锅炉整体设计和受热面布置.ppt

第十一章 锅炉整体设计和受热面布置,第一节 锅炉热力计算的程序和方法 第二节 锅炉主要设计参数的选择 第三节 电站锅炉的整体布置 第四节 影响锅炉受热面布置的主要因素及影响规律,第一节 锅炉热力计算的程序和方法,在锅炉受热面设计中，通常采用校核热力计算的算法，另外，对实际运行的锅炉也通常需要在燃料发生较大的变更、制粉系统改造、锅炉受热面改造、部分负荷或超负荷运行等情况下，进行整台锅炉的校核计算。,校核热力计算的任务是按锅炉已有的结构参数，在给定的锅炉负荷和燃料特性条件下，确定锅炉炉膛出口截面上的平均烟气温度、各个受热面进出口截面上的平均烟气温度、水温、蒸汽温度以及空气温度等，并同时确定锅炉的热效率、燃料消耗量以及空气和烟气的流量和流速等。,锅炉的整体校核热力计算的内容包括炉膛和其后的所有受热面，一般均是从燃料的燃烧和热平衡计算开始的，然后按烟气流经锅炉各个受热面的顺序进行计算，即炉膛、半辐射屏式过热器、对流过热器和再热过热器、省煤器和空气预热器等。,锅炉各个受热面的计算也均采用校核计算的方法，根据已知的受热面的结构参数，采用逐次逼近的算法进行计算。,整台锅炉的校核计算实际上是多次反复和逐次渐近的计算过程，而且比单个受热面计算繁杂得多。此时不仅烟气的中间温度和内部工质温度是未知数，而且锅炉最后的排烟温度、热空气温度、锅炉的燃料消耗量、甚至过热蒸汽的温度都是未知数，在计算开始时均需预先假定，然后用逐次逼近的方法完成。,另外，锅炉过热器系统本身的计算也具有多次反复和逐次渐近的计算特点，这是由于过热器各个部件的布置方式使得工质的流程和烟气流向不一致所造成的。因此，对于任一级过热器工质侧和烟气侧的进出口参数的确定有待于整个过热器系统热力计算完成。譬如，对某高压参数锅炉，按烟气流程计算屏式过热器时，由于其工质来自低温过热器的出口，而低温过热器通常布置在高温对流对热器之后，所以，屏式过热器的进出口工质温度均为未知，须预先假定，然后，按烟气流程计算到低温过热器时才得以校核，因此，需要逐次逼近进行计算，锅炉整体热力计算流程见图11-2。,在进行空气预热器与省煤器双级布置的尾部烟道受热面计算和两级布置的再热器系统计算时也具有类似的逐次逼近特点。,第二节 锅炉主要设计参数的选择,一、炉膛设计参数二、锅炉的排烟温度 三、热空气温度四、给水温度 五、烟气流速,一、炉膛设计参数,进行炉膛设计计算之前，需先确定炉膛的结构尺寸，而结构尺寸与炉膛的设计容量、燃料特性、炉膛容积热负荷、炉膛截面热负荷、燃烧器区域的壁面热负荷、炉膛辐射受热面热负荷、炉膛出口烟气温度等设计参数密切相关。锅炉炉膛设计中，参照设计规范中推荐的取值范围和选取原则，再结合以往经验来决定这些参数的合理取值。,炉膛设计参数的选取应能保证锅炉运行的安全性和灵活性，对燃料有尽可能广的适用范围，不发生诸如炉膛的结渣、燃烧设备的过热损坏等非正常运行工况。值得注意的是，所有炉膛设计参数的选取均是基于锅炉额定参数（负荷、蒸汽参数、空气基础温度、给水温度等）的条件，所以，一般均能保证锅炉在额定参数下运行时满足设计要求，而锅炉还通常需要在偏离额定工况下远行，此时往往经济性和安全性均较差。,（一）炉膛容积和结构尺寸,（二）炉膛出口烟气温度,（一）炉膛容积和结构尺寸,锅炉炉膛的容积和结构尺寸取决于炉膛容积热负荷qV，炉膛截面热负荷qA以及燃烧器区域的壁面热负荷qR（见第六章所述），还与炉膛辐射受热面热负荷qH有关（见第九章所述）。,为确定炉膛容积和尺寸，首先应按燃料特性及燃烧方法等工况条件，根据表111的推荐的数值范围并参考以往的经验选择炉膛容积热负荷qV的数值，然后由式（11-1）来确定所需要的炉膛容积。,（11-1）,炉膛容积热负荷的取值越小，则折算到单位炉膛容积内的放热量越小，而折算到单位放热量的炉膛容积则越大，反之，则相反。显然，炉膛容积热负荷决定了炉膛内的整体温度水平，同时也决定了燃料在炉膛内的停留时间，但二者的影响规律相反，炉膛整体温度高，则燃料停留时间短；反之，炉膛整体温度低，则燃料停留时间长。,炉膛容积确定后，再根据表112推荐的炉膛断面热负荷qA并参考以往经验，由式（11-2）计算炉膛截面尺寸。,截面热负荷从另一个角度反映了炉膛内的温度水平和燃料在炉膛内的停留时间，弥补了炉膛容积热负荷仅能够确定炉膛容积而不能确定其形状的不足。,容积热负荷和截面热负荷的结合可以合理地确定炉膛的容积、形状和尺寸。在相同的炉膛容积的条件下，选取较高的截面热负荷可以得到较高的炉膛，而选取较低的截面热负荷，则可以得到相对较大的炉膛截面和较低的炉膛。,截面热负荷取决于燃料的燃烧特性和灰渣特性等。对着火和燃烧性能较差的煤，趋向于选择较高的截面热负荷，过低的截面热负荷会造成燃烧器区域温度下降，不利于正常着火。但同时还需要考虑煤燃烧时的结渣特性，如果截面热负荷较高，则将没有足够的受热面吸收燃烧器区域燃料燃烧释放的热量，使局部温度过高，会引起燃烧器附近区域结渣。对固态排渣煤粉炉，当燃用灰熔融温度较高的煤种时，qA可取较高的数值，对灰熔融温度较低的煤，qA应适当降低，图11-3 所示为燃用结渣性能相差很大的煤种时炉膛结构尺寸的大致差别。,截面热负荷的选择还应考虑到水冷壁管内工质冷却能力的影响，避免局部水冷壁热负荷过高，对亚临界压力锅炉，工质冷却能力较差，局部偏高的热负荷会使水冷壁金属温度升高到危险程度。,对qV 和qA 选值的各影响因素的分析见表11-3。,对大容量锅炉，由于需要较多的辐射受热面参加热交换以冷却燃烧产物，特别是灰熔融温度低的煤种，为了保证锅炉在最大连续出力（MCR）工况下能长期连续运行，避免炉膛及高温对流受热面的严重结渣，需要有足够的炉膛空间和炉膛受热面冷却燃烧生成的燃烧产物，因此，煤种的影响非常显著。设计时还应考虑到设计燃料变化的可能性，特别是要求能适应燃料变劣的情况，这均需要将炉膛尽可能设计得大一点。但炉膛容积过大将使投资增加，同时还会影响低负荷时燃料燃烧的稳定性。所以，应在技术经济比较的基础上选择。,图11-4与表11-4为燃用不同煤种的670th锅炉炉膛结构尺寸和热力参数的比较，同一容量的煤粉炉中，燃用褐煤的锅炉炉膛比燃用无烟煤、烟煤的炉膛大。,按照上述程序，即可大致确定炉膛的宽度、深度和高度。炉膛宽度和深度的具体数值还应考虑到燃烧器的型式和布置、水冷壁管的管径和节距、炉膛出口对流受热面的布置等。,此外，在确定炉膛高度时要根据所燃煤种的燃尽和煤灰特性，从最上层燃烧器中心到炉顶要有足够的距离，以保证所燃烧煤种必需的火炬长度，对特别难燃尽的煤种，设计时可以考虑适当增加炉膛的高度。对四角切圆燃烧的炉膛，为了尽量减弱在炉膛出口的残余旋转，减少热偏差，也应适当增加炉膛的高度。该尺寸还与炉膛的宽度及深度有关，一般在13.7 18.3m。,从炉膛内最下一排燃烧器中心线到冷灰斗上沿处的高度，对于切圆燃烧炉膛，通常取为3.99.1m。,为获得炉膛内良好的空气动力工况和火焰充满度，炉膛出口处的折焰角的形状和尺寸通常按图115中所示选取，取30 50，取为20 30，折焰角的深度约为炉膛深度的1/3左右。冷灰斗的倾角 取为50 55 左右，出渣口宽度一般为0.61.4m。,（二）炉膛出口烟气温度,炉膛出口烟气温度 系指炉膛出口截面上的烟气温度平均值，是衡量锅炉炉膛受热面设计是否合理的重要参数之一，其选择应兼顾炉膛工作的可靠性要求和技术经济条件。,炉膛出口烟温通常受到燃料灰分结渣指标的限制。对固体燃料，这一温度不应高于燃料灰分开始变形的温度DT，否则高温烟气中所携带的灰分将在炉膛出口处的密集管束对流受热面上结渣。对于不受结渣限制的燃料，可以适当提高炉膛出口烟温，但过高将可能使高温对流受热面（过热器、再热器）管子金属的温度工况处于不安全状态。,对炉膛自身工况来说，炉膛出口烟气温度也不应取得过低，炉膛出口烟温低，意味着炉膛内平均温度水平降低，低负荷时温度水平更低，将影响低负荷时燃料的着火和燃烧的稳定，限制稳定燃烧的最低负荷范围。,决定炉膛出口烟气温度的另一重要因素是技术经济条件。炉膛出口截面大致是辐射和对流受热面的分界面，炉膛出口烟温高低，表示了辐射换热量和对流换热量间的比值。由于辐射换热服从于绝对温度四次方差的关系，在高温区，单位受热面积的辐射吸热量较对流吸热量大，因此，尽量利用辐射方式换热对节约受热面积是有利的。在进入烟温较低区域后，单位受热面积的辐射吸热量将低于对流吸热量。因此，从传热的角度，存在一个最经济的炉膛出口烟气温度值，此时全部受热面的总费用最经济，根据计算一般在12001400。,综合上述因素，对于固体燃料，由于不结渣允许的最低温度往往低于技术经济条件决定的炉膛出口烟气温度，因此，炉膛出口烟温的选取取决于结渣条件。一般取等于或略低于灰分的变形温度DT。当灰分的软化温度ST与变形温度DT相差小于100 时，取 低于ST-100，对大容量锅炉一般为10501100。如果烟气在进入密集的对流管束前没有拉稀的凝渣管，的数值应较上述推荐值再低50 左右。对炉膛出口处布置有屏式受热面的大容量锅炉，屏前的烟气温度可控制在12001250，使屏后的烟气温度不高于DT-50 或ST-150。,燃油锅炉虽可采用比燃烧固体燃料锅炉高的炉膛出口烟气温度，但由于燃料油中通常含有V2O5，应考虑高温过热器受热面的严重污染和高温腐蚀问题。燃气锅炉没有结渣条件的限制，可按技术经济条件选定炉膛出口烟气温度，但也应注意 过高时高温对流受热面的管壁金属温度工况。,二、锅炉的排烟温度,锅炉排烟温度直接影响到锅炉机组运行的经济性和尾部受热面工作的安全性。较低的排烟温度可以降低锅炉的排烟损失，提高锅炉的热效率，减少锅炉的运行费用。但是，排烟温度降低会使尾部受热面中烟气与工质的传热温压减小，传热面积增大，金属的消耗量增加，另外还会引起末级烟道中烟气中的硫酸蒸汽凝结，使受热面严重腐蚀及堵灰，缩短设备的使用寿命，增加了烟道的阻力和引风机的电功率消耗。对水分多、硫分多的燃料，需要采用较高的排烟温度，反之可选用较低的排烟温度。排烟温度的选择还与锅炉给水温度、环境空气温度、除尘和烟气净化设备等有关。所以，排烟温度的选择是一个涉及到锅炉经济性和安全性的复杂问题。,通常，大型锅炉的排烟温度常比小型锅炉低些，电站锅炉的排烟温度在120140 之间综合选择，一般情况下很少采用低于120的排烟温度。,三、热空气温度,对燃烧煤粉的锅炉，空气预热器出口热空气温度的选取应首先考虑煤粉气流的着火与稳定燃烧对热空气温度的要求，然后再考虑原煤的干燥与粉碎。对容易着火且煤中水分不太高的煤种，通常不需要过高的热空气温度一般为300左右。对难燃的煤种（挥发分低、水分高等），为了改善着火条件和燃烧过程，降低燃烧不完全损失，有时需要将热空气温度加热到380430。热空气温度越高，空气预热器金属的消耗急剧增加，并不得不采用空气预热器双级布置，锅炉结构复杂，烟气侧和空气侧阻力也增加。因此，近年来的大容量电站锅炉在燃用难燃煤时，不再单纯依赖提高热空气温度，而采用改进燃烧的技术措施。固态排渣煤粉炉热风温度的推荐范围见表63。,对液态排渣炉，由于炉膛造渣的需要，要求相对较高的热空气温度，譬如380420。燃油和燃气炉采用空气预热器的主要目的是降低排烟温度，着火与燃烧一般没有问题，没有必要选取较高的热空气温度，一般为200300。,燃煤循环流化床锅炉通常不需要干燥原煤，也无须磨制煤粉，而且炉内煤的着火条件优越，所以，热空气温度也较低，一般为180200。,四、给水温度,电站锅炉给水温度的取值与电厂的热力系统密切相关，由于发电机组为了提高发电效率均采用回热循环，给水在进入锅炉省煤器之前先经过汽轮机抽汽加热，给水温度已经升高，机组的工作压力越高，给水温度也相应越高。例如，对中压机组，给水温度为170，高压机组215，超高压机组240，亚临界压力机组为280。,五、烟气流速,锅炉除炉膛以外的受热面均主要以对流方式传递热量，烟气流速的选取取决于受热面的对流放热系数、烟气侧的阻力损失和受热面的磨损等因素，而磨损与燃煤的灰分含量和特性密切相关。较高的烟气流速有助于提高受热面的传热系数，节省受热面，但阻力损失和受热面金属磨损均会大幅度增加，因此，烟气流速也是一个需要在综合考虑各种因素基础上选取的参数。表11-5与表11-6分别为无灰燃料和含灰燃料的烟气流速推荐范围。,从炉膛出口直至锅炉尾部，烟气温度逐渐降低，烟气容积随之减少，在维持大致相同的烟气流速的条件下，受热面的横向管间距也逐渐减少。图11-6为某电站锅炉过热器和再热器沿烟气流程管圈横向间距的变化。到省煤器区段，烟气中的飞灰变硬，对受热面的磨损加剧，因此，趋于选取较低的烟气流速。回转式空气预热器的烟气与空气流速一般在812m/s。,第三节 电站锅炉的整体布置,锅炉的整体布置是指锅炉炉膛的辐射受热面与对流烟道和其中各个对流受热面的布置方案，既与锅炉的参数、容量，锅炉所燃用的燃料性质等因素有关，也与不同锅炉制造厂家有关。因此，有各种不同的布置方案。,、整体布置方案二、炉膛布置方案三、尾部受热面的布置,一、整体布置方案,1、形布置方案2、形布置方案 3、塔形布置方案4、W形火焰布置方案 5、T形布置方案,1、形布置方案,这是一种在我国采用最多的炉型，也被称为倒U型，如图11-7中的（a）所示。该方案的受热面布置比较方便，对流受热面易于逆流布置，尾部烟道气流向下流动利于除灰，尾部受热面的检修也比较方便，送风机、引风机、除尘等设备均可以置于地面。但是，由于有水平过渡烟道，使锅炉构架复杂，占地面积较大，转弯烟室部分无法充分利用；大容量锅炉采用切圆燃烧时，炉膛和尾部烟道在截面和高度上需要协调配合。,2、形布置方案,形布置方案与形布置方案很接近，只是取消了水平过渡烟道，占地面积稍小，锅炉布置紧凑，可节约钢材，但尾部受热面检修不方便。如图11-7中的（b）所示。,3、塔形布置方案,塔形布置 图11-7（c）是将除了空气预热器、除尘器、送引风机布置于地面上外，锅炉其他受热面均沿烟气流程在高度方向上依次布置，没有水平烟道，下降烟道不布置受热面。因此，锅炉的整体很高，可高达7080m。这一布置方式适用于灰分较多的燃料，烟气在对流受热面中不改变流动的方向，烟气中的飞灰不会因离心力而集中，可以有效地减少受热面的局部集中磨损。但是，炉膛上部受热面上的松散积灰将直接落入炉膛，对炉内的燃烧过程存在一定的干扰。燃烧器、风粉管道及磨煤机可沿炉膛四周放射状布置，煤粉管道布置简单，水冷壁受热均匀，炉膛出口温度也比较均匀，锅炉结构紧凑。也由于没有水平烟道，锅炉整体的膨胀问题处理较简单。,4、W形火焰布置方案,在形布置方案的基础上，为了比较好地燃烧低挥发分无烟煤，近年来多采用W形火焰炉膛，如图11-7（d）所示。炉膛分成燃烧室和燃尽室两部分，燃烧室的炉膛深度比燃尽室大80120，前后炉墙向内扩展成炉拱，拱顶布置燃烧器。煤粉气流从燃烧器垂直向下喷入燃烧室，着火后向下伸展随着燃烧的发展，煤粉颗粒变轻，速度减慢，之后，火焰转弯180向上流动，整个燃烧室内火焰呈现“W”形状。其主要特点是燃烧器出口煤粉气流的预热条件优越火焰行程较长，非常有利于难燃煤种（可燃基挥发分含量在10以下）的着火、燃烧。但其主要缺点是，空气与煤粉在燃烧后期混合较差影响燃尽；水冷壁和汽水管道布置复杂风粉管道布置困难。整台锅炉的制造工作量比其他炉型锅炉大得多，成本也高。,5、T形布置方案,T形布置方式见图11-7（e）所示，该布置方案是将尾部烟道对称地一分为二，主要目的是解决形布置大容量锅炉尾部受热面布置困难的问题，也可使炉膛出口烟窗高度降低，改善过渡烟道流动工况减少烟气沿高度的热偏差。但是，炉膛和尾部烟道在截面和高度上需要协调配合，两侧烟气流量易出现不均勾；锅炉占地更大，汽水管道的连接系统复杂，金属消耗增多，燃烧器布置难度大，一般只有在燃用劣质燃料的超大容量锅炉才考虑采用。,二、炉膛布置方案,炉膛可分为单炉膛和双炉膛两种布置方案。随锅炉蒸发量增大而锅炉尺寸增加时，炉膛容积的增加与尺寸的立方成正比，而炉膛周界面积的增加则与尺寸的平方成正比，因此，锅炉容量很大时必须降低燃烧室的容积热负荷，以增加燃烧室容积，才能有足够的辐射受热面，使燃烧产物得到足够的冷却。但这样会使炉膛的尺寸过于庞大，在结构上显得不合理、不经济。而且，对于四角切圆燃烧来说，还要求炉膛的横截面接近正方形，也对锅炉整体布置带来不利影响。所以，有些大容量锅炉(300MW以上)采用双炉膛布置（如图11-8所示），在炉膛中间布置垂直双面曝光受热面将炉膛分为两个横截面接近正方形的燃烧室，受热面两面受到火焰辐射，吸热量比布置在壁面上的水冷壁高一倍，可以保证炉膛出口温度降低到合适的数值。,双面曝光受热面管子外径一般也与水冷壁相同，并为垂直上升管屏，为平衡两侧压力，管屏上开有平衡孔。,三、尾部受热面的布置,很多大容量电站锅炉采用尾部烟气竖井分隔烟道的布置方式来调节再热汽温，即采用膜式壁将尾部的对流烟道分隔成并行的两个烟道，在一个烟道内布置再热器，另一烟道内布置过热器。运行中根据再热汽温的要求，调节布置在烟道出口处的烟气档板开度，改变平行烟道内的烟气流量，达到调节再热汽温的目的。常见的布置方式见图11-9。,以往对燃用无烟煤、高水分褐煤等煤种，要求热风温度高达380430C，空气预热器必须采用双级布置，有两级均为管式空气预热器的，也有高温级为管式、低温级为回转式空气预热器。随着锅炉容量的增大，管式预热器不仅使设备质量增加很多，而且给锅炉总体布置和安装与检修带来困难。,近年来，由于回转式空气预热器的设计、制造和运行水平提高，单级空气预热器也能得到较高的热风温度，即使对挥发分低的煤，一般也不采用单纯提高空气预热温度的方法，而用改进燃烧方式和燃烧器结构、提高锅炉截面热负荷等其他方法解决。目前，高参数大容量锅炉几乎均采用单级布置的回转式空气预热器。,由于回转式空气预热器的直径一般比尾部烟道的深度大，所以，通常需要将回转式空气预热器布置在尾部烟道的外面（如图11-10所示），将省煤器后的烟道水平引出，一分为二，分别采用支撑方式对称布置两台预热器，中间有联络风道，可单台运行；也有采用一台大直径空气预热器的。由于烟道的转向作用，部分飞灰由于惯性作用沉积下来，在省煤器与预热器之间可布置惯性烟气除尘设备，以减轻空气预热器的磨损和积灰。目前较多采用三分仓式空气预热器，压力较高的一次风和压力较低的二次风在预热器中是分开的；也有采用一次风单独配一台空气预热器，二次风配一台或两台空气预热器的布置方案。,第四节 影响锅炉受热面布置的主要因素及影响规律,影响锅炉整体设计和受热面布置的主要因素为蒸汽参数、锅炉容量、燃料性质以及一些其他因素。蒸汽参数和容量的影响最为显著。,电站锅炉的容量增大与蒸汽参数提高是对应的。随着锅炉的参数（或容量）的增加，由于水蒸气性质的相应变化，锅炉各受热面沿烟气流程上的布置以及相互间的热量分配比例变化很大。,工质焓与压力、温度有关（如图11-11所示），当锅炉选用的参数不同时，用于工质加热、蒸发、过热的热量分配比例不同，见表11-7中的数据。,在锅炉压力参数较低时，蒸发受热面所占的比例比较大，对于低压参数的锅炉，达到7075。除了在炉膛壁面上布置的全部受热面均作为水冷壁蒸发受热面外，还需要在炉膛以外布置大量对流蒸发管束，形成双锅筒的结构形式，或采用沸腾省煤器来吸收一部分蒸发热量。由于过热度不高，过热器可以布置在烟温比较低的区域（图）。,在锅炉压力为中压参数时，蒸发热量减少至5365，过热热量约为20。炉膛的水冷壁辐射换热量基本满足蒸发热，不必采用对流蒸发管束，只有少数几排凝渣管，还可以用沸腾式省煤器来弥补蒸发受热面的不足；又由于给水温度提高，空气预热器成为不可少的部件。,锅炉参数为高压时，过热热量所占份额明显增加，而蒸发热份额减少，省煤器出口水要求有一定的欠焓。炉膛水冷壁受热面不足以将炉膛出口烟温降低到合理的数值，同时，为了适应高参数锅炉过热汽温较高的要求，并能获得较高的烟气和蒸汽温差，需要将部分过热器受热面向炉膛出口区域移动，采用炉顶辐射式过热器及半辐射式屏式过热器。这种辐射对流过热器系统，可使锅炉负荷在一定范围内变化时保持锅炉出口汽温稳定。,对超高压及亚临界参数的大容量锅护，过热热量与再热热量所占份额继续增加蒸发热份额减少。由于容量增大，锅炉容积随之增大，但是，炉膛内可敷设辐射受热面的炉壁表面积却比炉膛容积增加得慢，因此，锅炉炉壁面积随容量的增大不够敷设足够的辐射受热面的矛盾就更突出了，为了保持合适的炉膛出口温度，需要在炉膛上部设置全辐射的大屏和半辐射的大屏过热器，在炉墙壁面上布置辐射式过热器，或者在炉膛中设置双面曝光水冷壁或双面曝光汽冷壁。受热面工作条件较差布置难度较大。,超临界压力下工作的直流锅炉，没有蒸发吸热，其蒸发受热面完全消失，只有加热水和过热蒸汽受热面。超临界压力参数的直流锅炉通常也是容量很大的锅炉，其受热面的布置与亚临界参数锅炉有很大的区别。,