锅炉课程设计指导书(附超临界锅炉设计实例word版本)

第一章锅炉设计的任务及热力

计算的作用和分类

设计工作是产品生产的第一道重要工序，设计好坏对产品的性能和质量有着决定性的作用。设计布置新锅炉的要：确定锅炉的型式，决定各个部件的构造尺寸，在保证安全可靠的基础上力求技术先进、节约金属、制造安装简便，并有高的锅炉效率，以节约燃料消耗。

因此，在设计锅炉之前，应根据所给定的锅炉容量，参数和燃料特性，有目的地进行广泛深入的调查研究，综合利用有关的理论以及制造、运行方面的实践知识，进行各种技术方案的运筹和比较，并进行各种精确的计算。一般开始设计时，先选定锅炉的总布置，进行燃料消耗量的计算，然后再决定锅炉结构，进行炉膛传热计算，决定对流受热面的结构，进行对流受热面的传热计算。在以上的结构计算和传热计算中，须预先选定受热面的管径和壁厚，布置好水循环系统（汽包锅炉）或启动系统（超临界锅炉），以上计算（或称热力计算）结束以后，再根据它的计算结果，计算管壁温度和承压强度，并根据金属材料极限许用应力的等级，确定各受热面所应取用的合金材料，必要时可重新调整管径、壁厚，以便在满足强度的条件下，使制造总费用达到最低。对于自然循环汽包炉，需要进行水循环计算，校核水循环是否安全可靠，最后还要进行空气动力计算，核算烟、风道流动阻力是否合理，并依此选择锅炉的送、引风机。在一切都正常合理时，即可根据以上的初步设计和计算，作进一步的设计。

本锅炉设计的任务是进行热力计算，因为整台锅炉的热力计算是锅炉设计中的一项最主要的计算。热力计算的方法，按照已知的条件和计算目的来分，可以分为设计计算和校核计算两种。

在设计新锅炉时的热力计算称为设计热力计算。设计热力计算的任务是在给定的煤种、给定的给水温度前提下，确定保证达到额定蒸发量，选定的锅炉经济指标以及给定的蒸汽参数所必需的锅炉各受热面的结构尺寸。例如我们在例题中给出的2102t/h锅炉的热力计算就是一个设计热力计算的例子。

在进行设计热力计算之前要进行锅炉的整体布置。即确定炉型（П型、塔形或其它布置方式）、水循环方式（自然循环、控制循环、直流）、燃烧方式（直流燃烧器、旋流燃烧器）、过热汽温、再热汽温的调节方式（摆动式直流燃烧器、烟气挡板、烟气再循环等）。上述几个大的方面确定后，就要设计布置受热面，即决定炉膛、对流烟道以及受热面之间的相对位置和相互关系，各种受热面的型式（即错列或顺列、立式或卧式）和尾部受热面的布置方式（单级布置或双级布置）、还要确定制粉系统的方式，燃烧器型式与布置，及预先选定锅炉的排烟温度、热空气温度等经济性指标。

在进行设计热力计算时，应具备下列原始数据：

1、锅炉的蒸发量、给水压力和给水温度，以及主汽阀前过热蒸汽的压力和温度，如例题为：蒸发量2102t/h，给水压力31Mpa，给水温度282℃，过热蒸汽压力25.4Mpa、过热蒸汽温度571℃。

2、再热器进、出口处的蒸汽压力、蒸汽温度和蒸汽流量。如例题为：再热器进/出口压力：4.72/4.52 Mpa，进、出口温度322/691℃，流量1761t/h。

3、连续排污量（如例题超临界直流锅炉该项为零）。

4、燃料特性。例题为烟煤，并附有成分分析数据。

5、制粉系统的计算数据，如磨煤一次风量、旁路一次冷风量、煤粉空气混合物总量、制粉系统漏风率（或密封风系数）、煤粉的湿度和温度等。

6、选定的排烟温度和热空气温度，如例题为：排烟温度132℃，热空气温度334.2℃。

7、其它一些环境资料，如当地大气压、湿空气的含水量等。

设计热力计算是在锅炉额定负荷下进行的。亦即锅炉各部件的结构尺寸是按额定负荷设计的。为了预先估计锅炉在其他负荷下的工作特性，往往对新设计的锅炉进行非额定负荷下的热力特性计算（校核热力计算的一种），一般作70%负荷和50%负荷的计算。

锅炉的校核热力计算是对一台已经设计好的锅炉进行的。锅炉的负荷变化、燃用煤质变化，以及给水温度改变，合称为锅炉的变工况。锅炉在变工况下运行时（例如煤种变化），其过热汽温、再热汽温、各受热面进、出口的烟气温度、介质温度（包括热风温度和排烟温度）、锅炉效率、燃料消耗量以及空气和烟气的流量和速度等都要发生改变而偏离设计值。校核热力计算的任务就是通过热力计算，定量地确定这些新的数值。在进行校核热力计算时，锅炉受热面的结构是已知的，锅炉烟气和部介质的中间温度、排烟温度、预热器出口空气温度有时甚至是过热汽温等则是未知的。为完成计算，需要利用迭代计算得方法。逐步接近待计算值。为了进行校核热力计算，必须提供锅炉的图纸和有关燃烧设备、各受热面和烟风道的结构和尺寸的资料，并提出在校核工况下的锅炉参数、燃料性质和给水温度。

对于锅炉的单个受热部件，也有设计热力计算和校核热力计算的区分。部件的设计热力计算是根据给定的受热面的传热量（或给定受热面的介质流量和进、出口温度），去计算传热温压和传热系数，最终求出受热面积的数值。设计计算是一种直接计算的方法，一般不需要进行逐步近似的计算过程。校核热力计则不然，进行单个受热面的校核计算时，一般只能知道热侧介质和冷侧介质的各一个温度或焓（进口的或出口的），介质的另一端的温度或焓。因此要预先假定一个数值，然后借助两个热平衡方程和一个传热方程，经迭代计算逐步逼近真实值。

校核热力计算的目的是为了估计锅炉在非设计工况条件下运行的经济指标，对锅炉运行缺陷（例如汽温偏低、排烟温度偏高等）的可能原因做出分析判断，寻求改进锅炉结构的必要措施，以及为选择辅助设备和进行空气动力计算、水动力计算、管壁温度计算和其它可靠性计算提供基础资料。

设计热力计算和校核热力计算在计算方法上基本上是相同的，计算时所依据的传热原理、计算公式和图表曲线也都是相同的，区别仅在于计算任务和所求结果不同。而且设计计算和校核计算也没有绝对的界限，一个部件的设计计算往往可以采用校核计算的方法来完成。有经验的设计人员常可以根据他的经验，预先将锅炉受热面的结构尺寸决定，然后逐步进行校核计算，如果不合适，则重新调整受热面的结构（主要是调整受热面的面积），直至满足换热量的要求，这也是一种设计计算方法。在本书例题中，炉膛计算是首先布置好炉膛水冷壁面积，然后计算出炉膛出口烟温，从而确定炉膛的辐射换热量，因此属于校核热力计算。末级过热器计算是根据已知的过热汽温（设计值）和前面计算出的进口汽温，确定了末级过热器的对流换热量，然后计算出一个传热面积，因此末级过热器计算属于设计热力计算。同理，水平低温再热器的计算也属于设计计算。但对于上述末级过热器和低温再热器这两个受热面，都是用校核热力计算的方法实现设计热力计算的目的。

第二章锅炉的设计计算

第一节设计计算的步骤

设计热力计算一般按以下步骤进行：

1、按计算任务书列出原始数据，如例题第18页上锅炉参数、煤质资料。

2、根据燃料燃烧方式、受热面布置（指有几级过热器、再热器、省煤器、空气预热器等）进行空气平衡计算。

3、计算理论空气量、根据各受热面的平均过量空气系数计算烟气特性表，根据各受热面出口过量空气系数，计算烟气、空气焓温表。如例题第23页上的燃料燃烧计算表和焓温表即是。

4、热平衡计算。即根据燃料燃烧方式（指煤粉燃烧、循环流化床燃烧，以及燃烧器的布置等）决定q3及q4的数值。根据排烟温度和排烟过量空气系数决定q2，根据锅炉容量决定q5，以及根据燃烧方法决定q6，最后决定锅炉热效率η，燃料消耗量B和保热系数φ等。如例题第24页上的热平衡计算（燃料消耗量计算）。

5、依据所选取的炉膛容积热负荷qv决定炉膛容积V L。决定炉膛截面尺寸和形状，并布置水冷壁、炉辐射受热面及悬吊管、蒸汽冷却管等。如例题第49页锅炉结构计算书所示炉膛形状和附图1—附图4所示炉受热面布置。

6、根据选取的空气预热温度进行炉膛传热计算（例题为下炉膛计算）。

如例题第25页所示炉膛计算。

7、进行炉膛辐射受热面的传热计算，并决定各受热面的结构尺寸。

如例题第28—34页的包复过热器计算、分隔屏计算、后屏计算和末级再热器计算。

8、依次进行水平烟道、尾部竖井烟道的对流受热面的传热计算，并决定各受热面的结构尺寸。

如例题第37—46页的末级过热器、低温再热器、省煤器、空气预热器的计算。

9、确定锅炉机组热平衡计算误差。

如例题第47页的计算表。

10、编制整台锅炉热力计算数据汇总表。

如例题第18-21页的主要热力计算数据汇总表。

第二节辅助计算和热平衡计算

在进行锅炉设计，决定炉膛尺寸、各受热面的面积和结构之前，必须预先决定燃料消耗量、烟气在各受热面处的成分等主要数据，设计步骤中的第2、3、4项即完成这些任务，这些计算属于辅助计算。

辅助计算前要先选定锅炉的总布置，一般常见的是“П”型布置。如例题即是这种布置方式。要确定燃料制备方式、燃烧器型式与布置，以及预热空气的温度和排烟温度。

空气平衡计算，即根据布置方案选取炉膛出口过量空气系数，各段烟道中及制粉系统的漏风系数，可参照原联热力计算标准（1998），（以下简称标准）表ⅩⅫ进行，或者根据国锅炉制造厂的经验数据确定。然后确定各受热面入口过量空气系数和出口过量空气系数。

计算烟气容积、制定烟气特性表时，要明确各公式、各步骤的意义。烟气各特性对应的过量

空气系数一定要代入所计算受热面平均的过量空气系数（即进口与出口的算术平均值），这是因为烟气特性计算的主要目的，是要决定各受热面烟气流量和烟气流速的平均值。按照标准的规定，炉膛的平均过量空气系数例外，应代入炉膛出口过量空气系数。

计算焓温表时，各烟气焓所对应的过量空气系数一定要代入所计算受热面出口的过量空气系数，而不可以代受热面的平均的过量空气系数，这是因为烟气焓温计算的目的是要决定各受热面的烟气放热量。焓温计算时飞灰的焓在某些条件下可以忽略不计，但有时要计入。如果是手工进行焓温计算，应先考虑用得到的烟气围，以减小不必要的计算量。一般可参考以下给出的区间：

炉膛：1600℃~2200℃和800℃~1400℃；

以上第一个温度区间用于理论燃烧温度计算，第二个温度区间用于炉膛出口烟温计算；

屏式过热器：700℃~1200℃；

对流式过热器（转向室前）：900℃~1100℃；

对流式过热器（转向室后）：500℃~900℃；

省煤器：300℃~500℃；

空气预热器：100℃~200℃。

设计步骤中的第4项为热平衡计算。热平衡计算中，对于固态排渣煤粉炉，q4损失视煤的挥发分和灰分而定，可按标准表ⅩⅧ选取或参考同类型锅炉的数值来选取。大型锅炉取q3=0；对于循环流化床锅炉和液态排渣煤粉炉，均需要按灰渣温度计算q6损失；q5损失可按标准5-09节确定。

排烟热损失q2和锅炉计算燃料消耗量Bj必须计算准确，否则会引起大量返工。在计算锅炉的空气总体积、烟气总体积、烟气流速以及对流传热量的各公式中，均使用计算燃料消耗量Bj进行计算，如例题中第47页上预热器的烟气流速w1、空气流速w2以及传热量Qd 的计算均用的是第25页上的计算燃料消耗量Bj=68.54 kg/s。例题第23页上的理论空气容积v0=6.1714nm3/kg；烟气总容积vy=7.876 nm3/kg以及第24页上1300℃的炉膛出口烟气焓Iy=16241 kJ/kg,都是燃烧每公斤计算燃料（而不是实际燃料）相应的数值。

无特殊规定冷空气温度为30℃。有暖风器时锅炉的输入热量Qr要加外热源带入热量。锅炉机组的有效利用热量Qgl中，当排污率≥2.0%时（汽包炉），加热排污水所耗费的热量需计入。

计算中各受热面的介质的进、出口压力是不同的，这些压力除整个锅炉的进口、出口处为已知以外，其余各压力在进行热力计算时均属未知，需要事先假定一套数值，待受热面的最终结构设计完成以后，再借助汽水流动阻力计算的结果，对事先假定的各介质压力进行校核和调整。一般蒸汽在过热器中的总压降不超过过热器出口压力的10%，在再热器中的总压降不超过再热器出口压力的5%。高压以上的锅炉，省煤器的水流阻力不超过汽包（分离器）压力的5%。

制粉系统与燃料供应系统的计算，需按总燃料消耗量B计算，而送风机、引风机的空气量、烟气量需按计算燃料消耗量Bj计算。

第三节炉膛计算

进行炉膛传热计算时，其燃烧设备的型式、布置方式（用旋流燃烧器还是用直流燃烧器，前墙布置还是四角布置、两侧墙布置等）已经确定。在确定时可参考标准的附录Ⅱ中“有关燃烧设备和受热面设计的一些简要说明”。同时可根据国各式锅炉的一些运行经验来确定。炉膛尺寸的确定是借助于恰当选取一组炉膛热力参数（如炉膛的容积热负荷qv、截面热负

荷qa 等）来完成的。当选取了较大的qv 时，炉膛容积就要小一些；当选取了较小的qa 时，炉膛截面就大一些，炉膛变得较为矮胖。在选取炉膛容积热负荷qv 时，要综合考虑煤粉在炉的停留时间、燃尽的条件、水冷壁受热面是否布置得开、炉膛出口烟温、炉膛温度和结焦倾向、整个炉膛的造价等。在一般情况下，按燃尽条件确定的炉膛容积V L ，都不足以使烟气在炉得到足够的冷却，因此，按冷却条件确定的qv 值都要小于按燃尽条件确定的qv 值。我国各大锅炉制造厂在炉膛设计中，多从燃烧安全、传热充分出发，按照冷却条件来确定的qv ，因此qv 值都选得小些，从煤种的通用性来说采用较低的qv 值较合适，缺点是锅炉尺寸较大，消耗钢材量较多。标准中表ⅩⅧ所规定的是按燃尽条件允许的qv 值围，其确定的炉

膛容积都较小些。按照冷却条件确定qv 值一般在80~120 kw/m 3之间选取；按燃尽条件确定

qv 值一般在110~170 kw/m 3之间选取。

表1 列出了我国大容量锅炉炉膛热力参数的推荐围：

表2列出了炉膛热力参数选取的某些影响因素。

表2 对炉膛热力参数选取的一些影响因素

选定了炉膛容积热负荷qv 之后，即可求炉膛容积V L ：

v ar

net L q Q B V ,?= m 3

（1） 式中 B —实际燃料消耗量，kg/s ；

Qnet,ar —燃料低位发热量，kJ/kg 。

确定了炉膛容积以后，即可根据所选取的另外一个炉膛热力参数qa ，按下式确定炉膛的截面面积 (通常指燃烧器标高截面上的截面积)A L ：

a ar

net L q Q B A ,?= m 2

（2） 式中符号意义同前。

在选取qa 时，主要考虑燃料的着火、燃尽性能、炉膛和燃烧器的结焦、水冷壁高温腐

蚀等要求，例如当煤的挥发分低、灰分高时，应重点考虑煤的着火问题，qa不宜选取太低，以便提高燃烧器区域的炉温，促进煤的着火和燃尽；当燃用灰熔点偏低、易结焦的煤时，应注意考虑炉膛和燃烧器可能产生结焦问题，qa不宜选取太高，以便降低燃烧器区域的炉温，防止炉膛结焦。电站锅炉qa值的围大致在3.2—5.4 MW/m2之间，选取时可参考表1。

选取合宜的炉膛宽深比c，可以确定炉膛的截面形状，从而在炉膛截面积A L已定的条件下，计算出炉膛截面的宽度和深度。对于采用四角布置直流燃烧器的锅炉，一般希望炉膛的宽深比不大于1.2，以保证良好的炉空气动力工况。在确定炉膛宽度时还要兼顾尾部烟道的尺寸，能很好布置尾部受热面。以上只是大略地决定炉膛的宽度和深度，然后再根据水冷壁的具体结构加以修正。

如例题炉膛容积热负荷为qv=85.83kw/m3,炉膛容积为V L=19313 m3，炉膛截面热负荷为qa=4.855 MW/m2, 炉膛截面积为AL=341.4m2，炉膛宽度a=18816mm,深度b=18144mm,宽深比为1.037。

采用旋流燃烧器时（前墙或对冲布置），炉膛深度应按单只燃烧器功率和射程来选择。使火炬不冲墙，对冲时最大射程到炉膛深度方向的中心线射流相互不干扰。一般炉膛深度应大于（5～7）d，（d—燃烧器出口直径），较大值为对冲布置）。

燃烧器布置的有关容，可参考标准附录Ⅱ中“有关燃烧设备和受热面设计的一些简要说明”。

现就炉膛容积热负荷qv做以下说明。早期的锅炉容量较小炉膛也小，炉膛出口的位置和炉膛有效容积都容易确定。随着锅炉容量的增大，屏式受热面更多地布置在炉膛，究竟哪些屏应包括在有效容积以，决定了不同的炉膛容积V L和及相应的qv。目前我国大型电站锅炉一般规定炉膛后墙水冷壁向上直至顶棚管形成的假想平面作为炉膛出口，布置在这个平面以（即炉膛侧）的屏式受热面，若其横向节距s1≤457mm，则该屏区要从炉膛有效容积中扣除，即炉膛出口截面向前移动至该屏的第一排管子中心线平面；直至出现s1＞457mm的屏为止。

标准规定（参见“标准”9-2节）：“在确定qv时，炉膛上部s1≥700mm的屏包括在炉膛容积之中”，这与我国的规定有所不同。鉴于不同国家、不同锅炉制造厂确定qv时的炉膛出口边界不一定完全相同，因此在使用qv进行有关的设计或比较时，应注意其间的差异，必要时可作换算。但就本例题而言，不论按我国规定还是按原联标准，炉膛出口均应定于后墙水冷壁向上延伸的平面。

炉膛宽度和深度确定以后，应该考虑炉膛的冷灰斗及炉顶的形状，然后再决定炉膛的高度。冷灰斗几何形状见图1。冷灰斗的倾角应大于等于落灰的自流角（50~55°）。炉顶形状变化比较大。大型锅炉常把整个炉膛分为下炉膛（大屏底以下的炉膛）和上炉膛（炉膛的屏区）两个部分，分别进行传热计算。对于本例题，上炉膛即是炉顶部分，上炉膛的下边界（即下炉膛的上边界）为分隔屏的最下排管子中心线所在平面,其形状较为复杂但容积也不难算出。

下炉膛由主体段和梯形段组成（图2）。梯形段的容积取决于折焰角的形状。折焰角的结构见图3。折焰角的设计主要考虑炉膛出口的高度、对炉膛深度的遮盖率和自动清除积灰的能力。炉膛出口的高度由烟气流速和烟气温度来决定。烟气流速一般取9 m/s上下。如例题的该处烟速为9.5 m/s

。折焰角的覆盖率是指折焰角探入炉膛的深度与炉膛深度

图1 冷灰斗几何形状简图