鍋爐熱力計算

煤粉鍋爐熱力計算熱力計算方法

主要設計參數的選擇

爐膛傳熱計算

對流受熱面計算

鍋爐校核熱力計算程序

F220/100-W鍋爐校核熱力計算說明熱力計算方法與應用1/1

鍋爐機組的熱力計算從燃料的燃燒和熱平衡計算開始，然后按煙氣流向對鍋爐機組的各個受熱面（爐膛、屏式過熱器、對流過熱器及尾部受熱面等）進行計算

鍋爐熱力計算分為設計計算和校核計算

設計計算

給定鍋爐容量、參數和燃料特性確定爐膛尺寸和各部件的受熱面積；燃料消耗量；鍋爐效率；各受熱面交界處介質的參數；各受熱面吸熱量和介質速度等常用于新鍋爐的設計。在額定負荷下進行熱力計算方法1/2熱力計算方法校核計算已知鍋爐結構和尺寸、鍋爐負荷和燃料特性確定各受熱面交界處介質參數、鍋爐熱效率、燃料消耗量等用于考核鍋爐在非設計負荷或燃用非設計燃料時熱力特性及經濟指標；由于計算參數多與爐膛結構有關，故設計計算也常采用校核計算方法

鍋爐校核熱力計算應在鍋爐結構計算的基礎上進行對鍋爐機組作校核計算時，煙氣的中間溫度和內部介質溫度包括排煙溫度、熱空氣溫度，甚至過熱蒸汽溫度均是未知數，故需先假定，然后用逐步逼近法去確定

2/2爐膛出口煙氣溫度的選擇爐膛出口煙氣溫度為凝渣管或屏式過熱器前的煙溫

根據鍋爐受熱面的輻射和對流傳熱的最佳比值（輻射受熱面和對流受熱面的金屬耗量及總成本最?。?，應為1250℃

為防止對流受熱面的結渣。則一般應取<(ST-100)℃當沒有可靠的灰熔點資料時，不應超過1050℃

當爐膛出口處布置著屏式受熱面時，一般取1100～1200℃對于易結渣的燃料，應保持在1000～1050℃的水平1/3排煙溫度與熱空氣溫度的選擇

最佳排煙溫度為燃料費用和尾部受熱面金屬費用總和最少時所對應的排煙溫度，同時還與鍋爐的給水溫度、燃料的性質等因素有關。推薦值見表12-3

低，排煙熱損失小，鍋爐熱效率高，節(jié)約燃料；但由于尾部受熱面的傳熱溫壓降低，金屬耗量增多

熱空氣溫度trk主要取決于燃料的性質著火性能好和水分低的燃料，可以采用較低trk；著火性能差或水分較多的燃料，一般要求采用較高值。此外，trk值還與制粉系統(tǒng)的干燥劑種類、鍋爐的排渣方式等有關。推薦值見表12-42/3工質質量流速ρω太低，工質的傳熱能力下降，受熱面管壁溫度升高；ρω太高，工質的流動阻力大，電耗大通常要求過熱器系統(tǒng)的總阻力應不大于過熱器出口壓力的10%；再熱系統(tǒng)的總阻力應不大于再熱蒸汽進口壓力的10%；省煤器中水的阻力應不大于汽包壓力的10%。推薦值見表12-5

煙氣流速Wy過低，受熱面面積增加，積灰加重，同時影響傳熱；Wy過高，飛灰磨損加重當≤7000C時，飛灰顆粒變硬，磨損問題相對突出，這時，應按磨損條件確定橫向沖刷受熱面的極限煙速對于一般的煤為9～10m/s；對于灰多和灰分磨蝕性較強的燃料為7～8m/s；對于灰少和磨蝕性較弱的煤為10～12m／s工質質量流速ρω與

煙氣速度Wy的選擇3/3爐內傳熱計算目的確定爐膛出口煙氣溫度和爐膛的輻射傳熱量，以便進行對流受熱面的換熱計算及鍋爐熱平衡校核。為應用傳熱學基本原理分析爐內輻射傳熱，簡化計算，需作以下假設把傳熱過程和燃燒過程分開，在必須計及燃燒工況影響時，引入經驗系數予以考慮爐內傳熱只考慮輻射換熱，略去約占總換熱量5%的對流換熱爐內的各物理量（溫度、黑度和熱負荷等）認為是均勻的與水冷壁相切的平面是火焰的輻射面，也是水冷壁接受火焰輻射的面積，稱為水冷壁面積這樣，爐內火焰與四周爐壁之間的輻射換熱可簡化為兩個互相平行的無限大平面間的輻射換熱來考慮

爐內傳熱計算模型1/12高溫煙氣和管壁間的輻射換熱根據傳熱學基本公式，高溫煙氣每小時傳給輻射受熱面的熱量可用下列公式計算：式中：為爐膛黑度；Fi為布置水冷壁的爐墻面積，m2，xi為

水冷壁的角系數（14-28），查圖14-3；Thy、Tb分別為火焰平均溫度與輻射受熱面上灰污層表面溫度；（1–Tb4

/Thy4）為因受熱面管壁污染而使其吸熱量降低的程度，用污染系數ζ(14-31)表示ζ與燃料性質、燃燒工況、水冷壁結構等因素有關，推薦值見表14-2。當爐膛出口煙窗布置屏式水冷壁時，考慮爐膛與屏之間的熱交換，ζ=ζ0β。β與燃料種類和屏區(qū)煙溫有關?？刹閳D14-4顯然，水冷壁污染越嚴重，Tb越大，管壁灰污層反方向輻射越強，水冷壁吸收輻射熱能力下降，這時，污染系數ζ是減小的。不同受熱面污染情況不同，ζ也不同

2/12高溫煙氣和管壁間的輻射換熱上式可改寫為：

令，稱之為爐墻的熱有效系數（14-30）鍋爐各部分水冷壁的角系數x不同，水冷壁污染情況ζ也不同，故對整個爐墻，應采用平均熱有效系數，即式中=F1+F2+...,為爐膛總爐墻面積,m2。將式(14-35)代入上式,即可得到爐內高溫煙氣(火焰)和水冷壁之間的輻射熱交換公式3/12式中：為保熱系數，考慮爐膛向外部環(huán)境散熱的系數爐內煙氣放熱量假設1Kg計算燃料在爐內完全燃燒產生的有效熱量全部用于加熱燃燒產物而不與爐壁發(fā)生熱交換時，燃燒產物所能達到的最高溫度稱為絕熱燃燒溫度或理論燃燒溫度，用Ta表示，Ia=

燃料燃燒過程中，將熱量傳給水冷壁，離開爐膛時煙氣冷卻到，對應的煙氣焓為，若以作為定性溫度，則煙氣在爐內的放熱量可用下式計算4/12爐內煙氣放熱量

為溫度Ta至之間燃燒產物的平均熱容量爐內有效放熱量包括燃料及燃料燃燒所需空氣送入的熱量,即其中為空氣帶入爐內的熱量式中：、

分別為理論熱空氣、冷空氣的焓，KJ/Kg。5/12高溫煙氣和管壁間輻射換熱量應等于爐內煙氣的放熱量，由此可得爐內輻射傳熱基本方程式

根據相似理論將上述方程變換為無因次相似準則方程可得到爐膛出口煙氣溫度計算式對應1kg燃料的爐膛輻射傳熱量為爐膛出口煙氣溫度及

輻射傳熱量計算式6/12

爐膛黑度(P325)對應火焰有效輻射的假想黑度室燃爐與火焰黑度ahy及熱有效系數ψ有關，即

火焰黑度ahy(P326)

表示爐內高溫介質的輻射能力

k為總輻射減弱系數，固體燃料火焰的主要輻射成分是三原子氣體、灰粒和焦碳粒子,故有爐膛黑度與火焰黑度7/12

三原子氣體輻射減弱系數kq按下式計算（或由有關標準中的線算圖查出）三原子氣體的輻射減弱系數kqr為三原子氣體總的容積份額，r=，其中、分別為水蒸汽和三原子氣體的容積份額，用下式計算8/12dh為煙氣中灰粒子直徑,μm，取決于磨煤機型式，對鋼球磨，取dh=13μh為灰分濃度，Kg/Kg，用下式計算灰分顆粒的輻射減弱系數kh按下式計算（或由有關標準中的線算圖查出）灰分顆粒的輻射減弱系數kh9/12

x1、x2分別為考慮焦碳顆粒濃度影響的無因次量x1取決于燃料種類：無煙煤、貧煤取x1=1；煙煤、褐煤x1=0.5x2取決于燃燒方式：室燃爐取x2=0.1

p為爐內介質壓力,常壓鍋爐p=0.1Mpa

s為爐內介質的輻射層有效厚度,m火焰黑度計算式中其它物理量10/12經驗系數M

M(P333)為考慮爐內火焰最高溫度相對位置的經驗系數，與燃料性質、燃燒方式及燃燒器布置的相對高度等因素有關?？捎山涷灩接嬎愦_定：M=A–B（xr

+Δx）為燃燒器相對高度，hr、hl分別為燃燒器和爐膛的高度，即從冷灰斗中心或爐底到燃燒器軸線和到爐膛出口中心的高度Δx為火焰最高溫度變化的修正值，對于四角切圓燃燒器，Δx=0，A、B為經驗系數，與燃料種類和爐子的結構有關，燃用無煙煤、貧煤時A=0.56；B=0.511/12式中為爐膛水冷壁的輻射受熱面，，m2

爐內熱負荷沿爐膛的寬度、深度和高度是變化的。為確定爐膛某區(qū)域受熱面實際熱負荷，引入沿爐膛高度、寬度或深度熱負荷不均勻系數和沿各側爐壁熱負荷不均勻系數爐膛高度某個區(qū)段上輻射受熱面的熱負荷為輻射受熱面平均熱負荷系數ηg可從圖14-9中查得當爐膛出口煙窗布置屏式受熱面時，考慮屏間煙氣對爐膛的反輻射，爐膛出口截面的熱負荷還應乘以圖14-4所示的β，即12/12煙氣對流放熱量Qdf對于空氣預熱器以外的各對流受熱面，漏風焓值取冷空氣溫度（20～30℃）計算對管式空氣預熱器，按該段空氣預熱器進、出口空氣溫度的平均值計算1/22

過熱器和省煤器：

工質對流吸熱量Qdx

屏式過熱器及吸收爐內輻射熱的對流過熱器：2/22ηg為屏區(qū)（在爐膛高度方向）熱負荷分布不均勻系數，查圖14-9β為考慮屏間煙氣向爐膛反輻射影響的修正系數，查圖14-4qf為爐膛輻射受熱面平均熱負荷，kw／m2，式（10-25）計算確定為爐膛出口（屏進口）處煙窗面積，m2屏進口處截面（爐膛出口截面）所吸收的爐膛輻射熱量工質對流吸熱量Qdx3/22工質對流吸熱量Qdx4/22從爐膛（透過屏）向屏后受熱面的直接輻射熱，即來自爐膛的輻射熱量經屏吸收后，繼續(xù)向屏后受熱面輻射的熱量a為屏間煙氣黑度，用后述有關公式計算確定b、s1分別為屏間煙氣空間的深度和寬度，后者即為屏間節(jié)距工質對流吸熱量Qdx為屏進口截面對出口截面的角系數，表示爐膛輻射熱透過屏間空間而落在屏后面受熱面的部分

5/22

對于空氣預熱器，空氣的吸熱量按下式計算為空氣預熱器出口處空氣量與理論空氣量之比，

、為空氣預熱器進、出口理論空氣焓，kJ/kg工質對流吸熱量Qdx6/22對流傳熱量Qdc對應于一公斤計算燃料，對流傳熱量按下式計算式中K為傳熱系數，kW/（m2.℃）H為傳熱面積，m2Δt為傳熱溫壓，℃在穩(wěn)定狀態(tài)下7/22傳熱溫壓△t△t參與換熱的兩種介質在整個受熱面中的平均溫差，與兩種介質相互間的流動方向有關

順流或逆流的△t按對流平均溫差計算

△td、△tx分別為受熱面兩端溫差中的較大值和較小值，℃當≤1.7時,傳熱溫壓可取算術平均值、為煙氣與工質進、出口溫度算術平均值其它流動方式的溫壓,則按逆流溫壓△tnl

乘以修正系數Ψ來計算系數Ψ由圖查出。為此，需先計算一些輔助參數。見P366～3708/22管式受熱面的傳熱系數可簡化為多層平壁的傳熱系數進行計算，即傳熱系數K的表達式α1、α2

分別為加熱介質對管壁及管壁對受熱介質的放熱系數，kW/（m2.℃）δh、δm、δg分別為煙氣側灰層、管壁及工質側水垢層的厚度，mλh、λm、λg分別為煙氣側灰層、管壁及工質側水垢層的導熱系數，kW/（m.℃）可簡化為：9/22橫向沖刷錯列（式15-15）、順列（式15-16）布置的光管管束：對流受熱面?zhèn)鳠嵯禂礙受熱介質為水、汽水混合物和超臨界壓力過熱蒸汽的受熱面，式（15-15）、（15-16）可變?yōu)楣苁娇諝忸A熱器：10/22屏式受熱面應考慮較大的爐內輻射熱使管壁溫度升高，以導致對流傳熱減少的影響，這時有

屏式受熱面?zhèn)鳠嵯禂礙Qf為屏從爐膛中吸收的輻射熱，kJ/kg；Qd為屏以對流方式（包括管間空間的煙氣輻射）傳遞的熱量，kJ/kg11/22

α1

包括煙氣的對流放熱系數αd和管間煙氣容積的輻射放熱系數αf

對流管束：煙氣對管壁的放熱系數α1與

管壁對受熱介質的放熱系數α2ξ

為受熱面的利用系數，考慮煙氣沖刷受熱面的不均勻等引起受熱面吸熱量減少的影響。大鍋爐管子被橫向沖刷時，可取ξ=1；空預器因K中已考慮了ξ的影響，ξ也可取為1屏式受熱面：

s2

、d分別為屏中的管間縱向節(jié)距和管子外徑x為屏管角系數，根據屏式受熱面的s2/d，查圖14-3（a）曲線5α2只與對流放熱系數αd有關

12/22煙氣對屏式受熱面、過熱器、再熱器、省煤器以及空氣對空預器的傳熱，均屬橫向沖刷方式橫向沖刷順列管束

對流放熱系數αd

Re為雷諾準則，反映流動狀態(tài)對熱交換的影響

Pr為普朗特準則，反映流體物性對熱交換的影響μ和υ分別為

動力粘度和運動粘度，μ

=ρυ

ω為

介質流速,m/s；d為受熱面管子外徑,m；cp為定壓比熱，kJ/（kg.℃）；λ為

流體導熱系數,Kw/(m.℃)Cz為沿煙氣流向管排的修正系數，當管子排數≥10時,取

Cz=1；當

<10時,需按式（15-19）計算確定cs為管子幾何布置方式的修正系數,與橫向相對節(jié)距σ1=S1/d和縱向(沿煙氣流動方向)相對節(jié)距σ2=S2/d有關,可按式（15-18）和有關規(guī)定計算確定13/22橫向沖刷錯列管束

對流放熱系數αd

Cz為沿煙氣流程管排Z2的修正系數，與Z2及橫向相對節(jié)距σ1有關，按式（15-22）計算確定

Cs為與管子節(jié)距有關的修正系數,與橫向相對節(jié)距σ1及系數（取決于σ1和斜向相對節(jié)距）有關，按式（15-21）計算確定

公式（15-17）～（15-22）已分別繪成線算圖（見圖15-2和圖15-3），溫度及煙氣成分等物理性能的變化對放熱系數的影響體現在中。使用該圖時14/22過、再熱器中受熱介質（蒸汽、水等）及空預器中的煙氣均在管內作縱向沖刷縱向沖刷對流放熱系數αdddl為當量直徑（P354）Cl為相對長度修正系數，即考慮傳熱的入口效應對αd的影響，當≥50時，Cl

=1；Ct為考慮介質溫度與壁溫差別的影響系數（即物性隨溫度變化的影響），水和蒸汽被加熱或煙氣被冷卻時。

Ct

=1，空氣被加熱時，；其中T、Tb

分別為空氣和管壁的絕對溫度，K式（15-23）已繪成線算圖，見圖15-415/22輻射放熱系數αf管間空間的高溫煙氣與受熱面之間的輻射換熱因其都不是黑體，輻射熱能要經過多次吸收、反射過程才能被完全吸收。為簡化計算，僅考慮一次吸收部分，而用加大壁面黑度（）的辦法進行修正

煙氣和灰污壁面間的第一次輻射熱交換能量為（設吸收率與黑度相等）

考慮多次輻射吸收的影響，則輻射傳熱量可用下式計算

取ahb為0.8,則固體含灰燃料輻射放熱系數計算式為16/22煙氣黑度αy的計算式為:

其中輻射減弱系數：

密封空間內煙氣容積向周圍受熱面輻射時的輻射層有效厚度S按式(15-44)～（15-46）計算確定對墻式及屏式受熱面和對流過熱器，灰污壁溫：t為管內受熱工質平均溫度，℃；ε為污染系數，m2.

℃/kW，按后述方法選取在其它情況下，灰污壁溫：

△t的取值見P360輻射放熱系數αf17/22對流管束前面或管束之間煙氣空間的輻射，可近似地用加大管束輻射放熱系數的方法來考慮。修正后的輻射放熱系數：Tqs為煙氣空間（或管束前）的煙溫，K、為煙氣空間和管束的深度，mA為

與燃料有關的系數，對于煙煤和無煙煤，A=0.4；對于褐煤和頁巖，A=0.5

位于管束后的煙氣空間對該管束的輻射不予考慮輻射放熱系數αf18/22燃用固體燃料的錯列管束、燃用所有燃料的屏式受熱面，計算傳熱系數時常采用污染系數ε來考慮因管外壁積灰引起的熱阻對傳熱的影響

ε與煙速、煙溫、燃料性質、管子排列方式及其節(jié)距等因素有關

燃用固體燃料的錯列管束式中ε0

為基準污染系數，由實驗獲得，查圖15-8（a）

Cd

為管徑修正系數，查圖15-8（b）

Ckl

為灰粒組分修正系數，對煤和頁巖，取=1.0；泥煤取=0.7Δε為附加值，由表15-5查得

燃用固體燃料的屏式受熱面，ε由圖15-9查得

燃用固體燃料的順列過熱器和包墻管，ε=4.3（m2.0C）/kW污染系數ε19/22熱有效系數和利用系數

熱有效系數ψ

燃用固體燃料的順列管束、燃用所有燃料的凝渣管均采用ψ來考慮灰污熱阻對傳熱的影響，ψ可按不同情況，由表15-6查得

利用系數ξξ表示氣流對受熱面沖刷不均勻等因素的影響，對大鍋爐橫向沖刷管束，可取ξ=1；對屏式受熱面系數ξ可由圖15-10查出；當煙氣流速ωy>4m/s時,取ξ=0.85

對于空氣預熱器，考慮沖刷不完善、管子污染等原因綜合影響，ξ可查表15-7。當各空氣行程間有中間管板時，ξ值有所下降。一層中間管板，ξ值下降0.1；二層中間管板，ξ值下降0.1520/22

管式受熱面：當α1/α2<<1（如凝渣管、過熱器、再熱器和省煤器）時,以煙氣側管子外表面面積作為計算受熱面面積。當α1與α2相差不大（如空氣預熱器）時，則取相應于管子平均直徑的面積作為計算受熱面的面積。

屏式受熱面：考慮到屏間空間的煙氣輻射熱強度較對流熱強度大的多，其計算受熱面面積取為屏風面積（由屏最外圈管子的外輪廓線所圍成的平面面積）的兩倍再乘以角系數x，x查圖10-5曲線5

煙氣的對流放熱系數仍應按屏的全部管子外表面面積計算受熱面的面積21/22

介質流速按其平均溫度和流通截面的最窄面積計算

煙氣流速ωy：

介質流速

空氣預熱器中空氣流速ωk

：

水和蒸汽的流速ω：22/22

按計算任務書列出原始數據

燃料的燃燒計算：選取各煙道的過量空氣系數，計算三原子氣體的容積和容積份額、煙氣和空氣的焓，繪制煙氣焓溫表等表格

鍋爐的熱平衡計算：假設排煙溫度和熱風溫度，用以確定熱損失、鍋爐效率和燃料消耗量

爐膛傳熱計算：假定爐膛出口處的煙溫，求出煙氣的有效放熱量、煙氣的平均熱容量、水冷壁的面積、受熱面的熱有效系數、系數M和爐膛黑度等，按公式（14-43）、（14-3）計算爐膛出口的煙溫及爐膛輻射傳熱量如果計算得到的爐膛出口煙溫與假設值之差未超過土100℃，則爐膛傳熱計算結束；如超過誤差，則需重新假定爐膛出口處的煙溫進行計算鍋爐校核熱力計算程序1/4

按煙氣流程進行爐膛與空氣預熱器之間各對流受熱面的傳熱計算已知受熱面每種介質任一端的溫度，假定另一端的一個溫度，根據兩種介質的熱平衡，由公式求出另一個溫度及煙氣的放熱量