鍋爐原理課件：鍋爐受熱面布置

鍋爐原理鍋爐整體布置鍋爐的熱力系統(tǒng)1鍋爐外形布置23 基本參數(shù)選取一、鍋爐的熱力系統(tǒng)1/48鍋爐的熱力系統(tǒng)：各種受熱面在煙氣行程中所處的位置及各受熱面吸收煙氣熱量的比例關(guān)系。鍋爐熱力系統(tǒng)的外在表現(xiàn)就是鍋爐的整體外形和受熱面布置，應(yīng)當(dāng)做到：安全可靠→前提最大經(jīng)濟效益→目標(biāo)(高效，省金屬)制造、安裝、維修方便→一般要求2/48一、鍋爐的熱力系統(tǒng)內(nèi)容1、蒸汽參數(shù)的影響2、燃料性質(zhì)的影響3、容量的影響3/48一、鍋爐的熱力系統(tǒng)1、蒸汽參數(shù)對熱力系統(tǒng)的影響鍋爐中單位質(zhì)量工質(zhì)吸收的熱量：igr?

igs

= igr

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iY + iY?

igs汽

化 加

熱4/48一、鍋爐的熱力系統(tǒng)igr

：過熱蒸汽焓，kJ/kgigs

：給水焓，kJ/kgi“：飽和蒸汽焓，kJ/kgiY：飽和水焓，kJ/kgiY

?igs,

i”

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?i“分別稱為鍋爐的加熱、蒸發(fā)(汽化)、過熱吸熱量。鍋爐蒸發(fā)吸熱量通常指鍋爐水冷壁吸熱量，包括汽化和部分加熱吸熱量。一、鍋爐的熱力系統(tǒng)鍋爐蒸汽參數(shù)的發(fā)展過程：低溫低壓2.5MPa高溫高壓10.8MPa超高壓14.7MPa亞臨界16.8MPa超臨界25MPa超超臨界31MPa隨鍋爐參數(shù)升高，加熱、汽化和過熱比例如何變化？5/48不同參數(shù)和容量鍋爐工質(zhì)的吸熱比例一、鍋爐的熱力系統(tǒng)隨壓力升高，鍋爐蒸發(fā)吸熱量減少，過熱吸熱量增加!6/48一、鍋爐的熱力系統(tǒng)不同蒸汽參數(shù)(壓力)下：低壓小容量鍋爐：蒸發(fā)吸熱占比很大，水冷壁不能滿足蒸發(fā)吸熱需要，還需在爐膛外布置鍋爐管束。中壓鍋爐：蒸發(fā)吸熱占比下降，水冷壁可滿足蒸發(fā)吸熱需要，不需鍋爐管束。高壓、超高壓及亞臨界壓力鍋爐：蒸發(fā)吸熱占比進一步下降，過熱吸熱占比增加，完全采用對流過熱器布置空間存在困難，故部分過熱器進入爐膛構(gòu)成輻射或半輻射式過熱器。鍋爐受熱面布置7/482、燃料性質(zhì)的影響燃料種類不同，鍋爐熱力系統(tǒng)不同。同種類燃料，化學(xué)成分、燃燒特性不同，對熱力系統(tǒng)的影響也不同。鍋爐不能通用性設(shè)計，困難就在于此。例如：當(dāng)燃用貧煤和無煙煤時，由于揮發(fā)分V較低，著火、燃盡較為困難，用熱風(fēng)送粉，trk較高。鍋爐常采用W火焰爐型式，下爐膛有時需布置衛(wèi)燃帶，省煤器與空預(yù)器有時采用交錯雙級布置。8/48一、鍋爐的熱力系統(tǒng)水分增多，需綜合考慮燃燒溫度下降、爐內(nèi)輻射吸熱是否減少、對流吸熱是否增加、燃盡是否能保證等?；曳衷龆啵杈C合考慮磨損、結(jié)渣、積灰、煙速與受熱面積的關(guān)系等。硫分增多，需綜合考慮腐蝕、堵灰、排煙溫度與效率等。發(fā)熱量變化，需綜合考慮燃燒溫度變化、輻射與對流吸熱量比例變化，煙氣量的變化等因素與受熱面積的關(guān)系。9/48一、鍋爐的熱力系統(tǒng)一、鍋爐的熱力系統(tǒng)3、容量的影響若爐膛簡化為深:寬:高=a:

b:

H，如爐膛容積V=abH按比例增加到8倍，V1=a1b1H1=8abH，則：爐膛寬度只增加到81/3=2倍，即b1=2b；爐膛橫截面積只增加到82/3=4倍，即a1b1=4ab。爐膛壁面積同樣只增加到82/3=4倍，即a1h1=4ah，b1h1=4bh。10/48結(jié)論：鍋爐爐膛體積大致與其線性尺寸的三次方成正比，而爐膛壁面積則與其線性尺寸的平方成正比。因此，爐膛體積的增大比壁面積增大快。這樣，大容量鍋爐的爐膛壁面積比小容量鍋爐相對減少。鍋爐的爐內(nèi)燃燒放熱量與鍋爐的容量D和爐膛體積大致成比例。因此，大容量鍋爐的燃燒放熱能力超過爐膛水冷壁的傳熱能力，而中、小鍋爐則相反。因此，對于中、小鍋爐，僅水冷壁就可使火焰足夠冷卻。而大容量鍋爐中，還需布置屏式過熱器或雙面水冷壁才能保證爐膛的足夠傳熱，使?fàn)t膛出口煙溫降低到能夠防止在對流受熱面區(qū)域結(jié)渣的程度。11/48一、鍋爐的熱力系統(tǒng)同理，隨鍋爐容量D增大，折算到鍋爐單位寬度上的蒸發(fā)量D/b迅速增大，也就意味著大容量鍋爐的寬度相對較小，對流受熱面的流通面積也因此偏小，而鍋爐煙氣流量Vy隨容量D按比例增大。過熱器、再熱器、省煤器等管圈片數(shù)與鍋爐寬度成正比，對流受熱面也因此難以布置而顯得不足。因此，大容量鍋爐工質(zhì)和煙氣流速過高。為此，對流過熱器和再熱器需采用多重管圈結(jié)構(gòu)，省煤器采用多重管圈或雙面進水?？疹A(yù)器則往往采用體積緊湊的回轉(zhuǎn)再生式預(yù)熱器。鍋爐容量一般總是與參數(shù)相聯(lián)系的，大容量鍋爐一般采用高參數(shù)，中、小容量鍋爐則采用中低參數(shù)。12/48一、鍋爐的熱力系統(tǒng)鍋爐的熱力系統(tǒng)1鍋爐外形布置23 基本參數(shù)選取二、鍋爐外形布置13/48內(nèi)容1、受熱面布置的基本原則2、室燃爐的外形14/48二、鍋爐外形布置1、受熱面布置的基本原則鍋爐受熱面的布置必須兼顧安全性和經(jīng)濟性，即在確保安全可靠前提下，追求最大的經(jīng)濟性。從傳熱來考慮，鍋爐受熱面的總體布置應(yīng)呈逆流，以利于獲得更大傳熱溫差，節(jié)約金屬。省煤器：沿工質(zhì)流程水溫最低的受熱面。布置在鍋爐尾部，逆流布置，需考慮低溫腐蝕可能性。水冷壁：布置在高溫爐膛周圍，利用管壁中水或汽水混合物溫度較低、放熱系數(shù)高的特點充分冷卻管壁。15/48二、鍋爐外形布置過熱器與再熱器：蒸汽溫度高，冷卻能力相對較低，需兼顧傳熱效率和防止管壁超溫，總體

為混流?？疹A(yù)器：布置在煙氣行程最后，需考慮空預(yù)器冷端壁溫太低所導(dǎo)致的低溫腐蝕問題。二、鍋爐外形布置亞臨界鍋爐受熱面布置16/48鍋爐外形的選擇是為了滿足熱力系統(tǒng)對各種受熱面布置的要求，選擇時應(yīng)考慮的因素有：鍋爐的參數(shù)；燃料性質(zhì)；燃燒設(shè)備的型式；制造及工藝條件；鍋爐房的建筑型式；檢修及運行操作是否方便；還要考慮到與其它設(shè)備(汽輪機)的配合等。17/48二、鍋爐外形布置二、鍋爐外形布置2、室燃爐的外形整體外形取決于爐膛和尾部受熱面的相對位置。

型(倒U型)；T型；N型；M型；塔型；半塔型；箱型；背靠背型鍋爐本體布置示意圖18/48П型(倒U型)布置電站鍋爐中應(yīng)用最廣泛的型式，各種容量和燃料均可適用。優(yōu)點：鍋爐高度較低，安裝起吊方便；受熱面易于布置成工質(zhì)與煙氣呈相互逆流；尾部煙道煙氣向下流動，有利于吹灰，即具有所謂的自吹灰能力；鍋爐煙氣出口在底層，風(fēng)機、除塵器等設(shè)備都可布置在地面；汽機至過熱器的連接管道長度也較短。19/48二、鍋爐外形布置缺點：占地面積大；煙道轉(zhuǎn)彎容易引起飛灰對受熱面的局部磨損；轉(zhuǎn)彎氣室部分難以利用，尾部對流受熱面可能布置不下；煙氣轉(zhuǎn)彎進入水平煙道后溫度分布不均勻，易導(dǎo)致水平煙道對流受熱面的結(jié)渣和金屬局部超溫。20/48二、鍋爐外形布置二、鍋爐外形布置1—鍋筒；2—下降管；3—分割屏過熱器；4—后屏過熱器；5—屏式再熱器；6—末級再熱器；7—末級過熱器；8—懸掛管；9—包覆管；10—過熱蒸汽出口；11—墻式輻射再熱器；12—低溫過熱器；13—省煤器；14—燃燒器；15—循環(huán)泵；16—水冷壁；17—容克式空氣預(yù)熱器；18—磨煤機；19—除渣裝置；20—一次風(fēng)機；21—二次風(fēng)機；22—再熱蒸汽出口；23—給水進口；24—再熱蒸汽進口600MWΠ形控制循環(huán)鍋爐斷面圖21/48塔型布置塔型布置的特點是：煙氣一直向上流動，爐膛可呈正方形，四周布置膜式水冷壁直至爐膛上部。優(yōu)點：煙道較短，整個鍋爐體積縮小，占地面積??；煤粉管道和燃燒器布置方便；所有對流受熱面都水平懸吊在爐膛上部，便于疏水。整臺鍋爐為懸吊結(jié)構(gòu)，對流受熱面管子在一側(cè)集中穿墻，減少密封面。煙氣不改變流動方向，對流受熱面沖刷均勻，磨損減輕。煙氣溫度橫截面分布均勻。22/48二、鍋爐外形布置缺點：鍋爐高度大，構(gòu)架成本高，安裝和檢修困難；蒸汽及風(fēng)道管路長，成本也高；爐膛上部受熱面上的松散積灰將直接落入爐膛，對爐內(nèi)的燃燒進程有一定的干擾;將空氣預(yù)熱器和送、引風(fēng)機放在鍋爐頂部，加重了鍋爐構(gòu)架負荷。半塔型布置結(jié)合了塔型布置和

型布置的優(yōu)點：煙氣在通過爐膛頂部省煤器后轉(zhuǎn)彎向下，從垂直的空煙道中流動放置在地面的空預(yù)器、除塵器和引風(fēng)機。送風(fēng)機也放在地面上。23/48二、鍋爐外形布置2.4

W型布置鍋爐燃用無煙煤時，由于揮發(fā)分低，著火溫度高，燃燒不易穩(wěn)定，燃燒速度慢，難以著火和燃盡。為低揮發(fā)分煤穩(wěn)定的著火和燃燒，需要在著火區(qū)保持高溫，加速著火，并有足夠長的燃燒行程。24/48二、鍋爐外形布置鍋爐的熱力系統(tǒng)1鍋爐外形布置23 基本參數(shù)選取三、基本參數(shù)選取25/48內(nèi)容1、排煙溫度的選取2、熱空氣溫度的選取3、爐膛熱強度4、爐膛出口煙溫的選取5、空氣和煙氣流速26/48三、基本參數(shù)選取鍋爐的基本設(shè)計參數(shù)包括爐膛熱強度爐膛出口煙溫排煙溫度熱空氣溫度爐膛出口的過量空氣系數(shù)和各煙道受熱面的漏風(fēng)系數(shù)、各受熱面中煙氣速度、空氣速度、水速等。27/48三、基本參數(shù)選取1、排煙溫度的選取兼顧：經(jīng)濟性和安全性。鍋爐排煙溫度θpy低，排煙熱損失q2少，鍋爐效率η高，節(jié)約燃料，但會使尾部受熱面?zhèn)鳠釡夭顪p小，傳熱面積增大，浪費金屬，提高初投資，可見排煙溫度選取是一個技術(shù)經(jīng)濟問題。經(jīng)濟排煙溫度：兼顧受熱面鋼材(鋼材價格)、燃料量(燃料價格)，以及相應(yīng)的各種輔機(磨煤機、送風(fēng)機、引風(fēng)機)的電耗，得出綜合經(jīng)濟效益最好的方案，這樣選定的排煙溫度稱為最經(jīng)濟排煙溫度。28/48三、基本參數(shù)選取三、基本參數(shù)選取29/48鍋爐排煙溫度選取除技術(shù)經(jīng)濟因素外，還要考慮低溫腐蝕和堵灰等工作安全可靠性問題。如排煙溫度θpy過低，硫酸蒸汽結(jié)露，低溫受熱面易腐蝕及堵灰。這就要提高受熱面壁面溫度，使之高于煙氣中酸蒸汽的露點。對于折算含硫量為0.6~5%的燃料，酸蒸汽露點可達120~150oC，如僅用提高排煙溫度的方法來提高壁溫則會使鍋爐效率下降太多。故用暖風(fēng)器等措施來提高進風(fēng)溫度，而使排煙溫度保持在合理經(jīng)濟的水平。三、基本參數(shù)選取中大容積鍋爐(D>75t/h)的排煙溫度中小容積鍋爐(D≤75t/h)的排煙溫度如果不考慮腐蝕問題，或腐蝕問題較輕，排煙溫度可選取較低的數(shù)值，甚至將煙氣中的水蒸氣冷凝下來(冷凝式鍋爐)，鍋爐熱效率可大幅提高。推薦的經(jīng)濟排煙溫度見表所示。表中值僅作為參考。設(shè)計時要根據(jù)燃料性質(zhì)、鋼材和燃料的供應(yīng)和價格進行分析后選定。30/482、熱空氣溫度的選取理論上講，trk越高越好。但高到一定數(shù)值后，對強化燃燒沒有太大的幫助，反而要耗費過多的空氣預(yù)熱器受熱面，并增加尾部受熱面布置的困難對室燃爐，只要能滿足穩(wěn)定燃燒和制粉系統(tǒng)干燥的需要，不必太高。對于層燃爐，若trk太高，易燒壞爐排。31/48三、基本參數(shù)選取三、基本參數(shù)選取熱風(fēng)溫度推薦值32/48三、基本參數(shù)選取33/483、爐膛放熱強度爐膛的主要熱力特性是單位時間內(nèi)輸入的平均熱量，也稱爐膛熱功率、爐膛熱負荷、爐膛放熱強度。鍋爐設(shè)計、運行中必須注意的爐膛熱負荷有：爐膛容積熱負荷爐膛截面熱負荷燃燒器區(qū)壁面熱負荷燃盡區(qū)容積熱負荷三、基本參數(shù)選取爐膛容積熱負荷單位時間送入爐膛單位容積中的平均熱量(以收到基低位發(fā)熱量計算)稱為爐膛容積熱負荷，以qv表示：vBCalQnet,arq =VfBcal：計算燃料消耗量，kg/s;Qnet,ar：燃料收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg；Vf：爐膛容積，m3。34/48三、基本參數(shù)選取35/48爐膛容積熱負荷qv基本反映了爐內(nèi)流場和溫度條件下燃料及燃燒產(chǎn)物在爐膛內(nèi)停留的時間：qv愈大，爐膛容積Vf愈小，鍋爐愈緊湊，燃料在爐內(nèi)停留時間愈短。但qv過大，不利于燃料充分燃盡，同時爐膛水冷壁面積過小，會使?fàn)t內(nèi)溫度水平和爐膛出口煙溫升高，從而導(dǎo)致爐內(nèi)和爐膛出口后的對流受熱面結(jié)渣。qv愈小，爐膛容積Vf愈大，燃料在爐內(nèi)的停留時間愈長，對燃料燃盡愈有利，燃煤鍋爐爐壁結(jié)渣的可能性也愈小。但qv過小，則爐膛容積Vf過大，爐內(nèi)溫度水平降低，燃盡困難，甚至著火也困難。三、基本參數(shù)選取36/48因此，爐膛容積熱負荷qv的大小應(yīng)合適。設(shè)計鍋爐時，qv的選取除與鍋爐容量有關(guān)外，還與燃燒方式、燃料特性有關(guān)。對于采用固態(tài)排渣、切向燃燒、配300~600MW機組的煤粉鍋爐：燃用煤種揮發(fā)分含量Vdaf

>

25%時，qv的上限值可取85~115

kW/m3

;燃用煤種揮發(fā)分含量Vdaf

<

25%時，qv可取80~105kW/m2

。大容量鍋爐的qv值要比小容量鍋爐選得小一些。三、基本參數(shù)選取爐膛截面熱負荷按燃燒區(qū)域爐膛單位截面來計算，單位時間送入爐膛的平均熱量稱為爐膛截面熱負荷，以qa表示：aBCalQnet,arq =AA：燃燒器區(qū)域爐膛橫截面積，m2

。qa反映了爐膛水平截面上燃燒產(chǎn)物的平均流動速度，qa愈小，截面上的平均流速越低。在選定qv確定了爐膛容積后，還需確定爐膛的橫截面積以完整確定爐膛的形狀和尺寸，才能達到預(yù)期的燃燒效果。37/48三、基本參數(shù)選取38/48qa可以確定爐膛的截面，也就決定了爐膛截面的周界長度，亦即決定了燃燒器區(qū)域內(nèi)所能敷設(shè)的水冷壁數(shù)量，從而決定了燃燒器區(qū)域的溫度水平。如qa值選得過高，說明爐膛橫截面積和周界長度過小，爐膛呈瘦高形，燃料在燃燒器區(qū)域放出的熱量，周圍沒有足夠的水冷壁面去吸收這些熱量，而使?fàn)t膛溫度過高，對著火有利，但卻易引起燃燒器區(qū)域的受熱面嚴重結(jié)渣。如qa值選得過低，說明爐膛橫截面積和周界長度過大，爐膛呈矮胖形，則煙氣不能充分利用爐膛容積，會使?fàn)t膛出口煙溫過高，后續(xù)受熱面上易發(fā)生結(jié)渣；同時，燃燒器區(qū)域溫度過低，對著火不利。三、基本參數(shù)選取39/48因此qa的大小也必須合適。設(shè)計鍋爐時，qa的選取除與鍋爐容量有關(guān)外，還與燃燒方式、燃料特性和排渣方式有關(guān)。對于采用固態(tài)排渣、切向燃燒、配300~600MW機組的煤粉鍋爐：燃用煤種揮發(fā)分含量Vdaf

>

25%時，qa可取4.0~5.1MW/m2

;燃用煤種揮發(fā)分含量Vdaf

<

25%時，qa可取4.2~5.2MW/m2

。三、基本參數(shù)選取燃燒器區(qū)域壁面熱負荷按燃燒器區(qū)域爐膛單位爐壁面積來計算，單位時間送入爐膛的平均熱量稱為燃燒器區(qū)域壁面熱負荷，以qB表示：BBCalQnet,arq =ABAB：燃燒器區(qū)域爐壁面積，m2

。大容量鍋爐為了降低NOx的排放量，趨向于采用單個、多層熱功率較小的燃燒器，且每層燃燒器在高度方向的間距加大，以降低燃燒器區(qū)域的溫度水平。這樣，采用qa來判斷煤粉著火的穩(wěn)定性和結(jié)渣的可能性已不夠嚴格，這時可采用qB作為補充指標(biāo)。40/48三、基本參數(shù)選取41/48燃燒器區(qū)域壁面熱負荷qB可以在一定程度上反映爐內(nèi)燃燒中心區(qū)的火焰溫度水平。qB愈小，該區(qū)的溫度愈低，有利于減輕該區(qū)壁面結(jié)渣傾向。qB與qa一樣，反映了燃燒器區(qū)域的溫度水平。但qB還能反映火焰的分散或集中情況。

qB愈大，說明火焰愈集中，燃燒器區(qū)域的溫度水平就愈高，這對燃料的穩(wěn)定著火有利，卻易造成燃燒器的壁面結(jié)渣。褐煤：0.93~1.16 MW/m2；無煙煤和貧煤：1.4~2.1MW/m2；煙煤：1.28~1.40

MW/m2；對于采用固態(tài)排渣、切向燃燒、配300~600 MW機組的煤粉鍋爐，

qB的上限值可取1.2~2.0

MW/m2。三、基本參數(shù)選取燃盡區(qū)容積熱負荷鍋爐輸入熱功率與燃盡區(qū)爐膛容積的比值：mBCalQnet,arq =VmVm：爐膛燃盡區(qū)容積，m3

。qm的數(shù)值基本反映了最上層噴口噴出的煤粉在爐內(nèi)最短可能停留時間。qm愈小，停留時間愈長，該層煤粉射流的燃盡愈可得到保證，也有利于降低屏區(qū)入口局部煙溫，避免結(jié)渣沾污傾向。對于采用固態(tài)排渣、切向燃燒、配300~600

MW機組的煤粉鍋爐，qm的上限值可取200~260

kW/m3。42/484、爐膛出口煙溫的選取保證輻射和對流受熱面可靠(安全性)燃用固體燃料時，以受熱面不結(jié)渣為限，爐膛出口煙溫應(yīng)小于DT值。對于短渣煤種，爐膛出口煙溫應(yīng)不超過ST-100oC。爐膛出口布置有半輻射屏式受熱面時，屏后煙氣溫度應(yīng)不超過DT-50oC或ST-100oC，而屏前煙溫在燃用不結(jié)渣煤時應(yīng)低于1250oC，燃用強結(jié)渣煤和頁巖煤時應(yīng)低于1100oC。燃用液體和氣體燃料時，無結(jié)渣問題，但爐膛出口煙溫也不宜過低，否則爐內(nèi)平均溫度水平降低，影響著火的穩(wěn)定和燃盡。43/48三、基本參數(shù)選取技術(shù)經(jīng)濟性的要求(經(jīng)濟性)高煙溫區(qū)域：輻射傳熱效果優(yōu)于對流傳熱，采用輻射方式可節(jié)省受熱面積。低煙溫區(qū)域：布置對流受熱面更為合算。如果提高爐膛出口煙溫值，輻射受熱面吸熱量減小，金屬消耗量降低；但對流受熱面吸熱量增加，受熱面面積和金屬消耗量會相應(yīng)