600MW超临界压力煤粉锅炉课程设计.docx

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榆林学院锅炉课程设计

第1章   锅炉设计的目的和意义

1.1  锅炉课程设计的目的和内容

1.1.1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。

1.1.2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）锅炉设计计算时应提供的原始资料

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

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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。

（2）课程设计的内容

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。

1.1.3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。

（5）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。

1.2  锅炉课程设计的方法和步骤

1.2.1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。

1.2.2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2章   锅炉简介

2.1  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2-1。

    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。

2.2  省煤器和水冷壁系统

2.2.1省煤器和水冷壁系统流程

     给水由省煤器进口联箱流经省煤器管组、中间集箱和悬吊管，然

后汇合在省煤器箱，再由2根连接管道分别引入水冷壁左右侧墙下集箱，水冷壁下集箱为四周相连通的集箱，水经由前后墙下集箱进入炉膛四周水冷壁。

锅炉水冷壁由炉膛下部螺旋管圈式和上部垂直管圈式水冷壁组成，水从下集箱进入螺旋段水冷壁经水冷壁过渡段进入垂直水冷壁，其流程如图所示。

    在锅炉启动阶段和低于最低直流运行工况（30%BMCR）时，水在水冷壁内吸热形成汽水混合物，汇集至水冷壁上集箱，通过水冷壁引出汽水分离器，在汽水分离器内进行汽水分离，分离后的蒸汽引至过热器，水则通过调节阀进入除氧器或大气式扩容器至凝汽器，进行工质和热量的回收。

在高于最低直流运行工况时，水在水冷壁内吸热形成的过热蒸汽汇集

至水冷壁上集箱，通过引出管进入汽水分离器后，直接由连接管道引出到过热器，此时的汽水分离器仅作为连接水冷壁与过热器之间的汽

水通道。

2.2.2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。

2.3  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。

2.3.1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。

2.3.2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。

2.3.3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。

2.3.4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。

2.3.5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。

2.4  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。

2.4.1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。

2.4.2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。

2.4.3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。

2.5  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（Close

coupledOFA，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。

2.6  烟风系统

2.6.1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。

2.6.2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3章   热力计算

3.1  设计任务书

设计题目：

600MW等级超临界压力煤粉锅炉 原始资料如下：

锅炉蒸发量：

Dsh=1913t/h

过热蒸汽压力：

psh''=25.4MPa（表压） 过热蒸汽温度：

tsh''=571℃

再热蒸汽流量：

Drh=1586t/h 

再热蒸汽入口压力：

prh'=4.35MPa（表压） 再热蒸汽入口温度：

trh'=310℃

再热蒸汽出口压力：

prh''=4.16MPa（表压） 再热蒸汽出口温度：

trh''=569℃

给水压力：

pfw=29.35MPa 给水温度：

tfw=282℃

周围环境温度：

tca=20℃ 排烟温度：

vexg=126℃

制粉系统：

直吹式、中速磨

（1）燃料名称：

神府东胜煤

（2）煤的收到基成分（%）：

Car=57.33, Har=3.62，Oar=9.94, Nar=0.70, 

                         Sar=0.41, Aar=15.00, Mar=13.00

（3）煤的干燥无灰基挥发分：

Vdaf=33.64%

（4）煤的收到基低位发热量：

Qnet,ar=21805kj/kg

（5）灰熔点：

DT、ST、FT>1500℃

表4-1燃料的数据校核和煤种判别

序号

名  称

符号 单位

计算公式或数据来源

结果

1 

元素之和

— 

％

100 

3.2  煤的元素分析数据校核和煤种判别

Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar

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） 

22943 

4 

低位发热量（经验公式）Q'net,ar

kJ/kg 

Qgr,ar-r（0.09Har+0.01Mar） 

21803 

5 

经验公式值和给定值之差⊿Qnet,ar

kJ/kg 

Q'net,ar-Qnet,ar

-2 

6 

误差判别 — 

— 

│⊿Qnet,ar│<800

正确

7 

煤的折算因子 red 

— 

4190/Qnet,ar

0.192 

8 

折算灰分 Ared,ar

％

red×Aar

2.88 

9 

折算水分 Mred,ar

％

red×Mar

2.50 

10 

折算硫分 Sred,ar

％

red×Sar

0.08 

— 

— 

Ared,ar<4% 

低灰分煤

11 

煤的灰分特性判断 — 

— 

Mred,ar<8% 

低水分煤

— 

— 

Sred,ar<0.2% 

低硫分煤

  *注（给定煤质的收到基低位发热量与用经验公式算出的收到基低位发热量，两者之差超过800，故误差在规定范围。

）

3.3  燃烧产物和锅炉热平衡计算

3.3.1燃烧产物的计算

表4-2理论空气量和理论烟气量计算

序号

名    称

符号

单位

1 

理论空气量

Nm3/kg 

计算公式或数据来源

0.0889 × （Car + 0.375×Sar） + 

0.265×Har－0.0333×Oar

结果

Vo

5.739 

2 

理论氮气容积

Vo 

N2

Nm3/kg 

0.79 ×V0 + 0.008×Nar

4.539 

3 三原子气体RO2的容积 VRO2

Nm3/kg 

0.01866 × （Car+ 0.375×Sar） 

1.073 

1.148  

1.262  

1.492  

0.674  

0.676  

0.679  

7.433  

7.550  

7.783  

4  理论水蒸汽容积

V0H2O

Nm3/kg 

0.111 ×Har + 0.0124×Mar+ 

0.0161×V0

0.655 

5 

理论烟气容积

Vo 

g

Nm3/kg 

Vo

N2+Vo

H2O+VRO2

6.267 

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' 

— 

1.20  

1.20  

1.24  

烟道出口过量空气系数

2  

（查表3-4）

烟道平均过量空气系数

3  

（α'+α"）/2

过剩空气量

（αav-1）V

a" 

— 

1.20  

1.24  

1.28  

aav

— 

1.20  

1.22  

1.26  

4  

o

⊿V 

Nm/kg 

3

水蒸汽容积

5 

 o

VH2O+0.0161ΔV

VH2O

Nm3/kg 

烟气总容积

6 

Vg+1.0161（αav-1）V

o

o

V 

g

Nm3/kg 

RO2占烟气容积份额

7  

VRO2/Vg

H2O占烟气容积份额

8  

VH2O/Vg

RO2+H2O的容积份额

9  

rRO2+rH2O

烟气质量

1-Aar/100+1.306αavV

飞灰浓度，αfa取0.95 11  

αfaAar/（100Gg）

rRO2

— 

0.1443  

0.1421

0.1378  

rH2O

— 

0.0907  

0.0895

0.0873  

rg

— 

0.2350  

0.2316

0.2251  

10  

o

Gg

kg/kg 

9.844  

9.993  

10.293  

μash

kg/kg 

0.0145  

0.0143

0.0138  

温度

空气

焓

CO2

N2

O2

H2O  灰焓

烟气焓温的计算

20 

26 

30 

39 

100 

132 

169  

130  

132  

151  

81  

200 

266 

357  

260  

267  

304  

169  

300 

403 

559  

392  

407  

463  

264  

400 

542 

772  

527  

551  

626  

360  

500 

684 

996  

664  

699  

794  

459  

600 

830 

1222  

804  

850  

967  

560  

700 

979 

1461  

946  

1005  

1147

663  

800 

1130 

1704  

1093  

1160  

1335

767  

900 

1281 

1951  

1243  

1319  

1524

874  

1000 

1436 

2202  

1394  

1478  

1725

984  

1100 

1595 

2457  

1545  

1637  

1926

1096  

1200 

1754 

2717  

1695  

1800  

2131

1206  

1300 

1913 

2976  

1850  

1963  

2344

1360  

1400 

2076 

3240  

2009  

2127  

2558

1571  

1500 

2239 

3504  

2164  

2294  

2779

1758  

1600 

2403 

3767  

2323  

2461  

3001

1830  

1700 

2566 

4035  

2482  

2629  

3227

2066  

1800 

2729 

4303  

2642  

2796  

3458

2184  

1900 

2897 

4571  

2805  

2968  

3688

2385  

2000 

3064 

4843  

2964  

3139  

3926

2512  

2100 

3232 

5115  

3127  

3307  

4161

2640  

2200 

3399 

5387  

3290  

3483  

4399

2760  

序 温度

号 （℃） 



理论烟气焓

I0

g（kJ/kg） 



理论空气焓

I0

a（kJ/kg） 

表4-4烟气焓温表

烟气的焓Ig=I0g+（α-1）I0a+Ifa （kJ/kg） 

飞灰的焓

α=1.2  α=1.24  α=1.28 

Ifa（kJ/kg） 

Ig ΔIg Ig ΔIg Ig ΔIg

1 

100 

870.3  

757.5  

11.5  

—— 

—— 

1063.6  

1089.2  

1093.9  

1119.9  

2 

200 

1762.3  

1526.5  

24.1  

—— 

—— 

2152.8  

1122.2  

2213.9  

—— 

3 

300 

2682.4  

2312.7  

37.6  

3182.5  

1121.3  

3275.0  

—— 

—— 

—— 

4 

400 

3630.5  

3110.3  

51.3  

4303.8  

1149.3  

—— 

—— 

—— 

—— 

5 

500 

4602.7  

3925.2  

65.3  

5453.1  

1173.3  

—— 

—— 

—— 

—— 

6 

600 

5594.0  

4763.0  

79.8  

6626.4  

1204.6  

—— 

—— 

—— 

—— 

7 

700 

6612.9  

5618.1  

94.5  

7831.0  

1239.2  

—— 

—— 

—— 

—— 

8 

800 

7664.0  

6484.6  

109.3  

9070.2  

1258.2  

—— 

—— 

—— 

—— 

9 

900 

8733.7  

7351.2  

124.5  

10328.5

1279.9  

—— 

—— 

—— 

—— 

10 

1000 

9820.1  

8240.6  

140.2  

11608.4

1289.1  

—— 

—— 

—— 

—— 

11 

1100 

10910.7  

9153.1  

156.2  

12897