水冷壁的设计

目录1 绪论 (2)1.1锅炉发展史 (2)1.2锅炉设计 (3)1.3 煤粉锅炉 (3)1.4水冷壁 (4)1.5 本设计主要特点 (5)1.6本设计运用原理和主要步骤 (5)2 计算说明书 (6)2.1锅炉总体简介 (6)2.2炉膛简图 (7)2.3锅炉设计条件及性能参数 (8)2.4燃煤特性 (8)2.5煤的元素分析数据校核和煤种判别 (9)2.5.1元素校核 (9)2.6煤种判别 (10)2.6.1煤种判别 (10)2.6.2折算成分计算 (10)2.7燃烧产物计算 (11)2.7.1理论空气量及理论烟气容积 (11)2.8热平衡及燃料消耗量计算 (12)2.9炉膛设计和热力计算 (16)2.9.1炉膛结构设计 (16)2.9.2炉膛热力计算 (17)2.10水冷壁的选择 (21)2.10.1水冷壁的布置 (21)2.10.2水冷壁的侧墙出口悬吊图 (22)2.10.3水冷壁悬吊装置的强度计算及校核 (22)结束语 (24)附表2-10：炉膛烟气温焓表 (26)附表2-11：蒸汽压力—饱和温度对照表 (26)参考文献 (27)1 绪论自改革开放以来，我国电力行业发展迅猛，电源结构不断调整，电网建设不断加强，电力环保取得显著成绩，电力装备技术不断提高，交直流输电系统控制保护设备的技术水平已居于世界领先行列。

进入21世纪以来，电力需求更加旺盛，发展潜力巨大，电力建设任务仍十分艰巨，我国的电力工业发展遇到了前所未有的机遇，总体呈现出快速发展的态势。

随着新能源的开发与利用及高新经济技术的需求，各种能源的利用率正不断地提高。

如何节约能源、利用能源已经成为当今社会的主题。

锅炉的出现和发展迄今已有二百余年的历史。

期间，从低级到高级，有简单到复杂，随着生产力的发展和对锅炉容量、参数要求的不断提高，锅炉型式和锅炉技术得到了迅速的发展。

亚临界汽包锅炉在我国的大型电站中有着广泛的应用，炉膛受热面普遍采用膜式水冷壁。

1.1锅炉发展史锅炉从开始应用至今已有300多年的历史。

它是从小型、中型到大型，从微压、低压到中压，从铆接结构到焊接结构，从手工操作到机械化、自动化等。

主要是沿着增加供热能力、提高压力、降低能耗、减轻劳动强度、节省钢材以及改善污染的方向发展的。

早在17 世纪60年代，第一台铜制球形锅炉诞生，其压力仅9.81至19.62kPa。

此后，为满足生产和生活上的需要，锅炉类型与结构也不断创新，到目前为止出现了锅壳式的火管锅炉和水管锅炉；自然循环锅炉和强制循环锅炉以及水、火管混合型锅炉等等。

锅壳式锅炉的特征是锅炉的主要部件都放在锅筒内，外表看上去仅是一个圆筒，这种锅炉又分为立式锅壳锅炉和卧式锅壳锅炉两种。

绝大部分是火管锅炉，目前普遍使用的快装锅炉是在卧式外燃回火管锅炉的基础上，增加了水冷壁辐射受热面和经济器等尾部受热面，成为一种水、火管混合式锅炉。

随着蒸汽动力的发展，要求锅炉产量和参数不断提高，火管锅炉不能满足这种要求，水管锅炉便应运而生。

水管锅炉的特征是把主要受热面的管子布置在锅筒的外面，另用耐火砖砌成炉膛，在炉膛中燃烧的火焰冲刷管子的外壁，水在管中流动，并在上下锅筒之间自然循环。

最初生产的水管锅炉是横直水管，水管两端与大集箱连接，由于整块的方形集箱强度要求较高，后将整集箱改为分集箱。

这样强度得到了保证，但集箱和集箱上的手孔加工复杂，而且精度要求高，金属消耗量也比较大。

另外，横水管管内汽水混合物容易分层流动，对水循环不利。

后来将水管垂直布置，方形集箱都由锅筒和圆形集箱代替，而且锅筒的数目逐渐减少。

水管锅炉用弯水管作为受热面，摆脱了锅筒水容积空间的限制，大大增加了锅炉的自由度，能充分适应单台锅炉容量增大、蒸汽参数提高的要求[3]。

锅炉的炉膛或燃烧室也在不断地改进。

老式的燃烧设备是固定炉排手工加煤，现在小型立式锅炉中还有采用的。

随着锅炉容量的不断增大，耗煤量相应增多，司炉劳动强度增加，同时煤在锅炉中不完全燃烧情况日益严重，因而出现了机械化和半机械化燃烧设备。

由于城市现代化建设和环保的要求，近年来燃油或燃气锅炉日益增多，与之配套的是全自动的燃烧控制系统。

锅炉的辅助设备也在不断改进。

为了提高热效率，改善燃烧工况，进一步利用炉膛辐射热、提高蒸发量，在炉膛内布置了水冷壁，在尾部出现了经济器（或称省煤器）和空气预热器等受热面。

受热面的管材品种也不断增加，如：光管、螺纹管、鳍片管、肋片管和钉刺管等，以增大受热面提高产热量。

由于焊接技术的发展，锅炉制造方面，过去所采用的铆接工艺已逐步由焊接工艺所取代，这样不仅提高了锅炉的质量，又节约了钢材。

由于水管锅炉对水质要求高，锅炉给水也由原水逐步改进为软化水，为了避免锅炉的腐蚀还需采用除氧水。

水处理设备和管理日趋完善。

随着现代工农业的迅猛发展，环境质量不断恶化，对社会环境保护要求提高了，锅炉消烟除尘也从无到有并逐步升级，烟气的脱硫脱硝技术正日趋成熟。

由于仪表工业和计算机技术日新月异的发展，自动化仪表以及元器件的先进性、可靠性不断提高，DCS的广泛应用，使锅炉运行所需的自动化控制装置越来越受到设计管理人员的青睐。

总之，近年来锅炉的发展十分迅速，社会的要求也逐年提高，锅炉技术和管理人员需要全面掌握锅炉有关技术和知识，并不断更新、充实，以实现锅炉的安全经济运行[5] 。

1.2锅炉设计电站锅炉，通俗来讲就是电厂用来发电的锅炉。

一般容量较大，当前我国的主力机组为300MW—600MW。

电站锅炉主要有两类：煤粉炉和循环流化床锅炉。

循环流化床锅炉（简称CFB)，其燃烧机理是把固态的燃料流体化，使它具有液体的流动性质促成燃烧。

可以加石灰或煤矸石除硫，比较环保。

循环流化床锅炉燃烧的是煤颗粒对锅炉的磨损比较严重，维修费用一般都挺高。

电站煤粉炉，只是把煤磨细成煤粉，然后用空气吹入炉膛燃烧。

燃烧的是粉末对锅炉磨损较小，比循环流化床锅炉好控制，给锅炉加压或着降压的时候它的反应时间比循环流化床快。

电站锅炉的“水冷壁”、“过热器管”、“再热器管”、“省煤器管”的高温腐蚀和磨损，是造成管道泄露的主要原因，也是常见的技术问题，它给电厂的安全运行带来很大威胁，常常导致事故的发生。

电厂简称其为电站锅炉“四管”。

燃煤锅炉是指燃料燃烧的煤，煤炭热量经转化后，产生蒸汽或者变成热水，但并不是所有的热量全部有效转化，有一部分无工消耗，这样就存在效率问题，一般大型的锅炉效率高些，60%—80%之间[6]。

1.3 煤粉锅炉对煤这种固体燃料来说，在锅炉容量较小（在我国，一般为10kg/s 以下的锅炉）时多采用层燃方式，即将煤块（大小小于40mm）放在炉排上成层地燃烧，而对于电站锅炉，由于容量大，则把煤磨成细粉进行悬浮燃烧。

燃煤的室燃炉即煤粉炉（室燃也叫悬浮燃烧，气体及液体燃料都采用这种燃烧方式）。

煤粉炉是我国电厂生产的主要锅炉型式。

悬浮燃烧就是将煤磨成细粉（煤粉颗粒多小于100um），然后由空气送入炉膛中在悬浮状态（煤粉运动速度与炉膛中气流速度基本相同，煤粉在炉膛中的停留时间约1—2s）下燃烧。

细小的煤粉颗粒进入炉膛后，在高温炉内火焰和烟气的加热下，把水分蒸发掉，然后随着温度升高，煤粉中挥发分析出并燃烧，直至煤粒变成高温的焦炭颗粒，最后焦炭燃烬。

由于煤粉需要空气携带进入炉膛，点燃空气和煤粉混合物比单独点燃煤粉需要更多的热量。

空气越多，煤粉气流越难点燃。

所以为更快地使煤粉气流燃烧，总是不把煤粉燃烬所需的空气会与煤粉混合，携带煤粉进入炉膛的只有一部分空气，这部分空气就称一次风。

其余空气以二次风、三次风的形式进入炉膛。

煤粉气流中一次风量只要能将煤粉析出的挥发分燃完即可，析出挥发分的焦炭颗粒处于高温下，由二次风提供氧气燃烬。

悬浮燃烧（煤粉炉）的主要燃烧设备有燃烧器和适合煤粉悬浮燃烧的炉膛（燃烧室），其辅助设备有制粉系统[7]。

煤粉燃烧器的基本作用是保证煤粉及时稳定的点燃并组织炉膛内火焰的燃烧。

煤粉气流由燃烧器进入炉膛，其着火过程、炉膛内空气动力和燃烧工况由燃烧器的结构和燃烧器的布置决定。

煤粉燃烧器按其工作原理可分为两大类：旋流燃烧器和直流燃烧器。

炉膛为煤粉的充分燃烧提供了足够的空间，炉膛内安装有大量水冷壁等受热面，煤粉燃烧后产生的烟气与受热面之间换热而得到冷却。

虽然煤粉炉要求煤粉颗粒直径在100um 以下，但要燃烬却需要一定的时间，而烟气一旦出了炉膛，温度很快下降，如果煤粉颗粒在炉膛内没有燃烬，一旦出了炉膛而进入对流受热面，就不可能再充分燃烧了。

因此必须保证煤粉在炉膛内有足够的停留时间[8]。

1.4水冷壁水冷壁是蒸发设备中唯一的受热面，它是由连续排列的管子组成的辐射传热平面，紧贴炉墙形成炉膛周壁。

大容量的锅炉有的将部分水冷壁布置在炉膛中间，两面分别吸收烟气的辐射热，形成所谓的双面曝光水冷壁。

水冷壁管进口由联箱连接，出口可以由联箱连接再通过导气管接于汽包。

炉膛每侧水冷壁的进出口联箱分成数个，其个数由炉膛宽度和深度决定，每个联箱与其连接的水冷壁管组成一个水冷壁屏。

而水冷壁是锅炉的主要受热部分，它由数排钢管组成，分布于锅炉炉膛的四周。

它的内部，为流动的水或蒸汽，外界接受锅炉炉膛的火焰的热量。

其中锅炉炉膛内燃烧中心的温度可高达1500～1600度。

水冷壁最初设计时，目的并不是受热，而是为了冷却炉膛使之不受高温破坏。

后来，由于其良好的热交换功能，逐渐取代汽包成为锅炉主要受热部分。

水冷壁的作用是吸收炉膛中高温火焰或烟气的辐射热量，在管内产生蒸汽或热水，并降低炉墙温度，保护炉墙。

在大容量锅炉中，炉内火焰温度很高，热辐射的强度很大。

工作环境特别恶劣。

水冷壁的主要作用是：（1）吸收炉内辐射热，将水加热成饱和蒸汽；（2）保护炉墙，简化炉墙结构，减轻炉墙重量，这主要是由于水冷壁吸收炉内辐射热，使炉墙温度降低的缘故；（3）吸收炉内热量，把烟气冷却到炉膛出口所允许的温度，这对减轻炉内结渣，防止炉膛出口结渣都是有利的；（4）水冷壁在炉内高温下吸收辐射热，传热效果好，故能降低钢材消耗量及锅炉造价。

锅炉中有４０%～５０%甚至更多的热量由水冷壁所吸收。

现代的水管锅炉均以水冷壁作为锅炉中最主要的蒸发受热面[9]。

1.5 本设计主要特点1、讨论分析了目前我国300MW煤粉锅炉的发展状况、特点和问题；2、完成一组涉及水冷壁的炉膛热力计算；3、进行了水冷壁的结构、布置形式及吊装的设计；4、运用数学建模的方法，画出锅炉简图和水冷壁悬吊简图。

(本设计不进行结构尺寸几何大小计算，故图中有些地方无法给出具体数值)1.6 本设计运用原理和主要步骤本设计主要运用《工程燃烧学》《锅炉原理》等书刊资料所涉及的知识，结合实际情形，逐步推导进而完成一系列与水冷壁有关的计算。

因为水冷壁是主锅炉的副设备，所以要设计水冷壁必须要算锅炉受热情况。

与锅炉受热情况有关的分析很多，但主要还是由燃煤特性决定的。