1 绪论
1.1我国电厂锅炉发展概况
解放前，我国没有电厂锅炉制造专业，仅引进瑞士枝术合作试制了两台与2000kW汽轮发电机组配套蒸发量为12t/h的锅炉。1949年穿过装机总容量仅1849MW(其中火电装机容量为1686MW)，全国发电量为4.3TW·h。装机居世界第21位，发电量居世界第25位，人均年占有发电量仅9.1kW·h，发电煤耗超过727g/(kW·h)。
新中国成立后在第一个五年计划期间，建立了上海锅炉厂，哈尔滨锅炉厂，开始生产中、高参数的中、大型电厂锅炉。随后又建立了武汉，北京以及东方锅炉厂，也生产电厂锅炉。
我国火力发电经历了四个发展阶段。在1949年～1960年的第一阶段，我国已经开始自行设计，制造了6、12、25、50MW中压和高压汽轮发电机组配套的锅炉。1961年～1980年第二阶段，我国自行研制了超高压125、200和亚临界压力300MW汽轮发电机组配套的400、670、1000t/h的自然循环锅炉和直流锅炉。在1981～1990年的第三阶段，为适应我国改革开放政策和现代化的建设，火电建设到了较快的发展。在此阶段，火电装机容量增加了一倍以上，并从美国引进枝术制造了先进的300MW和600MW汽轮发电机组配套的1025t/h和2008t/h控制循环锅炉。同时还进口了多台300～800MW亚临界压力超临界压力锅炉，另外还建设了100MW级的燃气-蒸汽联合循环发电机组。在1991年以后的第四阶段，火力发电伴随水力发电和已起步的核能发电继续加快发展。因此，循环流化床锅炉和燃气-蒸汽联合循环发电机组得到了较快的发展。
目前，我国发电设备总装机容量已达0.622TW，还有大量的大型机组正在建设中。2006年全年共完成发电量2.8344PW·h，人均年占有发电量已达1500kW·h 以上(但发展国家相比仍较低)。发电煤耗以降低340g/( kW·h)左右。
1.2 锅炉枝术的发展趋势
推动锅炉枝术的动力主要有三方面因素：首先是燃料价格上涨。化石燃料属于一次性能源，随着开采量的增加，储藏量逐渐减少，而世界经济在增长，对能源的需求量不断增大，这使得煤炭、石油等的供应将更加紧张，使其价格上涨。这将促使能源部门更加有效的利用燃料的热，如提高锅炉效率、提高蒸汽参数和提高发电效率的措施，相应的推动了燃烧枝术的发展。其次是环境保护问题由于
环境保护的要求污染物的排放寿诞了严格的限制，促使在锅炉枝术中发展清洁有效的燃烧方法，需求情节有效的脱硫、脱硝枝术。再次是基础科学的发展，电子计算机及计算技术的发展也推动了锅炉的设计从主要是经验方式逐渐向理论分析方法过渡，是过路的设计更加精细、合理、可靠、其性能更加提高。
1.2.1 锅炉容量和蒸汽参数
增大锅炉容量和提高蒸汽参数是电厂锅炉的主要发展方向。近十年来，单台机组容量不断增长是一个总的趋势。扩大单机容量可使发电容量迅速增长以适应社会发展的需要，同时可以使基建投资和设备费用降低，减少运行费用以及解约金属材料。提高蒸汽参数和采用蒸汽再热是提高热点转换效率的有效方法。另外热电联产是提高燃料能量利用率的有效方法，热电联产可以减少凝汽式电厂的凝汽损失，可以省去数量众多、效率低的小锅炉房，既节省了能源，要保护环境。
1.2.1 锅炉燃烧技术
高参数大容量锅炉的发展推动了锅炉燃烧技术的进步。它是燃烧技术从层然发展到燃烧效率高、锅炉容量大的煤粉燃烧，这对扩大电力工业的规模，以适应经济增长对电力的需求起了重要的作用。
循环流化床锅炉燃烧技术既能在燃烧中搞笑的脱硫，又能控制NOx的生成，对劣质煤还有较好的适应性。因此，受到了电力工业、锅炉制造业的重视，，包括我国在内的世界许多知名锅炉厂都在努力开发这种技术。近几年来，这项燃烧技术在我国得到了广泛的应用，虽然最大单机容量只有125MW左右，不久的将来300、400、500MW循环流化床锅炉机组一定会投入使用。
1.2.3 燃气-蒸汽联合循环机组的锅炉
目前燃煤联合循环发电技术主要有这样几种方式：整体煤气化联合循环，增压硫化长联合循环以及为城市既供电又供热，还供应煤气的所谓三联供技术。
由于流化床燃烧技术的发展，带增压流化床锅炉的燃气-蒸汽联合循环以开发成功并得到应用。对这种发电来说，不足之处在于进入燃气轮机的燃气温度较低，不能充分发挥联合循环的效率，因而现正在开发一种称为整体煤气化、增压流化床联合循环电站。在整体煤气化、增压流化床联合循环电站中，没再送入增压流化床锅炉之前，预先用增压流化床的气化技术使其裂解，放出煤气、焦油后，将裂解后的半焦送入增压流化床锅炉燃烧。有些人甚至打算进一步发展这种技术，使之既供热又供电，还能供应煤气，即称三联供电站。由于燃气-蒸汽联合循环发电具有高效，低污染，地投资等优点，它受到各国动力界的广泛重视。
2 锅炉热力计算摡述
2.1 概述
2.1.1锅炉热力计算方法
根据计算任务的不同，可分为设计(结构)热力计算和校核热力计算两种。
设计热力计算：进行设计新锅炉时的热力计算称为设计热力计算。设计热力计算的任务是，在锅炉容量和参数、燃料性质以及某些受热面边界处的水、汽、风、眼温度给定的情况下，选定合理的例子结构和尺寸，并计算出个受热面积的数值。同时也为锅炉其他一些计算提供必要的源数据。
校核热力计算：校核热力计算的任务是在锅炉容量和参数、燃料性质、锅炉各部分结构和尺寸已知的情况下，确定个受热面边界处的水、风、汽、烟温度以及风、烟流经个受热面时的速度和锅炉效率、燃料消耗量等。校核热力计算可帮助人们正确定出提高锅炉安全经济运行水平和锅炉的合理措施，同时为锅炉的其它计算，如锅炉通风计算，强度计算以及水动力计算等提供有关的基础数据。
2.1.2 校核热力计算主要内容
1.锅炉辅助热力计算：这部分计算的目的是为后面受热面的热力计算提供必要的基本数据或图表。
2.受热面热力计算：其中包含为热力计算提供结构数据的各受热面的结构计算。
3.计算数据的分析：这部分内容往往是鉴定设计质量、考核学生专业技术水平的主要依据。
2.1.3 锅炉热力计算应提供的必要资料
1.给定燃料及其特性；
2.锅炉的主要参数，如锅炉蒸发量，给水的压力和温度，过热蒸汽和再热蒸汽的主要参数等；
3.锅炉概况，如锅炉结构的基本特点、制粉设备及其系统、燃烧及排渣方式以及连续排污量等；
4.锅炉结构简图、烟气和汽水系统流程图、受热面和烟道的主要尺寸等；
2.1.4 整体校核热力计算过程的顺序
1.列出热力计算的主要原始数据，包括锅炉主要参数和燃料特性参数；
2.根基燃料、燃烧方式及锅炉结构布置特点，进行锅炉通道空气量平衡计算；
3.理论工况下(a=1)的热力计算；
4.计算锅炉通道内烟气的特性参数；
5.绘制烟气温度表；
6.锅炉热平衡计算和燃料消耗量的估算；
7.锅炉炉膛热力计算；
8.按烟气流向对各受热面依次进行热力计算；
9.锅炉整体计算误差的校验；
10.设计分析及结论。
2.2 热力计算方法
锅炉热力计算采用渐次逼近法。这是一种试算的方法，计算过程繁琐。在计算中，不仅烟气和工质在锅炉流程中的参数(如压力，温度等)是未知数，热放温度等终端参数也是未知数的。在一个具体的计算式中往往会同时出现多个未知量，这就需要先假定一些量，然后通过计算方法校准它。由于所求参数与假定参数之间的相互联系和影响，因此一个参数往往需要多次假定才能最后确定。
2.2.1 炉膛辐射受热面热力计算方法
由于影响炉膛产热过程的因素很多，所以到目前为止，直接用理论分析方法进行炉膛传热计算是不可能的，必须进行不同程度的简化，提出简单的传热模式，在进行近似计算。炉膛传热计算的方法较多，较实用的是半经验法，既运用相似理论分析，并通过大量实验而综合得出半经验公式。假定传热过程与燃烧过程分开，在必须考虑燃烧工况影响时，引入经验系数修正。对流传热忽略不计。火焰和烟气的辐射传热量按某一平均温度计算。只有辐射传热和热平衡两个代数方程式。此法简单，并大致反映了炉内传热基本规律。因此目前工程上炉膛传热计算的主要方法。
在进行炉膛校核热力计算时，需先假定炉膛出口烟气温度，在与最后计算出的炉膛出口烟气温度进行比较，误差不能超过下表的范围，反之重新假设再反复计算，直到满足条件为止。
2.2.2 半辐射和对流受热面的热力计算方法
半辐射受热面系指炉膛上部或出口烟窗的大屏或后屏受热面。对流受热面系指凝渣管束，锅炉管束，对流过热器，再热器，省煤器，空气预热器和附加受热面。这些受热面同时兼有对流和辐射传热，而以对流传热为主，故按对流传热进行计算。某受热面，如屏，凝渣管束，和高温烟气区域的对流过热器，从炉膛直
接吸收热辐射热，在炉膛计算时已确定，这部分辐射量在对流传热计算中应考虑进去。对于烟气在受热面管之间的辐射传热，也折算为对流传热来考虑。
设计计算；首先确定受热面的布置形式和工质设计参数(受热面工质的进，出口温度)，计算需要的传热量，再根据已确定的进，出口烟气温度，计算所需的受热面面积。
校核计算；先进性结构特性计算，为传热计算提供结构数据。在进行校核计算中，需先假设出口烟温或工质的(出口)温度，计算误差应满足下标的范围。
当对锅炉某一部件进行热力计算时，通常根据该部件近，出口的烟气温度和工质温度，用逐次渐近法计算该部件的吸热量，传热系数和传热温压，保证按热平衡方程所确定的烟气放热量Q Ph和按传热方程所确定的传热量Q ch之间的误差在下表范围内。
尾部受热面热力计算完成后，要对假设的排烟温度和热空气温度进行校核，当假设烟温和热空气温度和计算烟温和热空气温度以满足下表的关系时人为计算合格，否则应用逐次渐近法重新计算，直到满足条件为止。
应用渐次逼近法进行对流受热面的热力计算，若计算误差超过表中的允许值，需重新估计烟温值。当Q ph小于Q ch值时，第二次估计烟温时，应使该级受热面进出、口处烟温差大于第一次计算时的烟温差；反之，则需小于第一次计算时的温差值。
表2-1热力计算允许误差表
续表2-1
2.3 基本资料
2.3.1 锅炉范围
1.锅炉额定蒸发量：D e=220t/h=220×103kg/h
2.给水温度：t gs=215℃
3.过热蒸汽温度：t gr=540
4.过热蒸汽压力(表压)：P gr=9.8Mpa
5.制粉系统：中间仓库式(热空气做干燥剂、钢球筒式磨煤机)
6.燃烧方式：四角切换燃烧
7.排渣方式：固态
8.环境温度：20℃
9.蒸汽流程：
一次喷水减温二次喷水减温
图2-1 蒸汽流程图
10.烟气流程：
炉膛→屏式过热器→高温对流过热器→低温对流过热器→高温省煤器→高温空气预热器→低温省煤器→低温空气预热器
锅炉受热面的布置结构示意图如图2-2下所示：
1—低温省煤器；2—高温省煤器；3—汽包；4—下降管；5—下联箱；6—水冷壁；
7—上联想；8—顶棚管过热器；9—低温对流过热器；10—屏式过热器；
11—高温过热器；12—集汽联箱；13—低温空气预热器；
14—高温空气预热器；15—喷燃气；16—炉膛
图2-2 220t/h高压锅炉示意图
2.3.2 过量空气系数和漏风系数
炉膛出口过量空气系数由燃料性质核燃料方式决定的。其值一般在1.1～1.5的范围内变化，不同受热面由于结构不同，漏风系数也不同。燃烧煤粉时，煤粉制粉系统还有一部分漏风，在锅炉设计计算中也必须考虑。
表2-2 漏风系数和过量空气系数
2.3.2 各种负荷下汽水侧各点压力值
表2-3各种负荷下汽水测个点压力值
2.3.2 煤质分析数据
燃料对锅炉的影响较大
1.燃料水分
燃料水分较多的煤，炉内燃烧温度降低，烟气量增大，使炉膛的辐射传热量减少，烟道对流传热量增大。水分较多的煤着火热较大，在挥发分等其它条件相同时需要采用较高的热空气温度，空气预热器的受热面面积随着增大。
2.燃料灰分
燃料灰分燃用较多的煤应采用较低的烟气速度或其它减轻磨损的措施。有些国家对多灰燃料的锅炉采用塔形或半塔形布置方式，使烟气不改变流动方向，飞灰在横断面上的分布比较均匀，有利减轻受热面的飞灰磨损。灰的融化特性影响炉膛出口烟温的选择，而炉膛出口烟温的变化使锅炉中辐射—对流传热份额发生变化。
3.燃料挥发份
燃料挥发份多的煤易于着火和燃烧，燃尽所需时间段，故所需炉膛容积小，热空气温度较低。对着挥发份少的煤，要求炉膛容积大，炉膛横断面较小，并在燃烧区敷设，使着火区烟温提高，燃料在炉膛停留时间长。
4.燃料硫分
硫分是十分有害的元素，对水冷壁，高温辐射，高温对流受热面的积灰和腐蚀以及低温受热面的腐蚀都有直接和间接的影响。
表2-4煤质分析数据
3 辅助计算
为了便于锅炉各受热面的热力计算，往往在热力计算开始之前，依据提供的原始资料和数据，将热力计算中常用的一些基本参数和数据，如锅炉各处的烟气量、烟气成分、烟气特性参数以及烟气焓温表等，设计成计算图或计算表，一边在以后的计算中随时查用，这些计算图(表)的计算称为锅炉热力计算的辅助计算或准备计算。
辅助计算包括以下内容： 1．燃料数据的分析和整理；
2．锅炉漏风系数的确定和空气量平衡； 3．燃料的燃烧计算及烟气特性参数的确定； 4．锅炉热平衡及锅炉热效率、燃料消耗量的计算。
3.1 燃料数据的分析
燃料数据应符合锅炉热力计算的规定和要求。对燃煤来说，要求提供以下原始资料：
1．煤的应用基元素分析； 2．煤的应用基低位发热量； 3．煤的干燥无灰基挥发分含量； 4．灰的熔融特性参数(t 1、t 2、t 3)值； 5．煤的可磨性系数。
如果提供的燃料原始资料不符合热力计算的要求，则要进行必要的数据换算换算公式为
X=X 0×K (3-1)
公式中的换算系数K 不仅可以用于各基准间百分数的换算，也可以用于不同基准下煤高位发热量之间的换算。但是不同基准下的低位发热量之间的换算，必须先化成高位发热量之后。才能用换算系数K 进行换算。但是，不能用于水分之间的换算。而水分之间的换算用下面公式：
100
100f
ad
f
ar
M
M
M
M
-+= (3-2)
式中 f M ——外部水分，％。
3.2 锅炉的空气量平衡
在负压下工作的锅炉机组，炉外的冷空气不断的漏入炉膛和烟道内，致使炉膛和烟道各处的空气量、烟气量、温度和焓值相应的发生变化。
对于炉膛和烟道各处实际空气量的计算称为锅炉的空气量平衡。在锅炉热力计算中，常用过量空气系数来说明锅炉炉膛和烟道的实际空气量。
3.3 燃料燃烧计算
燃料燃烧计算以单位质量(或体积)的然量为基础。燃料燃烧计算包括：燃烧计算、烟气特性计算、烟气焓计算。
1. 燃烧计算需要算出：理论空气量，理论空气容积、RO2容积、理论干烟气容积、理论水蒸气容积等。
2. 烟气特性需要计算出：各受热面的烟道平均过量空气系数、干烟气容积、水蒸气容积、烟气总容积、RO2容积份额，水蒸气容积份额、三原子气体和水蒸气容积总份额、容积飞灰浓度、烟气质量、质量飞灰浓度等。
计算中需注意的是，由于本炉屏和凝渣管的漏风系数为0，故炉膛、屏式过热器、凝渣管的出口过量空气系数均相同，可直接取炉膛出口过量空气系数；其它受热面的平均过量空气系数则取该受热面的进、出口过量空气系数的算术平均值
3. 烟气焓的计算需要分别计算出炉膛、屏式过热器、高温过热器、低温过热器、高温省煤器、高温空气预热器、低温省煤器、低温空气预热器等所在烟气区域的烟气在不同温度值下的焓。
在锅炉烟道中，沿着烟气的流程，不同部位的过量空气系数不同，因此烟气的焓也不同。在受热面的传热计算中，必须分别计算各个受热面所在部位的烟气焓并制造成焓温表。根据过量空气系数和烟气温度，可求出烟气焓；反之，也可以由过量空气系数和烟气的焓查出烟气的温度。
3.4 锅炉热效率和消耗量的估算
锅炉热效率及燃料消耗量计算步骤：
1. 计算锅炉输入热量Q r；对于燃煤锅炉，如果燃料和空气都没有利用外界热量进行预热，且水分M ar 2. 确定和计算各项热损失； 3. 用反平很法计算锅炉热效率； 4. 计算锅炉工质有效利用热量； 5. 计算过路燃料消耗量。由于计算时渉及的排烟温度为假定值，所以计算出的燃料消耗量实为估算值。 表3-1燃烧计算表 表3-2烟气特性表 表3-3 烟气焓温表(用于炉膛，屏式过热器，高温过热器的计算) 表3-4 烟气焓温表(用于低温过热器，高温省煤器的计算) 表3-5烟气焓温表(用于高温空气预热器，低温省煤器的计算) 表3-6 烟气焓温表(用于高温空气预热器，低温省煤器的计算) 表3-7 锅炉热平衡及燃料消耗量计算 4 炉膛热力计算 4.1 炉膛校核热力计算的步骤 炉膛校核热力计算可按以下步骤进行： 1.计算炉膛结构尺寸及烟气有效辐射层厚度； 2.选取热风温度，并依据有关条件计算随每千克燃料进入炉膛的有效热量； 3.根据燃料种类、燃烧设备的形式和布置方式，计算火焰中心位置的系数； 4.估计炉膛出口烟温，计算炉膛烟气平均热容量； 5.计算炉膛受热面辐射换热特性参数，如水冷避的灰污系数、辐射角系数、热有效系数； 6.根据燃料和燃烧方式计算火焰黑度和炉膛黑度； 7.计算炉膛出口烟温； 8.核对炉膛出口烟温误差； 9.计算炉膛热力参数，如炉膛容积热强度等； 10. 炉膛内其它辐射受热面的换热计算，屏式过热器等。 热力计算方框图如图4-1下所示： 图4-1炉膛校核热力计算方框图 4.2 炉膛几何特征的计算 炉膛结构的几何特性主要包括：1. 炉膛容积；2. 炉膛内炉墙总面积；3. 炉膛有效辐射受热的面积；4. 炉膛火焰有效辐射层厚度；5. 炉膛水冷程度。 炉膛结构的几何特性参数与锅炉的设计容量。燃料特性、炉膛容积热负荷、炉膛截面热负荷、燃烧区域受热面热负荷、炉膛辐射受热面热负荷、炉膛出口烟气温度等设计参数密切有关。 炉膛结构图如图4-2所示： 图4-2 炉膛结构尺寸示意图 表4-1炉膛结构数据 4.3 炉膛热力计算中的几个问题 4.3.1 关于炉膛冲口烟气温度 炉膛出口烟气温度，中小型锅炉指凝渣管前的烟温，大容量锅炉通常指屏式过热器前烟温。 炉膛出口烟温的高低，决定锅炉机组辐射换热量的比例额份额。炉膛出口烟温偏低，降低对流过热器的平均传热温差，又势必要增大昂贵的对流过热器受热面。此外，炉膛出口烟温还首先保证锅炉出口不结焦。为此，锅炉出口烟温应低于燃料灰分的软化温度(一般较ST低100℃)。 根据锅炉受热面的辐射和对流传热的最佳比值，维持炉膛出口烟气温度约1250℃是最经济的。但是，对大多数燃料，这是做不到的。因为炉膛出口出的对流受热面(凝渣管或对流过热器多为拉稀部分)前的烟温，不应超过灰分开始变形的温度DT，以防止对流受热面的结渣。 当炉膛出口出布置屏式受热面试时，炉膛出口烟气温度一般取1100～1200℃，但是，对于易结渣的燃料，这一温度应保持在1000～1050℃的水平。 通常在进行锅炉设计时，以对流受热面不结焦的前提下，选择锅炉出口烟气温度。 4.3.2 关于热空气温度 热风温度主要依据燃烧方式的要求确定。首先应保证燃料的迅速点燃和稳定燃烧。但热风温度过高，将使空气预热器的结构过于庞大，尾部烟道布置困难，设备处投资及运行费用增高。一般液态排渣炉和燃用高水分燃料用热风作干燥剂的制粉系统，需选用较高的热风温度。 锅炉热空气温度的选取，与燃料的燃料方式，燃料的种类和特性，锅炉的排渣方式等因素有关。层然炉采用温度较低的预热空气或冷空气。煤粉锅炉则要求采用温度较高的预热空气。 室燃炉热空气温度选取，主要决定于燃料的性质。着火性能好或水分较低的燃料，可以采用较低的热空气温度，着火性能差或水分较多的燃料，一般要求采用较高的热空气温度。此外，热空气温度还与制粉系统的干燥剂种类，锅炉的排渣方式有关。 4.3.3 灰污系数 灰污系数是考虑受热面反响辐射对换热影响的系数，其数据的物理意义表示火焰辐射到受热面上的热量最终为受热面吸收的份额。若水冷壁管被灰污的越严重其灰污层表面温度越高，反辐射能力越强，水冷壁吸收的热量越少，则灰污系数就越小。双面水冷壁及炉膛容积内的屏式过热器，其灰污系数比贴墙管水冷壁的灰污系数小0.1，而满焊双面水冷壁比贴墙非膜式水冷壁要小0.05。 4.3.4 火焰中心位置修正系数M 系数M是被用来考虑沿炉膛高度方向温度最高处的相对位置对炉内换热影响的参数，是重要的修正系数之一。对煤粉炉，M值一般不大于0.5。 4.3.5 炉膛容积热负荷 炉膛容积热负荷的取值越小，则折算到单位炉膛容积内的放热量越大；反之，则越小。显然，炉膛容积热负荷决定了炉膛内的整体温度水平，同时也决定了燃料在炉膛内的停留时间。但二者的影响规律相反，炉膛整体温度高，则燃料停留时间短；反之，炉膛整体温度低，则燃料停留时间长。 4.3.6 炉膛截面热负荷 截面热负荷另一角度反映了炉膛内的温度水平和燃料在炉膛内的停留时间，弥补了炉膛容积热负荷仅能够确定炉膛容积而不能确定其形状的不足。 溶剂热负荷和截面热负荷的结合可以合理的确定炉膛的容积、形状和尺寸。在相同的炉膛容积条件下，选取较高的截面热负荷可以得到较高的炉膛，而选取较低的截面热负荷，则可以得到相对较大的炉膛截面和较低的炉膛高度。 截面热负荷决定于燃料的燃烧特性和灰渣特性等因素。对着火和燃烧性能较差的煤，趋向于选择较高的截面热负荷，过低的截面热负荷会造成燃烧器区域温度下降，不利于正常着火。但同时还需要考虑煤燃烧时的结渣特性，如果截面热负荷较高，则将没有足够的受热面吸收燃烧区域燃料燃烧解放的热量，是局部温度过高，引起燃烧器附近区域结渣。对固态排渣煤粉炉，当然用熔融温度较高的煤种时，截面热负荷可以取较高的数值，对融融温度较低的煤，截面热负荷应适当降低。 截面热负荷的选择还应考虑到水冷馆内工质冷却能力的影响。避免局部水冷壁热负荷过高，对亚临界压力锅炉，工质冷却能力较差，局部偏高的热负荷会使水冷壁金属温度升高到危险程度。 4.4 炉膛热力计算 表4-2 炉膛校核热力计算
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