SHL-20/1.25/130/70-A熱水鍋爐設計姓

名：呂志鵬

專業班級：11級熱能2班

指導教師：王華山畢業答辯目錄

致謝結論鍋爐設計計算鍋爐方案設計緒論緒論課題背景

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鍋爐作為一種重要的能源轉換設備，在工業生產中得到了廣泛的應用。它通過煤、石油或天然氣的燃燒放出的化學能，并通過傳熱把熱量傳遞給水，使水加熱（或變成蒸氣），熱水直供給工業生產和民用生活、供暖，所以鍋爐的主要任務是：把燃料中的化學能最有效的轉變為熱能。工業鍋爐是重要的熱能動力設備,而我國是當今世界鍋爐生產和使用最多的國家。中國鍋爐制造業是在新中國成立后建立和發展起來的。特別是改革開放以來,隨著國民經濟的蓬勃發展,全國有千余家持有各級鍋爐制造許可證的企業,可以生產各種不同等級的鍋爐。在未來相當長的一段時間內,燃煤工業鍋爐仍將是我國工業鍋爐的主導產品,且以中大容量(單臺蒸發量≥10t/h)居多。但燃煤鍋爐會產生嚴重的環境污染,隨著能源供應結構的變化和節能環保要求日益嚴格,天然氣開發應用將進入高速發展時期。小型燃煤工業鍋爐將退出中心城區。因此采用清燃料和潔凈燃燒技術的高效、節能、低污染工業鍋爐將是產品發展的趨勢我國工業鍋爐研究現狀

由于國內工業鍋爐的研究起步較晚，在系統優化問題，環保問題、完全問題、智能化問題以及過程動態模擬等方面和國外發達國家還有一定的差距。目前情況下在國內主要在以下幾個方面對工業鏈條鍋爐進行了改進或研究：

（1）對燃煤鏈條鍋爐進行改造，改造成為循環硫化床鍋爐，提高原鍋爐的燃料適應性、燃燒效率、負荷調節能力，以及降低氮氧化物的排放量。（2）節能新技術在鏈條鍋爐上的應用。主要包括：可變分層分行分段給煤技術、復合相變換熱技術、煤粉燃燒新技術在鏈條鍋爐上的應用。這些新技術在鏈條鍋爐上的使用提高了煤種適應能力，燃燒的熱效率，降低了鍋爐的排煙溫度提高了鏈條鍋爐的效率。（3）工業鏈條鍋爐優化強化燃燒技術的應用。緒論緒論

本課題研究內容

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本次的畢業設計的題目是SHL20-1.25/130/70-熱水鍋爐，屬于水管式自然循環鍋爐。設計本著鍋爐運行的安全性和可靠性為首要設計特性的準則。綜合考慮燃燒，傳熱，煙氣和空氣以及工質的動力特性以及磨損和腐蝕。在鍋爐設計的過程中，主要考慮的因素是保證爐內著火，爐膛內有足夠的輻射熱量，煤的燃盡程度以及合理的煙氣速度和排煙溫度。同時，還要確保有一定的氣密性以保證爐膛內進行負壓燃燒。

在整個設計過程中作為技術支持進行了熱力計算、強度計算和煙風阻力計算。其中熱力計算包括爐膛、鍋爐管束、省煤氣，空氣預熱器。為了使小型鍋爐的結構緊湊，大部分受熱面都布置在爐膛內。根據結構，由于工作壓力低，容易產生煙氣側的酸腐蝕和鍋內的氧腐蝕，所以采用鑄鐵省煤器，來達到降低排煙溫度的要求。鍋爐的爐膛內設有前后拱，燃燒后的煙氣從爐室出來后在對流受熱面中多次繞行，然后進入尾部的煙道，在尾部的煙道設有省煤器和空氣預熱器，用來加熱給水和預熱空氣。本次設計設計方案過程中，本著可靠性，經濟性，簡單易行的原則，使結構的布置盡量首尾相顧，渾然一體。鍋爐方案設計與整體布置1.鍋爐設計結構及特性鍋爐本體大致可分為：水冷壁、鍋爐管束、省煤器、空氣預熱器，它們都是各種類型的受熱面，煙氣的熱能通過這些受熱面傳遞給工質。鍋爐本體一側處在高溫煙氣條件下，因而要求它們的結構和材料要能夠承受高溫和抵抗煙氣的腐蝕；鍋爐的另一側工質是熱水，水工作時具有很高的壓力，所以鍋爐本體主要部件還要具有一定的承受能力；另外，鍋爐本體還要有良好的傳熱性能。本次設計任務是設計SHL20—1.25/130/70-A,即雙鍋筒橫置式鏈條爐，自然循環水管鍋爐，額定熱功率20MW，額定工作壓力為1.25Mp,設計煤種為吉林通化煙煤，其結構特點如下:鍋爐方案設計與整體布置（1）.據鍋爐行業長期對雙鍋筒20MW鍋爐運行經驗，水管系列采用φ51的碳素鋼管，管束彎頭半徑R160mm。（2）.燃燒方式采用加煤斗正轉鏈條爐排。（3）.鍋爐爐膛采用前后拱配合方式。后拱低而長，傾角為10°，通過前后拱的配合可以使燃料迅速著火，減少了固體不完全燃燒損失。（4）.爐排有效寬度為5030mm,長度為7000mm，有效面積為35.2m2。（5）.采用雙側進風,分段送風,可調節燃燒狀況，改善燃燒區段性。

鍋爐各部分特點1.鍋筒及爐內設備：

鍋筒是容納水和蒸汽的筒形受壓容器，采用雙鍋筒結構，既經濟易安裝，檢修固定方便。a.上鍋筒：內徑1200mm，壁厚22mm，筒身長3800mm，包括兩側封頭一起為4888mm。上鍋筒筒身用20g鋼板熱卷冷校而成，封頭為20g鋼沖壓而成的橢圓形封頭，為了焊接方便，封頭和筒身壁厚都采用一致即22mm。b.下鍋筒：下鍋筒內徑Dn=1000mm,壁厚δ=16mm，筒身長3000mm，包括兩側封頭一起為3885mm,筒身及封頭都為20g鋼板制成。下鍋筒底部有定期排污管，以便排出雜質和沉淀物。上下鍋筒之間有管束。鍋爐各部分特點2.水冷壁

在鍋爐爐膛內經常布置大量水冷壁，一方面可以充分發揮輻射受熱面熱強度的特點，同時它用來保護爐墻免受高溫破壞使灰渣不易粘結在爐墻上，防止爐膛被沖刷磨損，過熱破壞。它是自然循環鍋爐構成水循環回路不可缺少的重要部件。

本鍋爐爐膛內四壁都布置有水冷壁其中前墻由19根Φ51×3的碳素鋼管節距為120mm組成，前墻水冷壁管組下部焊在Φ219×6的集箱上，上部直接與鍋筒焊在一起，后墻與前墻相同由19根Φ51×3的碳素無縫鋼管組成。兩側水冷壁分別由28根Φ51×3的碳素無縫鋼管節距為110mm組成，上下部分別與上下集箱連接，集箱規格為Φ219×6，由6根Φ108×4,的鋼管，所有下降管均從上鍋筒中引出。鍋爐各部分特點3.燃燒設備：

燃燒由煤斗和正轉鏈條爐排及其傳動裝置組成，爐排有效燃燒面積為35.2m2.4.鍋爐管束：

上下鍋筒中心距為4600mm，中間由224根Φ51×3碳素無縫鋼管焊在上下鍋筒而組成，管子順列布置，橫向14根，縱向16根，橫向節距為110mm，縱向節距為110mm，同時隔板把它分隔成倒“S”型煙道，流通面積逐漸減小，以利于傳熱和煙道煙速均勻。上下鍋筒及管束通過上鍋筒支撐在鍋爐鋼架上。鍋爐各部分特點5.省煤器：

本鍋爐為小型低壓鍋爐，采用單級耐腐蝕鑄鐵式省煤器。省煤器規格為60×3，安裝有4排8列省煤器管，受熱面積為69.76m2，煙氣流通截面積為0.704m2，6.空氣預熱器

該蒸汽鍋爐采用鋼管式空氣預熱器，順列布置，由484根Φ40×1.5組成，橫向節距60mm,縱向節距40mm，空氣在管外做橫向沖刷。冷空氣由20℃被加熱到119.21℃變成熱空氣后由熱空氣管道進入爐膛，空氣預熱器的受熱面積為116.37m2。煤場破碎機原煤斗送風機空氣預熱器熱風道帶式輸煤機分倉風室煤在爐排上燃燒灰渣斗各受熱面灰渣高溫煙氣除塵器渣場引風機煙囪排入大氣煤空氣鍋爐風、煤、煙、渣系統水處理熱水前下降管下鍋筒前水冷壁鍋爐管束給水泵軟化、除氧水省煤器上鍋筒熱用戶上鍋筒鍋爐管束側水冷壁自來水鍋爐汽水系統熱力計算設計參數本次設計的任務是SHL20-1.25/130/70A熱水鍋爐，主要參數如下：1.鍋爐額定熱功率Q=20MW2.鍋爐額定壓力P=1.25MPa3.給水溫度Tgs=70℃4.出水溫度Tcs=130℃熱力計算燃料特性1.燃料名稱：煙煤產地：吉林通化2.燃料的收到基成分碳氫氧氮硫水分灰分揮發分低位發熱量數值38.462.164.560.520.6110.5043.1021.9113536熱力計算輔助計算

1.空氣平衡計算

根據文獻[1]中表5-4選取爐膛出口過量空氣系數，按表3-1選取個受熱面煙道的漏風系數，進行空氣平衡計算，編制空氣平衡表。煙道名稱過量空氣系數漏風系數爐膛1.351.45凝渣管1.451.45鍋爐管束1.451.55省煤器1.551.70空氣預熱器1.701.80熱力計算2.理論空氣量和理論煙氣量計算理論空氣量Vo=0.0889（Car+0.375Sar）+0.265Har+0.333Oar=5.56m3/kg二氧化碳VRO2=0.01866（Car+0.375Sar）=0.722m3/kg理論氮氣量VoN2=0.008Nar+0.79V0k=4.396m3/kg理論水蒸汽量VoH2O=0.111Har+0.0124Mar+0.0161V0k=0.46m3/kg理論煙氣量為5.578m3/kg熱力計算各受熱面煙道煙氣特性計算項目爐膛及凝渣管鍋爐管束省煤器空氣預熱器平均過量空氣系數1.41.51.6251.75實際水蒸汽量0.4960.5050.5160.527實際煙氣量7.8388.4039.1099.815RO2體積分數0.0920.0860.0790.736水體積分數0.0630.060.0570.054三原子氣體體積分數0.1550.1460.1360.1276煙氣質量1073411.4612.367513.275飛灰濃度0.0060.00570.00530.004896煙氣密度1.371.361.3581.352熱力計算

鍋爐熱平衡及燃料消耗量的計算結果燃料低位發熱量13536KJ/㎏鍋爐總熱損失28.82%冷空氣溫度30℃給水溫度70℃理論冷空氣焓220.2KJ/㎏給水焓293.89KJ/㎏排煙溫度160℃排污率0排煙焓2086KJ/㎏熱水焓54.7KJ/㎏固體不完全燃燒損失10%鍋爐輸出熱量20000KW氣體不完全燃燒損失1%燃料消耗量2.08㎏/s排煙損失15%計算燃料消耗量1.872㎏/s散熱損失1.3%熱風溫度10℃飛灰份額0.15理論熱空氣焓1.30KJ/㎏灰渣物理熱損失1.52%保熱系數0.982灰渣焓560KJ/㎏鍋爐熱效率71.18爐膛結構簡圖爐膛的尺寸主要是由爐排面積確定的。根據截面熱負荷確定和發熱量確定爐排面積，根據水冷壁分布大致確定爐膛高度。熱力計算爐膛計算爐膛周界計算爐排面積熱負荷qR=800KW/m2爐排面積R=BQ/qR=2.08×13536/800=35.2m2取爐排長度L=7m爐排寬S=R/L=35.2/7=5.03m

側墻面積F側=（4.5+5.5）×1.8+3×0.5+2.7=22.2m2前墻面積F前=4.914×5.33=31.52m2后墻面積F后=7.35×5.33=39.34m2爐膛體積V=22.2×5.33-3.52=114.8周界面積=22.2×2+31.52+19.91+39.34=135.2m2

熱力計算爐膛傳熱計算輸入熱量13536kJ/kg灰粒輻射減弱系數64.61/m?Mpa理論冷空氣焓220.2kJ/kg焦炭輻射減弱系數0.151/m?Mpa出口過量系數空氣1.45熱有效系數0.07爐膛漏風系數0.1爐內介質輻射有效厚度3.66熱空氣溫度120℃火焰黑度0.404熱空氣焓802.92kJ/kg爐膛黑度0.95空氣帶入熱量1106kJ/kg計算燃料消耗量1.872kg/s入爐熱量1426.3kJ/kg保熱系數0.982理論燃燒溫度1573℃玻爾茲曼常熟2.65爐膛出口煙氣溫度1000℃結構阻力系數0.59爐膛出口煙氣焓7643.52kJ/kg無因次溫度0.65平均熱容量5.56kJ/kg?℃爐膛出口煙溫926℃水蒸氣容積份額0.063爐膛出口煙氣焓10320kJ/kg三原氣體容積份額0.155爐內輻射傳熱量3872kJ/kg飛灰濃度0.006三原子輻射減弱系數5.66熱力計算鍋爐管束計算

鍋爐管束就是布置在上下鍋筒之間的密集管束，是水管鍋爐的主要受熱面。為了充分吸收熱量，通常將對流管束中間，用隔陷墻組成來回或轉彎的煙道，增加煙氣流程，并以較高的煙速橫向沖刷管束。通常被煙氣先沖刷的管束，由于煙氣溫度高傳熱較多，管內汽水混合物的密度小，成為上升管，反之煙氣溫度低傳熱較少，成為下降管。煙氣沖刷管束，一般采用橫向沖刷。因為橫向沖刷，其使熱效果優于縱向沖刷。同屬橫向沖刷時，管子錯排(或叫叉排)的傳熱效果優于順排形式，但伴隨傳熱效果的提高，煙氣流動阻力也相應加大。鍋爐管束簡圖1.結構特性計算橫向：n1=14根S1/d=100/51=1.96縱向：n2=18根S2/d=125/51=2.45（1）管子的長度：L=（5+4.6+4.4+4.2+3.95+3.8+3.65）×2=59.2m（2）受熱面積HH=dln2=3.14×0.051×59.2×18=151.68㎡（3）煙道截面積FpjFpj=ΣF/6=1.113㎡4）有效輻射層厚度S有效輻射層厚度S=0.9d(4S1S2/πd2-1)=0.2351m熱力計算鍋爐管束傳熱計算入口煙溫926℃三原子氣體份額0.146入口煙焓10992kJ/kg對流換熱系數90×10-3漏風系數0.1飛灰濃度0.0057理論空氣焓220.2kJ/kg三原輻射減弱系數5.48出口煙溫360飛灰輻射減弱系數0.546出口煙焓5052kJ/kg煙氣輻射減弱系數6.026煙氣側放熱量5940.84煙氣黑度0.128最大溫差826℃管壁溫度160℃最小溫差250℃輻射換熱系數6.1×10-3平均溫壓482℃熱有效系數0.55煙氣容積8.403傳熱系數97.1×10-3煙氣平均流通面積1.113傳熱量5950.1kJ/kg煙氣平均溫度582℃相對誤差0.5煙氣速度14.3熱力計算省煤器和空氣預熱器結構簡圖省煤器和空氣預熱器熱力計算與鍋爐管束相同，假定出口煙溫計算出傳熱量，與實際傳熱量校核，使其在誤差范圍內。熱力計算鍋爐管束，省煤器和空氣預熱器的熱力計算與路大致相同，得出鍋爐熱力計算結果匯總表。名稱爐膛鍋爐管束省煤器空氣預熱器受熱面積79.76㎡151.68㎡69.79㎡166.37㎡入口煙溫926℃360℃255℃出口煙溫926℃360℃255℃165℃工質入口溫度70℃70℃70℃20℃工質出口溫度130℃130℃72℃120℃煙氣平均速度14.3m/s15.4m/s12.6m/s工質平均速度1.72m/s5.86m/s傳熱量3872KJ/kg5940KJ/kg1442KJ/kg1070KJ/kg熱力計算結論通過對鍋爐整體的設計，得到了較好的鍋爐結構，各個受熱面進行了優化設計，使個部分受熱面得到合理的熱量分配，對于煙氣速度和流量的合理配置，強化了換熱效率，實現了真正的節能，即經濟性。同時，合理的布置省煤器、空氣預熱器，大大提高了鍋爐效率。強度計算鍋爐中受壓元件，如鍋筒、集箱和受熱面管子都是在承壓狀態下工作，有時還承受高溫和腐蝕介質的作用，因而工作條件十分惡劣。如果在鍋爐使用過程中因為強度不夠而發生事故，輕則造成停爐，重則威脅人身和鍋爐設備安全。反之，為了安全而不合理的增加壁厚，又會造成金屬材料的浪費。所有要進行受壓元件的強度計算。強度計算下鍋筒筒節壁厚計算結果表項目數值項目數值鍋筒內徑1000mm最小減弱系數0.527壁厚16mm理論計算壁厚8.777額定壓力1.25MPa附加壁厚1mm液柱靜壓力0.049MPa最小許用壁厚9.777mm鍋筒工作壓力1.299MPa有效壁厚15mm安全閥開啟壓力0.05MPa實際減弱系數0.307計算壓力1.089MPa最大允許開空直徑176.78mm材料20g系數1.03鍋筒計算壁溫250℃屈服極限225MPa基本許用應力125最大水壓試驗壓力1.784MPa修正系數0.95實際試驗壓力1.36MPa許用應力118.75結論：d<[d]=176.78β=1.03<1.2S=16>Smin=9.77所以強度合格。強度計算同理，上鍋筒及有孔封頭、前后集箱等強度計算經過校驗后均合格。安全閥排放能力計算表序號名稱單位數值1額定輸出熱量MW202額定壓力MPa1.253安全閥開啟壓力MPa1.44進入鍋爐水焓值mm3085排量系數706安全閥個數27最小直徑m2608接口直徑mm90強度計算小結通過對鍋爐強度的計算，得到了合適的鍋筒材料，使安全性和經濟性得到了良好的體現，考慮各種孔橋減弱系數，使得鍋筒得到了最優的取用壁厚。同時對集箱的設計也完全符合強度設計的理念。對于安全閥的設計，更是精確的就算每一項技術指標，保證鍋爐運行的安全性。煙風阻力計算煙道阻力及引風機計算1.爐膛真空度：根據平衡通風情況給出的爐膛出口負壓取值范圍為20-30Pa,在此取爐膛真空度Δhl=30Pa。2.鍋爐管束阻力計算項目數值項目數值煙氣平均容積8.403m3/s管子排數28煙氣有效流通面積1.113m2單排管子阻力系數0.45平均煙溫582℃橫向沖刷阻力系數12.6平均煙速14.13m/s動壓頭75.4Pa管外徑51橫向沖刷阻力950.04Pa管子布置方式順列轉彎阻力系數6橫向相對節距2.45轉彎阻力452.4Pa縱向相對節距1.96積灰修正系數0.9比值1.25鍋爐管束阻力1262.16Pa煙風阻力記算3.省煤器煙道阻力計算項目數值項目數值煙氣平均容積9.109m3/s管子直徑60煙氣有效流通面積0.704m2橫向沖刷阻力系數2平均煙溫307.5℃動壓頭91.6Pa平均煙速15.4m/s積灰修正系數--管子排數4省煤器阻力183.2Pa4.假設進入空氣預熱器前煙道門的阻力Δhym=15Pa，它不包含在空氣預熱器阻力之內。5.由計算得空氣預熱器的煙道阻力為199.87Pa。6.除塵器總阻力計算一般采用旋風除塵器，預估計煙氣流經此類除塵器的阻hch=800Pa。7.空氣預熱器至煙囪之間的連接煙道的阻力假定為hy=75Pa煙風阻力記算8.根據煙囪結構和熱力數據可以求得煙囪總阻力為119.93Pa。9.煙道自生通風力計算名稱數值名稱數值尾部豎井煙道計算高度6m尾部豎井煙道自生通風力-26.60Pa受熱面平均過量系數1.6煙囪每米高度自生通風力3.637Pa平均煙氣量8.97m3/s煙囪高度40m標準狀態下煙氣平均密度1.236煙囪自生通風力145.49Pa每米高度自生通風力-4.398Pa煙道總自生通風力118.89Pa煙風阻力計算鍋爐煙道系統總壓降計算項目數值項目數值燃料折算灰分13.3%修正后本體總阻力1519.14Pa煙氣含灰量1.996%尾部受熱面之后總阻力993.47Pa當地最低大氣壓131325Pa修正后的總阻力1044.47Pa受熱面平均過量空氣系數1.575煙道系統流動總阻力2563.32Pa煙氣平均容積8.97m3/s爐膛負壓30Pa標準狀態下煙氣密度1.359m3/s煙道總的自生風阻力118.89Pa修正前本體總阻力1445.36Pa煙道總壓降2474.43Pa煙風阻力計算風道阻力及送風機計算1.進口冷風道阻力：按實際設計經驗，取進口冷風道阻力Δhl=200Pa。2.空氣預熱器阻力包括空氣橫向沖刷順列管束阻力為199Pa3.空氣預熱器總阻力為550.29Pa4.熱風道阻力為157.01Pa5.水泥熱風道阻力的計算方法同鋼