第三章、鍋爐機(jī)組熱平衡

第三章、鍋爐機(jī)組熱平衡2/25/20241第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡第一節(jié)、鍋爐熱平衡研究鍋爐機(jī)組的熱平衡目的就在于定量計(jì)算與分析各項(xiàng)能量的大小，找出引起熱量損失的原因，提出減少損失的措施，提高鍋爐效率，降低發(fā)電成本。一．熱平衡方程輸入輸出鍋爐的能量見圖3－2，根據(jù)能量平衡原理，可以很容易的寫出鍋爐的熱平衡方程。在討論各種能量時(shí)，均以1kg燃料為基礎(chǔ)，所以其單位都為kJ／kg。2/25/20242第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡2/25/20243第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡Qr—輸入鍋爐熱量Q1—有效利用熱各項(xiàng)熱損失Q2—排煙熱損失Q3—化學(xué)未完全燃燒熱損失Q4—機(jī)械未完全燃燒熱損失Q5—散熱損失Q6—灰渣物理熱損失鍋爐鍋爐能量示意圖：2/25/20244第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡根據(jù)能量平衡原理，得：

Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6kJ/kg將式（3－71）兩邊都除以Qr乘100，則得：

q1+q2+q3+q4+q5+q6=100 %式中（i=1～6），分別表示有效利用熱或各項(xiàng)熱損失占輸入熱量的百分比。上兩式稱為鍋爐機(jī)組的熱平衡方程。由式（3－72）可得鍋爐效率即為：

％2/25/20245第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡第二節(jié)、鍋爐輸入熱量和有效利用熱量一、鍋爐輸入熱量Qr對(duì)應(yīng)于1kg燃料輸入鍋爐的熱量為：

Qr=Qar,net+ir+Qwr+Qwh，kJ/kg（3－3）式中：Qar,net—燃料的收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg；

ir—燃料物理顯熱，kJ/kg；

Qwr—外來熱源加熱空氣時(shí)帶入的熱量kJ/kg；

Qwh—霧化燃油所用蒸汽帶入的熱量，kJ/kg。式（3－3）中各項(xiàng)熱量計(jì)算如下：2/25/20246第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡1.燃料的物理顯熱

ir

設(shè)計(jì)時(shí)：ir=Cp,artr運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)：ir=Cp,ar（tr-t0）kJ/kg（3－4）式中Cp,ar—燃料的收到基比定壓熱容，kJ/（kg·℃）tr——燃料溫度，℃；t0——基準(zhǔn)溫度，取送風(fēng)機(jī)入口空氣溫度，℃。固體燃料比熱容Cp,ar為：

kJ/kg·℃）（3－76）式中Cdr—燃料干燥基比熱容(見表3-2)，kJ/（kg·℃）。2/25/20247第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡對(duì)于煤粉爐，ir數(shù)值相對(duì)較小。若燃料未用外界熱量加熱，則只有當(dāng)

時(shí)才必須計(jì)算這項(xiàng)熱量。外來熱源加熱空氣時(shí)帶入的熱量Qwr

（3－77）式中：β′—空氣預(yù)熱器入口處的過量空氣系數(shù)；

hk0—按加熱后空氣溫度計(jì)算的理論空氣的焓，kJ/kg；

hlk0—基準(zhǔn)溫度下的理論空氣焓，kJ/kg。霧化燃油所用蒸汽帶入的熱量Qzq

，kJ/kg（3－78）2/25/20248第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡式中：Gwh——霧化1kg燃油所用的蒸汽量，kg/kg；

hwh——霧化蒸汽在入口參數(shù)下的焓，kJ/kg；

hwh.o——基準(zhǔn)溫度下飽和汽的焓，kJ/kg?？山?510kJ/kg。對(duì)于燃煤鍋爐，如果燃料和空氣都沒有利用外界熱量進(jìn)行預(yù)熱，且燃煤水分Mar<％，輸入熱量Qr=Qar,net。二、鍋爐有效利用熱2/25/20249第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡第三節(jié)、鍋爐的各項(xiàng)熱損失一、固體不完全燃燒熱損失Q4固體不完全燃燒熱損失是灰中未燃燒或未燃盡的碳造成的熱損失和使用中速磨煤機(jī)時(shí)排出石子煤的熱量損失，也稱為機(jī)械未完全燃燒損失。1.運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)：，kJ/kg（3－79）2/25/202410第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡式中：33727——純碳的發(fā)熱量，kJ/kg；

Gfh、Glz、Gcjh——飛灰、爐渣和沉降灰的質(zhì)量（包括其中的殘?zhí)浚琸g/h；

Cfh、Clz、Ccjh——飛灰、爐渣和沉降灰中的含碳量，％；

B——鍋爐的燃煤量，kg/h；

Bsz——中速磨排出的石子煤量，kg/h；

——石子煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg；根據(jù)灰平衡方程，進(jìn)入爐內(nèi)燃料的總灰量應(yīng)等于飛灰、爐渣和沉降灰中灰量之和，即：將上式兩邊都除以總灰量，可得:2/25/202411第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡令（3－80）

（3－81）（3－82）則有（3－83）afh、ahz和acjh表示飛灰、爐渣和沉降灰中灰量占入爐總灰量的份額。由式（3－80）、式（3－81）和式（3－82）中解出Gfh、Glz、Gcjh，并代入式（3－7）得：2/25/202412第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡

，kJ/kg（3－84）式中：——灰（飛灰、爐渣和沉降灰）中的含碳量與燃煤灰量之比率，％。（3－85）

（3－86）

上式中涉及的afh不易測(cè)出，可由灰平衡式afh+alz+acjh=1求出，即afh=1－alz－acjh。2/25/202413第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡2.設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)影響q4的主要因素有：①燃燒方式、②燃料性質(zhì)、煤粉細(xì)度、③過量空氣系數(shù)

④爐膛型式和結(jié)構(gòu)、燃燒器設(shè)計(jì)和布置、⑤爐膛溫度（

鍋爐負(fù)荷）⑥運(yùn)行水平。

煤中灰分和水分越少、揮發(fā)分含量越多、煤粉細(xì)度越細(xì)，則q4越??；在燃料性質(zhì)相同的條件，爐膛結(jié)構(gòu)合理（有適當(dāng)?shù)母叨群腿莘e），噴燃器的結(jié)構(gòu)性能好，布置位置適當(dāng)，使氣粉有較好的混合條件和較長(zhǎng)的爐內(nèi)停留時(shí)間，則q4較小；2/25/202414第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡爐內(nèi)過量空氣系數(shù)適當(dāng)，爐膛溫度較高時(shí)，q4也較小。鍋爐負(fù)荷過高將使煤粉來不及在爐內(nèi)燒透，負(fù)荷過低則爐溫降低，都將使q4增大。固體未完全燃燒熱損失是燃煤鍋爐的主要熱損失之一，一般僅次于排煙熱損失。2/25/202415第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡二、可燃?xì)怏w未完全燃燒熱損失Q3

可燃?xì)怏w未完全燃燒熱損失是鍋爐排煙中殘留的可燃?xì)猓–O、H2、CH4等）未燃燒放熱而造成的熱損失，亦稱化學(xué)未完全燃燒熱損失。等于煙氣中各種可燃?xì)怏w的容積與其容積發(fā)熱量乘積之和。正常燃燒時(shí)q3值很小。，kJ/kg2/25/202416第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡式中：Vgy——每千克收到基燃料不完全燃燒生成的干煙氣體積（Nm3/kg），其計(jì)算方法與計(jì)算時(shí)所涉及到的Vgy相同；CO、H2、CH4—干煙氣中一氧化碳、氫氣、甲烷的容積成分；12640、10800、35820、59079——1Nm3的一氧化碳、氫氣、甲烷的發(fā)熱量，kJ/Nm3。認(rèn)為不可燃只有CO，簡(jiǎn)化后可計(jì)為：2/25/202417第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡1.設(shè)計(jì)時(shí)

q3值可按燃料種類和燃燒方式選擇：煤粉爐q3=0，燃油和燃?xì)鉅tq3=0.5%。影響q3的主要因素有：①燃料的揮發(fā)分、②爐膛過量空氣系數(shù)、③爐膛的結(jié)構(gòu)和爐內(nèi)空氣動(dòng)力工況④爐膛溫度（鍋爐負(fù)荷），⑤運(yùn)行水平。三、排煙熱損失Q2排煙熱損失是由于排煙所擁有的熱量隨煙氣排入大氣而未被利用造成的。2/25/202418第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡，kJ/kg式中：hpy——排煙焓，kJ/kg；

hlk0——冷空氣焓，kJ/kg。按下式計(jì)算：

apy——排煙處的過量空氣系數(shù)。2/25/202419第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡

排煙熱損失是鍋爐熱損失中最大的一項(xiàng)，大中型鍋爐正常運(yùn)行時(shí)的q2約為（4～8）%，影響鍋爐排煙溫度和排煙容積的因素有：①燃料的性質(zhì)；②受熱面的積灰、結(jié)渣或結(jié)垢；③爐膛出口的過量空氣系數(shù)以及煙道各處的漏風(fēng)等。當(dāng)煤中的水分和硫分較高時(shí)，為了避免或減輕尾部受熱面的低溫腐蝕，必須采用較高的排煙溫度。水分增大，使排煙容積增大。受熱面發(fā)生積灰、結(jié)渣或結(jié)垢時(shí)，煙氣與受熱面的換熱量減少，排煙溫度就會(huì)升高。因此，為了保證鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，必須適時(shí)吹灰保持受熱面的清潔。2/25/202420第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡

爐膛出口的過量空氣系數(shù)以及煙道各處的漏風(fēng)增加將增大排煙的容積。通過前面的分析可知：爐膛出口過量空氣系數(shù)對(duì)q2、q3、q4有直接的影響，如圖3－3所示。由圖可見，當(dāng)αl″增加時(shí)，q2+q3+q4先減少后增加，有一個(gè)最小值，與此最小值對(duì)應(yīng)的爐膛出口過量空氣系數(shù)稱為最佳過量空氣系數(shù)。2/25/202421第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡

2/25/202422第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡四、散熱損失Q5

（一）散熱損失

鍋爐運(yùn)行時(shí)，爐墻、金屬結(jié)構(gòu)以及鍋爐機(jī)組范圍內(nèi)的煙風(fēng)道、汽水管道和聯(lián)箱等的外表面溫度會(huì)高于周圍環(huán)境溫度，所以鍋爐會(huì)通過自然對(duì)流和輻射傳熱的方式向周圍散熱，從而形成散熱損失。1.運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)查圖3－4或按式（3－90）求額定蒸發(fā)量時(shí)的散熱損失q5,ed

：

q5,ed=5.82(Ded)－0.38

（3－98）當(dāng)鍋爐在非額定蒸發(fā)量下運(yùn)行時(shí)，實(shí)際散熱損失q5為： （3－99）2/25/202423第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡2/25/202424第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡式中Ded、D——額定蒸發(fā)量和實(shí)際蒸發(fā)量，t/h；

q5,ed——額定蒸發(fā)量時(shí)的散熱損失，%。2.設(shè)計(jì)時(shí)：散熱損失的獲得方法與運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)相同。影響散熱損失的因素：①散熱損失隨著鍋爐額定蒸發(fā)量（鍋爐容量）的增大而減?。虎阱仩t負(fù)荷；③鍋爐表面積；④水冷壁及爐膛結(jié)構(gòu)。⑤保溫及環(huán)境溫度；（二）保熱系數(shù)2/25/202425第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡保熱系數(shù)表示在煙道中煙氣放出的熱量被受熱面吸收的程度；1-φ則表示受熱面所在煙道的散熱程度：沒有空氣預(yù)熱器或空氣預(yù)熱器相對(duì)鍋爐有效利用熱很小時(shí)，保熱系數(shù)即為：2/25/202426第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡五、灰渣物理熱損失Q6

灰渣物理熱損失是指鍋爐排出的爐渣、飛灰與沉降灰所攜帶的熱量未被利用而引起的熱損失。Θh——由爐膛排出的爐渣溫度（℃）。當(dāng)不能直接測(cè)量時(shí)，固態(tài)排渣煤粉爐可取800℃；液態(tài)排渣煤粉爐可取Θh=FT+100℃（為煤灰的熔化溫度，℃；灰渣物理熱損失Q6主要取決于①燃料中灰的含量、②爐渣量、飛灰量、沉降灰量和③灰渣溫度。2/25/202427第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡固體燃料灰分的比熱（平均數(shù)據(jù)）t℃chKJ/(kg.℃)t℃chKJ/(kg.℃)t℃chKJ/(kg.℃)t℃chKJ/(kg.℃)1000.8086000.93411001.00116001.1832000.8467000.94612001.0317001.2043000.8798000.95913001.0818001.2234000.99000.97114001.12419001.2395000.91710000.98415001.15820001.2562/25/202428第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡當(dāng)燃煤的折算灰分小于10％（即）時(shí)，固態(tài)排渣煤粉爐可忽略爐渣的物理熱損失；液態(tài)排渣爐，旋風(fēng)爐可忽略飛灰的物理熱損失；對(duì)燃油及燃?xì)忮仩t：2/25/202429第三章、燃料燃燒計(jì)算和鍋爐機(jī)組熱平衡第四節(jié)、鍋爐效率及燃料消耗量