电站锅炉热力计算方法概述

电站锅炉热力计算方法概述

李振全，张军

东南大学动力工程系，江苏南京（210096）

E-mail：Lizq_js@

摘要：本文简单介绍和比较了原苏联热力计算标准和美国CE标准，指出我国制定锅炉热力计算标准的紧迫性，提出积灰系数ε、热有效系数ψ和利用系数ξ等三个系数的准确理解及其重要性，并介绍了传统的热力计算方法及多种改进方法，指出了目前存在的问题及将来的发展方向。

关键词：锅炉；热力计算；标准；方法

1.引言

电站锅炉是燃煤电站的主要设备之一，它是国民经济生产中重要的能量变换单元。随着中国电力市场的蓬勃发展，电站项目朝着高参数、大容量的方向发展已成为大势所趋，近年来超临界锅炉技术在国内得到迅速发展和应用。近十多年，我国的电力事业取得较大的发展，自行设计生产的火电机组单机出力由建国初期6MW提高到现今300～600 MW和更高的900～1000 MW，参数由4 MPa增加到17.0 MPa和25.0～27.0 MPa的超临界与超超临界。锅炉在锅内、炉内、自控调节和辅机等各方面也都有显著的提高。但也看到，包括引进的国外300－600MW在内的燃煤火电机组，其锅炉的安全可靠的工作和经济运行，至今还有着相当部分的不尽人意，据统计，在近些年全国大机组非计划停运事故中，锅炉方面的事故约占半数以上，主要原因之一是现今采用的锅炉热力计算方法存在不足，其可靠性和经济性很大程度上取决于炉内发生的流动、燃烧和传热等过程，制造厂家和运行部门迫切要求改进（制定）锅炉计算方法。

从传热角度看，锅炉属于连续操作的多介质、大型、复杂串并联换热器。热力计算是锅炉设计工作的核心，是锅炉设计、校核、运行的基本依据，锅炉水动力计算、受压元件强度计算、通风阻力计算、炉墙热力计算、管壁温度计算、制粉系统热力计算、空气动力计算等都要在锅炉热力计算的基础上才能进行，对锅炉的安全和性能有着直接的影响。其目标是求解锅炉系统的稳态平衡热工效果，作为后续的工程分析和计算的依据。为提高锅炉热力计算的准确性，近些年来国内一些单位开展了一些研究工作，这里将对这些工作进行介绍和讨论。

2.锅炉热力计算标准

我国50年来，发电锅炉设计所用的方法普遍采用的是前苏联57（包括两个修正)和73两个联合标准方法[1]，原苏联的炉膛热力计算是以相似理论为基础，用波尔兹曼准则导出半

θ′′的准则方程式经验性的炉膛传热基本方程，求出炉膛受热面积或出口烟温。不同版本中

T

ϑ的计算式示于表1

和''

T

表1 炉膛出口烟温的准则方程式和计算式

系数M在两个标准版本中，其形式列于表2.

表2 计算标准中M的表达式

标准版本

1957年标准 1973年标准 M

0.445 A-B(x x ∆+Γ)

对于小容量锅炉，计算表明在(x x ∆+Γ)=0-0.25范围内，(x x ∆+Γ)对''T ϑ的影响较小，故在57标准中取M＝0.445，为定值。随着锅炉容量的增大，为考虑沿炉膛高度方向温度场不等温性对炉内换热的影响，即燃料性质、燃烧器中心的相对标高对炉内换热的影响，73标准中引入M=A-B(x x ∆+Γ)。

这一方法应用于较小容量锅炉炉膛热力计算时，其计算的准确性较好，但在应用于高参数、大容量锅炉时，炉膛出口烟温的计算值与实值偏差较大，实测值比计算值要高，这必然给锅炉带来过热器减温水量增大或过热蒸汽超温、炉膛出结渣等一系列问题，尤其对于燃用劣质烟煤、褐煤和无烟煤的锅炉更是如此，致使一些电站锅炉过热器超温爆管、降低了可用率。以炉膛传热为基础制定的原苏联计算标准，它没有充分考虑煤粉品质与燃烧特性、燃烧方法及炉膛结构与形状的影响，依据苏联标准设计的炉膛有时不一定能完全满足燃烧条件，使炉膛高度和燃烬时间发生矛盾。因此，十分有必要开展我国动力煤燃烧特性的研究，因为它能够阐明具体燃煤的燃烧特性和相对比较，并有利于判断和选择炉膛有关的设计参数。“标准方法”中规定，M 值是反映炉内燃烧条件的一个参量，主要取决于燃料种类及燃烧器中心的相对高度。实际上，M 值还与燃料的着火特性、一次风气流的初温、煤粉细度、煤粉浓度、过量空气系数、锅炉负荷及二次风的混合迟早等因素有关。“标准方法”中的沾污系数ξ值若按不同的燃料类型选取是一些常数。实际上，ξ值不仅与煤种有关，而且与煤的结焦性以及一些运行因素有关。

近年来,随着欧美大机组的引进,也引进了一些欧美的计算方法,如美国燃烧公司(CE)、福斯特.惠勒公司(FW)、巴威公司(B&W)的热力计算标准等。美国CE 公司的炉膛分为下部和上部炉膛两部分计算，下部炉膛是根据美国优质烟煤试验为基础而制定初基本曲线，并经其它因素修正得出炉膛尺寸和相应热力参数；上部炉膛分为许多相互关联的小区域按传热理论

和数学模型以及微积分求出上部炉膛各处的受热面和烟温[2]

。

但是，CE 下炉膛计算方法用在我国时，由于煤质明显劣于美国煤质，且缺乏足够的中国动力用煤的工业试验数据基础，机械地套用美国煤的计算曲线是不科学的，对于有些煤种、特别是结渣性较强的煤种，往往产

生较大的偏差，容易加剧壁面结渣的倾向；CE上炉膛计算方法对屏区用沿高度方向热负荷不均匀系数Y值计算各部吸热量的方法相对于原苏联的方法更加准确。李伟等[3]对原苏联热力计算标准和美国CE锅炉性能设计标准进行了比较。CE标准的计算精度要求较高，但在传热计算中，其传热系数仅为对流放热系数和三原子气体辐射放热系数的简单相加，没有沾污系数、沾污壁温的概念，而实际燃煤锅炉受热面的积灰总是不可避免存在，特别是我国燃煤中灰含量普遍较高；CE标准的漏风值较小，而我国锅炉的实际漏风普遍偏大。因此，我国锅炉按CE标准设计时锅炉热力计算结果与实际运行结果仍会有一定误差。

但这些方法基本为半经验性质，其精确程度往往影响到排烟温度、过热汽温及再热汽温和热空气温度的设计值的准确。各种方法的选用，决定于锅炉制造厂家的历史与经验。并且各种方法总会有一定精确度和误差，其精确程度并非取决于计算方法程序的繁简和理论概念，而主要是看提出的积灰系数ε、热有效系数ψ和利用系数ξ等3个系数（亦有提出一个或两个系数的方法）的准确完整和设计人员掌握的经验。理由是：ε、ψ、ξ是试验数据，由试验研究和最后的工程试验整理而得。如，在计算对流传热时，K=Q/H∆t，同时K=f[ε(ψ、ξ)]。其物理概念均以受热面积灰影响传热性能为主（管式空气预热器ξ除外）的综合修正系数。它包含了对算式误差、演算误差和试验测量误差等多方面误差的修正。

积灰系数ε、热有效系数ψ和利用系数ξ的准确程度直接决定了热力计算方法选用的准确性；在各种热力计算方法中提供的ε、ψ、ξ是与其传热计算公式中的Q、H、K、∆t等相互对应的，不能与其它热力计算方法相互套用；各种热力计算方法提供的ε、ψ、ξ是有一定应用条件和范围的，即随燃烧煤质不同和灰成分的不同、锅炉负荷和燃煤量的不同、炉膛及对流受热面烟温、壁温、烟速和热负荷的不同、受热面布置与结构的不同等，它们的ε、ψ、ξ是不同的，应该正确的判断和灵活的选用。若选用不当，均导致炉膛出口烟温、对流受热面各段烟温、各受热面吸热量和蒸汽温度、热空气温度等的改变。严重时，会发生炉膛结渣、燃烧性能恶化、金属超温以及排烟热损失过大等异常现象。

3.锅炉热力计算方法

锅炉热力计算分为设计计算和校核计算，设计计算一般是在设计新锅炉时运用的方法，而校核计算是在锅炉结构已定燃料变更时进行的计算。设计计算的任务就是在给定的给水温度和燃料特性的情况下，为了达到额定蒸发量和蒸汽参数以及选定的经济指标，计算、确定锅炉机组的炉膛尺寸及各受热面的结构和尺寸，并确定锅炉的热效率和燃料消耗量、各受热面进出口的烟气温度及工质温度、吸热量以及烟气流速和工质流速等，为选择锅炉辅机和进行上述的其他计算提供原始数据。设计计算是在锅炉的额定负荷下进行的，但为了预计锅炉在其他负荷下的工作特性，以及锅炉在使用非设计燃料时的热力特性，就要进行校核计算。校核计算的目的是为了得到锅炉在非设计工况下运行时的经济指标，为锅炉结构改进、选择辅机和其他各项计算提供相应的数据和资料。

在锅炉热力计算中，首先以燃料完全燃烧得出理论空气量、烟气成分和烟气的焓等，然后考虑燃料的化学不完全燃烧热损失和机械不完全燃烧热损失，在上述烟气焓中查出理论燃烧温度等。计算的结果有两种燃料量，即实际燃料消耗量和不考虑机械不完全燃烧热损失的计算燃料消耗量。整个锅炉的计算中，都以燃料完全燃烧后的产物来计算炉内的辐射传热和对流放热【4】。然而，针对实际上燃料在炉内燃烧属不完全燃烧，李佛金等[5]指出锅炉的热力计算应按不完全燃烧理论进行计算才合理。在燃煤锅炉中，飞灰含碳量有时很高，若用燃料完全燃烧方法进行设计或校核计算则有较大误差。而用不完全燃烧理论来进行锅炉热力计