热水锅炉设计论文

1 概论

1.1 热水锅炉概论及分类

[1][2]

热水锅炉是指水在锅炉本体内不发生相变，即不产生蒸汽，回水被送入锅炉后通过受热面吸收了烟气的热量，未达到饱和温度便被输出的一种热力设备。通常以KW、MW为单位表示锅炉的容量,旧单位用“万千瓦/时”或“万大卡/时”表示锅炉的容量。压力、温度、供热量是反映热水锅炉工作特性的物理量，是热水锅炉的基本的参数，一般容量0.7MW的热水锅炉相当于蒸发量1t/h的蒸汽锅炉的热功率。按热水供出温度，热水锅炉可分为低温水（供出热水温度小于120℃）和高温热水（供出热水温度大于120℃）锅炉。热水锅炉具有的热损失小、供热范围广和维修范围低等优点已被广大用户所接受，根据有关资料介绍热水锅炉采暖与蒸汽锅炉相比可节约燃料20%～40%左右。 1.1.1 热水锅炉的特点

[3]

（1）锅炉的工作压力。热水锅炉的工作压力取决于热系统的流动阻力和定压值。热水锅炉铭牌上给出的工作压力只是表明锅炉强度允许承受的压力,而在实际运行中，锅炉压力往往低于这个值。因此热水锅炉的安全裕度比较大。 （2）烟气与锅水温差大，水垢少，因此传热效果好，效率较高。

（3）使用热水锅炉采暖的节能效果比较明显。热水锅炉采暖不存在蒸汽采暖的蒸汽损失，并且排污损失也大为减少，散热损失也同样随之减少。因此热水采暖系统比蒸汽采暖系统可节省燃料20%左右。

（4）锅炉内任何部分都不允许产生汽化，否则会破坏水循环。

（5）如水未经除氧，氧腐蚀问题突出，尾部受热面容易产生低温酸性腐蚀。 （6）运行时会从锅水中析出溶解气体，结构上考虑气体排除问题。 （7）蒸汽锅炉需要连续和定期排污，而热水锅炉只需少量的定期排污。 1.1.2 热水锅炉的分类

（1）热水锅炉按水循环分类，分为强制循环和自然循环。本课题要设计SHL1200-13/130AⅡ型热水锅炉，其中SHL锅炉是自然循环锅炉，自然循环锅炉是工质在沿汽包、下降管、下联箱、上升管、上联箱、连接管道再到汽包这样的回路中的运动是由其密度差造成的，而没有任何外来推动力的循环流动。自然循环热水锅炉的结构形式与蒸汽锅炉基本相似。辐射受热面中的热水，靠下降管与水冷壁管中水的

1

设计（论文）

温度和密度不同而造成的水柱重力差循环流动。依照课题设计要求，本锅炉为自然循环热水锅炉。其特点有：锅炉采用自然循环，水循环安全可靠。 （2）热水锅炉的按结构形式分类可分为以下几种：

①管式热水锅炉。这种锅炉有管架式和蛇管式两种，前者较为常见。管式热水锅炉是借助循环泵的压头使锅水强迫流动，并将锅水直接加热。这种锅炉大都由直径较小的筒体（集箱）与管子组成，结构紧凑，体积小，节省钢材，加工简便，造价较低。但是这种锅炉容量较小，在运行中如遇突然停电，锅炉的水泵无法运行，正常的水循环遭破坏，锅水容易汽化，并可能出现水击现象。

②锅筒式热水锅炉。 这类热水锅炉大多是由蒸汽锅炉改装而成的，现在也形成了一个热水锅炉系统，它筒体较大，容量大，造价相对提高，由于这种锅炉出水容量大，且能在断电时维持自然循环，在遇到停电，水泵突然停止运行时，可以有效的防止锅水汽化。也正是这个原因，近年来锅筒式热水锅炉在我国发展较快。

1.2 热水锅炉的选择

我选用的是锅筒式热水锅炉，理由有：

（1）全管子锅炉结构复杂，安全性能不高，停电、停泵时容易汽化产生水击，水质要求高，其中只要有一根管子爆管就要立即停炉检修，并且检修困难；锅筒锅炉结构简单，安全性能好，停电、停泵时锅炉还可以利用自身的自然循环继续运行。并且由于有锅筒，即使产生了汽化，汽化对锅炉也可能不带来危险。

（2）全管子锅炉适用于高温、大型供热系统；而课题设计要求是中、小型容量，低温系统，我设计为出水温度为130℃，锅筒锅炉较适合。

（3）就制造方面来说，整个湖南省都很少制造管式热水锅炉，热水锅炉只制造锅筒式的热水锅炉。也就是说如果设计要在湖南省的话，实现制造是比较困难，即使制造了，由于不是批量生产，这样单一制造成本也会较高，而锅筒热水锅炉就好的多，湖南省内的厂都有制造。

1.3 热水锅炉的改装

[4]

蒸汽锅炉改装成热水锅炉,归纳起来主要有两种方法。其一是将系统回水从下锅筒或下集箱引入,即强制循环。 第二种方法,系统回水进入上锅筒,看热水的重力差所产生的自然循环流动压头能否克服管路阻力,如果不能够克服,就加水泵,形成强制循环，如果能够克服,就可以利用流动压头形成自然循环,此外如果流动压头不太大也可以加水泵, 形成强制循环,保证水循环的顺利和锅炉安全。

2

设计（论文）

1.3.1 蒸汽锅炉改热水锅炉

蒸汽锅炉形式分锅壳锅炉、水管锅炉。见表1.1。

表1.1 锅炉形式代号

锅壳锅炉 锅炉型式 立式水管 卧式外燃 立式火管 卧式内燃 代号 LS WW LH WN 锅炉型式 单锅筒立式 单锅筒纵置式 单锅筒横置式 双锅筒纵置式 双锅筒横置式 强制循环式 水管锅炉 代号 DL DZ DH SZ SH QX Fire-tube boiler 火管锅炉又称锅壳式锅炉。基本结构是在大圆筒（锅壳）内

装设小圆筒、管子(称谓“火管”)或其他形状的壳体(称谓“炉胆”)，火管与大圆筒隔绝并形成夹套，夹套中容水，而火管及炉胆充作燃烧室和烟道，容纳火焰或烟气，燃烧产生或烟气带来的热量经火管壁传给水。优点是水容量大，蓄热能力大，结构、安装和运行都比较简单。缺点是蒸发强度不高，产生的蒸汽压力低，锅壳及内部构件直接受热，工作条件变差，锅壳强度因各种开孔被削弱，因储水和蓄势量大，一旦破坏释放能量大。在工业上应用最早，目前一般用作小型工业锅炉。

水管锅炉。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。

水火管锅壳式锅炉是我国近十几年发展起来的科技含量高的锅炉品种，，这种锅炉与传统的水管锅炉（包括管架式、角管式、单、双汽包式）相比较，后者运行三年出力降到70%左右，而前者在整个寿命期内，受热面不积灰，出力不变，效率不变, 水火管快装锅炉具有如下优点：结构紧凑、生产工艺简单、安装方便：亦存如下缺点：锅炉相对的水容量较小，锅壳下部直接受辐射热，当给水水质不良或排污不及时，水垢与混渣易沉积在锅壳底部，使锅壳底部钢板过热变形，形成鼓包。此外管板，烟管与锅筒刚性联接，因受热不均与载荷变动时，产生交变温度应力，易造成管板裂纹，拉撑焊缝裂开，烟管拉脱等事故。据有关调查统计，这种锅炉的事故率比水管锅炉多2倍以上。

综合考虑，我选用的是双锅筒纵置式水管锅炉。锅筒纵向中心线与锅炉前后中

3

设计（论文）

心线重合或平行的锅炉称为纵置式锅筒水管锅炉，工业锅炉以双锅筒居多。这种锅炉主要由上下两个纵置锅筒、对流管束、水冷壁管、集箱等组成。纵置式锅筒水管锅炉的上锅筒的设计方案是将上锅筒做得较长，把下锅筒置于上锅筒的后半段下部，上锅筒的半段伸人炉膛顶部、炉膛两侧布置了水冷壁，水冷壁管下端连接下集箱，下集箱通过下降管与下锅筒连接供水。水冷壁管上端直接胀接在上锅筒前半段的底部两侧，这样构成水循环回路。水管锅炉在锅筒外部设水管受热面，高温烟气在管外流动放热，水在管内吸热。由于管内横断面比管外小，因此汽水流速大大增加，受热面上产生的蒸汽立即被冲走，这就提高了锅水吸热率。锅炉水循环好，蒸发效率高，适应负荷变化的性能较好，热效率较高。

蒸汽锅炉改装成热水锅炉，我选用第二种方法,即系统回水进入上锅筒，再加装水泵。由于出水温度为115℃，进水温度（通过省煤器后）也可以达到70℃，相差只有45℃，锅筒锅炉的自然循环是利用水的密度差来实现的，现在这个密度差太小，通过计算校核，自然循环流动压头不太大，循环效果不太理想，所以在需要加一个水泵，形成强制循环，来维持锅筒热水锅炉循环。 1.3.2 改装应注意的问题

（1）锅炉回水必须进入上锅筒。为保证循环的可靠性,在锅筒内设置隔板把锅水分成热区和冷区。锅炉的回水必须进入冷区,热水应从热区引出，使锅炉的回水管与热水引出管在锅筒内的连接位置有利于锅炉的水循环.所说的冷区是指下降管区,热区为上升管区。

（2）改装后的热水锅炉,必须效验锅炉水循环是否安全可靠。即按水的密度重力差所产生的自然循环流动压头, 能否克服管路阻力,并有足够的循环水量通过管子，以防个别管子过热，产生过冷沸态。并避免因循环速度过低，水中杂质沉积在管壁上，形成水垢。

（3）应尽量防止回水进入热水引出管，以保证下降管入口有最小的水温。 （4）对于装设省煤器的锅炉，为避免省煤器工质流动阻力过大，需将省煤器并联或加旁路管。

（5）在热水锅炉中不允许水发生汽化，否则在受热面中易产生水垢和水击，影响锅炉运行的安全性和经济性，为保证单相流体的水动力特性的稳定性，应控制好水的流速，减少流量偏差；保证受热面各平行管子受热均匀，尽量减少各受热面的热偏差，因此进入锅炉的系统回水要采取调节分配。

（6）为减少水在锅炉中的流动阻力，应拆除上锅筒内原有的一切分离设备，仅保

4

设计（论文）

留锅筒的排污系统，由于热水锅炉的进水量比蒸汽锅炉大很多倍，锅炉的进水管与回水管尺寸应符合要求，并加装配水管。

（7）改装后的热水锅炉应尽量减少水在锅炉内的停滞，尤其是锅筒的端部，否则易造成氧腐蚀。实际运行中，有真实事例显示，锅筒后管板出现裂纹或漏水现象。证实为，当锅炉烟管与管板焊接时，后管板多出现裂纹，当烟管与管板胀接时，多出现漏水现象。其原因之一就是水在锅筒内温度分层所致，因为冷水在下部，热水在上部，锅炉在后管板处受交变温度应力的影响，使之产生上述现象,因此一定要减少水的停滞区。

（8）进入锅筒的低温回水，不能立即与锅炉某些关键部件接触，以免产生热应力与变形，导致漏水。

（9）为能及时排除水中析出的气体，应在锅炉各回路的最高点设置排汽阀。

5

设计（论文）

2 热水锅炉的基本参数

2.1 热水锅炉供热系统参数

[5]

2.1.1 系统的循环水量计算

系统的循环水量的大小按下式计算:

GQ(kg/h) (2.1) ct式中Q ——系统（锅炉）的总供热量（KW）； t——平均供水温度与平均回水温度之差（℃）；

C——水的比热（KJ/(kgC)）,通常取C=4.1816KJ/(kgC)。

在实际的供热温度范围内,水的比热大于4.186KJ/(kgC),因此按上式所计算的流量稍大些,也就是给系统提供了2～3%的安全裕量。 2.1.1 最佳供\\回水温度的确定

在高温水供热系统中循环水量的大小,主要取决于供回水温差。对于区域性供热系统,管道及铺设费用占工程造价的比例约为40～60%。因此希望有较大的供回水温差,亦即要提高供水温度或降低回水温度,以减少流量缩小管径,减少管道的铺设费用。但供回水温差变大,对供热系统的要求比较高,必须综合考虑。

供水温度高有很多优点,它可以提供较大供回水温差,使管径减少,降低投资费用；当采用换热器时,由于供水温度高,增加了换热温差,使换热器面积减少;但供水温度高,要求锅炉及管道,散热器等要耐高压,并给系统的稳压带来困难,同时水温高易造成烫伤事故。

回水温度低则要求散热器性能好,或增大散热器面积,此外还要考虑锅炉尾部受热面的烟气腐蚀,尤其燃用高硫燃料时,更为突出。

综上所述,确定系统的供回水温度要综合考虑系统的承压能力、负荷的种类、系统的供热范围、用户的要求和系统规模的大小等因素。

本课题要求设计为SHL1200-13/130AⅡ型热水锅炉，其中1200为1200000大卡/小时，应等于1200000010004.2/3600=14MW。根据国家标准GB/T3166-2004热水锅炉参数系列，可选择合适的参数，如下表2.1所示。国家标准GB/T3166-2004热水锅炉参数系列见附录1。

[6]

6

设计（论文） 表2.1 热水锅炉参数系列 额定出水压力（表压力）/MPa 额定热功率/MW 0.25 0.7 1.0 1.25 1.0 1.25 1.25 额定出水温度/进水温度/℃ 115/70 130/70 △ △ △ △ △ 14  △ 我选用的供\\回水温度为130\\70℃。

2.2 热水锅炉的基础资料

2.2.1 锅炉参数

压力、温度、供热量是反映热水锅炉工作特性的物理量，是热水锅炉的基本的参数，一般容量0.7MW的热水锅炉相当于蒸发量1t/h的蒸汽锅炉的热功率，14MW的热水锅炉相当于蒸发量为20t/h的蒸汽锅炉的热功率。由于热水锅炉不产生蒸汽，而产生的热水的温度比蒸汽的温度低的多，所以热水锅炉的进水量比蒸汽锅炉大10～20倍。

额定供热量 Q 14WM 出水压力 P 1.3MPa 回水温度t h s 70℃ 出水温度 t c s 130℃ 排烟温度Vp y

180℃ 锅炉排污率P p w 5%

2.2.2 气象条件

邵阳市地处亚热带，属典型的中亚热带湿润季风气候。夏季盛吹偏南风，高温多雨，冬季盛吹偏北风，低温少雨；四季分明，光热充足，雨水充沛，且雨热同季，受地貌地势的影响，气候复杂并垂直变化和地区差异明显。全市年平均气温16.1～17.1℃，7月最热，月平均气温26.6～28.5℃；1月最冷，月平均气温4.7～5.6℃，本地最低大气压为100391Pa。

由于热水锅炉的应用方向，如供水，采暖，受季节影响较大，使热水锅炉具有间歇性。夏天基本上不使用热水锅炉，在气候中，除夏季外，其它三个季度平均气温为12.6～13.3℃，平均水温为18℃。

冷空气进来时，通过风机做功，必然要吸热，所以气温有所提高。同理，给水温度也有所提高。所以设定下列参数。

冷空气温度t l k 20℃ 补给水温度t b s 20℃

7

设计（论文）

2.2.3 燃料

[7]

本锅炉的设计燃料为：AⅡ，Ⅱ类烟煤。

Car = 46.55% , Har = 3.06% , Oar = 6.11% , Nar = 0.86% , Sar = 1.94% , Aar =

32.48% , War = 9% , Vdaf= 38.50% ；Qar,net,p= 18840kJ/kg 。 应用成分 ％ Car 46.55 Har 3.06 Oar 6.11 Sar 1.94 Nar 0.86 Aar 32.48 War 9 可燃基挥发份Vdaf=38.50% 应用基低位发热量18840kJ/kg

8

设计（论文）

3 热水锅炉结构设计计算

锅炉的结构，是根据所给定的蒸发量或热功率、工作压力、蒸汽温度或额定进出口水温，以及燃料特性和燃烧方式等参数，并遵循《蒸汽锅炉安全技术监察规程》、《热水锅炉安全技术监察规程》及锅炉受压元件强度计算标准等有关规定确定的。一台合格的锅炉，不论属于那种形式，都应满足“安全运行，高效低耗，消烟除尘，保产保暖”的基本要求。

[8]

3.1 炉膛的尺寸初步计算

在设计、改装锅炉时，为了较快的判断预先布置的锅炉结构形式和尺寸是否合理，可采用简易估算法。在简易估算法中，没有考虑煤种和锅炉结构等因素的影响，只能提供一些数值范围。以下是根据一些参考资料查到的估算表。

[9]

表3.1 炉膛容积估算 燃烧设备 蒸汽锅炉每1t/h蒸发量需炉膛容积（m） 表3.2 链条炉炉膛特性

炉排面积 炉排燃烧率 热强度 (KW/ m) Ⅱ类烟煤 700～1500 100～200 23手烧炉 抛煤机炉 链条炉 往复炉 振动炉 3～4 3.5～4.5 3～4 3～4 3～4 炉膛容积 炉排有效长热强度 (KW/ m) 235～350 3．6～8．2 <5 3炉排有效宽度（m） （kg/mh) 2 度（m） 设计炉膛时，首先应保证具有足够的容积，使燃料能迅速着火并燃烧的比较完全，同时又要保证能长期可靠地运行，炉膛结构还应紧凑，便于制造、安装、检修、和运行，炉膛长度、宽度，应于炉排尺寸相配合。当锅炉运行工况改变时，对炉膛容积应重新进行校核计算。

3.2 燃烧设备的设计

3.2.1 炉排的设计

[9]

第一台链条炉出现在1840年，至今已有一百多年的历史。由于技术不断更新，使链条炉排不断改进，链条炉排运行可靠，燃烧稳定，燃料适应性广，广泛使用于锅

9

设计（论文）

炉中。

炉排由链轮带动链条，使炉排片缓慢行进。煤从炉排前端的煤斗均匀下落在炉排上。煤层的厚度用一煤闸门上下起落加以调节。随着炉排向后移动，煤由着火、燃烧直至烧尽，最后被抛入炉排后面的灰渣斗中。也有不用煤斗给煤而用抛煤机把煤抛在炉排后部而炉排向前移动的。炉排的速度依煤种和锅炉负荷的不同由齿轮变速器加以调节。

采用简易估算法估算炉排面积，估算值见表3.3。

[2]

表3.3 炉排面积估算

手烧炉 燃烧设备 自然通风 蒸汽锅炉每1t/h蒸1.8～ 发量所需2.2 炉排面积（m） 2抛煤机炉 机械通风 链条炉 往复炉 振动炉 1.5～ 1.8 0.9～ 1.25 1.2～ 1.6 1.3～ 1.7 1.1～ 1.3 为了保证链条炉排安全、经济运行，无论哪一种型式的链条炉排，都必须有以下辅助部件。

（1）炉排的可调张紧装置。炉排的可调张紧装置，一般是炉排前轴的轴承做成可移动的，用丝杆调节前后移动。调整螺钉的结构。它的主要作用是调整炉排的松紧程度和炉排前、后轴的平行度。为了不使炉排在运行时拱起，炉排必须有一定的张紧度；炉排因安装或运行时受各种因素的影响，炉排跑偏时，进行炉排前、后轴的调整，保证炉排安全稳定运行。

（2）挡渣装置。挡渣装置的主要作用有两个：一是为了不使炉渣落入后轴处翻开着的炉排片之间和延长炉渣在炉排上的逗留时间，便于炉渣燃尽，即挡渣作用；二是为了防止锅炉尾部渣井处的漏风，提高锅炉的热效率。链条炉排上常用挡渣装置有两种：①老鹰铁。它位于链条炉排末端即将转弯处，形如鹰嘴，铸铁制成，因而得名。它具有上述的第一个作用，但不能阻止尾部漏风，因此其热效率较差。由于它结构简单，制造方便，又不易出故障，故得到了广泛的应用。②挡渣摆。 挡渣摆安装于链条炉排尾部上方，它具有上述挡渣装置两个作用。因此能提高锅炉效率。但其缺点是结构比较复杂，使用不当时，炉排后部容易结渣并常常被烧坏，平时维修工作量大。因此，它的应用不如老鹰铁广泛。

10

设计（论文）

（3）侧密封装置。为保证链条炉排灵活移动，炉排与两侧静止框架(墙板)之间必须留有一定的间隙，以免相互摩擦，阻碍炉排运行。但间隙不可太大、尽量避免空气漏入炉膛．恶化炉内燃烧、降低锅炉热效率。因此，必须采用可靠的侧密封装置，尽量减少漏风。炉排的侧密封装置，其具体结构可能稍有不同，其型式各样，如灰封式侧密封，迷宫式侧密封等，其原理都是尽量避免漏风而又不妨碍炉排运行。 （4）防焦箱。防焦箱位于炉排两侧，它的内部通以冷却水，是水冷壁管的下联箱，是锅炉循环系统的一部分。其防焦的作用是保护炉墙，使之不受高温的磨损和侵蚀．同时还可以避免紧贴火床的侧墙部位粘结渣瘤，保证炉内正常燃烧和炉排正常运转。

锅炉中采用的链条炉排型式有链带式，横梁式和鳞片式三种。链带式炉排适用于10t／h以下的锅炉应用，鳞片式炉排一般适用于10t／h以上的锅炉，横梁式炉排适用于容量较大的锅炉。根据设计要要求，我选用鳞片式炉排。鳞片式炉排见图3.1。

图3.1 链带式炉排

1-煤斗；2-链轮；3-风室；4-老鹰铁

鳞片式炉排是用套管或滚筒将鳞片状的炉排片串联成带以组成炉排面的链条炉排。

鳞片式炉排与链带式炉排在运行中相比具有如下特点：

（1）受热和力分开。鳞片式炉排的炉排片直接受炉膛热的作用而不受拉力，链条只承受运行阻力而不直接受热的作用。

（2）送风方式不同。鳞片式炉排的鼓风是在炉外分流后分别从各自风道进入风室，各风室互不窜风，调节方便。

11

设计（论文）

（3）炉排的拉紧程度不同。鳞片式炉排拉的较松，下部炉排呈下垂状态。而链带式炉排拉的较紧，下炉排呈直线状态。

（4）受力状况不同。链带式炉排在运行中靠前轴驱动，主动链所受的拉力在与链轮刚进入啮合处最大，与链轮脱离啮合处最小。鳞片式炉排在运行中前轴只把下炉排带上，上炉排的运动主要靠下炉排的下垂直重力来拖动。 3.2.2 分段送风

为了适应链条炉排燃烧各区段需要不同风量的特点，在炉排下面隔成几个风室进行分段送风，每个风室之间应严密不漏，以防短路而失去调节作用。为使整个炉排宽度的风量分布均匀，宜采用双侧进风。

每个风室的风量，均用单独的挡风板分别调节。各挡风板的开度，需根据不同煤种的特性，经过反复运行试验，找出使煤燃烧最佳的开启位置。当煤种变化时，还需要重新调整，以达到最经济的运行效果。一台锅炉最多采用5～6个风室，送风分段越多，风量越容易符合燃烧需要，但分段过多，将使结构复杂，总的经济效果并不理想。

3.2.3 炉拱的设计

[9] [10]

链条炉的炉膛都设有炉拱，由燃烧过程中可知，即使采用分区送风，炉膛上部各部分的烟气成分仍是不均匀的。炉排两端存在着过量空气，而中部则不可避免要出现还原区，产生大量可燃气体。这些可燃气体应当在炉膛中充分燃烧。设置炉拱的主要作用是储蓄热量，调整燃烧中心，提高炉膛温度，加速新煤着火。其次是延长烟气流程，促进燃料充分燃烧。

炉拱有前拱、中拱和后拱三种。其中经常使用的是前拱和后拱。

(1) 前拱。前拱位于炉排上方的前炉墙下部，一般由引燃拱(又称点火拱)和混合拱(大拱)两部分组成。引燃拱的位置较低，靠近煤闸板，一般距炉排面约 200～400mm，主要作用是吸收高温烟气中的热量，再反射到炉排前部，加速新煤的着火燃烧。混合拱的位置较高，主要作用是促进烟气和空气良好混合，延长烟气流程，使其充分燃烧。 （2)后拱。后拱位于炉排上方的后炉墙下部。后拱的作用，是将燃尽区的高温烟气和过剩的空气引导到炉膛中部和前部，以延长烟气流程，保证主燃烧区所需要的热量，以及促进新煤引燃，同时提高炉排后部温度，使灰渣中的固定炭燃尽。

采用简易估算法估算炉拱尺寸，估算值见表3.4。

12

设计（论文）

表3.4 链条炉炉拱估算尺寸

名称 烟煤 前拱高度(m) 前拱长度(m) 后拱高度(m) 后拱长度(m) D<15t/h 1～2 0．25L 0．7～0．9 0．25L～0．5L 注：L——炉排有效长度(m)

3.3 受热面的设计

3.3.1 水冷壁

一般由放置于炉膛四周贴炉墙布置的并联钢管组成的蒸发受热面，称为水冷壁。 水冷壁的主要作用有：

[10]

(1)吸收燃料在炉膛燃烧时放出的辐射热，使水冷壁中的炉水得到加热，将其中的一部分蒸发为饱和水蒸气，在水冷壁中形成汽水混合物。

(2)由于水冷壁是贴墙布置的，因此，可保护炉墙免受高温烟气烧坏。 (3)辐射换热效率高，可节省大量蒸发受热面金属。

(4)可降低炉膛和炉膛出口烟气温度，对防止炉膛及其出口以后受热面结渣有利。 水冷壁一般由多组紧贴燃烧室炉墙四周与地面垂直的钢管组成。管子上下端分别与上下联箱连接。下联箱与汽包水侧之间有不受热的降水管连通，以便汽包中的炉水流入水冷壁。水冷壁中的汽水混合物流入上联箱后，经上升管进入汽包。水冷壁可分为光管式、膜式和销钉式三种。在这我选用的是光管式水冷壁。

在蒸汽锅炉改为热水锅炉的循环回路中，由于采用联接管与锅筒联接，使上升管的流动阻力增大，经计算联接管的阻力损失占为整个回路的压降的30%多，降低了回路的循环速度，因此应尽可能使水直接引入锅筒。

由于在炉膛中配置了前、后拱，为了使炉拱的砌筑方便，通常设有前、后拱管结构，在拱管上铺设耐火材料。 3.3.2 对流管束

以对流方式进行热交换的管群称为对流管束。对于低压水管锅炉，对流管束主要是加热受热面。在双锅筒锅炉中，对流管束的管子和上、下锅筒相连。 3.3.3 省煤器

省煤器就是锅炉尾部烟道中将锅炉给水加热的受热面，由于它吸收的是比较低温的烟气，降低了烟气的排烟温度，节省了能源，提高了效率，所以称之为省煤器

13

设计（论文）

水在省煤器中为强制流动，热水锅炉的水流量较大，为减少其流动阻力，多采用并联结构。通常使用铸铁省煤器，由单根铸铁肋片管用铸铁弯头联接组合而成，耐腐蚀。采用省煤器的锅炉运行时必须连续给水，不能间歇给水。

省煤器内工质的流速选取0.3～1.0 m/s为宜，过低时析出的气体不能带出，过高则流动阻力增大。 3.3.4空气预热器

空气预热器简称空预器。它的任务在于把冷空气预热成一定温度的热空气，再送入炉内供燃料燃烧。它与省煤器一样，也是一种能有效降低排烟温度和提高锅炉效率的辅助受热面。

空气预热器还有它的独特作用。其一是当锅炉房有相当数量的回水或采用热力除氧时，因给水温度较高而使省煤器作用受到限制；此时设置空气预热器，因进风温度通常是锅炉房的冷空气温度，就可以有效地把排烟温度降下来。其二是预热空气可以提高炉温，改善燃料的着火和燃烧过程，从而使燃烧效率和传热效果都进一步得以提高。这对燃烧难易着火的燃料，如多水分，多灰分以及低挥发分等一类燃料意义更为重大。

空气预热器的管子数及管距取决于烟气流速。一般情况，烟气在10～14m/s，空气流速为5～7 m/s。烟速过低，不利传热，也易导致烟灰沉积；烟速过高，流动阻力增大，使通风设备电耗增加。为了使烟气对管壁放热系数接近于管壁到空气的放热系数，以获得空预器最高的传热系数，设计时烟气流速应尽可能调整到空气流速的两倍左右。

3.3.4 受热面的配置 （1）炉膛出口烟气温度

炉膛出口是炉膛与对流烟道的分界处，也是辐射受热面与对流受热面的分界处。据计算，温度在1200～1300℃以上时，辐射受热面的热流密度高于对流受热面的热流密度，而在1000～1100℃时，两者的热流密度相接近。考虑到辐射受热面面积的计算方法和对流受热面面积的不同，从节约受热面面积的角度看，炉膛出口烟气温度高一点好。如果炉膛出口烟气温度降到900℃以下，既浪费燃料，又浪费钢材。因些，将炉膛出口烟气温度定的过低是不经济的。但为了避免融熔灰渣在受热面上结渣，炉膛出口烟气温度应低与灰的变形温度，一般情况下，对于链条炉，要求出口温度在900～1100℃的范围内。

14

设计（论文）

（2）排烟温度

排烟温度直接决定排烟热损失，对锅炉的效率有很大的影响。排烟温度并不是越低越好，由于烟温的降低，传热的温差就要减少，传同样多的热量所需的受热面积就要增多，金属耗量增大，同时，烟气流通阻力也增大，风机耗电也多。所以，排烟温度应取决于技术经济分析，取决于合理的传热温差。通常设计的的工业锅炉其排烟温度取为160～200℃。

15

设计（论文）

4 热水锅炉的热力计算

[11][12]

水作为热水锅炉的工质，从水进入锅炉到出锅炉成为热水，其在锅炉中吸取的热量，主要是在省煤器、锅炉管束、炉膛水冷壁中吸取。

4.1 燃烧计算

4.1.1 锅炉受热面的过量空气系数及漏风系数

过量空气系数、漏风系数见表4.1。

表4.1 锅炉受热面的过量空气系数及漏风系数

入口过量空气系数 序号 1 2 3 4 锅炉受热面 炉膛 锅炉管束 省煤器 空气预热器 漏风系数 出口过量空气系数 a' 1．40 1．55 1．65 1. 75 a 0．10 0．10 0．10 0. 10 a'' 1.50 1.65 1.75 1.85 4.1.2 理论空气量、理论烟气量的计算

理论空气量、理论烟气容积的计算见表4.2。

表4.2 理论空气量、理论烟气量的计算

序号 名称 理论空气1 量 三原子气2 体容积 理论氮气3 容积 理论水蒸4 气容积 符号 单位 计算公式 结果 Vk0 m3N/kg 0.0889(Cy0.375Sy)0.265H0.333Oyy 4.810 VRO2 V0N2 m3N/kg 0.01866(Cy0.375Sy)0.01866(560.375*1)Ny0.79Vk0.8* 1000.79*5.5390.08*10 0.882 m3N/kg 4.488 V0H2O m3N/kg 0.111Hy0.0124Wy0..161V0k 0.529

16

设计（论文）

4.1.3 各受热面烟道中烟气特性表

表4.3 各受热面烟道中烟气特性

名称 平均过量空气系数 实际水蒸汽容积 烟气总容积 RO 2容积份额 H 2 O容积份额 三原子气体总份额 符号 单位 计算公式 锅炉 炉膛 管束 省煤器 热器 1.70 1.80 空气预apj a'ay 2V0H2O0.0161(apj1)V0k1.50 1.60 VH2O m3N/kg 0.568 0.576 0.583 0.591 Vy m3N/kg VRO2V0N2VH2O(apj1)V0k 8.343 8.832 9.320 9.809 rRO2 rH2O rq VRO2/Vy VH2O/Vy 0.106 0.099 0.095 0.090 0.0681 0.0652 0.0626 0.0603 rRO2rH2O 0.1741 0.1642 0.1576 0.1503

17

设计（论文）

18

设计（论文）

4.2 锅炉热平衡及燃料消耗量计算

[13]

锅炉热平衡及燃料消耗量计算见表4.5

表4.5 锅炉热平衡及燃料消耗量计算

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 名 称 燃料地位发热值 冷空气温度 冷空气理论热焓 排烟温度 设计给定 固体不完全燃烧热损失 气体不完全燃烧热损失 排烟热损失 符 号 单 位 kJ/kg ℃ kJ/kg kJ/kg kJ/kg % % % 计 算 公 式 或 依 据 给定 设计给定 数 值 18840 20 128 180 2354 10 1 10.11 Qar,net,p tlk 0Hlk Vlk0(ct)lk 设计给定 根据py1.75查烟气温焓(表5) 按教材表4-2选取 按教材表4-2选取 0IpypyIlkpy Hpy q4 q3 q2 Qar,net,p9 10 11 12 散热损失 灰渣漏煤比 灰渣的焓 灰渣物理热损失 (100q4) q5 % kJ/kg % 查教材表3-4 按教材表4-2取用 2.0 0.8 560 0.67 hzlm (ct)hz q6 thz100℃查教材表2-10 hzlm(ct)hzAarQar,net,p 13 14 15 16 17 18 19 20

锅炉总热效率 锅炉热效率 给水焓 锅炉排污率 锅炉有效利用热 燃料消耗量 计算燃料消耗量 保热系数 q % % kJ/kg % kJ/h kg/h kg/h 19

q2+q3+q4+q5+q6 100-q 按tgs100℃查水蒸气性质表 取 值 De103(igqigs)PpwDe103(ipwigs) Qgl100 23.78 76.22 419 5 47541100 3310 2979 0.974  igs Ppw Qgl B Qar,net,pB(1Bj q4 )100 1q5q5 设计（论文）

4.3 锅炉炉膛热力计算

[14]

4.3.1 炉膛结构特性

（1）标高计算见图4.1

图4.1 炉膛结构各点标高示意图

（2）炉膛包覆面积见图4.1 侧墙

A=2580×2631=6787980=6.788m2

B=（2422.5+2580）×158×0.5=395198=0.3952m2 C=（2322+2631）×0.5×1152=2852928=2.853m2 D=1221×2322=2815362=2.815m2

E=[438+（1221+164+158）] ×0.5×638=631939=0.632m2 F=300×300=90000=0.09m2

G=（1140+600）×0.5×3795=3301650=3.302m2

Fcq=6.788+0.3952+2.853+12.815+0.632+0.09+3.302=16.875m2

后墙 600mm=0.6m

AB=37952(1140600)2=3833=3.833m，见图4.2 B'C=309/sin15=1194=01.194m

20

设计（论文）

B'B=1221-1152=69=0.069m CD=2580=2.58m

Fhq=(0.6+3.833+1.194+0.069+2.58) ×2.4=24.83m2

图4.2 炉膛部分结构示意图

前、顶墙

438-300=138=0.0138m

HI=638/cos60o=1.276m，见图4.3 FG=158/cos45o=0.2235m

GH=1152-164-158=0.83m

EF=2580-158=2.242m ED=158+2631=2.789m

Fqq=（0.0138+1.276+0.2235+0.83+2.242+2.789）×3=22.12m2

炉壁总面积

Fbz=2×16.875+25+22=80.75m2

(3)炉排有效面积

3795+2322+638=6755=6.755m R=6.755×2=20.27m2

21

设计（论文）

图4.3 炉膛部分结构示意图

(4)炉膛容积

Foq×2.72=16.875×3.0=50.625m2

(5)炉膛有效辐射受热面 前顶

DE+EF=2631+158+2423=5.212m（曝光）

（1275+831+224+2423+2789）-5211=2.331m（覆盖耐火涂料层） S=205，d=51，e=25.5，n=23（根），S/d=8.9，e/d=0.5 查线算图 x10.2,x21

1=（23-1）×0.205×5.212×0.2=4.70m2 Hq2=（23-1）×0.205×2.331×1=10.51m2 Hq10.6,20.2

∴ Hq=0.6×4.7+0.2×10.51=4.922m2 后墙

DC+CB+BB'=2580+1194+81=3.855m AB=3.833m

S=205，d=51，e=25.5，n=23（根），S/d=8.9，e/d=0.5 查线算图 x10.2,x21

22

设计（论文）

1∴Hh=（23-1）×0.205×5.212×0.2=4.700m2 2Hh=（23-1）×0.205×3.833×1=5.56m2

10.6,20.2

Hh=0.6×4.70+0.2×17.29=6.278m2

图4.4 前、顶墙示意图

侧墙水冷壁

①=2631×2580=6787980=6.7888m2

②=（2423+2580）×158×0.5=395237=0.395m2 ③=（2322+2631）×0.5×152=2852928=2.853m2 ④=2332×1221=2835162=2.835m2

由S=165，d=51，e=65，S/d=3.24，e/d=65/51=1.275 得x1=0.68，x2=1

1∴Ho=（6.788+0.395+2.853）×0.68=6.44m2

Ho2=2.835×1=2.835m2

10.6,20.2

Ho=0.6×6.44+0.2×2.835=4.55m2

23

设计（论文）

2=24.414m2 H=10.51+4.804+4.55×(6)炉膛平均热有效系数

1=H/Fb3=24.414/80.75=0.302 (7)炉膛有效辐射层厚度

S3.6Vl/Fl=3.6×50.65/（80.75+20.27）=1.80m

(8)燃烧面与炉墙面积之比

R/Fbz=20.27/80.75=0.251

24

设计（论文）

4.3.2 炉膛的热力计算

表4.6 炉膛的热力计算

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 名称 燃料低位发热值 燃料消耗量 计算燃料消耗量 保热系数 炉膛出口过量空气系数 炉膛漏风系数 冷空气焓 空气带入炉内热量 炉膛有效放热量 理论燃烧温度 理论燃烧绝对温度 炉膛出口烟温 炉膛出口烟焓 炉膛出口绝对温度 烟气平均热容量 三原子气体的容积份额 三原子气体总分压力 炉膛有效辐射层厚度 三原子气体辐射力 三原子气体辐射减弱系数 烟气密度 烟气灰粒平均直径 符号 y Qdw单位 kJ/kg 算式或依据 燃料特性 结果 18840 0.919 0.83 0.974 1.50 0.10 128 12.8 18503 1422 1695 1000 12554 1273 14.09 0.1741 0.01741 2.835 0.0495 1.08 1.30 20 B' kg/s B/3600 Bj/3600 锅炉热平衡计算 设计给定 见表4.1 设计给定 见表4.1 设计给定 o△lIlk=0.10×128 yQdwB'j  kg/s kJ/kg kJ/kg kJ/kg l\" △l oIlk Qk Ql C100q3q4q6Qk100q41001100.671884012.810010l1 Tl1 l\"=1.5查温度焓表 k Cl1+273 先设定,后校核 l\" Il\" Tl\" rq kJ/kg l\"=1.5查温度焓表 l\"+273 QQ\"/TT\" lllll烟气特性表rRO2+rH2O k (VC)pj kJ/kg℃ pq MPa rqP=0.1741×0.1 炉膛结构 S m PqS kqrq MPam 1/MPam PqS=0.01741×1.26 取定值 取定值 y dh kg/m3N m

25

设计（论文）

续表4.6 序号 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 名称 每公斤燃料烟气的重量 烟气中灰粒无因次浓度 灰粒的减弱系数 焦灰粒的减弱系数 无因次数 无因次数 气体介质吸引力 火焰黑度 炉膛黑度 系数 炉膛出口的烟气温度 炉膛出口烟焓 炉膛辐射放热量 燃烧面热强度 燃烧室热强度 辐射受热面强度 符号 单位 计算公式或依据 数值 10.10 0.0064 68.21 10 1 0.03 0.515 0.403 0.803 0.52 1000 15230 3188 854 342 50.36 Gy kg/kg 1/MPam 1/MPam 1(Ay/100)1.306\"Vko h Ayfh/100Gy 2 43000y/3Tl\"2dhkh kc x1 x2 kpS 对于烟煤取值 对于层燃取值 C(kqrqkhhkcx1x2)PS hy 1ekps ahy(1ahy)p 1(1ahy)(1l)(1p)0.59-0.5Xm 1 M l\" kJ/kg kJ/kg Il\" Qf l\"=1.5查温度焓表 (QlIl\")0.98(1850315230)yB'Qdw/Vl qR yKW/m2 B'Qdw/R0.318840/20.27 qV KW/m2 0.91918840/50.625 qf KW/m2 B'jQf/Hf0.9193181/51.874.4 锅炉管束热力计算

4.4.1 锅炉管束结构特性 锅炉管束的结构计算 左下角耐火材料覆盖面积

DG管段的长度JHGHtg35otg35o1694tg35o1308mm

26

设计（论文）

JI2457mm HIJIJH245710381419mm

DGDFGF(HI)287014191451mm

AD管段的长度计算示于表4.7 耐火材料覆盖面积

l1AD21AD20AD19AD184DG

2.8572.7732.6952.61441.4515.315m

H1dl1n13.140.0515.3152419.7m2

表4.7AD管段长度计算

管段名称 水平夹角 弯管半径R BC OF OE BE(EC) OA AB EF ⊿DD CD AD 计算公式或依据 结构特性 结构特性 90o2R o360管 子 编 号 21 20 19 18 28o15 37o45 47o45 56o45 300 323 970 1099 179 557 363 520 0 2171 2857 300 273 920 1044 147 557 340 494 69 2160 2773 300 224 887 1006 117 557 332 476 138 2139 2695 300 171 866 982 90 557 335 465 207 2108 2614 结构特性 OF/cos 1Rtg(90) 2结构特性 OE-OA-BE OFtg (n1)120/tg60o 2050-EF-EC-⊿DD AB+BC+CD 烟隔板遮挡面积

0.096/cos30o160.096/cos30o2.069m l2n2H2dl2n13.140.0512.069247.98m 对流管束受热面面积

ll8l9l10l11l12l13l14l15l16l17l18l19l20l21

16(11161114)/1000

6.5206.0075.585.2184.9164.6644.4644.2194.174 4.1744.2194.3094.4424.6624.8535.136160.052

27

设计（论文）

89.68m

Hdln2H1H23.140.05189.682419.77.98 316.98m2 烟气流通截面积

FDGDG(3.310.05124)1.4512.0863.03m2

FKLKL(3.310.05124)1.2262.0862.56m2 FMN1.153.313.140.0512/46.5243.35m2 FSRSR(3.310.05124)2.0722.0864.32m2

FST(1.4640.040)3.313.140.0512/48243.52m2

FQP(OPOQ0.08)(3.310.05124)2.33m2 烟气的平均流通截面积

F(FDGFKLFMNFSRFSTFQP)/6=3.19m2

管间有效辐射层厚度

S0.9d(4S1S2/d21)0.90.051(40.140.14/0.05121)0.395m

比值 12S1/d0.14/0.0512.75

图4.5 锅炉管束结构简图

28

设计（论文）

4.4.2 锅炉管束热力计算

表4.8 锅炉管束热力计算

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 名称 进口烟温 进口烟焓 出口烟温 出口烟焓 烟气侧放热量 工质温度 Qrp t KJ/㎏ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ m/s Ψ（I′－I＋△αIolk） P=1.3MPa θ′－t＝1000-192 θ－t′＝500-192 （Δtmax－Δtmin）/(ln(Δtmax /Δtmin)) （θ′＋θ）/2 ｗ＝B′jVy（θpj＋273）÷F÷273 查烟气特性表4.3 308 518 355 5.029 5967 7299 192 808 208 442 317 4.97 108 348 270 4.57 8581 符号 θ′ I′ θ I 单位 ℃ KJ/㎏ ℃ KJ/㎏ 计算公式或依据 炉膛出口烟温 a′＝1.55 先假设，后校核 a＝1.65查温焓表 500 6415 数值 1000 12554 400 5072 300 3757 最大温压 Δtmax 最小温压 平均温压 平均烟温 烟气流速 水蒸汽容Δtmin Δtpj θpj W 12 rH 2O积份额 三原子气 0.0652 13 体容积份额 条件对流rq 查烟气特性表4.3 0.1642 14 放热系数 a0hx KW/m2℃ 0.0456 0.0446 1 1 0.0422 Cs 15 修正系数 122.35 Z2>10 0.940 Cz Cw

0.950 0.960 29

设计（论文）

续表4.8 序号 16 系数 管壁积灰17 温度 辐射放热18 系数 19 20 体分压力 三原子气21 体辐射力 三原子气22 体辐射减弱系数 气体介质23 吸收力 24 25 系数 26 27 放热系数 28 29 30 有效系数 传热系数 传热量 利用系数 烟气管壁烟气黑度 辐射放热kps KW/m2℃ KW/m2℃ KJ/㎏ Pqs 修正系数 三原子气Pq MPa Prq=0.10.1642 0.01642 tb ℃ t+60=192+60 252 名称 对流放热符号 单位 KW/m2℃ 计算公式或依据 数值 0.0429 0.0424 0.0405 a0hx csczcwa0hx a0 ℃ 0．0785 0．975 0．0702 0．965 0．0624 0．960 Cy MPam0.016420.395 0.00649 kqrq 1MPam 4.25 4.33 4.22 kqrqps 1ekps 0.168 0.154 11.79 0.171 0.157 10.64 0.175 0.160 9.98 a aj  a1 aCya0 103 103 1 103 （a0hx+aj） 取用 0.055 0.053 0.6 0.051  K Qcr a1 KtH B'j30

0.033 5419 0.032 4483 0.031 3420

设计（论文）

续表4.8 序号 31 32 33 量 34 35 36 37 38 最大温压 Δtmax 最小温压 平均温压 平均烟温 烟气流速 Δtmin Δtpj θpj Whx ℃ ℃ ℃ /(ln(Δtmax /Δtmin)) ℃ m/s KW/39 传热系数 K ㎡·℃ （t＋Δt）/2 654 7.80 名称 出口烟温 出口烟焓 管束吸热Qgs KJ/㎏ 符号 单位 ℃ KJ/㎏ 计算公式或依据 作图法，图4.6 a＝1.65查温焓表 0(IIaIlk) 数值 425 5408 6976 808 233 462  I θ′－t＝1000-192 θ－t′＝425-192 （Δtmax－Δtmin）BjVy(pj273) Fpj273BjQ0a/Ht 0.0395

kj/kg

图4.6 锅炉管束出口烟温计算图

31

设计（论文）

4.5 省煤器的热力计算

4.5.1 省煤器的结构计算

（1）方型铸铁省煤器规格每根管子：长度L＝2.4m宽度B＝0.18 m

受热面面积Hsm＝6.49㎡ 烟气流通截面Fsm＝0.17㎡ （2）横向排数Z1＝8，纵向排数Z2＝4 （3）烟气流通截面F＝Z1Fsm＝8×0.17＝1.38㎡ （4）省煤器受热面面积

H＝Z1Z2Hsm＝8×4×6.49＝207.7㎡ （5）水的流通截面积

f＝2×π÷4dn2＝2×3.14÷4×0.062＝0.00565㎡ （6）水的流量 根据公式2.1计算，

G

Q(kg/h)= 106000kg/h(4.1) ct4.7省煤器结构示意图

32

设计（论文）

4.5.2 省煤器的热力计算

表4.9省煤器的热力计算

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 名称 进口烟温 进口烟焓 出口烟温 出口烟焓 烟气侧放热量 进口水温 进口水焓 出口水焓 出口水温 平均烟温 烟气流速 条件传热12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 系数 修正系数 传热系数 最大温压 最小温压 平均温压 传热量 出口烟温 出口烟焓 省煤器吸热量 Qsm KJ/㎏ K0 cθ K Δtmax Δtmin Δtpj Qcr θ IQ Qrp t′ i′ i t θpj W KJ/㎏ ℃ KJ/㎏ KJ/㎏ ℃ ℃ m/s KW/㎡·℃ KW/㎡·℃ ℃ ℃ ℃ KJ/㎏ ℃ KJ/㎏ 查线算图 K0 cθ＝0.0244×0.995 θ′－t＝425-126 θ－t′＝300-30 （Δtmax－Δtmin）/(ln(Δtmax/Δtmin)) KΔtpjH÷B′j 作图法 图4.8 a＝1.75查温焓表4.4 0(IIaIlk) 符号 θ′ I′ θ I 单位 ℃ KJ/㎏ ℃ KJ/㎏ 计算公式或依据 锅炉管束出口烟温 a′＝1.65 先假设，后校核 a＝1.75查温焓表 0(IIaIlk) 数值 425 5408 300 3951 1431 200 2602 2746 30 126 532 126 363 13.05 905 212 313 12.03 1295 291 263 11.59 100 1289 4119 查表 iQrpBj (1Ppw)D近似值 （θ′＋θ）/2 BjVy(pj273) F273查线算图 0.0224 0.995 0.0233 299 270 284 1580 0.0213 1.000 0.0214 213 170 191 1020 300 3951 1433 0.0201 1.010 0.0202 134 70 108 544 33

设计（论文）

续表4.9 序号 22 23 24 25 26 27 名称 出口水焓 出口水温 省煤器中的水速 最大温压 最小温压 平均温压 W Δtmax Δtmin Δtpj m/s ℃ ℃ ℃ 符号 i t 单位 KJ/㎏ ℃ 计算公式或依据 数值 533 127 0.52 298 270 284 iQrpBj (1Ppw)D （1＋Ppw）D÷3600÷1000f θ′－t＝425-127 θ－t′＝300-30 （Δtmax－Δtmin）/(ln(Δtmax /Δtmin)) （θ′＋θ）/2＝28 平均烟温 θpj ℃ (425+300)/2 363 29 烟气流速 whx m/s KW/㎡·℃ BjVy(pj273) F273B′j Qsm /Δtpj H＝0.83×1433/207.7×284 13.05 30 传热系数 K 0.0202

kj/kg

图4.8 省煤器出口烟温计算图

34

设计（论文）

4.6空气预热器的热力计算

1.空气预热器的结构计算（图4.6） （1）结构特性

管子直径 d0.04m 管子长度 l3.0m 横向节距 S10.08m 纵向节距 S20.04m 管子根数23×13+22×13=585

图4.9 空气预热器结构简图

（2）受热面面积

Hndl5850.03853.0212.2m2 （3）烟气流通截面面积 Fn4d258540.04821.058m2

（4）空气流通截面面积

l f(adn)1.5(1.0840.0413)0.846m2

2（5）比值 1S1/d80/402,2S2/d40/401 2.空气预热器热力计算（表4.10）

表4.10空气预热器热力计算

序号 1 2 3 4

名 符 号 称 进口烟温 进口烟焓 出口烟温 出口烟焓 单 位 计算公式或依据 数 据  H ℃ kJ/kg ℃ kJ/kg 省煤器出口烟温 300 3951 180 170 2317 160 2179 1.75 先假定，后校验 2454 1.85查温焓表（表5）35

 H 设计（论文）

续表 4.10 序号 5 名 符 称 平均空气量与理论空气量之比 6 热空气出口焓 0Hrk 单 位 计算公式或依据 数 据 号  llky/2 1.45 kJ/kg ky0HH()Hlk2 ky2查温焓表（表 5） 1178 1273 1369 7 热空气出口温度 trk ℃ 184 199 214 8 烟气放热量 Qrp kJ/kg (HHky00HrkHlk 21523 1662 1821 9 10 平均烟温 烟气流速 pj w ℃ m/s ()/2 BjVy(pj273)F273 240 11.09 235 10.98 230 10.87 11 水蒸汽容积份额 rH2O rq 0.0603 12 三原子气体容积份额 0.1503 13 烟气纵向冲刷放热系数 0zx 0.0376 0.0374 0.0369 14 修正系数 cl cw l/d 查图7-14 1.098 1 1.095 1.092 15 烟气侧对流放热系数 1 kW/m2oC 0zxclcw 0.0413 0.0409 0.0403 36

设计（论文）

续表4.10 序号 16 17 平均空气温度 空气流速 名 称 符 号 单 位 计算公式或依据 数 据 tpj ℃ m/s (trktlk)/2 102 9.399 109 9.576 117 9.775 whx BjVk0(tpj273)f27318 空气横向冲刷错列管束放热系数 0hx cc cs kW/m2oC 查教材线算图7-12 0.0838 0.0846 0.0858 19 修正系数 z110查图7-12 1.0 1.2 11,22查图7-12 查图7-12 cw 20 空气侧对流反放热系数 21 22 利用系数 传热系数 1.0 0.1006 0.1015 0.1030 2 kW/m2oC 0hxcccscw  K 0.70 0.0205 0.0204 0.0203 kW/m2oC 12 12tlk trk 23 24 25 26 最大温差 最小温差 逆流平均温压 计算参数 tmax ℃ ℃ ℃ ℃ kJ/kg ℃ kJ/kg ℃ m/s 160 116 138 150 101 126 140 96 118 tmin tnl P R (tmaxtmin)/2 ()/(tlk) (trktlk)/() 查教材线算图 0.4286 0.4643 0.4999 1.367 0.964 133 697 1.377 0.932 117 613 186 2454 243 1.386 0.916 108 561 27 28 29 30 31 32 33 系数 平均温压 传热量 出口烟温 出口烟焓 平均烟温 烟气流速 t t Qcr ttnl KHt/Bj 作 图 法  H 1.85 ()/2 BjVy(pj273)F273 pj w 14.55 37

设计（论文）

续表4.10 序号 34 空气出口焓 0Hrk 名 称 符 号 单 位 计算公式或依据 数 据 kJ/kg HH(ky0)Hlk2 ky21177 35 36 37 热空气温度 空气平均温度 空气流速 trk tpj w ℃ ℃ m/s 查温焓表（表 5） 182 101 (trktlk)/2 BjVk0(tpj273)f273 9.374 38 空气预热器吸热量 Qkr kJ/kg 00HrkHlk(HH 21509 39 40 41 42 最大温压 最小温压 逆流温压 计算参数 tmax ℃ ℃ ℃ ℃ tlk trk (tmaxtmin)/2 ()/(tlk) (trktlk)/() 查教材图 166 118 142 0.407 1.42 0.968 138 0.0428 120 143 23 符合标准要求 tmin tnl P R 43 44 45 46 温度修正系数 平均温度 传热系数 热空气温度校验 设 计 值 计算结果 偏 差  t K strk tnl BjQky/Ht 炉膛热力计算 空气预热器计算（本表） kW/m2oC ℃ trk  40 trktrk47 排烟温度校验 设 计 值 计算结果 偏 差 ℃ 炉膛热平衡计算(表6) 本 表 160 168 8 符合标准要求 py  ky py10 ky

38

设计（论文）

4.7 锅炉热力计算汇总

4.7.1 热量平衡校验

表4.11 热量平衡校验

序号 1 名称 低位发热量 辐射吸热2 量 锅炉管束3 吸热量 省煤器吸4 热量 空气预热5 器 计算总偏6 差 误差校验 Qsm KJ/㎏ 由省煤器计算 1433 Qgs KJ/㎏ 由管束计算 6976 y Qdw符号 单位 KJ/㎏ 计算公式或依据 给定 数值 18840 Qf KJ/㎏ 由炉膛计算 5224 Qky KJ/㎏ 由空气预热器计算 1509 Q yKJ/㎏ Qaw(QfQgsQsmQky)(1q4) 100-32.84 0.17 < 0.5 符合要求 7 △ % Q32.84100100 yQdw18840

kJ/kg

350025001500500160170180190℃空气预热器出口烟温计算图

39

设计（论文）

4.7.2 热力计算汇总

表4.12热力计算汇总

烟道名称 序号 项目 锅炉热效1 率 燃料计算2 消耗量 炉膛热可3 见负荷 炉排热可4 见负荷 5 6 方式 前、后墙7 横向节距 S1 ㎜ 205 左、右墙165 前、后墙8 纵向节距 S2 ㎜ e=25.5 左、右墙e=65 9 10 11 温度 出口介质12 温度 13

yBQdw VlyBQdw R符号 单位 热平衡 炉膛 锅炉管束 省煤器 η % 76.22 Bj Kg/h 2979 KW/m 3 342 ㎜ 854 51×3 51×3 顺列 76×8 顺列 管径 管子布置dw×δ 100 150 120 150 进口烟温 出口烟温 进口介质θ′ θ′′ t′ ℃ ℃ ℃ θll=1422 1000 1000 425 127 425 186 30 t′′ 烟气流速 W ℃ m/s 40

192 192 6.31 13.05 127 9.374 设计（论文）

续表4.12

烟道名称 序号 项目 符号 单位 热平衡 炉膛 14 15 16 17 18 介质流速 受热面积 温压 传热系数 吸热量 Wy H Δt K Q m/s ㎡ ℃ KW/㎡·℃ Kg/h 11.60 523 5224 锅炉管束 0.349 6976 省煤器 0.52 284 0.0202 1433

41

设计（论文）

5 热水锅炉的钢材及强度计算

[17][18]

锅炉内部储存着大量有压力的高温水和蒸汽，一旦因锅炉强度不足引起破裂，后果十分严重。特别是锅筒破裂引起的爆炸，无疑是一种灾难性事故。为确保锅炉经济安全的运行，必须保证制造锅炉的材料的合理选择，准确的强度计算。

5.1 锅炉钢材

锅炉所用钢材应符合国家或冶金工业部有关锅炉钢材现行标准的规定。 （1）锅炉用钢板

锅炉用钢板主要用于制造锅炉最重要的受压元件——锅筒，一般为镇静钢，且应为优质钢。锅筒制造一般采用卷板、压制，及以后焊接的工艺方式，故要求锅炉钢板具有良好的塑性及可焊性，因此，采用含碳量较低的低碳钢或低碳锰钢。锅炉钢板应具有较小的时效敏感性，冲击值下降率应不大于50%或下降后的值应不小于0.3～0.35MPa•m。 （2）锅炉用钢管

钢管用来制造锅炉受热面及管道、集箱，要防止钢管破裂、暴管。锅炉钢管要求采用优质钢，而且一般只用无缝钢管。锅炉受热面管、管道都是由管子弯曲、焊接等工艺制成，故要求锅炉钢管具有良好的塑性变形及焊接能力。 （3）锅炉用铸铁

在小型锅炉中，铸铁用于制造阀门、省煤器、炉门、炉条等。灰口铸铁具有良好的铸造工艺性，对缺口不敏感，具有一定的强度，但塑性差，一般只用作300℃以下承受静载荷的元件，由于铸铁具有较高的抗腐蚀能力，用它来制造省煤器，可在给水不除氧的条件下工作。球墨铸铁的性能比灰口铸铁大为改善，已近于钢，可用来制造370℃以下，6.4Mpa以下的各种阀体。

5.2 锅炉受压元件强度计算

[19]

5.2.1 许用应力

锅炉受压元件工作时所允许的应力值称为许用应力。许用应力应小于钢材屈服，以保证不因产生大面积屈服使钢材性能变坏；另外，也应小于钢材的抗拉强度，以保证对于破裂有较大的裕度；对于工作温度较高的元件，还应小于持久强度。

我国水管锅炉强度标准（JB2194-77）规定许用应力按下式计算：

42

设计（论文）

j （6.1） 式中  ——基本许用应力的修正系数，一般为0.90～1.00 j——基本许用应力 5.2.2 锅筒的强度计算

锅炉受压元件壁厚不足，在运行中引起破裂，造成事故；另一方面，不适当增大壁厚，会浪费钢材并使制造困难，因此，必须对锅炉元件进行强度计算来确定合适的壁厚。 锅筒的壁厚计算： SpDn2minpc （6.2）

式中 p ——最高允许工作压力，MPa；

Dn ——筒内直径，mm；

min——孔排及焊缝减弱的最小减弱系数；





 ——许用应力，MPa；

C ——考虑偏差和腐蚀变薄的附加壁厚，一般取1mm 。

对于改装成的热水锅炉，锅筒的壁厚为原来的固定值，设计取定为14mm。 对于新设计制造的热水锅炉，锅筒的壁厚为：

1.41000S17.27mm （6.3）

21121.4故取8mm。

在任何情况下，锅筒的壁厚不应小于6mm，若壁厚取得过小，在工艺、运输及安装过程中，由于偶然原因，可能发生局部塌陷等情况。

43

设计（论文）

6 总结

此SHL1200-13/130AⅡ型热水锅炉是依照《热水锅炉参数系列》国家标准GB/T 3166-2004来进行设计。进行热力计算及通风计算，主要受压元件强度计算，并采用AUTOCAD绘图。热力计算包括：锅炉参数的确定，锅炉燃料与燃烧计算，锅炉热平衡及燃料消耗量计算，炉膛的热力计算，锅炉管束的热力计算，省煤器的热力计算，空气预热器的热力计算，锅炉热力计算汇总表。通风计算包括：计算基本参数，锅炉的烟气阻力计算，锅炉的空气阻力计算。主要受压元件强度计算包括：锅筒壁厚计算。

设计此SHL1200-13/130AⅡ型热水锅炉，满足了用户对中小容量、低温热水锅炉的需要，能够保证安全运行。锅炉的结构布置简单紧凑，安装方便，并降低了锅炉高度，以减少锅炉房的投资。

参考文献

[1]刘福仁、郑德生．《锅炉基础知识》[M]．北京：中国劳动出版社，锅炉压力容器安全监 察局审定．1991：1-3．

[2]杨明新.《热水锅炉》[M]. 北京：机械工业出版社．1986：1-2．

[3]周海平、黄俊峰．《锅炉基础知识》[M]．北京：科学普及出版社，1982：6-8．

[4]哈尔滨工业大学热能工程教研室．《小型锅炉设计与改装》[M]．北京：科学出版社，1998． [5]李之光、王昌明．《常压热水锅炉及供热系统》[M]. 北京：机械工业出版社．1992． [6]GB／T3166—2004．[S]．北京：中国标准出版社，2004

[7]韩昭沧．《燃料及燃烧》[M]．北京：冶金工业出版社，1993：4-12． [8]小型和常压热水锅炉安全监察规定》．[S]．国家质量技术监督局．2000．

44

设计（论文）

[9]李之光、范柏樟．《工业锅炉手册》[M]．天津：天津科学技术出版社，1985：114-122． [10]林宗虎、徐通模．《实用锅炉手册》[M]．北京：化学工业出版社，1999：71-80．

[11]同济大学等院校．《锅炉习题实验及课程设计》[M]．北京：中国建筑工业出版社，1989：71-110． [12]宋贵良．《锅炉计算手册》[M]．辽宁沈阳：辽宁科学技术出版社,1999． [13]叶江明．《电厂锅炉原理及设备》[M]．北京：中国电力出版社，2003：42-51． [14]岑可法、乐家林．《工业锅炉设计计算方法》[M]．北京：中国标准出版社，2005． [15]王怀彬、李清．《锅炉辅助设备》[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1994：151-178． [16]郭立君、何川．《泵与风机》[M]．北京：中国电力出版社，2004：1-50． [17]《锅炉技术标准规范汇编》．[S]．北京：中国标准出版社，2002．

[18]秦平彦．《中国锅炉压力容器安全》[J] ．北京：中国锅炉压力容器安全杂志社，2001． [19]李之光．《锅炉强度计算标准应用手册》[M]. 北京：中国标准出版社，1999．

45