卧式内燃锅中炉热力计算的分析与比较.doc

卧式内燃锅炉热力计算的分析与比较卧式内燃锅炉热力计算的分析与比较孙建华(江阴市尚时锅炉有限公司)摘要:通过对卧式内燃锅炉热力计算的分析与比较,笔者认为:对于粗略的估算,采用南通某一锅炉厂推荐的简易计算法是可行的;需要准确计算时,最好对炉胆采用德国计算方法,对对流受热面按经典的传热方程进行计算较为合适.关键词:卧式内燃锅炉;对流受热面;热力计算;分析与比较.为了分析各种燃油(气)锅炉之间的优缺点和设计出安全可靠又省钢材且热效率高的产品,锅炉的热力计算是很重要的一环.但遗憾的是,多年来由于历史原因和能源政策关系,我们对燃油炉传热计算的经验较少,尤其是对小型燃油(气)炉燃烧室的传热计算不够熟悉.对卧式内燃锅炉,现今小型燃油(气)炉燃烧室(炉胆)辐射传热计算方法的不准确而引起计算值与实际值的较多偏差,除去会影响炉子整体的经济布置外,且在某些情况下还会影响到炉子寿命安全.第二回程以后的对流吸热量Q和受热面H大小是受燃烧室辐射传热量大小制约的.在预先确定好炉子排烟温度和其他条件下,它们取决于燃烧室出口温度.出口烟温低,燃烧室辐射传热量Qf多,对流回程吸热量Qd就减少,所需设计的对流受热面Hd就减少,反之,出口烟温高,Qf减少,Hd增多.当计算方法不准,带来设计计算值e”偏低,而导致Qd,Hd偏小时,则锅炉实际热效率低,严重时达不到设计出力的要求.当设计计算值e”偏高,而引起Qd,Hd偏大时,又会错误的导致锅炉金属耗量增多,成本增大,锅炉整体布置困难.下面分别介绍卧式内燃锅炉炉胆和第二,三回程的热力计算:一,对炉胆的热力计算第二回程以后的传热计算,可以说我们国家有较多的经验和资料,而对于炉胆的辐射传热计算资料甚少.下面简要介绍几种方法:1.简易计算法南通某一锅炉厂将复杂的热力计算加以简化且根据自己的经验,曾推荐一种简易计算方法,该方法计算的炉膛出口烟气温度e”为;0”=【C(Ql/Hf)0.25-32/1.8上式中e”为炉膛出口烟气温度;C系数:对重油取55.3,对天然气取67.1lHf为炉膛辐射受热面积,mlQl:进入锅炉的热量,KJ/h,QI=Q/T1,Q为锅炉输出热量,KJ/hlQ=D(Ibq-IgS),D为蒸发量,Ibq为设计压力下饱和蒸汽焓,IgS给水焓;T1为以燃料低位发热值计算的锅炉热效率.用以上公式计算出炉膛出口烟气温度比较简便,而且一般情况下可以加以推广,它与按德国计算方法相比相差大约3012左右.2.德国计算方法德国计算炉膛传热的基本公式为:QI=Qwl+Qw2+Qw3+Q”=Csf81Atl+82At2+83At3+8f/Af3荨)(Tf/100)一(vv/100)】Qf=Mg(Ia-Ie”)Q1=Qf上面三式中:Q1为总辐射吸收热量Qwl,Qw2,Qw3分别为第一计算段(火焰底部段),第二计算段(火焰段),第三计算段(火焰上部段)壁面吸热量;Q”为炉胆出口烟气热量;Qf为火焰(烟气)放热量;Mg为烟气质量流量lIa为烟气绝热焓lIe”为炉膛出口烟气焓;Cs为黑体辐射系数;8为黑度;At一15为有效辐射受热面;Af为火焰面积;Tw为壁面温度;毛为火焰与烟气间辐射换热系数;Tf为火焰(烟气)平均温度.二,对流受热面的传热计算卧式内燃锅炉对流受热面主要采用纵向冲刷的烟管,其理论计算基础为纵向冲刷烟管的对流换热方程式:Q=cI(o【d+o【f)Ht/Bj上式中,cI为热有效系数,主要考虑受热面的积灰,冲刷情况对传热的影响;o【f为烟气对管壁的辐射换热系数,在第三回程中,由于烟气温度较低,辐射强度小,可忽略不计;o【d为对流换热系数l对光管o【d=0.023入(Wd/u).proC1/dlt为平均温压lW为烟气流速;入为烟气在平均温度下的导热系数;u为烟气在受热面中平均温度下的运动粘度;Pr为烟气在受热面中的平均温度下的普朗特常数;d为受热面的当量直径;Cl为受热面的相对长度修正系数,当L/d>50时,CI=1,L/d<50则查图.当然上述计算是在光管中的对流传热计算,此外南通某一锅炉厂还推荐了一种光管中传热的简化计算,其公式为:0”=tb+(0一tb)/(10.-.B)l其中B=L/【dn(Wpdn)O.2】上式中0”为烟管出口烟气温度;0.为烟管进口烟气温度;tb为介质在设计压力下的饱和温度;L为烟管长度;dn为烟管的内径;Wp为烟气的质量流速;其计算公式为Wp=(QIGy/QdW)/FlF为烟气流动截面积lQdW为燃料低位发热值;无详尽资料时,对燃油取Qdw=40600KJ/Kg,Gy=16.96Kg/Kg对燃天然气QdW=47800KJ/Kg,Gy=19.48Kg/KglGy为每公斤燃料生成的烟气质量,Gy=1一Ay/100+1.306or.vo但是上述公式的获得是对基本公式根据相似理论进行简化的结果,在简化时,考虑到大型锅炉的一些具体因素,这些因素都是一些经验性的,有些不一定适用于中小型燃油(气)锅炉,其次,上述公式中牵涉到的概念和所需参数较多,而有些参数并无确切的物理意义.根据西安交通大学的研究及实际应用,更倾向于采用德国的方法,因为该公式中采用的传热学中火焰和炉壁传热基本方程式,有着坚实的理论基础,而且所需参数较少,也易于获得,不存在某些概念理解的偏差,具有很强的工程性.为了更好的使用该公式,现将其做某些简化,由于火焰区段和辐射区段的传热性能均以辐射为主,且其传热性能相差不大,将其合并到一起,其简化传热方程如下:Qf=1.163x10HfC【(R/100)-(Tw/100)41上式中,Qf为辐射换热量;Hf为辐射受热面积;Tt为火焰平均温度;Tw为受热面温度;C为辐射换热系数;对一般小容量的工业燃油(气)锅炉的炉胆取为C=2.52.8,火焰辐射时取为C=4.0,烟气辐射时取为C-3.2.很明显,对卧式内燃锅炉C值范围较大,且结果亦相差较大,本人通过对本公司已生产的产品4t/h,6t/h,8t/h,10t/h,4.2MW,5.6MW,7.0MW锅炉火焰特性进行研究,且通过实际检测,认为对本公司这种较小的炉型C值取为2.5较为合适.德国计算方法采取火焰区段与辐射冷却区段分开计算.依据上述三式可求出炉膛出口烟温和传热量.当然,这些可以达到精确计算的目的,但是其计算方法太复杂,而且上述计算涉及到的放热系数,灰污系数以及有关系数均有相应的计算方法.火焰的平均温度按下式计算:Tf=TTf”l式中T=【0.440+0.14(0+0+0+1)】0=I+(Ta/Tv-1)/3;为炉膛出口烟气温度前苏联计算公式为Tt=Tt”【T(1-Xm)其中T=l/【(Tf”/Ta)+(Tf/Ta)+(Tf/Ta)】Xm为沿炉胆长度的最大火焰直径距离,一l6一一般可取为0.3.上述两种计算方法结果相近3.锅炉机组热力计算标准推荐公式该标准方法提供的计算油(气)炉的炉膛出口温度公式为:QI=TI/M/(5.67x10_1FIaITI)/(BjVCpy)6+1一273上述公式在WNS系列燃油(气)锅炉的设计上已取得与实测较接近的结果.有人曾对上述前苏联的热力计算公式进一步简化,得到下列卧式内燃三回程燃油(气)锅炉炉膛出口烟温简化公式如下:0=K(DBQdw/(dH)-2730为炉膛出口温度;K为系数,重油取38.9,柴油取38.5lD为锅炉蒸发量lKgld为炉胆直径lmlB为燃料消耗量,Kg/h,QdW为燃料低位发热值;H为辐射受热面积.通过比较,简化计算与实际计算的结果在第二回程相差将近50度,第三回程相差将近2030度,最终结果相差大约为l020度,而且简化计算是一种偏于保守的计算,在某些情况下,简化计算确实可以作为设计的依据.以上讨论的仅是光管的情况,实际上为减少H,必需提高c【d,一般通过提高烟速和改变烟管的结构特性.因此,大多数厂家采用螺纹烟管或增加扰流子,螺纹烟管能起到强化传热作用,其主要是加大了管内烟气流的扰动,破坏了管壁烟气的附面层,提高了边界层的烟气流动速度.早在七十年代末,八十年代初我国科研部门就作了大量的专门研究,并且取得了大量的实验数据.螺纹管内的传热系数除与Re数有关外,还跟螺纹管螺纹节距P,槽深,管径的大小di有关,且不同的Re,其计算式亦不同,根据实验结果整理如下:当Re=25000-80000时,Nu=0.973Re川(P/di)一.埘(/di).?当Re=600030000时,Nu=0.0144Re-60.(P/di)一.?.(/(1i)._.传热系数o【d=入Nu/L,式中L为管子长度,Nu为努谢尔数此外,当Re<6000时,螺纹管几乎不再起加强作用,建议按光管计算.通过实际数据比较,卧式内燃锅炉在第二回程采用螺纹烟管,其对流换热系数比光管提高了1.65倍左右,如果烟气流速更高,则换热系数提高得更为显着.通常我们在设计时,第二回程烟速一般在15m/s40m/s之间,当第二回程烟速小于l5m/s时,此时应按光管计算,而烟速大于l5m/s时,其Re亦在600030000之间,对于规格70x3.5螺纹烟管,螺纹节距44mm,槽深2mm,此时其Nu可简化为:Nu=0.01007Re”彻其对流放热系数为o【d=入Nu/L,我们在作热力计算时可直接运用此式.以上讨论了卧式内燃锅炉热力计算的各种方法,通过实例计算及比较,同时与德国标准牌锅炉的排烟温度进行比较,本人认为对于粗略的估算,采用南通某一锅炉厂推荐的简易计算法是可行的.但对于带螺纹烟管时,其结果相差较大.需要准确计算时,最好对炉胆采用德国计算方法,对对流受热面按经典的传热方程进行计算较为合适.但是,切忌不可炉胆传热计算和对流传热面的计算采用不同的计算方法,对其所选用的系数亦不宜套用其它计算方法.一l7一