600MW超临界压力锅炉煤粉锅炉课程设计.docx
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600MW超临界压力锅炉煤粉锅炉课程设计
银川能源学院
课程设计任务书
设计题目：
600MW超临界压力锅炉煤粉锅炉
年级专业：
能动1202班
专业：
能源与动力工程
姓名：
杨超超
学号：
指导教师：
第一章锅炉设计的目的及意义
第一节锅炉课程设计的目的和内容1
第二节锅炉课程设计的方法和步骤2
第二章锅炉简介3
第一节锅炉的整体布置3
第二节锅炉炉膛及受热面结构3
第三节锅炉传热的基本方程3
第四节省煤器4
第五节过热器系统4
第六节再热器系统6
第七节燃料系统6
第八节烟风系统6
第九节锅炉辅助计算6
第十节燃料的燃料计算6
第十一节固体燃料燃料产生的烟气量计算6
第三章计算3
第一节600MW机组锅炉设计计算原始参数9
第二节理论空气量和理论烟气量的计算10
第三节锅炉燃料及热平衡计算11
第四节炉膛设计和水冷壁的计算13
第五节前屏过热器结构和热力计算16
第六节后屏过热器结构和热力计算23
第七节高温再热器结构和热力计算27
第八节第一悬吊管结构和热力计算32
第九节高温对流过热器结构和热力计算34
第十节第二悬吊管结构和热力计算38
第十一节低温再热器垂直段结构和热力计算33
第十二节转向室结构和热力计算37
第十三节低温再热器水平段结构和热力计算39
第十四节省煤器结构和热力计算47
第十五节汽温校核48
第十六节空气预热器结构和热力计算52
第十七节热力计算数据的总校和计算结果汇总60
第四章参考文献61
第一章锅炉设计的目的和意义
第一节锅炉课程设计的目的和内容
一、锅炉课程设计的目的
锅炉课程设计是《锅炉原理》课程的重要教学实践环节。
通过课程设计，使学生对锅炉原理课程的知识得到巩固、充实和提高；掌握锅炉机组的热力计算方法，学会使用与热力计算相关的标准或导则，培养综合考虑锅炉机组设计与布置的初步能力；培养学生查阅资料和分析数据的能力，提高学生运算、绘图等基本技能；培养学生对待工程技术问题的严肃认真和负责的态度。
二、锅炉课程设计的内容
本书的设计任务是根据一台给定规范和形式的600MW等级超临界压力直流煤粉锅炉的原始资料，进行锅炉的结构设计和热力计算。
（1）锅炉的主要参数，包括锅炉蒸发量、再热蒸汽流量、给水压力和温度、过热蒸汽和再热蒸汽的压力和温度。
（2）给定的燃料和燃料特性。
（3）锅炉概况，如锅炉结构和受热面布置、制粉系统、燃烧设备的形式等。
（4）锅炉结构简图、烟风和汽水系统流程简图等。
在设计计算时，锅炉的排烟温度和热空气温度应预先选定，也可以原始数据给定。
炉膛出口烟气温度和烟道烟气温度，以及汽水流程中各受热面进出口处工质的温度和焓，应根据技术要求在合理的范围内选定。
（1）锅炉炉膛及主要受热面的结构设计。
（2）额定负荷下锅炉的热力计算。
（3）绘制锅炉受热面的结构图。
（4）编写课程设计报告。
三、锅炉设计的要求
随着科学技术的进步和国家对节能、环保要求的提高，电力工业的发展日益受到资源和环境等因素的制约，以降低能源消耗、减少污染物排放为目标的节能减排能力已成为衡量一个企业竞争力的首要标准。
因此，针对新型锅炉的技术发展趋势以及新情况下对锅炉系统的特殊要求，科技工作者子在锅炉设计时应着重考虑以下几个方面：
（1）采用成熟、先进的超临界压力技术，确保机组具有较高的循环效率和可用率。
（2）选用合适的炉膛尺寸及热负荷指标，采用先进的燃烧方式和燃烧设备，在保证炉膛不结渣和不产生水冷壁高温腐蚀的前提下，提高锅炉的燃烧效率、减小炉内烟气温度及速度偏差、降低锅炉的NOX排放。
（3）采用成熟可靠的受热面布置方式，减小汽温偏差，保证受热面安全可靠。
（4）具有较好的煤种适应性和低负荷稳燃性能以及良好的启、停及调峰性能等。
第二节锅炉课程设计的方法和步骤
一、锅炉课程设计热力计算方法
锅炉热力计算可分为设计计算和校核计算。
两者的计算方法基本相同，都从燃料燃烧和热平衡计算开始，然后按烟气流向对锅炉机组的各个受热面（炉膛、屏式过热器、对流过热器等）进行计算，其区别在于计算任务和所需求的数据不同。
设计计算的任务是根据给定的锅炉容量、参数和燃料特性来确定锅炉机组的结构尺寸和各个部件的受热面面积，并确定锅炉的燃料消耗量、锅炉效率、各受热面交界处工质和烟气的温度和焓、各受热面的吸热量和介质速度等参数，为选择辅助设备和进行空气动力计算、水动力计算、管子金属壁温计算和强度计算等提供原始资料。
校核计算的任务是在给定锅炉负荷和燃料特性的前提下，按锅炉机组已有的结构和尺寸，去确定各个受热面交界处的水温、汽温、空气和烟气温度、锅炉效率、燃料消耗量以及空气和烟气的流量和流速。
校核计算是为了估计锅炉机组按指定燃料运行的经济指标，寻求必要的改进锅炉结构的措施，选择辅助设备（或检验原有辅助设备的适用性）以及为空气动力、水动力、壁温和强度等计算提供原始资料。
为了计算方便，设计计算也通常采用校核计算的方法，先根据经验并参考同类型锅炉结构，预先布置好各部件受热面的结构尺寸，然后进行校核计算。
如不合适，修改后再进行校核计算。
对锅炉机组做校核计算时，烟气的中间温度、内部工质温度、排烟温度以及热空气温度等都是未知数，上述温度需先假设，然后用渐进法（见此逼近法）去确定。
二、锅炉课程设计的步骤
锅炉课程设计的步骤包括：
（1）了解给定锅炉的结构、受热面布置、汽水和烟风系统流程等。
（2）进行锅炉热力计算，包括各受热面的设计、结构计算、校核计算等。
（3）锅炉总体的热量平衡校核和误差检查。
（4）编写课程设计报告。
第二章锅炉简介
第一节锅炉的整体布置
本课程设计锅炉为超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、全钢架悬吊结构、Ⅱ形布置、固态排渣。
炉后尾部布置2台三分仓容式空气预热器。
锅炉总体布置见图。
600mw超临界压力锅炉整体布置
锅炉燃烧系统为配6台中速磨煤机的直吹式制粉系统，24只直流式燃烧器分六层布置于炉膛下部四角，煤粉和空气从四角送入，在炉膛中呈切圆方式燃烧。
在锅炉最大出力工况时，5台磨煤机和五层20只燃烧器投入运行，1台磨煤机备用。
在主燃烧器和炉膛出口之间布置一组分离燃尽风（SOFA）喷嘴。
第二节锅炉炉膛及主要受热面的结构
炉膛传热计算的目的是要确定炉膛辐射受热面（水冷壁）的吸热量、炉膛出口烟气温度和炉膛热流密度的分布。
炉膛设计的任务是：
在选定了炉膛出口烟温时，确定需布置多少辐射受热面积；或在布置好了炉内受热面后，校核炉膛出口烟温是否合理。
炉膛传热计算主要是计算炉内高温火焰和水冷壁之间的辐射换热量。
由于炉内烟气流速较小，对流传热较弱，所占炉膛换热份额很少，故计算时流传热量可以忽略。
采用先进可靠的计算方法，确保设计结果经得起实践的检验。
要达到上述要求，必须在进行广泛深入调查研究的基础上，综合运用相关的理论知识以及制造和运行方面的实践经验，集合国内外先进技术，在对各种技术方案进行精确计算分析的同时，通过试验对结果进行约验证，从而批国家各个方案的优劣。
第三节炉膛传热的基本方程
根据斯蒂芥一波尔茨曼定律，炉膛内火焰与被包围着的水冷壁之间的辐射换热量为：
式中：
σ-绝对黑体辐射常数
Hf-有效辐射受热面面积
T-火焰的平均温度
Tb-水冷壁表面温度
axt-炉膛系统黑度
此外，根据烟气侧热平衡方程，即烟气在炉膛内放出的热最应等于燃料在炉膛内有效放热景与烟气从炉膛出口流出吋带走的热量之差，即
式中：
Q,——燃料在炉膛内的有效放热量，kJ/kg；
Il-炉膛出口处烟气的焓，kJ/kg；
Φ-保热系数；
Bj-计算燃料耗量，kg/s
第四节省煤器
省煤器的作用是在给水进入水冷壁以前，将水进行预热，并借以回收锅炉排烟中的部分热量，提高其经济性。
省煤器布置于锅炉的后烟井低温再热器下面，采用光管蛇形管，顺列排列，与烟气成逆流布置，并由悬吊管悬吊，悬吊管内的工质来自省煤器。
为了确保后烟井的烟气分布均匀，在后烟井入口的后墙包覆管及省煤器进口处前后墙包覆管上均焊有烟气阻流板，以防止形成烟气走廊，造成局部磨损。
如图
第五节过热器系统
过热器系统按蒸汽流向可分为:
顶棚和包覆过热器，前屏过热器，后屏过热器和末级过热器（高温对流过热器），其中主受热面为前屏过热器，后屏过热器和末级过热器。
一、过热蒸汽系统流
从汽水分离器引出的蒸汽进入炉顶进口集箱，经前炉顶管至炉顶出口集箱，为减少蒸汽阻力损失，在BMCR工况下约35.6%的蒸汽经旁路管直接进入炉顶出口集箱。
从炉顶出口集箱引出的蒸汽经过后炉顶管，后烟井包覆，后烟井延伸侧墙，再汇总至后烟井侧墙上集箱，分四路引入前屏进口集箱，进入前屏加热后进入前屏出口集箱，再分两路经第一级喷水减温后进入后屏过热器进口集箱，流经后屏并进入后屏过热器出口集箱，从后屏过热器出口集箱分两路经第二级喷水减温后进入末级过热器进口集箱，在末级过热器加热后进入末级过热器出口集箱。
再由两根末级过热器出口集箱引出管引出至两根主蒸汽管道并送往汽轮机高压缸。
二、前屏过热器
前屏过热器（也称大屏，分隔屏过热器）布置于炉膛上部，不仅可吸收炉膛上部的烟气辐射热，还能分隔烟气流，起到减弱切圆燃烧时炉膛出口烟气残余旋转的作用，降低炉膛出口烟温偏差。
三、后屏过热器
后屏加热器布置在炉膛上部，前屏之后，炉膛折焰角的前方，可吸收部分炉膛上部的辐射热量。
四、末级过热器
末级过热器布置于水平烟道，在高温再热器和炉膛后墙水冷壁悬吊管之后，受热面呈顺列逆流布置，主要靠对流传热吸收热量。
五、减湿系统
过热器汽温通过两级喷水控制，第一级喷水布置在前屏过热器出口管道上，第二级喷水布置在后屏过热器出口管道上，过热器喷水取自省煤器进口管道的给水。
第六节再热器系统
再热器系统由低温再热器和高温再热器两级组成。
一、再热蒸汽系统流程
自汽机高压缸排出的蒸汽分成两路经事故喷水减温器后引入低温再热器进口集箱，经低温再热器后进入低温再热器出口集箱，再经过两根连接管道引至高温再热器进口集箱，经过高温再热器后从高温再热器出口集箱上引至两根蒸汽管道，送往汽轮机中压缸，其流程图如图所示。
低温再热器和高温再热器之间通过连接管道进行左右交叉，以减少因炉膛左右侧烟温偏差而引起的再热蒸汽温度偏差。
二、低温再热器
低温再热器布置于后竖井烟道中，顺列排列，与烟气成逆流布置，靠对流传热吸收热量，低温再热器又分成水平段和垂直段。
垂直段布置于水平烟道的尾部竖井前墙悬吊管之后锅炉转向室的入口处。
三、高温再热器
由于再热蒸汽采用摆动燃烧器调温，故高温再热器布置于炉膛折焰角上部烟气高温区，与烟气成顺流流动，顺列布置。
第七节燃烧系统
锅炉采用配中速磨煤机，冷一次风机，正压直吹式制粉系统。
煤粉燃烧器为四角布置，切圆燃烧，摆动式燃烧器。
通过燃烧设备设计和炉膛布置的匹配来满足各项燃烧指标的要求，即煤粉的及时着火，稳定燃烧和低NO排放，并保证炉内不能发生明显的结渣和水冷壁的高温腐蚀。
主风箱设有6层强化着火煤粉喷嘴，在煤粉喷嘴四周布置有燃料风（周界风）。
煤粉喷嘴和二次风喷嘴相间布置。
除底部二次风（也称火下风）（UFA）和顶部二次风外，中间五层二次风（也称辅助风）的一层喷嘴都由三层小喷嘴组成，其中上下两层为偏置的CFS喷嘴，中间一层为直吹风喷嘴。
在主风箱上部设有两层紧凑燃尽风（ClosecoupledOFA，CCOFA）喷嘴，在主风箱下部设有一层火下风（underfireair，UFA）喷嘴。
在CCOFA上部布置有分离燃尽风（separatedOFA，SOFA）喷嘴，即五层可水平摆动的分离燃尽风喷嘴。
在本锅炉课程设计中，燃烧设备和制粉系统不需要设计和计算，直接给定。
第八节烟风系统
一、烟气系统
炉膛中产生的烟气流过后烟井后，通过烟道进入空气预热器烟气仓，在预热器中利用烟气余热使一、二次风得到预热。
烟气在烟气仓中将预热器的波形板受热面加热而得到冷却。
加热后的波形板先进入二次风分隔仓加热二次风，然后再进入一次风分隔仓加热一次风。
从空气预热器出来的烟气通过静电除尘器、脱硫设备等，排至烟囱。
二、空气系统
一次风的作用是干燥和输送煤粉，从大气中抽吸的空气通过一次风机，送入三分仓预热器的一次风分隔仓，加热后通过热一次风道进入磨煤机，在进预热器前有一部分冷风在磨煤机进口前与热一次风相混合。
作为磨煤机调温风。
二次风的作用是强化燃烧和控制NOx生成量。
从大气吸入的空气通过送风机进入预热器的二次风分隔仓，加热后经二次风道进入大风箱，并由大风箱分配到各二次风喷嘴。
供给五层分离燃尽风喷嘴的空气也由大风箱上抽取。
第九节锅炉辅助计算
1.煤种的效核与判别
校核煤种一般是指保证锅炉能够安全和最基本性能的最低煤质要求；燃用校核煤种时不能保证锅炉的设计性能要求；在工程中锅炉厂常常以校核煤种来验证锅炉的整体设计是否存在偏差，在煤质偏离的情况下锅炉能否安全运行。
煤种的判别：
通常根据煤化程度把煤分为三大类：
褐煤、烟煤、无烟煤。
具体分类如下图：
分类指标用下列符号表示：
Vr——干燥无灰基挥发分，%；
Hr——干燥无灰基氢含量，%；
GR·I（简记G）————烟煤的粘结指数；
Y——烟煤的胶质层最大厚度，毫米（mm）；
b——烟煤的奥亚膨胀度，%；
M——煤样的透光率，%；
第十节燃料的燃烧计算
燃料的燃烧是燃料中的可燃元素与氧气在高温条件下进行的高速放热化学反应过程。
为使燃料燃烧，需要一定温度条件外还需要一定的氧气。
电厂燃烧设备中，氧气来源于空气。
1KG收到基燃料完全燃烧且没有剩余氧存在是所需的空气量，称为理论空气量VO。
过量空气系数
在燃烧设备中，燃烧过程一般在炉膛出口处结束，因此对燃烧有重大影响的是炉膛出口出的过量空气系数
。
的大小直接影响燃烧效率和热效率:
其值过大将会造成过大的排烟热损失并使炉温偏低，不利于燃烧；其值过小会造成固体及气体不完全燃烧损失过大，且污染物排放浓度过高。
实际空气量VK与理论空气量V0之比称为过量空气系数，即
式中
α—过量空气系数，用于烟气量的计算
β—过量空气系数，用于空气量的计算
理论烟气量
第十一节固体燃料燃烧产生的烟气量计算
一、理论空气量计算
L:
燃料完全燃烧所需的理论空气量，单位是m3/kg; Q:
燃料低发热值，单位是kJ/kg; 二、理论烟气量计算
V:
理论干烟气量，单位是m3/kg; C、S、N：
燃料中碳、硫、氮的含量；
第三章计算
第一节600MW机组锅炉设计计算原始参数
序号
名称
符号
单位
计算公式或数据来源
结果
1
额定蒸发量
Dsh''
t/h
给定
1913
2
过热蒸汽压力
psh''
MPa
给定，表压
3
过热蒸汽温度
tsh''
℃
给定
571
4
再热蒸汽流量
Drh''
t/h
给定
1586
5
再热蒸汽入口压力
prh'
MPa
给定，表压
6
再热蒸汽入口温度
trh'
℃
给定
310
7
再热蒸汽出口压力
prh''
MPa
给定
8
再热蒸汽出口温度
trh''
℃
给定
569
9
给水压力
pfw
MPa
给定
10
给水温度
tfw
℃
给定
282
11
周围环境温度
tca
℃
给定
20
12
锅炉燃煤特性
神华烟煤
（1）碳收到基质量百分比
Car
%
给定
（2）氢收到基质量百分比
Har
%
给定
（3）氧收到基质量百分比
Oar
%
给定
（4）氮收到基质量百分比
Nar
%
给定
（5）硫收到基质量百分比
Sar
%
给定
（6）灰分收到基质量百分比
Aar
%
给定
（7）水分收到基质量百分比
Mar
%
给定
（8）挥发分干燥无灰基质量百分比
Vdaf
%
给定
（9）燃料收到基低位发热量
Qnet,ar
kJ/kg
给定
23442
序号
名称
符号
单位
计算公式或数据来源
结果
1
元素之和
—
％
Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar
100%
2
元素之和正确否？
—
—
—
正确
3
高位发热量（经验公式）
Qgr,ar
kJ/kg
339Car+1256Har-109（Oar-Sar）
4
低位发热量（经验公式）
Q'net,ar
kJ/kg
Qgr,ar-r（0.09Har+0.01Mar）
5
经验公式值和给定值之差
⊿Qnet,ar
kJ/kg
Q'net,ar-Qnet,ar
6
误差判别
—
—
│⊿Qnet,ar│<800
正确
7
煤的折算因子
red
—
4190/Qnet,ar
8
折算灰分
Ared,ar
％
red×Aar
9
折算水分
Mred,ar
％
red×Mar
10
折算硫分
Sred,ar
％
red×Sar
11
煤的灰分特性判断
—
—
Ared,ar<4%
正确
—
—
Mred,ar<8%
正确
—
—
Sred,ar<0.2%
正确
表4-2理论空气量和理论烟气量计算
序号
名称
符号
单位
计算公式或数据来源
结果
1
理论空气量
Vo
Nm3/kg
0.0889××××Oar
2
理论氮气容积
VoN2
Nm3/kg
0.79×V0+0.008×Nar
3
三原子气体RO2的容积
VRO2
Nm3/kg
0.01866×（Car+0.375×Sar）
4
理论水蒸汽容积
V0H2O
Nm3/kg
0.111×××V0
5
理论烟气容积
Vog
Nm3/kg
VoN2+VoH2O+VRO2
表4-3烟气特性表
序号
名称及公式
符号
单位
前屏至省煤器
空预器热段
空预器冷段
1
烟道进口过量空气系数（查表3-3）
a'
—
2
烟道出口过量空气系数（查表3-4）
a"
—
3
烟道平均过量空气系数（α'+α"）/2
aav
—
4
过剩空气量（αav-1）Vo
⊿V
Nm3/kg
5
ΔV
VH2O
Nm3/kg
6
烟气总容积
Vgo+1.0161（αav-1）Vo
Vg
Nm3/kg
7
RO2占烟气容积份额
VRO2/Vg
rRO2
—
8
H2O占烟气容积份额
VH2O/Vg
rH2O
—
9
RO2+H2O的容积份额
rRO2+rH2O
rg
—
10
αavVo
Gg
kg/kg
11
飞灰浓度，αfa取0.95
αfaAar/（100Gg）
μash
kg/kg
表4-5锅炉热平衡及燃料计算炉热平衡及燃料消耗量
序号
名称
符号
单位
计算公式或数据来源
结果
1
燃料带入的热量
Qf
kJ/kg
≈
23442
2
排烟温度
ϑexg
℃
给定
126
3
排烟的焓
Iexg
kJ/kg
调用函数
1140
4
冷空气温度
tca
oC
给定
20
5
理论冷空气焓
Icao
kJ/kg
调用函数
6
机械不完全燃烧热损失
q4
%
取用
7
化学不完全燃烧热损失
q3
%
取用
0
8
排烟热损失
q2
%
（Iexg-αexgI0ca）·（1-q4/100）/Qf×100
9
散热损失
q5
%
取用
10
灰渣热损失
q6
%
取用
11
总热损失
∑q
%
q2+q3+q4+q5+q6
12
锅炉热效率
ηb
%
100-∑q
14
保热系数
φ
—
1-q5/（ηb+q5）
15
过热蒸汽的焓
i"sh
kJ/kg
16
给水的焓
ifw
kJ/kg
17
过热蒸汽流量
Dsh
t/h
给定
1913
18
再热蒸汽出口焓
i"rh
kJ/kg
19
再热蒸汽进口焓
i'rh
kJ/kg
2975
20
再热蒸汽流量
Drh
t/h
给定
1586
21
锅炉有效利用热量
Q1
kJ/h
Dsh（i"sh-ifw）+Drh（i"rh-i'rh）
22
锅炉实际燃料消耗量
B
kg/h
Q1/（ηbQf/100）
293780
24
锅炉计算燃料消耗量
Bcal
kg/s
B（1-q4/100）/3600
温度
空气焓
CO2
N2
O2
H2O
灰焓
20
26
30
39
100
132
169
130
132
151
200
266
357
260
267
304
300
403
559
392
407
463
400
542
772
527
551
626
360
500
684
996
664
699
794
600
830
1222
804
850
967
700
979
1461
946
1005
1147
800
1130
1704
1093
1160
1335
900
1281
1951
1243
1319
1524
874
1000
1436
2202
1394
1478
1725
984
1100
1595
2457
1545
1637
1926
1096
12
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