电站锅炉炉膛设计解读

1 引言

锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，再通过发电机将机械能转换为电能[1]。

1．1 锅炉简介及发展状况

1.1.1 锅炉简介

将其它热能转变成其它工质热能，生产规定参数和品质的工质的设备称为锅炉。燃烧设备以提供良好的燃烧条件，以求能把燃料的化学能最大限度地释放出来并其转化为热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备[2]。

锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，又叫蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。

将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉[3]。

1.1.2 锅炉结构

锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒[3]。

锅炉中有汽水系统和煤烟系统两大部分。

（1）汽水系统

经过水处理设备软化处理符合质量要求的给水，由给水本送至省煤器，经预热器提高温度后进入上锅筒（上汽包）。上锅筒内的炉水，连续的沿着处在烟气温度较低区域的对流管束流入下锅筒（下汽包）。下锅筒内的炉水，一部分进入炉膛四周的水冷壁下集箱和水冷壁管；另一部分进入烟气温度较高的对流管束。由于高温作用，在水冷壁内受热汽化，汽化混合物上升至上集箱或上锅筒；进入烟气温度较高区域对流管束内的水也受热汽化，汽水混合物也上升进入上锅筒。再上过桶内汇集并净化的饱和蒸汽，经出气管进入过热器继续受热，提高温度和除去水分，成为过热蒸汽。最后过热蒸汽经出汽总管输送到使用地点。

（2）煤烟系统

锅炉所需的燃煤，在经过筛选和破碎后，经斗式提升机、皮带输送机送到锅炉前部的煤仓。煤仓内的煤通过煤闸门，随着链条炉排的移动，连续的落到炉排上进入炉膛内燃烧。炉排后部的炉渣进入灰斗进入灰坑，有除渣机除去。锅炉燃烧所需的空气，由送风机进入锅炉后部的空气预热器，经预热提高温度后分段送到炉排下，穿过炉排缝隙进入煤层助燃。燃料燃烧产生的高温烟气，现将一部分热量传给炉膛四周的水冷壁管，然后高温烟气从炉膛上部经过立式过热器往后折转与对流管束，在进入后烟道、省煤器和空气预热器，进一步放出热量。此时烟气温度已经大大降低，不再利用，经除尘器、引风机和烟囱排放至大气[2]。

1.1.3 锅炉的发展

随着生产的发展蒸汽锅炉在工业生产或热力发电厂中的使用越来越多，在国民经济中的地位也更为重要，因此如何提高锅炉的安全性、经济性，降低其造价，增长其使用寿命，减少其对环境的污染等等，已成为锅炉发展和研究的重大问题[1]。

火力发电厂中，锅炉是主要生产设备之一，它随着电力事业的发展而不断发展，其发展趋势大体上可按下述几方面来说明：

（1）锅炉容量

世界工业先进国家为了适应电力需要的增长，大多尽快扩大发电机组的单机容量。机组容量增大则每千瓦的设备费用降低，金属耗量减少，基建投资节省。在其他条件相同时，锅炉容量增大一倍，每吨的金属用量金属减少5-20%，所需要管理人员也减少。（2）蒸汽参数

随机组容量的增大，提高电厂的热效率就变得更为迫切，提高蒸汽参数和采用蒸汽再热提高电厂热效率的有效措施。

1．2 锅炉炉膛

1.2.1 锅炉炉膛的概念

锅炉炉膛是用来燃烧燃料和空气的有限空间。现代锅炉的炉膛既是一个燃烧室，又是一个换热设备。锅炉中工质的总吸热量有一半左右是通过布置在炉膛四周的受热面完成的。因此，分析炉膛的传热特征和研究传热计算的方法是锅炉工作者的重要任务[4]。

1.2.2 锅炉炉膛的设计

锅炉是中国重要的热能动力设备,中国是当今世界燃煤锅炉生产和使用得最多的国家之一。但我国对锅炉设计的起步较晚，发展较慢，尽管如此，广大热工技术人员还是做了大量研究工作。中国锅炉制造业是在新中国成立后建立和发展起来的。尤其自改革开放以来,随着国民经济的蓬勃发展,全国有上千家持有各级锅炉制造许可证的企业,可以生产各种不同等级的锅炉[5]。

炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料

在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热[6]。

炉膛设计需要充分考虑使用燃料的特性。每台锅炉应尽量燃用原设计的燃料。燃用特性差别较大的燃料时锅炉运行的经济性和可靠性都可能降低

锅炉炉膛设计的一种方法是参照本厂或其它厂已经投运的性能良好的锅炉(即所谓样机炉)结构尺寸及其性能,比较新炉的燃料与样机炉的燃料特性差别,适当调整样机锅炉的结构尺寸及工况参数,从而作为新炉的设计依据。为了适应设计者的习惯,从理论上给出锅炉燃烧稳定性及燃尽性能公式,并令新炉与样机炉两者性能相等,从而解出欲求的新炉设计数据，按此法设计,保证新炉的性能与样机炉一致。

在进行炉膛设计时，炉膛结构尺寸主要包括:炉膛截面深a和宽b，燃烧器上下一次风中心喷嘴距离h，上排一次风喷嘴中心至屏下缘距离L。其它尺寸则参考样机由设计者自行决定。

1．3 锅炉炉膛的传热

1.3.1 锅炉炉膛的传热概述

炉膛的传热过程主要是指炉膛内火焰与水冷壁管间的热交换过程。这种热交换过程是相当复杂的。它常常伴随着燃料的燃烧、火焰和烟气的流动以及水冷壁管外表面辐射特性的变化等。但是，它传热的主要形式却是辐射换热[6]。

炉膛结构的几何特征主要包括：（1）炉膛容积；（2）炉膛内炉墙总面积；（3）炉膛有效辐射受热面的面积；（4）炉膛火焰有效辐射层厚度；（5）炉膛水冷程度。关于锅炉炉膛传热计算方法的研究已有100多年的历史。迄今为止,工程界和学术界提出的炉膛传热计算方法和模型各式各样、名目繁多。由于炉内传热过程复杂、相关因素很多,现有的炉膛传热计算方法和模型难免存在这样或那样的问题。为便于从现有的众多计算方法和模型中选用合适的计算方法和模型,因此要对炉膛传热计算方法的发展状况及现有的主要计算方法进行分析。在此基础上,指出目前工程设计计算中应优先选用的方法以及今后炉膛传热计算方法研究的方向。

1.3.2 锅炉炉膛传热计算常用方法

由于辐射换热在工程领域中的普遍存在及其求解的重要意义,国外锅炉炉膛传热设计一直在发展，一些新的炉膛传热计算方法和模型仍在不断涌现。这些模型各有优劣,对不同的问题所能获得的解的精度和适用性各不相同。

零维模型

Hudson最早进行锅炉炉膛传热试验研究,并于1890年提出了锅炉炉膛传热计算的经验公式,后由Orrok加以修正,得到如下形式的经验关系式：