg 入炉燃料只有（1-4q /100）kg 的燃料参加燃烧反应，因而实际燃烧所需的空气量及生成的烟气量均相应减少。为此，在进行锅炉燃烧计算和通风计算时（如计算空气需要量、烟气容积、烟气焓以及空气和烟气的流速等），应扣除机械未完全燃烧热损失后的燃料消耗量，即计算燃料消耗量
j B 。 )1001(4q B B j -= kg/s