我國鍋爐用的燃料主要有煤，石油制品，和天然氣，于是鍋爐根據燃料的不同被分成三大類，燃煤鍋爐，燃油鍋爐和燃氣鍋爐，鍋爐性能的優劣在很大程度上決定于燃料的選擇。隨著經濟的發展和環保意識漸加強，燃油、燃氣鍋爐近年發展很快。據國外統計，燃油、燃氣鍋爐供熱(汽)已占較大比例，美國占98%,日本占99%。在界范圍來看石油的可利用前景也不是十分樂觀，所以不應將燃料政策定位在以燃油為本次設計的WNS型燃氣鍋爐采用天然氣為燃料。這種鍋爐具有污染少，易于控制，調節靈活，結構緊湊、體積小、自動化程度高、安裝方便、運行安全可靠等優點，因此是燃氣供暖鍋爐以后發展的方向。本文介紹了WNS型燃氣供暖鍋爐的工程背景、研究設計現狀、結構形式等幾方面。然后對所選型燃氣鍋爐WNS10-1.25/130/70進行了設計計算，包括：熱力計算、煙風阻力計算和受壓元件強度計算。關鍵詞：WNS,燃氣鍋爐，設計計算 Theboilerfuelofourcountrymainlyhavecoal,petroleumproductsandnaturalgas,sothefuelboilerunderdifferentwasdividedintothreecategories,Coal-firedboiler,oil-firedboilerandgasboiler,andtheperformanceofboilerlargelydependsonthechoiceoffuel.Withthedevelopmentofeconomicsandthegradualstrengtheningawarenessofenvironment,fuelandgas-firedboilerswillsoonshowinrecentyears.Accordingthestatisticsfromabroadproportion.TheUnitedStateshasaccountedfor98%andJapanhasChina,coalisthemainsupplyofenergy.However,increasingdemandforenergy,thedrawbacksofcoalasthemainsourcebecomemoreandmore;wemustfindotherenersourcestoreplacecoal.Chinaisshortofcrudeoil.Theprospectofavailabilityofhisworldwideoilisnotveryoptimistic,sofuelshouldnotbepolicy-orientedpositionintheearly10yearsto20yearsof21stcentury,gas-firedboilerwillhavegreatdevelopmentintheChinesemarket.ThedesignofWNS-gas-firedboilerusingnaturalgasasfuel.Thisboilerislesspolluting,easiertocontrol,flexibleadjustmentofthemeritscompactstructure,smallsize,highdegreeofautomation,easyinstallation,safeandreliableoperationoftheadvantages,itisgasheatingboilerfuturedevelopmentdirection.Thefirstpartofpaperincludesbackground,researchingstatusandconfigurationsofthegas-firedboiler.Andthen,processdesignhasbeendoneforthemodelWNS10-1.25/130/70,includingquantityoffuel,someparametertofuelcombustion,calculationofheattransferprocess,calculationofflowresistanceofflueandair,andintensitycalculation.Keywords:WNS,Gas-firedheatingboiler,designcalculationWNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計第一章前言 11.1工程背景與意義 1 1 21.2研究和設計現狀 4 4 7 7 7 9 9 1.3研究的基本內容，擬解決的主要問題 1.4研究步驟、方法 第二章燃料消耗計算 2.1燃料的組成 2.2理論空氣量、實際空氣量和過量空氣系數 2.3燃燒產物及其計算 2.4燃燒溫度和煙氣焓的計算 2.5鍋爐熱平衡計算 第三章傳熱計算 3.1爐膛的傳熱過程計算 3.2對流受熱面的傳熱計算 WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計V3.3鍋爐總熱平衡校核 第四章鍋爐煙風阻力計算 4.1煙風系統流動阻力計算 4.2煙囪的阻力計算 第五章強度校核 5.1鍋筒厚度計算 5.2煙室前管板厚度計算 5.3煙室后管板計算 5.4直拉桿計算 5.5煙室筒體厚度計算 5.6爐膽厚度計算 6.1結論 6.2發展趨勢 參考文獻 致謝 11.1工程背景與意義鍋爐是生活和工業中重要的設備。它是把燃料中的潛在能量，經過燃燒放出熱量，經過傳熱作用傳遞給水，對于熱水鍋爐是將水加熱變成一定溫度的熱水輸出的一種設我國工業和生活燃煤鍋爐的平均運行熱效率僅有65%左右，能源的浪費和環境污染問題相當嚴重。全國每年燃煤電廠排放的煙塵達1680萬噸，排入大氣的二氧化硫達1310萬噸[1,對大氣環境造成了嚴重的危害。因此必須從根本上改變我國能源利用消費結構。燃氣熱水鍋爐不僅熱能利用效率高，環境污染小。而且使用方便。隨著我國經濟的迅速發展，環保意識的增強，燃用油、天然氣和城市煤氣的燃氣熱水鍋爐將得到廣泛應用。從國外的統計情況來看，燃油、燃氣鍋爐供熱(汽)已占較大比例，美型鍋爐作為燃油、燃氣鍋爐的一種，則又以其結構緊湊、體積小、自動化程度高、安裝方便、運行安全可靠等優點，為大多數中小型燃油、燃氣鍋爐房所采用，發展趨勢良好。從近幾年實際使用的情況看，小型燃油燃氣鍋爐的主要優點是輕便、靈活，安裝調試方便，對建筑的要求較低，又可以減少繁瑣的報批手續，其煙塵排放對大氣的污染也比燃煤鍋爐輕很多。但是燃油燃氣鍋爐也具有明顯的不足，其一次性投資和經常的運行費用均高于燃煤鍋爐。這是小型燃油燃氣鍋爐與大型集中供熱鍋爐的主要差別。另外，目前使用的小型燃油燃氣鍋爐多為常壓鍋爐，因此其使用范圍也理所當然的受到了某些局限。就近幾年的使用情況看，小型燃油燃氣鍋爐大多用于城市里的別墅區、度假村，或者是城市集中供熱范圍以外的地區，以及一些暫時無法設置集中供熱的新燃油燃氣鍋爐的設備費用從總體上講，要高于同容量的燃煤鍋爐。其價格差異隨鍋爐容量增大而減小。按東北地區最近的市場價格，對218MW以下的鍋爐成套設備，燃油鍋爐高于燃煤鍋爐約40%～80%,燃氣鍋爐高于燃煤鍋爐約60%～100%。而目前WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計2用于供暖的小型燃油燃氣鍋爐容量大多在218MW以下，考慮小型燃油燃氣鍋爐房建筑費用較低的因素，燃油燃氣鍋爐房作為供暖熱源的一次性投資仍高出燃煤鍋爐房3。燃油燃氣鍋爐供暖的運行費用同燃煤鍋爐一樣，主要包括燃料費、水費、電費、折舊費、大修費、工資及福利費、材料費和管理費等。在上述各項費用中，占比例最大的是燃料費。對燃油燃氣鍋爐供暖，燃料費約占總費用的75%～85%,對小型燃煤鍋爐供暖，約占總費用的40%～60%。WNS型燃油/氣鍋爐作為一個鍋爐爐型的發展方向之所以受到重視，是因為與水管鍋爐相比它具有以下特點：1、高、寬尺寸較小，適合組裝化的要求，鍋殼結構也使鍋爐維護結構簡化、比組裝水管鍋爐有明顯優點。2、采用微正壓燃燒，密封問題容易解決，而且爐膽的形狀有利于燃油、燃氣燃燒。3、由于采用新的傳熱技術(如螺紋式煙管等),傳熱性能接近一般的水管鍋爐水平，克服了煙管傳熱性能差的缺點。4、對水處理要求低，水容積大；對負荷變化的適應性強4。1、燃油燃氣鍋爐設計意義：燃油/氣鍋爐就是以燃料油或可燃氣體作為燃料的鍋爐。既可以燃油又可以燃氣，亦稱雙燃料鍋爐，燃油燃氣鍋爐是一種有別于一般設備的“特殊設備”,它是一種能承受壓力的、具有爆炸危險、還可能引發火災的特殊設備。所以，其設計、制造、安裝、使用、檢驗、修理及改造都必須遵守有關的安全技術規程，并接受國家的安全技術監察。由于其技術復雜程度比一般的燃煤鍋爐高得多，為保證安全，防止事故的發生，燃油燃氣鍋爐的管理者和操作者，··應掌握一般鍋爐的安全知識外，還必須掌握燃油燃氣鍋爐方面的專業知識和技能5。燃油燃氣鍋爐是本世紀中期才出現的，到20世紀70年代未已取得很大發展。燃油最初在鍋爐上使用是在20世紀30年代，當時它是作為一種輔助燃料用在鏈條爐排鍋爐上。由于燃燒技術和當時的燃油質量差，所以往往造成燃油在燃燒中突然熄滅的事故發生，因而沒有得到真正的使用。20世紀40年代前后，一些西方國家的軍方急需大動力的艦艇，商船隊也要求增大運載能力，并減輕自身的燃煤攜帶重量。在軍事和經濟 3迫切需要的情況下，促成了船用燃油鍋爐的研制和成功運用。20世紀50年代，西方工業發達國家的經濟從戰后恢復轉入了全面發展時期。企業家們在經營上追求低的投資高的利潤。當時燃油鍋爐在投資和運行費用方面比燃煤鍋爐有著明顯的優勢，就給燃油鍋爐提供了需要和可能的發展條件5。20世紀70年代的兩次石油危機，天然氣又作為燃料用于鍋爐。到20世紀90年代初，工業發達國家的燃油燃氣工業鍋爐已占其工業鍋爐總數的95%以上。我國的燃油燃氣工業鍋爐問世比西方晚15年左右。20世紀60年代到70年代，只有三家制造廠，產品的產量也極少。70年代后期以來，無論是制造廠還是實用燃油燃氣鍋爐的裝用數量增長經過20年的發展，我國的燃油燃氣鍋爐的產品品種增加很快，產品質量也有很大提高，特別是鍋爐本體(受壓部分)的質量水平已不亞于發達國家的制造質量，但是燃燒器的工藝水平和燃料供應系統中一些關鍵部件與發達國家相比，差距還較大。因此，目前燃油燃氣鍋爐的發展就出現明顯“中西結合”態勢，即國內鍋爐本體配國外燃燒器。為了抑制大氣環境的惡化，北京等全國許多大中城市都提出了用燃油燃氣鍋爐代替燃煤鍋爐的實施方案，這又給燃油燃氣鍋爐的發展提供了一個很好的發展機遇。WNS型燃油/氣鍋爐作為一個鍋爐爐型的發展方向之所以受到重視，是因為與水管鍋爐相比它具有以下特點：(1)高、寬尺寸較小，適合組裝化的要求.鍋殼結構也使鍋爐維護結構簡化、比組裝水管鍋爐有明顯優勢；(2)采用微正壓燃燒，密封問題容易解決，而且爐膽的形狀有利于燃油、燃氣燃燒。(3)由于采用新的傳熱技術(如螺紋式煙管等),傳熱性能接近一般的水管鍋爐水平，克服了煙管傳熱性能差的缺點。(4)對水處理要求低，水容積大；對負荷變化的適應性強5。2、設計燃氣熱水鍋爐的意義：目前，我國燃油燃氣鍋爐房中，燃油鍋爐房較多，燃氣鍋爐較少，但隨著我國能源進一步合理使用和環保更高的要求，隨著我國近幾年天然氣勘探取得了重大突破(據全國第二輪油氣資源評價，天然氣總資源量列世界第四位)及不斷開發和我國煤的氣WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計4化早已工業化，再加上氣體燃料具有基本無公害燃燒的綜合特性、燃燒易調節、發熱值易調整等一系列的特點，我國工業鍋爐大量使用清潔能源燃氣的時代就要到來。而燃氣熱水鍋爐的優越性：燃氣熱水鍋爐是由高效能的熱交換器和鼓風式燃燒器構成的一種供熱設備。它不僅具有排出的煙塵中有害氣體含量低，環保效益好的優點，還具以下幾個方面的優勢：(1)燃氣鍋爐的配套設備簡單，僅需一臺燃氣調壓設備，一次性投資費用低。爐體結構緊湊、體積小、重量輕、占地面積小，無需特殊的地基，對機房高度要求不大，無安裝場地限制，可直接布置在主體建筑的內部。(2)燃料燃燒安全，且裝有高強化傳熱能力的擾流裝置的燃氣管束或螺紋煙管管束，因而具有最佳的換熱效果，能獲得較高的熱效率，節約燃料。經測試燃氣熱水鍋爐的熱效率可達到90%以上，而一般的燃煤鍋爐的熱效率只能達到70%左右。1.2研究和設計現狀WNS型燃氣、燃油鍋爐的結構已基本定型：即從回燃室形式來看有濕背、干背、中的鍋爐均為雙爐膽鍋爐。爐膽結構分為平直爐膽、波形爐膽，后者加大了爐膽的受熱面積，可強化傳熱。根據爐膽的布置又可分為對稱型和非對稱型兩種；所謂對稱型是指爐膽布置在鍋殼對稱中心線上，水循環是兩個對稱的回流，形成在爐膽下方有一相對“平靜”區，使水渣、水垢等容易集中沉淀，有利于通過排污口排出。另外，拉撐管和拉撐板也是左右對稱布置的，從受力情況和膨脹角度分析也是比較合理的。不對稱型是指爐膽偏心布置。這種結構有利于水的循環，使冷爐啟動時間縮短，鍋爐溫度均勻。就煙氣流程又可分為二回程、三回程、四回程鍋爐。對同容量鍋爐來說，回程數量多的鍋爐受熱面積也大，單位受熱面平均吸熱量小，鍋爐可獲得較高的效率和較平穩的效率特性，低負荷時，效率下降較小。美國生產的CB鍋爐即為四回程鍋爐5]。WNS型燃氣、燃油鍋爐的具體結構形式干背式鍋爐如圖1-1所示，燃燒器噴出燃料WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計5點燃后生成的燃燒產物到達爐膽的另一端后，經耐火磚隔成的煙室折轉進入煙管，多為二、三回程結構。其優點是結構簡單，制造省工時；打開鍋爐后端蓋后，火管和爐膽都可以檢查和維護。但干背式鍋爐沒有回燃室，燃燒器噴出燃料點燃后生成的燃燒產物和面積有限的爐膽換熱，爐膽出口的高溫煙氣直接沖刷后管板，內外溫差較大。爐膽后部的耐火材料每隔一段時間就需要更換，鍋爐容量越大，這一情況越嚴重。因圖1-1干背式鍋爐濕背式鍋爐如圖1-2所示，爐膽末端和二回程的起端與浸在爐水中的回燃室相連，回燃室也能夠傳熱，約占5%的傳熱面積，熱效率高，且不存在耐火材料的更換問題，散熱損失也小，鍋爐后管板也不受煙氣的直接沖刷，解決了干背式鍋爐后管板過熱的問題。同時由于濕背式結構避免了折返空間的煙氣密封問題，更適合于微正壓燃燒。6煙氣第一回程和第二回程同在爐膛內，構成所謂的回焰燃燒。從傳熱學的角度看，本質上是大直徑爐膽的二回程鍋爐0WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計7下面就燃油燃氣熱水鍋爐的爐膽部分和回燃室部分做更細致的介紹：爐膽是鍋殼式鍋爐特有的受壓部件。爐膽的內部是燃燒室，外面是爐水，受外壓力。所以，它在鍋殼式鍋爐中是工作環境最惡劣的受壓部件，也是最容易損壞的元件之一。由于爐膽受高溫火焰的灼燒，其溫度高于鍋殼，它的熱膨脹問題特別突出。尤其是燃油鍋爐，因油燃燒溫度高，爐膛熱強度高，溫度變化劇烈，更要求爐膽要有良好的熱脹冷縮的性能。目前爐膽的型式有平直圓筒形，平直圓筒帶加強環形、波紋型、波型等多種。國外制造這類鍋爐的爐膽大多采用平直圓筒形或為了加強剛度而采用平直圓筒型帶加強環型。只有在出力和壓力較大時，才采用波紋型和波型，從受力和脹縮等安全性方面考慮應采用強度高、彈性好波紋型和波型爐型8。爐膽末端和二回程的起端與浸在爐水中的回燃室相連，回燃室也能夠傳熱，約占5%的傳熱面積，熱效率高，且不存在耐火材料的更換問題，散熱損失也小，鍋爐后管板也不受煙氣的直接沖刷，解決了干背式鍋爐后管板過熱的問題[9。1.2.4WNS系列燃氣熱水(蒸汽)鍋爐的主要特點全自動燃氣熱水(蒸汽)鍋爐為臥式內燃三回程鍋爐。燃燒室由波形爐膽和濕煙室(煙氣轉彎煙室)構成，高溫煙氣(1400℃以上)在爐膽和回燃室進行對流和輻射換熱后進入第二回程煙管，經前煙箱折轉180°進入第三回程煙管，在煙管內進行充分的對流換熱，最后經后煙箱及煙囪排入大氣10]。1、可以從不同角度出發對鍋爐進行分類：(1)燃料是鍋爐設計的主要依據。鍋爐性能的優劣在很大程度上決定于燃料的選擇。我國鍋爐用的燃料主要有煤，石油制品，和天然氣，于是鍋爐根據燃料的不同被分成三大類，燃煤鍋爐，燃油鍋爐和燃氣鍋爐。(2)結構形式可分為鍋殼鍋爐(火管鍋爐)、水管鍋爐和水火管鍋爐。(3)按用途不同可分為電站鍋爐、工業鍋爐、生活鍋爐等。(4)按容量大小可分為大型鍋爐、中型鍋爐和小型鍋爐。WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計8(5)按蒸汽壓力大小可分為低壓鍋爐(p≤2.5MPa)、中壓鍋爐(2.5MP<p≤5.9MPa)、高壓鍋爐(p=9.8MPa)、超高壓鍋爐(p=13.7MPa)等。(6)按燃料在鍋爐中的燃燒方式可分為層燃爐、沸騰爐、室燃爐。(7)按工質在蒸發系統的流動方式可分為自然循環鍋爐、強制循環鍋爐、直流鍋爐等。燃油燃氣鍋爐根據爐型可分為臥式火管鍋爐，立式火管鍋爐，鑄鐵對片組裝形式使用預混燃燒器的鍋爐以及鑄鐵模塊組合形式使用擴散型燃燒嘴的模塊鍋爐。其中臥式火管鍋爐，有二回程，三回程，四回程，五回程幾種分類，WNS型為臥式內燃三回程濕背式火管鍋爐。2、燃氣熱水鍋爐的主要特點是：(1)鍋爐本體采用全對接焊縫濕背性結構。高溫煙氣都被鍋水所包圍，有效利用受熱面，確保鍋爐安全可靠運行。(2)爐膽結構及布置是鍋殼式燃氣鍋爐設計中的一個關鍵，爐膽的吸熱量一般占總吸熱量的55～70%,且處在高溫下會產生較大的膨脹量而破壞結構的完整性。而且燃燒器型號確定后，爐膽直徑應稍大于最大火焰直徑尺寸，爐膽長度應大于最大火焰長度尺寸，火焰充滿度要好。(3)第二、三回程的對流煙火管處于低溫區，換熱溫差小，傳熱系數低，煙氣流動阻力大，其吸熱量一般占總吸熱量30～45%,因此設計時對煙氣流速、煙氣阻力和排煙溫度進行計算調整。我們可采用由螺紋煙管與光管組合構成對流受熱面。當煙氣從螺紋煙管內流過時，由于螺紋突筋的存在，使靠近壁面的流體受到擾動，沿邊界的層流狀態改變成為紊流狀態，使工質與管壁間的對流傳熱得到強化，同時選用了較高的煙氣流速，使傳熱系數大為增加，提高了鍋爐熱效率。(4)采用低位燃燒室，保證較好的蒸汽品質，同時使最高煙氣溫度遠離水位表面，最大限度地防止缺水，加上雙重獨立的水位控制報警和連續給水系統及壓力控制系統，使鍋爐運行安全可靠。(5)回水由鍋爐前下側進入鍋筒，鍋內設置導流板，在導向裝置作用下，鍋水呈N字形流動，提高回燃室高溫管板區域的流動水速，防止因過冷沸騰而導致管板出現裂紋，而后熱水經集氣裝置送至熱用戶。(6)鍋爐本體及煙管束全部采用焊接結構。WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計9(7)選用具有點火程序控制和熄火保護的功能的燃燒機，其燃燒技術先進，性能穩定，可以在極低過量空氣系數下完全燃燒。(8)采用電腦控制器，對直接影響鍋爐安全運行的有關因素除配備有完善的全自動控制裝置外，更配有多種安全保護裝置。電腦控制器對鍋爐運行進行實時監控，并能對故障進行智能識別與實時處理12|。燃氣鍋爐與燃煤鍋爐相比具有非常明顯的優越性：1、環保。由于燃氣中的灰分、含硫量和含氮量均比煤中的含量低，燃燒后產生的煙氣中粉塵量極少，因此燃氣鍋爐可以大大減輕對環境的污染，從而排放出的煙氣比較容易達到國家對燃燒設備所要求的標準。2、熱效率高。燃氣鍋爐的爐膛容積熱強度較高。由于煙氣污染小，對流管束不受腐蝕和結渣，傳熱效果好，燃氣燃燒產生大量三原子氣體(二氧化碳、水蒸氣等)的輻射能力較強，而且排煙溫度低，使其熱效率明顯提高。(1)燃氣鍋爐可選用較高的爐膛熱負荷，從而縮小爐膛體積。因不存在受熱面污染、結渣、磨損等問題，可選用較高的煙速，減小對流受熱面的尺寸。通過合理布置對流管束，使燃氣鍋爐較同容量燃煤鍋爐結構緊湊、尺寸小重量輕，設備投資明顯減(2)燃氣鍋爐不需要配置吹灰器、除塵器、出渣設備和燃料烘干器等附屬設備。(3)燃氣鍋爐使用管道輸送的燃氣為燃料，無需燃料儲存設備。在供給燃燒前也無需燃料加工制備設備，使系統大為簡化。(4)由于無需燃料儲存，節省運輸費用、場地及勞動力。(1)燃氣鍋爐燃燒系統設備簡單，因而需要維修保養的項目少。(2)由于不存在結渣及高低溫受熱面腐蝕，因而不需要由此而更換受熱面的管件及空氣預熱器的元件3。WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計燃油鍋爐的熱效率雖然也較高，污染也較低，但其排煙對大氣的污染也遠大于燃氣鍋爐，而且燃油鍋爐同樣存在著油料運輸和儲存的相關問題，使其失去了長遠發展1、燃燒系統的安全保護。燃燒系統的安全保護是控制系統的核心，主要指對燃氣泄漏、燃氣高壓力、燃氣低壓力和對燃燒機的燃燒故障及鼓風機故障等均有安全的保護。2、循環水系統的安全保護。系統對循環水系統設有多重安全保護功能：①循環泵連鎖控制。循環泵沒有運轉，鍋爐系統就不能正常開機。②通過在鍋爐出水回路上安裝的耙式流量開關，避免因循環泵接觸器觸點粘住，使控制系統產生錯誤信號而發生故障。③通過中文屏設定的回水壓力過低報警值，檢測實際回水壓力，當低于此設定值時，壓差報警聯鎖裝置動作，從壓力過低角度保護了循環水系統。3、鍋爐運行系統的安全保護。鍋爐運行保護分出水溫度過高、壓力過高、排煙溫度保護等。其一，為確保出水溫度過高保護功能的安全可靠，可通過二種方式實現。①通過出水溫度傳感信號檢測實現保護，當系統檢測到實際出水溫度高于，中文屏出水溫度設定值時，超溫聯鎖裝置動作，從而實現鍋爐安全運行。②通過安裝在出水管路的溫度控制器，將溫度控制調整到所要求的出水溫度極限值，當實際出水溫度值大于此值，控制器就會動作，使控制系統脫離電腦控制防止鍋爐溫度過高，起安全保護作用。其二，鍋爐的壓力過高保護。鍋爐的出水壓力超過設計值，會對管網末端系統產生嚴重后果，因此鍋爐壓力高故障保護很重要，本系統通過中文屏設定出水壓力過高報警值，當電腦檢測到實際出水壓力高于此設定值時，超壓報警聯鎖裝置動作，而起動保護作用。其三，排煙溫度保護。控制系統對排煙溫度不僅起顯示作用，還起保護作用，當鍋爐滿負荷運行正常后，用戶可在當時的排煙溫度值基礎上增高15℃左右，設定排煙溫度最高報警值，這可有效防止煙道檔板突然關閉和煙道堵塞等排煙故障所有一體化安裝在燃燒器上的元器件，主要是風量調節裝置、點火變壓器、火焰監測探WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計頭和穩焰器等。第二部分是電控制部分。該部分的作用是控制第一部分的元器件能正常可靠的工作。第三部分是安裝在鍋爐上的測量元器件，如壓力表、溫度計等。由這些測量元器件通過電控系統對燃燒器進行“開—停”或“半負荷—全負荷”或“連續漸WNS燃油、燃氣鍋爐自動控制。主要是點火程序控制、熄火保護控制。點火程序控制一般由燃料檢測系統和計時器(一種具有延時功能的繼電器)來進行控制。按下啟其它異常變化，點火系統的閥門打開將點火所需燃料供給噴嘴；噴嘴燃燒控制閥打開，此時應處于低流量燃燒狀態，火焰檢測器依據燃燒情況，發出檢測信號來加大燃料流量調節閥及風機風門的開度；燃燒狀態正常后，點火系統的閥門即關閉。熄火保護。熄火保護裝置由三個重要部件(即火焰檢測器、保護繼電器、燃料緊急切斷閥)組成。當燃燒室內壁的溫度低于燃點時，噴嘴火焰熄滅。若為燃氣鍋爐，當爐膛內燃氣體積濃度達到爆炸區間時，如果遇金屬撞擊或放電等產生的火花會發生爆炸。因此，應由火焰檢測器來確認主噴嘴部位的燃燒狀態，實現對燃料流量的控制。燃燒控制一般分有級調節和無級調節兩種。國產及部分進口的WNS燃油、燃氣鍋如美國的CB、富爾頓，其鍋爐燃燒器為本廠配套制造，大多為無級調節。這種類型燃燒器其燃料供給量隨熱負荷改變而改變，克服了有級調節對鍋爐熱沖擊力大的缺點，運行本次進行的是WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體的設計，初步設計參數為：MW℃排煙溫度：℃鍋爐回水溫度：工作壓力：容水量:6TWNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計鍋爐燃料:天然氣表1-1成分體積分數(%)CH?C?H?C?HgC?HN?本文所進行研究的是：本課題針對水平鍋殼式燃氣熱水鍋爐爐膽的合理布置形式及煙箱管板的耐高溫放裂紋結構設計，設計開發一款高效、長壽命的WNS型燃氣熱水鍋爐。主要涉及成果包括WNS型燃氣鍋爐的現狀調研報告一份及高效、長壽命WNS型燃氣熱水鍋爐的結構和工藝設計方案一套。重點解決適用于WNS型燃氣熱水鍋爐的爐膽布置形式問題和煙箱管板高溫易開裂問題。燃氣鍋爐有許多優點，越來越廣泛地應用在在中小型建筑供暖工程中。鍋爐設計是鍋爐制造工作中重要的環節之一。燃氣熱水鍋爐工藝設計的基本步驟如前文所述：1、問題必須明確，并且盡可能完整和清晰。這些數據包括熱工率、允許工作壓力、給水溫度、回水溫度、燃料。在設計過程中，大多數重要的設計就是靠這點做出的。而鍋爐的基本結構，則根據個人設計、鍋爐安裝空間等確定。2、為鍋爐選擇一系列主要的暫行參數：鍋爐型號、尺寸、換熱管種類、根數及長度、二回程和三回程的出口溫度等等。3、用計算所得管束熱平衡熱量和主受熱面傳熱量相互比較得出誤差。如果誤差在允許的范圍內則計算結束。如果誤差較大則另取溫度進行計算，直到誤差在允許范圍5、進行前管板、后管板、煙室前管板、煙室后管板的厚度計算時，必須先畫圖；確定最大假想圓直徑及拉桿的最大支撐圓面積。6、進行強度計算。利用所畫圖得出的最大假想圓直徑及拉桿的最大支撐圓面積，帶入計算公式得出鍋筒、前管板、后管板、煙室前管板、煙室后管板、爐膽、拉桿的這次就開拓熱力供暖公司的鍋爐出現的問題進行研究，此次鍋爐出現的主要的問題為鍋爐回燃室內后管板，即煙氣流程中的第二回程進口處出現裂紋。造成此次事故先對鍋爐做個大體的介紹，此鍋爐為WNS型三回程供暖鍋爐，鍋爐設計出水溫度95℃,回水溫度70℃,爐膽采用波紋爐膽，管板連接方式為先預脹，后焊接的方式，圖1-4鍋爐整體圖WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計此鍋爐出現問題之前，我到其公司，曾記錄過它的運行參數，實際出水溫度為60-70℃,回水溫度40-50℃,出水壓力0.33MPa,回水壓力0.33MPa,據公司相關人員介紹，此鍋爐長期處于低負荷運行，實際運行中水溫遠遠低于設計水溫。鍋爐出現的問題主要是后煙箱管板開裂問題，具體問題見圖1-5:圖1-5后煙箱管板破裂圖WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計圖1-6后煙箱管板破裂圖近照回燃室后管板，明顯出現裂紋，還帶著水垢。造成了爐膽內部積水，如圖1-7: WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計圖1-7爐膽內部主要問題分析，在運行過程中，出水和回水的溫度太低，主要是鍋爐獲取的熱量太少，即燃燒器的火焰太小造成的，從而使煙氣側結垢創造了有利條件，結露的直接原因為壁溫因素，即受熱面壁溫低于煙氣露點溫度，如果使燃氣鍋爐受熱面的最低壁溫高于煙氣露點(大約60℃),則蒸汽不能凝結在受熱面壁面上。就不會發生腐蝕。由于水側放熱系數遠大于煙氣側放熱系數，ψ為熱有效系數，由公式K=ya,可知，壁溫受水溫和煙溫的影響，且主要是水溫。而影響鍋爐水溫度的又是熱水鍋爐的進水和出水溫度，所以要提高壁溫首先要提高鍋爐的進出水溫度。對于低溫燃氣熱水鍋爐(如出水溫度95℃,回水溫度70℃的熱水鍋爐)因水溫較低，就必須設計較高的排煙溫度。如果鍋爐使用不正確，長期低負荷運行，爐水溫度和排煙溫度都很低，其壁溫甚至低于水露點，勢必要發生低溫腐蝕，而且腐蝕特別嚴重。鍋爐運行時，盡量保證進出口水溫度。所以我設計的這臺鍋爐，工作壓力比較高，WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計主要是最大量的避免煙氣側結露。第二章燃料消耗計算WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計氣體燃料的組成成分變化范圍很大：不同種類的天然氣體燃料或人工氣體燃料，由于其氣源(氣田氣、油田氣)的產地和生成的有機質、地質環境、理化條件等不同，或由于制氣時所使用的原料(石油、煤)不同，它們的成分和特性相差很大；即使是同一種類的燃氣，由于天然氣體燃料資源分布遼闊，人工氣體燃料制氣的方式，采用的生產工藝不同.其成分和特性也并不完全相同。因此，在燃氣鍋爐設計。燃燒設備選擇和進行有關計算時，應盡可能收集有關氣源的詳細資料作為依據，認真加以核對和分析。表2-1設計參數名稱C?H?C?H?C?H??2體積百分比98.0表2-2天然氣參數名稱P?SV?V9(濕/干`P天然氣2.2理論空氣量、實際空氣量和過量空氣系數標準狀態下1m3氣體燃料按燃燒反應計量方程式完全燃燒所需要的空氣量(指于空氣)稱為氣體燃料的理論空氣量(m3/m3).氣體燃料中各單一可燃氣體的燃燒化學反CH?+2O?→CO?+2H?O反應熱(kJ/m3)最高值：39749最低值：357092C?H?+9O?→6CO?+6H?O反應熱(kJ/m3)最高值：92461;最低值：86407C?H?+5O?→3CO?+4H?O反應熱(kJ/m3)最高值：99106;最低值：910292C?H+13O?→8CO?+10H?O反應熱(kJ/m3)WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計由上面四式可以歸納出碳氫化合物的燃燒反應通式。即：當氣體燃料的組成已知時，可計算出標準狀態下氣體燃料燃燒所需要的理論空氣實際送入鍋爐的空氣量稱為實際空氣量v,其值一般都大于理論空氣量。比理論空氣量多出的這一部分空氣稱為過量空氣.實際空氣量與理論空氣量的比值稱為過量空氣系數，用α表示。過量空氣系數：燃氣鍋爐的最佳過量空氣系數a數值與燃燒室的結構、燃料油的品種有關，通常為1.03-1.10,在此選擇α=1.05,所以V=αV?=1.05×9.58333=10.06252.3燃燒產物及其計算=0.79×1.05×9.584+0.01×0WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計V?,=0.21(a-1)V?實際煙氣總體積按下式計算：=1.013+2.149+7.95+0.1006322.4燃燒溫度和煙氣焓的計算燃料和空氣送入爐內進行燃燒，它們帶入的熱量包括兩部分：2、是燃料的化學熱量(發熱值)。如果燃燒過程在絕熱條件下進行，上述兩種熱量全部用于加熱煙氣本身，則煙氣所能達到的溫度稱為熱量計溫度。標準狀態下，燃料燃燒前后的熱平衡方程式為：Qwar+Q?+Q?=I,mQ?=aV?(C?+1.20d,Cn,)t(2-12)溫度℃C?H?C?H?N?C。=(0.98×1.545+0.004×2.854+0.003×2.960+0.003×3.71+0.01×1.298)=1.5141+0.011416+0.00888+0.01113+0.01298=1.559(kJ/m3·k)Cno=1.482kJ/(m3·k);C=1.302kJ/(m3·k);Vg,Veo,Vw.,Vo?一標準狀態下1干燃氣完全燃燒后所生成的三原子氣體、V?=V?o+Vo,+V,+V?,=11.212632(2-15)C=Co=1.559(kJ/m3·k)Cv,=1.298(kJ/m3·k);C。=1.306(kJ/m3·k);1.013×1.559+2.149×1.482+7.95×1.298+0.100632×1.306=2430.26=15.21461×2430.26=2401.2WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計熱。這時在煙氣中有下列分解反應：kJkJ/m3二氧化碳和水蒸氣熱分解吸收的熱量可按下式求得：101.325KPa的干燥空氣中，氮的分壓是79.193KPa,氧的分壓是21.198KPa。Q=43.7%×1.013×12635+1=5593.274435+3042.500475=8635.8(kJ/m3)=1862.7鍋爐熱平衡方程的普遍形式為：WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計Q,=Q?+Q?+Q?+Q?+Qs+Q(2-23)鍋爐輸入熱量：Q,=Qneva+i,+Q+Q(2-25)i,氣燃料的物理顯熱Q霧化所用蒸汽帶入的熱量;WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計鍋爐總熱損失為鍋爐的熱效率為排煙損失：=6.3%氣體不完全燃燒損失由經驗數據取：機械不完全燃燒損失：由于燃料完全燃燒所以9?=0WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計q?=1.7%=8.5%=1-8.5%=91.5%燃料燃燒放出的熱量為：WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計所以單位時間消耗的燃料為：表2-4燃燒器的選取標況下天燃燒器輸出天然氣壓電源電動機額凈重操作備注然氣耗量功率力定功率方式3500-4000380V三相漸進式開啟時燃料漸進輸送，配有封門自動關閉裝置=143.3(kg/s)WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計第三章傳熱計算3.1爐膛的傳熱過程計算燃氣鍋爐的主要吸熱量是在爐膽中獲得的，一般占吸熱量的60%～70%,因此鍋爐爐膽的結構和布置是鍋殼式燃氣鍋爐設計的關鍵，主要應考慮以下問題：(1)鍋爐設計前，首先確定燃燒器型號。(2)爐膽的直徑應稍大于最大火焰直徑，爐膽的長度應大于最大火焰長度。(3)選擇了燃燒器后，根據火焰長度、火焰直徑和燃料消耗量之間的關系曲線，確定火焰直徑和火焰長度。(4)根據鍋爐的容量和尺寸確定是否需要膨脹環或波形爐膽。(5)一般燃氣鍋爐的爐膽是由平直爐膽和波形爐膽或膨脹環組成。(6)此三回程鍋殼式蒸汽鍋爐的爐膽出口溫度應控制在1000℃。…WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計圖3-1火焰長度6.)圖3-2火焰直徑根據火焰長度，火焰直徑和燃料的消耗量之間的關系曲線，火焰長度取上限，直徑取中間。確定：火焰長度：3.4m我們可以確定鍋爐爐膽長度和爐膽直徑：按GB/T16508-1996規定，平直爐膽計算長度不宜超過2m,兩端扳過時，可放至3m。故本設計采用波形爐膽。波形爐膽有利于換熱并可以提高整個爐膽的柔性，防止爐膽在較高溫度下產生較大膨脹量破壞結構的完整性，增大了輻射傳熱面積。WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計表3-1爐膛傳熱計算序號名稱符號單位公式結果1鍋爐輸入熱量Q,=Qneva2計算燃料消耗量B;m3/h熱平衡計算3保熱系數φ熱平衡計算4爐膽出口過量空氣系數選取5爐膽漏風系數選取06冷空氣溫度℃設計7冷空氣焓計算8空氣帶入爐內熱量Q9爐膽入爐熱量Q絕熱燃燒溫度℃計算絕熱燃燒絕對溫度K爐膽出口溫度θ’℃假定爐膽出口絕對溫度K火焰絕對平均溫度T?K爐膽壁溫℃爐膽絕對壁溫K爐膽出口煙焓計算輻射換熱系數C設計選取輻射有效面積計算輻射放熱量Q輻射換熱熱量H計算誤差△%3.2對流受熱面的傳熱計算序號名稱符號單位結果1螺紋管節距t2螺紋管槽深E33螺紋管的內徑d4螺紋管的根數根5螺紋管煙氣流通面積m26縱向沖刷管長度Lm7螺紋管傳熱面積m28煙氣總流通面積m29總傳熱面積H?m2表3-3二回程熱力計算序號名稱符號單位公式結果1入口煙溫v℃熱平衡計算2入口煙焓kJ/m3焓溫計算3出口煙溫℃假定4出口煙焓I”kJ/m3焓溫計算5607.2WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計56789管束出口過量空氣系數管束漏風系數冷空氣溫度冷空氣焓保熱系數管束熱平衡熱量平均煙氣溫度大端溫差小端溫差對數溫差平均煙氣流速煙氣的普朗特數煙氣的運動粘性系數煙氣導熱系數螺紋管雷諾數比值比值螺紋管(煙氣)對流換熱系數工質溫度與管壁溫差管壁溫度煙氣壓力水蒸氣體積份額三原子氣體體積份額煙氣容積Qa設計選取1.05△a設計選取0tk℃設計選取30I?kJ/m3焓溫計算424.1①熱平衡計算0.982Wm/s16.37P,查煙氣特性表0.617Vm2/s查煙氣特性表入W/m·k查煙氣特性表8.015×10-2R,W/8603.92213RdEd0.03570.0430.282R?PVH?OVpV?kW/m3℃MPaYH,o+YRO;燃燒計算m3/m3WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計三原子氣體輻射減弱系數氣體介質吸收力煙氣黑度溫度比煙氣輻射放熱系數TkW/m3℃kgps(s=0.9d)5.1×10~11a,(v,+273)3×熱有效系數總傳熱系數主受熱面傳熱量ψKkW/m3℃設計選取y(a?+a?)主受熱面傳熱誤差△%表3-4三回程結構計算序號名稱符號單位結果1光管的內徑dmm2光管的根數根3光管煙氣流通面積4縱向沖刷管長度Lm5光管傳熱面積6煙氣總流通面積7總傳熱面積H?表3-5第三回程熱力計算WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計序號名稱符號單位公式結果23456789入口煙溫入口煙焓出口煙溫出口煙焓管束出口過量空氣系數管束漏風系數冷空氣溫度冷空氣焓保熱系數管束熱平衡熱量平均煙氣溫度平均煙氣流速煙氣的普朗特數煙氣的運動粘性系數煙氣導熱系數光管雷諾數光管(煙氣)對流換熱系數工質溫度與管壁溫差管壁溫度VIφWVλR?℃kJ/m3℃kJ/m3℃kJ/m3℃m/sm2/sW/m·KkW/m3℃℃℃熱平衡計算焓溫計算假定焓溫計算設計選取設計選取設計選取焓溫計算熱平衡計算查煙氣特性表查煙氣特性表查煙氣特性表5607.22907.60424.10.9820.66228.296×10-?4.508×10-223112.80.04539煙氣壓力水蒸氣體積份額三原子氣體體積份額煙氣容積三原子氣體輻射減弱系數氣體介質吸收力煙氣黑度溫度比煙氣輻射放熱系數熱有效系數總傳熱系數主受熱面傳熱量主受熱面傳熱誤差PVH?OV?TψKQ△MPam3/m2kW/m3℃kW/m3℃kJ/m%YH,o+YRO:燃燒計算kqps(s=0.9d)5.1×1011a,(v,+273)3×設計選取y(a?+a?)0.2820.1080.0030.0440.0753.3鍋爐總熱平衡校核WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計表3-6鍋爐總熱平衡校核序號名稱符號單位公式結果1鍋爐效率η%熱平衡計算91.52鍋爐輸入熱量kg/m3Q,=Qnevar3鍋爐爐膽吸熱量Qkg/m3爐膽熱力計算4第一管束吸熱量Qkg/m3第一管束對流計算5第二管束吸熱量Q?kg/m3第二管束對流計算67管束總吸熱量計算誤差Q?kg/m3kg/m3Qn+Qm?8相對計算誤差△% 第四章鍋爐煙風阻力計算對于結構較復雜的、容量較大的鍋爐，或設置尾部受熱面和除塵裝置的工業鍋滬，由于煙風系統流動阻力較大，必須采用機械通風，借助于風機所產生的壓頭克服其全部的阻力。4.1煙風系統流動阻力計算4.1.1沿程摩擦阻力λ—沿程摩擦阻力系數；1—管道長度m;d—通道當量直徑m;o—氣流速度，m/s,按氣流平均溫度計算；p—氣體密度，kg/m3。4.1.2由于通道截面和方向變化等原因而引起的局部阻力按下式計算：WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計動壓頭(速度頭)Pa;1、動壓頭的確定p?=0.23931、沿程摩擦阻力系數氣體沿煙風通道流動或縱向沖刷受熱面管子時的摩擦阻力按上述公式計算，其阻(1)入口、出口局部阻力系數WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計4.2煙囪的阻力計算煙囪的阻力由沿程摩擦阻力和出口局部阻力組成。摩擦阻力已考慮了煙囪的錐度，其值可按下式計算：b=0.81r=0.243C?=0.38d=a=bWNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計=641.47Pa煙囪的阻力由沿程摩擦阻力和出口局部阻力組成。煙囪的阻力由沿程摩擦阻力和出口局部阻力組成。摩擦阻力已考慮了煙囪的錐度，其值可按下式計算：i煙囪內壁的平均斜度，取i=0.02W煙囪出口流速，計算煙囪流速時采用引風機處的煙氣溫度，不考慮煙囪散熱冷卻。引風機處的煙氣溫度當空氣預熱器后的煙道漏風系數1.0≤△α時，取用鍋爐的排煙溫度。引風機處的煙氣流量為： 第五章強度校核鍋爐是一種受熱的特殊壓力容器，如果元件的壁厚不足會產生破壞；另一方面，不適當地增大受壓元件的壁厚，又會浪費鋼材。因此國家統一對鍋爐受壓元件的強度計算進行管理，制訂了鍋爐受壓元件強度計算標準來規范鍋爐的強度設計，以保證鍋爐的安全。強度計算的目的是確定受壓元件的壁厚。材料均取G20。5.1鍋筒厚度計算假設厚度為l=13mm;鍋筒內直徑D=1780mm;計算壓力P=1.25MPa;基本許用應力125MPa;基本許用應力修正系數n=1;焊縫減弱系數φ,=1;理論計算厚度：附加厚度C=1.3mm;WNS10-1.25燃氣熱水鍋爐本體設計5.2煙室前管板厚度計算假設厚度為l=16mm;計算壓力P=1.25MPa;基本許用應力修正系數n=0.85;最小需要厚度：=13.82