毕业设计说明书--哈锅300MW燃煤电站锅炉热力设计及计算.doc
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哈锅300MW燃煤电站锅炉热力设计及计算
摘要
火电厂是中国电力的主要组成部分，而火力发电中，是以燃烧煤炭为主。
但是我国目前的电厂主要是小型火电厂，小型电站能源利用率低，污染物排放不能达标；而大型电站能在一定程度上解决上述问题。
因此，大型电站锅炉整体结构设计就有这样的实际意义。
本设计的电站锅炉额定蒸发量为1025t/h，出口蒸汽压力为17.26MPa，所配置的汽轮机为300MW，为亚临界自然循环燃煤锅炉。
该设计主要包括了锅炉的总体布置设计，其中主要是锅炉炉膛和其中的受热面，对流烟道和其中的各个对流受热面的布置；燃烧产物和锅炉的热平衡计算；炉膛的设计和热力计算；锅炉燃烧形式的选择，锅炉燃烧器的选择，还有各个主要对流受热面的热力计算。
炉膛四周采用膜式水冷壁。
设计燃料为烟煤，采用中速磨正压冷一次风机直吹式制粉系统，燃烧器四角切圆布置，固态排渣。
过热器分二级，再热器分二级。
省煤器为非沸腾式，空气预热器采用两级，高温空气预热器采用回转式，低温级采用管式空气预热器。
该设计对各受热面进行了详细的结构尺寸计算和热力计算。
关键词：
300MW；自然循环；结构设计；对流受热面；热力计算；1025t/h
Boilerdesignandthermalcaculationof300MWcoal-firedpowerplantinHaerbin
Abstract
ThermalpowerplantisthemainforceofChineseelectricity,andcoal-firedboileristhemainpart.Buttheplantsofourcountrynowaremainlythesmallthermalpowerplants.Theefficiencyofsmallpowerplantislowwhiletheenvironmentalpollutionisserious.Large-scalepowerplantcanaddressthisissuetoacertainextent.Thisstructuraldesignoflarge-scalepowerplantboilerhassuchpracticalsignificance.
Theamountofratedevaporationofthispowerplantboileris1025t/handtheexistingsteampressureis17.26MPa.Itisnaturalcirculationandcoal-firedsub-criticalpressureboiler,withthesteamturbineforthe300MW.Thedesignincludestheoveralllayoutdesignoftheboiler,mainlyincludingtheboilerfurnaceandtheheatingsurfaceofit,convectionflueandeachconvectionheattransfersurfacelayoutofthem;combustionproductsandtheboilerheatbalancecalculation;furnacedesignandthermalcalculation;choiceofboilertypeandthechoiceofboilerburner,andthethermalcalculationofvariousmajorconvectionheatingsurface,andofcoursealsoincludingthelayoutofwindandsmokeandthermodynamiccalculation.Diaphragmwater-wallisaroundthefurnace.Thedesignedfuelisbituminouscoal,withmedium-speedpulverizer,positivepressure,coldprimaryairfananddirectblow-typemillingsystem.Theburnerisarrangedtangentiallyandslagissolid-state.TheEconomizerisnon-boilingtype.Therearetwoprogressionsofsuper-heaterandtwoprogressionsofre-heater.Airpreheaterincludstwo,thehightemperatureoneisrotaryairpreheater,lowtemperatureonetubularairpreheater.Thisdesignofpowerplantboilercalculatesindetailsthesizeofthestructureandthermodynamicdata.
Keywords:
300MW;naturalcirculation;structuraldesign;convectionheatingsurface;thermodynamiccalculation;908.45t/h
目录
第一章概述 1
第二章锅炉基本结构和辅助计算 3
2.1锅炉容量、参数 3
2.2燃料 3
2.3受热面布置 4
2.4燃烧产物计算 5
2.4热平衡及燃料消耗量计算 9
第三章炉膛设计和热力计算 11
3.1炉膛概述 11
3.2炉膛结构 11
3.3燃烧器设计 14
3.4燃烧室水冷壁布置 18
3.5炉膛，屏式过热器及凝渣管热力计算 19
第四章对流受热面的设计与计算 31
4.1对流受热面计算的基本概念 31
4.2过热和再热系统流程及特点 32
4.3高温过热器结构尺寸及热力计算 33
4.4后屏（中温）再热器结构尺寸及热力计算 43
4.5高温再热器结构尺寸及热力计算 46
4.6省煤器结构尺寸及热力计算 49
第五章热力计算数据的修正和计算结果汇总 58
5.1热力计算数据的修正 58
5.2热力计算数据汇总 59
参考文献 60
致谢 61
第一章概述
现代电站锅炉就是利用燃料燃烧释放的热能或其他热能加热给水，以获得规定参数（温度、压力）和品质的蒸汽设备。
本说明书设计的锅炉属亚临界锅炉。
影响锅炉总体设计的因素有蒸汽参数、容量、燃料以及一些其他因素。
对超高压及超高压以上的大容量锅炉，由于容量增大，参数较高，过热气温提高，中间再热器的利用，使得过热部分的吸热份额增加，为保持合适的炉膛出口温度，在炉膛上部设置了屏式过热器。
对本锅炉，采用两级再热器。
省煤器由于压力升高，给水加热比率增加，不会沸腾。
对亚临界锅炉，自然循环、控制循环、直流锅炉3种形式都适用，本锅炉采用最广泛的自然循环。
燃烧煤粉的炉膛尺寸较大，这是由于要在炉膛内使煤燃尽，又要防止产生有害的积灰和结渣。
炉膛水冷壁的吸热率要低到使管子金属温度不会对炉膛尺寸发生大的影响。
从最高一排煤燃烧器中心到炉顶之间要有足够的高度。
炉膛的型式有多种，本锅炉采用“∏”型。
锅炉总体设计中遵行的原则：
1、选取合理的设计指标，以获得较高的利用率；2、从锅炉岛整体出发选用合理的系统最佳参数匹配及成熟结构，以达到高的运行可靠性、灵活性和经济性；3、考虑环境保护问题；4、考虑锅炉的整体结构密封性；5、考虑增加受热面的可能性；6、安全保护和自动控制。
在设计锅炉时，要对锅炉进行热力计算。
锅炉热力计算的目的是确定锅炉受热面与燃烧产物和工质参数间的关系，通常可分为设计计算和校核计算。
这二种计算方法基本相同，其区别在于计算所要求的最终结果的项目不同。
设计计算是指在给定的给水温度和燃烧特性的条件下，确定在锅炉额定蒸发量、给定的蒸汽参数（压力、温度）和预定的技术经济指标的条件是下，所需要的炉室尺寸和锅炉机组各部件的结构、受热面数量。
进行设计计算之前还要预先选定锅炉的整体布置型式、排烟温度和热空气温度。
设计计算的目的是在额定负荷下确定锅炉各受热面的结构特性及传热面积。
除了确定锅炉的各部件的受热面尺寸外，设计计算中应考虑如何保证锅炉机组的运行可靠性、安全性问题。
校核计算则是根据锅炉机组所采用的炉膛结构尺寸和各部件的受热面结构布置和数量，对已知的锅炉负荷和燃料种类，计算决定各级受热面的换热量、各级受热面交界处的水温、汽温和烟气温度，计算得出锅炉效率、燃料消耗量、空气量、烟气量以及工质和烟气在各级受热面内的流速。
进行校核计算是为了估计锅炉机组运行的经济性，同时也是为了取得数据进行水循环的计算、受热面管壁温金属温度计算，进一步估计锅炉运行的安全性，确定配套设备的合理性和适应性，寻找进行锅炉结构改进所需的措施。
设计计算和校核计算都依据相同的传热原理、公式和资料。
在设计计算时，为了计算程序上的方便，对于各个受热面也往往采用校核计算的程序，即预先根据经验布置好受热面的结构尺寸和传热面积，通过校核计算的结果校验受热面的布置是否合理和正确，如果不妥则修正受热面的布置，再进行校核。
因此，对于锅炉各个受热面的热力计算在方法上可以看作是校核计算。
第二章锅炉基本结构和辅助计算
2.1锅炉容量、参数
锅炉容量、参数见表2-1。
表2-1锅炉参数
序号
名称
单位
数值
MCR
ECR
36%MCR
1
汽包工作压力
MPa
19.66
18.47
2
主蒸汽流量
t/h
1025
905.3
370
3
主蒸汽出口压力
MPa
18.29
17.26
8.49
4
主蒸汽出口温度
℃
540.6
540.6
535
5
再热蒸汽流量
t/h
835.8
745.1
319.6
6
再热蒸汽进口压力
MPa
3.83
3.41
1.38
7
再热蒸汽出口压力
MPa
3.61
3.22
1.30
8
再热蒸汽进口温度
℃
322.7
317.3
303.9
9
再热蒸汽出口温度
℃
540.6
540.6
536.7
10
给水温度
℃
280.8
273.1
223.3
11
给水压力
MPa
20
18.67
8.93
12
冷空气温度
℃
23.9
23.9
23.9
13
热一次风温
℃
319.4
315.6
266.1
14
热二次风温
℃
330.6
324.4
269.4
15
炉膛出口烟温
℃
1048
1022
832
16
排烟温度
℃
135.6
132.2
97.8
17
锅炉热效率
%
92.08
92.22
18
燃料消耗量
t/h
143
128.9
58.6
19
炉膛容积热负荷×10-2
KJ/m3h
408.16
368.08
20
炉膛断面热负荷×10-6
KJ/m2h
18.85
16.92
2.2燃料
选用的煤种为烟煤，其应用基各值在表格2-2中.
表2-2烟煤煤特性表
序号
名称
单位
数值
设计煤种
1
应用基碳Cy
%
52.44
2
应用基氢Hy
%
3.1
3
应用基氧Oy
%
8.6
4
应用基氮Ny
%
0.54
5
应用基硫Sy
%
0.90
6
应用基灰份Ay
%
24.83
7
应用基水份Wy
%
9.59
8
可燃基挥发份VR
%
33.41
9
低位发热量Qdwy
KJ/Kg
19860
10
哈氏可磨性系数
67
2.3受热面布置
锅炉采用传统的双烟道布置，即“∏”型布置，见图2.1。
在烟气向上流动的炉膛与烟气向下流动的尾部竖井之间为水平烟道。
炉膛以屏式过热器底面为上下炉膛分界面。
上炉膛内布置有屏式过热器（分隔屏过热器与后屏），可增加其辐射特性并分隔烟气气流，减弱炉膛出口前的烟气旋转强度，减少烟气偏差。
凝渣管在屏式过热器的出口方向上，其作用是可以减少结渣的形成。
屏式过热器沿炉深共有4片，其后为凝渣管。
在水平烟道的前部布置高温过热器，在后部布置高温再热器与低温过热器。
高温过热器采用先逆流后顺流，高温再热器采用先逆流流动方式，其余过热器与再热器也采用逆流方式。
这样的布置使蒸汽温度最高的出口段处于烟温较低的区域，提高其可靠性。
在尾部竖井中依次布置低温再热器和省煤器，均为逆流布置，可提高烟气与蒸汽间的温差。
所有过热器、再热器与省煤器的管子均采用行列布置，这对炉顶密封、管束的吊挂与提高吹灰效果均有利，对减轻管子的飞灰磨损，效果明显。
烟道尾部有两台空气预热器。
高温级是三分仓受热面回转式式空气预热器，它对称布置于尾部竖井下方；另外一台为管式空气预热器。
图2.1锅炉结构简图
2.4燃烧产物计算
空气和燃烧产物的容积和焓都是按1kg固体燃料和标准状态下1干气体燃料计算的。
对所有气体在标准状态下的1mol气体的容积等于22.41（标准）。
1kg燃料完全燃烧时所需要的理论干空气量（空气过剩系数=1）可由燃料中各可燃成分（C、H、S）在燃烧时所需空气量相加而成。
烟气量的计算为燃料在理论空气量（=1）下完全燃烧后所生成燃料产物的理论（最小）容积。
理论空气量和理论烟气量见表2-3。
表2-3理论空气量和烟气量
序号
名称及符号
单位
公式及计算
结果
1
理论空气积
5.227
2
三原子气体容积
0.9848
3
理论氮气容积
4.1334
4
理论水蒸气容积
0.5472
5
理论烟气容积
5.1185
6
飞灰中纯灰份额
-
固态排渣煤粉炉，查表8-51
0.80
7
烟气中飞灰质量浓度
Kg/kg
0.1986
8
煤的折算灰分
g/MJ
12.50
根据该锅炉的燃料性质（属于烟煤），列出空气平衡表。
见表2-4。
表2-4空气平衡表
烟道名称
入口过量空气系数
出口过量空气系数
漏风系数
炉膛，辐射过热器及凝渣管（l,f，nz）
1.25
0.1
高温过热器（gzr）
1.25
1.275
0.025
高温再热器（ggr）
1.275
1.305
0.03
低温过热器（dgr）
1.305
1.33
0.025
低温再热器（dzr）
1.33
1.36
0.03
省煤器（sm）
1.36
1.38
0.02
高温空气预热器（回转式）
1.38
1.58
0.2
低温空气预热器（管式）
1.58
1.61
0.03
根据上述计算出的数据，计算表2-5烟气特性表列出的各项。
表2-5烟气特性表
名称及公式
符号
单位
炉膛及凝渣管
第二级过热器
高温再热器
第一级过热器
低温再热器
省煤器
高温空气预热器
低温空气预热器
入口过量空气系数
1.25
1.25
1.27
1.30
1.33
1.36
1.38
1.58
出口处过量空气系数
1.25
1.27
1.30
1.33
1.36
1.38
1.58
1.61
平均过量空气系数0.5（α′+）
1.25
1.26
1.29
1.31
1.34
1.37
1.48
1.59
水容积
+0.0161
（-1）V0
m3/kg
0.53
0.53
0.53
0.53
0.54
0.54
0.55
0.56
烟气总容积V++V+（-1）V0
m3/kg
7.46
7.53
7.69
7.84
8.00
8.15
8.78
9.43
RO2容积份额
V/
0.14
0.14
0.13
0.13
0.13
0.13
0.12
0.11
H2O容积份额
V/
0.07
0.07
0.06
0.06
0.06
0.06
0.06
0.05
三原子气体总容积份额
0.21
0.21
0.20
0.20
0.20
0.19
0.18
0.17
烟气质量
1-+
1.306
kg/kg
9.94
10.03
10.23
10.44
10.64
10.82
11.63
12.48
飞灰浓度
kg/kg
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
1.3
1.33
1.33
1.33
1.32
1.32
1.32
1.32
在>1.0时，实际烟气的焓为：
（kJ/kg）（2-2）
当燃用多灰分煤种时，烟气中飞灰含量较大时（即>），烟气的焓应计入飞灰的焓。
上述结果为了便于查阅，将各受热面的烟气温度范围内的值列成表格形式，即所谓的烟气温焓表.
2.4热平衡及燃料消耗量计算
锅炉机组的热平衡是指送入机组的热量与有效利用热量加上各项热损失的总相平衡。
一般的热平衡方程式如下：
（kJ/kg）（2-3）
式中——送入锅炉的热量（kJ/kg）
——有效利用热量（kJ/kg）
——排烟热损失（kJ/kg）
——气体不完全燃烧损失（kJ/kg）
——固体不完全燃烧损失（kJ/kg）
——锅炉散热损失（kJ/kg）
——灰渣物理热损失（kJ/kg）。
热平衡表见表2-7
表2-7锅炉热平衡及燃料消耗量计算
序号
名称
符号
单位
计算公式或数据来源
数值
1
燃料带入量
kJ/kg
≈
19860
2
排烟温度
℃
假定
132.2
3
排烟焓
kJ/kg
查焓温表2-6（=1.61）
1067.6001
4
冷空气温度
℃
给定
23.9
5
排烟热损失
%
4
6
气体不完全燃烧损失
%
查文献2表8-51
0
7
固体未燃烧损失
%
查文献2表8-51
1.5
8
散热损失
%
查文献2图3-3
0.5
9
灰渣物理热损失
%
故不需计算
0.07
10
理论冷空气焓
kJ/kg
查表2-6
164.9
11
锅炉总热损失
%
6.07
12
锅炉热效率
%
100-
93.93
13
过热蒸汽出口焓
kJ/kg
查蒸汽特性表，t=541℃
p=18.49MPa
3397.5
14
饱和水焓
kJ/kg
查蒸汽特性表，p=18.49MPa
1808.1
15
给水焓
kJ/kg
查蒸汽特性表，t=271℃
p=19.05MPa
1761.7
16
过热蒸汽流量
t/h
任务书给定
905.3
17
再热蒸汽出口焓
kJ/kg
查蒸汽特性表，t=541℃
p=3.98MPa
3543.56
18
再热蒸汽进口焓
kJ/kg
查蒸汽特性表，t=315℃
p=3.32MPa
3015.38
19
再热蒸汽流量
t/h
任务书给定
745.1
20
锅炉有效利用热
kw
+
678840.8
21
实际燃料消耗量
B
kg/s
35.81
22
计算燃料消耗量
kg/s
35.27
23
排烟处过量空气系数
-
查文献2表4-5
0.1
24
保热系数
-
0.9947
第三章炉膛设计和热力计算
3.1炉膛概述
炉膛是锅炉中的一个重要部件。
其复杂性在于同时存在着燃烧和传热过程，而燃烧本身就对传热有很大影响。
如火焰中心的位置，火焰中三原子气体和炭黑成分对辐射传热都有直接影响。
另外，燃烧产生的灰分对受热面的污染程度不同也会使吸热量发生变化。
反过来，传热过程的强弱又会影响燃料的着火和燃尽。
炉膛的传热过程是一个动态过程，燃料着火后燃烧非常强烈，其放热大于四周水冷壁的吸热，火焰温度迅速上升，形成最大值所在的火焰中心。
随后可燃物逐渐燃尽，其发热量小于水冷壁吸热量，火焰温度下降，形成炉内温度场沿炉膛高度不均匀的分布曲线。
不论锅炉负荷、过量空气系数及燃烧工况如何变化，对一定结构的炉膛，沿其高度的温度场变化是很有规律的。
通常控制炉膛出口温度为1000℃左右，火焰中心可达1400℃甚至更高，故而炉膛中的传热主要是以辐射的形式进行的。
至于对流传热，在炉膛热力计算中可以忽略；但在分析研究火焰偏斜冲刷炉壁而造成灰污结渣的问题时，则要计及对流传热造成的影响。
炉膛设计完成后，进行炉膛的热力计算。
炉膛的热力计算是在布置好炉膛的几何形状、受热面的结构和面积后进行，热力计算的目的是校核所设计的炉膛能否将火焰冷却到预期的炉膛出口温度，即炉膛内布置的受热面能否吸收分配的辐射热量。
3.2炉膛结构
炉膛用以保证燃料燃尽并使出口烟气冷却到对流受热面安全工作所允许的温度，炉膛出口的、等排放符合环保要求。
本锅炉采用直流式燃烧器切向燃烧方式的正方形炉膛，中速磨煤正压冷一次风机直吹式制粉系统。
影响炉膛设计的主要因素：
燃料特性、排渣方式和燃烧方式。
我国电站锅炉主要采用直流式燃烧器切向燃烧方式的正方形炉膛、炉膛宽度a/炉膛深度b<1.2的炉膛。
切向燃烧方式的优点是炉膛四壁水冷壁的热负荷比较均匀，改善了风粉混合工况，即使各个角喷口的风粉不均匀性大些，相邻火焰可以相互点燃，燃烧较稳定，对燃料适应性较好，直流式燃烧器阻力较小，易于操作和调整。
炉膛四周采用膜式水冷壁（膜式水冷壁气密性好，大型锅炉常采用）。
膜式水冷壁由光管加扁钢焊接而成，如图3-1。
管子规格（外径×壁厚）为63.5mm×7.5mm，节距为76.2，材料牌号为SA-210C。
在炉膛较高热负荷区域采用内螺纹管，螺纹头数为8。
炉膛有四个较大的切角，每个切角各有11根水冷壁管，其中1根
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