1、- 1 -第 1 章 锅炉总体设计1 锅炉设备及其工作过程1.1 锅炉设备将煤、石油、天然气等燃料燃烧或其它热能释放出来的热量，通过金属受热面传递给净化的水，将其加热成一定压力和温度的水或蒸汽的换热设备，称为锅炉。锅是指在火上加热的盛汽水的压力容器，炉是燃料燃烧的装置。通常把燃料的燃烧、放热、排渣称为炉内过程；把工质水的流动、传热、热化学等称为锅内过程。锅炉由一系列设备组成，这些设备可分为锅炉本体和辅助设备两大类。现代大型自然循环高压锅炉所具有的主要部件及其作用如下：（1）炉膛 保证燃料燃尽并使出口烟气冷却到对流受热面能安全工作的程度。（2）燃烧设备 将燃料和燃烧所需空气送入炉膛并使燃料着火稳
2、定，燃烧良好。（3）锅筒 是自然循环锅炉各受热面的集散容器，将锅炉各受热面联结在一起，并和水冷壁、下降管等组成水循环回路。锅筒内储存汽水，可适应负荷变化，内部设有汽水分离装置等以保证汽水品质。直流锅炉无锅筒。（4）水冷壁 是锅炉炉膛内的主要辐射受热面，吸收炉膛辐射热加热工质,并用以保护炉墙。而将后水冷壁管拉宽节距的部分称为凝渣管，用以防止过热器结渣。（5）过热器 将饱和蒸汽加热到额定的过热蒸汽温度。生产饱和蒸汽的蒸汽锅炉和热水锅炉无过热器。（6）再热器 将汽轮机高压缸排汽加热到较高温度，然后再送到汽轮机中压缸膨胀作功。用于大型电站锅炉以提高电站热效率。（7）省煤器 利用锅炉尾部烟气的热量加热给
3、水，以降低排烟温度，节约燃料。（8）空气预热器 加热燃烧用的空气，以加强着火和燃烧；吸收烟气余热，降低排烟温度，提高锅炉效率；为煤粉锅炉制粉系统提供干燥剂。（9）炉墙 是锅炉的保护外壳，起密封和保温作用。小型锅炉中的重型炉墙也可起支承锅炉部件的作用。（10）构架 支承和固定锅炉各部件，并保持其相对位置。 锅炉的辅助设备及其作用如下：（1）燃料供应设备 贮存和运输燃料。（2）磨煤及制粉设备 将煤磨制成煤粉并输入燃用煤粉的锅炉燃烧装置中燃烧。（3）送风设备 由送风机将空气送入空气预热器加热后输往炉膛及磨煤装置应用。- 2 -（4）引风设备 由引风机和烟囱将锅炉排出的烟气送往大气。（5）给水设备 由
4、给水泵将经过水处理设备处理后的给水送入锅炉。 （6）除灰除渣设备 将锅炉排出的灰渣收集并运至储存地点。（7）除尘设备 除去锅炉烟气中的飞灰。（8）自动控制设备 自动检测、程序控制、自动保护和自动调节。1.2 锅炉设备的工作过程图 3.1-1 是一台燃烧煤粉的自然循环锅炉及其辅助设备的工作流程图，原煤经输煤带送入煤斗，再由给煤机供给磨煤机制备成煤粉，由空气携带通过燃烧器送入炉膛组织燃烧。煤粉在炉膛中燃烧并放出大量热量。燃烧后的热烟气在炉内一边向水冷壁放热一边上升，经过过热器、省煤器、空气预热器使其温度降到 140170左右，由除尘器除去烟气中的飞灰，最后被引风机抽出送入烟囱排往大气。锅炉的汽水流
5、程如下：在热力系统中，来自除氧器的给水经低压加热器、高压加热器加热到一定温度，再由给水管道将给水送至省煤器，在其中被加热到某一温度后，给水进入锅筒，然后沿下降管下行至水冷壁进口集箱分配给各水冷壁管。水在水冷壁管内吸收炉膛的辐射热量而部分地蒸发成蒸汽，形成汽水混合物上升回到锅筒中，经过汽水分离器，蒸汽由锅筒上部的主蒸汽管道流往过热器，在过热器内饱和蒸汽继续吸热达到额定的蒸汽温度，然后送往汽轮发电机组。为了提高做功效率，将汽轮机高压缸排汽通过管道送入锅炉再热器中继续加热到额定的再热温度，然后再送到汽轮机中压缸膨胀做功。冷空气自送风机吸入后，由送风机送往空气预热器。空气在空气预热器中吸收烟气热量后形
6、成热空气，并分为一次空气和二次空气分别送往磨煤机和燃烧器。锅炉的灰渣经灰渣斗落入排灰槽道后用水力或气力装置排除并送往灰场。- 3 -图 3.1-1 煤粉锅炉及辅助设备工作流程图1燃烧器 2水冷壁 3过热器 4下降管 5锅筒 6再热器 7省煤器 8空气预热器 9引风机10除尘器 11送风机 12再循环泵 13排渣装置 14一次风机 15磨煤机 16给煤机2 锅炉的类别、参数及型号2.1 锅炉的分类锅炉用途广泛，型式众多，一般可按下列方法分类。2.1.1 用途分类 电站锅炉、工业锅炉、船用锅炉、余热锅炉、机车锅炉等。2.1.2 按循环方式分类 有自然循环锅炉、 控制循环锅炉、复合循环锅炉和直流锅炉
7、，其示意图见图 3.1-2。(1)自然循环锅炉工质依靠下降管中的水与上升管中汽水混合物之间的密度差进行循环。锅筒成为蒸发受热面的固定分界点，锅筒有较大的蓄热能力，有一定的负荷调节能力。自然循环锅炉在锅炉压力超过 19.5MPa 以后,蒸汽和水的密度差比较小,这时上升管和下降管内的循环压头就不能保证锅炉安全运行,因此过去对自然循环锅炉的最大压力限制在19.5MPa 以下。近年，国内外对亚临界自然循环锅炉，采取在炉膛高热负荷区使用内螺纹管强化传热、增加上升管与下降管的流通截面等措施，使亚临界自然循环锅炉的安全性得到提高。- 4 -(2)控制循环锅炉是在蒸发受热面的下降管与上升管之间装有循环泵，用来
8、提高循环回路的流动压头，循环倍率约在 35。(3)直流锅炉的工质的循环是依靠给水泵的压头来完成的，给水经给水泵一次通过加热、蒸发、过热各个受热面，所有受热面中工质均为强制循环。图 3.1-2 自然循环、强制循环 锅炉及直流锅炉a) 自然循环锅炉 b) 强制循环锅炉 c) 直流锅炉2.1.3 按出工质压力分类有 低压锅炉 低压锅炉的压力一般小于 1.275MPa，用于工业锅炉。中压锅炉 中压锅炉的压力一般为 3.825 MPa，用于电站、热电站或工业锅炉。高压锅炉 高压锅炉的压力一般为 9.8MPa，用于电站、热电站锅炉。超高压锅炉 超高压锅炉的压力一般为 13.73MPa，用于电站锅炉。亚临界
9、压力锅炉 亚临界压力锅炉的压力一般为 16.67MPa，用于电站锅炉。超临界压力锅炉 超临界压力锅炉的压力 2325MPa，用于电站锅炉，只能采用直流或复合循环形式。超超临界压力锅炉 超超临界压力锅炉的压力一般大于 28 MPa。2.1.4 按燃烧方式分类有 火床燃烧锅炉、火室燃烧锅炉、流化床燃烧锅炉和旋风燃烧锅炉。2.1.5 按所用燃料或能源分类有 固体燃料锅炉、液体燃料锅炉、气体燃料锅炉、余热锅炉、原子能锅炉和废料锅炉。2.1.6 按排渣方式分类有 固态排渣锅炉和液态排渣锅炉。2.1.7 按炉膛烟气压力分类有 平衡通风锅炉、微正压锅炉和增压锅炉。2.1.8 按整体外形分类有 倒 U 型（或
10、称 型） 、塔型、箱型、T 型、U 型、N 型、L 型、- 5 -D 型、A 型等。D 型、A 型用于工业锅炉，其他炉型一般用于电站锅炉。2.2 锅炉容量、参数和型号表述锅炉的基本特性通常用锅炉的蒸发量（t/h） 、蒸汽压力 (MPa)、蒸汽温度()和给水温度()或者热功率(MW)、出口热水压力(MPa) 、出口热水温度()和给水温度或回水温度（）等主要参数来描述。锅炉蒸发量可分为连续额定蒸发量(ECR)和最大蒸发量(BMCR)等。额定蒸发量（ECR）是指锅炉在额定压力、额定蒸汽温度、额定给水温度下，使用设计燃料和保证设计效率的条件下连续运行所应达到的每小时蒸发量。新锅炉出厂时，铭牌上所标示的
11、蒸发量就是这台锅炉的额定蒸发量。锅炉最大蒸发量（BMCR）是指在规定的工作压力下或低于工作压力下，连续运行，不考虑其经济效果，每小时能产生的最大蒸发量。锅炉蒸汽压力和温度是指过热器主汽阀出口处的过热蒸汽压力和过热蒸汽温度。锅炉给水温度是指进省煤器的给水温度，对无省煤器的锅炉指进锅炉锅筒的水的温度。严格地讲，容量和压力及温度是相互独立的量。但为了组织社会化生产，各国都制订了锅炉的参数系列。表 3.1-1 是我国电站锅炉参数系列，对于超临界、超超临界机组锅炉我国大多是从国外引进的，所以还没有确定的系列参数。国外各国所用参数并不完全一样，如美国大多用 24.1MPa/538 /538（个别用 541
12、543 ） ，二次再热时用 552/566，并不断完善。这种蒸汽参数保持了 20 余年，现主要开发 35MPa/760/760 /760的超超临界火电机组。前苏联超临界机组参数为 24.5MPa/540/540 。目前，俄罗斯新一代大型超超临界机组采用参数为 2830MPa/580 600。日本超临界机组的参数一般为 24.1MPa/538/566 （个别为 566/566） 。超超临界计划第一步将蒸汽参数提高到 31MPa/566/566 /566，第二步再提高到 34MPa/593/593/593。德国是研究、制造超临界机组最早的国家之一，1956 年就投运了一台88MW、34MPa/61
13、0/570 /570的超临界机组。目前，德国已投运和在建的超临界机组近 20 台。压力大部分为 2328MPa，温度是 530555/560580.根据欧盟的高参数燃煤电站发展计划，2005 年已投运了热效率为 50%以上的33.5MPa/610/630机组，到 2015 年将投运热效率达 52%55%的 40.0MPa/700/720 机组。- 6 -我国电站锅炉参数系列见表表 3.1-1。表 3.1-1 我国电站锅炉参数系列为了规范锅炉的表示方法，我国制订了锅炉产品的型号表示法。如图 3.1-3、3.1-4图 3.1-3 工业蒸汽锅炉型号形式 图 3.1-4 电站锅炉型号形式2.3 锅炉的
14、可靠性和技术经济指标2.3.1 锅炉的可靠性锅炉的可靠性是指锅炉在规定条件下，在规定的工作期限内达到规定的性能的能力，电站锅炉的可靠性直接影响火电机组运行的安全性和经济性，电站锅炉可靠性指标有锅炉可用率、锅炉强迫停机率、锅炉平均无故障率和锅炉平均修复时间。(1) 锅炉可用率（可用系数）BAF 10%锅 炉 可 用 小 时锅 炉 可 用 率 统 计 期 间 小 时(2) 锅炉强迫停机率（BFOR） %10%10BSHFOBFOR锅 炉 运 行 小 时锅 炉 强 迫 停 炉 小 时锅 炉 强 迫 停 炉 小 时）锅 炉 强 迫 停 机 率 （- 7 -(3) 锅炉平均无故障时间（BMTBF ） %
15、1010rBSHBMTF锅 炉 强 迫 停 炉 次 数锅 炉 运 行 小 时）锅 炉 平 均 无 故 障 时 间 （(4) 锅炉平均修复时间（BMTTR） 1010rFOR锅 炉 强 迫 停 运 次 数锅 炉 强 迫 停 运 小 时）锅 炉 平 均 修 复 时 间 （2.3.2 锅炉的经济性锅炉的经济性主要指锅炉的热效率、成本、煤耗和厂用电量等。锅炉热效率是指送入锅炉的全部热量中被有效利用的百分数, 即锅炉有效利用热 与1Q单位时间内所消耗燃料的输入热量 的百分比。rQ（3.1-1 ）%10r实际中只用锅炉效率来说明锅炉运行的经济性是不够的，因为锅炉效率只反映了燃烧和传热过程的完善程度，因此常
16、用锅炉净效率来反映锅炉运行的经济性。锅炉净效率是指扣除了锅炉机组运行时的自用能耗(热耗和电耗)以后的锅炉效率。 锅炉净效率 可用下式计算：j（3.1-2 ）%102971PBbQzyrj式中： 锅炉燃料消耗量，kgh；B锅炉自用热耗，kJ kg；zyQ锅炉辅助设备实际消耗功率，kw ； P电厂发电标准煤耗量，kg。b锅炉成本一般用成本中的重要经济指标钢材消耗率来表示。钢材消耗率的定义为锅炉单位蒸发量所用的钢材重量。一般来说，机组容量由 300MW 提高到 600MW，每 kW 投资可降低 10%15%；由亚临界压力增加到超临界压力，每 kW 投资增加 1%5%。所以超临界与大容量相结合，机组的
17、综合经济益可大为提高。机组容量增大后，运行人员和检修费用，金属耗量，基建劳动消耗都可以减少。通常工业锅炉的钢材消耗率在 56 tt/h 左右；- 8 -电站锅炉的钢材消耗率一般在 2.55 tt/h 范围内。 在电厂运行中还用煤耗和厂用电量作为经济考核指标。每发出(或供应)l kWh 的电所消耗的煤量，称为发电(或供电)煤耗。辅机设备用电量占机组发电量的比称为厂用电率。根据 2005 年的统计，我国大机组平均供电煤耗在 372g/kw.h，高于发达国家的水平。3 总体设计3.1 锅炉总体设计的基本程序锅炉设计是建立在设计的基本条件、锅炉的主要规范、锅炉的性能保证和锅炉可靠性、经济性的基础上进行
18、的。因此锅炉设计的基本程序是：3.1.1 锅炉设计条件的确定1. 燃料燃料是锅炉的食粮，它的性能直接影响着锅炉的结构布置。对燃煤锅炉需确定煤的低位发热量、煤的元素成分和工业成分分析数据、灰的分析成分及基本特性数据。除这些常规的煤质资料数据外，应尽量提供燃料的动态和静态燃烧特性数据，如煤的着火特性指数、燃尽特性指数和结渣特性指数。实现按照煤特性选择炉型设计，确定炉型和燃烧、排渣方式。2. 点火和助燃用油油的粘度、灰分、硫含量、闪点、燃点、低位发热量等。根据油质确定点火油系统。3. 气象条件对全年平均气温、平均相对湿度、多年平均最热最冷月的气温、多年极端最高最冷气温、多年平均降水量及最大降水量、多
19、年平均大气压力、多年最大积雪深度等。根据气象条件确定锅炉为露天式、半露天式或室内布置。4. 厂区工程地质和地震烈度用于对钢结构厂房、主设备地基、钢性梁进行设计。3.1.2 锅炉主要规范锅炉主要规范是锅炉设计的主要技术参数，但这些技术参数又要和热力系统以及相应的设备匹配。主蒸汽和再热蒸汽的压力、温度、流量等要求和汽轮机的参数相匹配。同时要确定过热蒸汽的最大连续蒸发量、额定蒸发量、额定蒸汽压力、超压蒸汽压力、额定蒸汽温度。确定再热蒸汽流量、进出口蒸汽压力、进出口蒸汽温度和给水温度。3.1.3 锅炉性能保证(1) 锅炉基本负荷，不投油稳燃的最低负荷和最大连续运行负荷以及蒸汽参数。- 9 -(2) 锅
20、炉运行方式。如定压运行、滑压运行，或定滑 定的运行方式。 (3) 在额定工况下，锅炉热效率的保证值与设计值的差值一般不大于 1.5%。(4) 循环可靠性。自然循环锅炉在 50%100%、直流锅炉在 30%100% 、控制循环锅炉和低倍率循环锅炉在各种负荷下，水循环安全可靠。(5) 过热器压降一般为主蒸汽出口压力的 10%，再热蒸汽系统压降由本体与系统设计协商确定。(6) 回转式空气预热器的漏风系数 0.1,一级管式空气预热器的漏风率不大于3%，二级管式空气预热器的漏风率不大于 6%。(7) 锅炉的启动时间分为自然循环锅炉冷态启动为 56h；温态启动为 23h；热态启动为 1.52h。控制循环锅
21、炉冷态启动为 4.5h；温态启动为 1.5h；热态启动为 1.5h。直流锅炉和低倍率循环锅炉冷态启动为 2.53.5h；温态启动为 1.52h；热态启动为 11.5h。3.1.4 可靠性指标锅炉主要承压部件使用寿命一般为 30 年；锅炉大修间隔周期应达到 45 年；对受含灰气流磨损的低温对流受热面的使用寿命按 100000 小时设计；回转式空器预热器低温段传热元件的使用寿命不低于 3 年；对受含灰气流磨损的尾部承压受热面的磨损率按 0.2mm/年厚度设计。3.1.5 环保性能指标锅炉在设计和考核中除了安全性、经济性指标外，还要考核环保性能指标，我国已制定工业锅炉、窑炉、电站锅炉二氧化硫、氮氧化
22、物的排放标准。电站锅炉污染物排放标准如表 3.1-2、表 3.1-3。表 3.1-2 火力发电锅炉二氧化流最高允许排放浓度 /mg/m3表 3.1-3 火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度 /mg/m 3- 10 -对于硫氧化物可以通过燃烧前、燃烧中或燃烧后烟气的脱硫方法来控制。对氮氧化物可以通过改进燃烧方法，采用燃料、空气分级燃烧，烟气再循环，低氧燃烧以及不选择性催化（SNCR）或选择性催化（SCR）脱氮法和联合烟气脱硝技术的方法来控制。3.1.6 锅炉热平衡的计算1.燃烧计算；2.锅炉吸热量计算；3.锅炉效率计算；4.确定燃料量、空气量、烟气量；5.锅炉炉膛及受热面设计布置。(
23、1）炉膛设计布置炉膛的作用是为锅炉提供燃烧空间和进行辐射传热，也是锅炉中尺寸最大、最重要的部件。炉膛设计布置应满足燃烧、传热和运行安全的要求。炉膛设计应根据锅炉的主要技术参数、锅炉设计的条件进行。在现代锅炉设计中，除采用常规的煤质分析资料进行设计计算外，逐步用煤性炉型耦合的设计方法。通常有燃烧试验数据库法，即根据试验煤与实用煤的着火、燃烧、结渣特性指标对比异同，进行煤性与炉型的耦合设计；模型预测法，即根据锅炉运行实绩的主要特征参数和锅炉设备特征、煤的特征进行模型预测和煤性、炉型的耦合设计；还有型谱法，即根据煤的着火稳定性、燃尽、结渣特性指数结合炉膛内着火稳定性、燃尽、结渣特性常数进行炉膛结构设计。因此除应对燃料进行常规的工业分析和元素分析外，还要组织燃料的动态和热重燃烧特性实验，用实验数据进一步计算煤的着火特性指数、燃尽特性指数和结渣特性指数。用煤的元素分析数据和煤的着火特性指数、结渣特性指数确定炉膛面积热负荷、燃烧器区域壁面热负荷、燃烧的基本方式、燃烧器的基本结构参数和空气动力参数。用燃尽特性指数和结渣特性指数确定炉膛容积热负荷、炉膛高度和炉膛出口温度。凡此种种，称之为煤性与炉型的耦合设计(2) 炉膛出口温度的选取烟气经炉膛出口窗进入后置受热面后，传热方式和流动方式都发生明显的变化；传热
