WNS44601460型燃气蒸汽锅炉设计毕业设计文档格式.docx
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②基础理论及基本技能的掌握;
③综合运用所学知识解决实际问题的能力;
③工作量的大小;
⑤写作的规范程度;
评阅教师签字:
中国矿业大学徐海学院毕业设计答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
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正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩:
答辩委员会主任签字:
学院领导小组综合评定成绩:
学院领导小组负责人:
年月日
摘要
WNS锅炉是指卧式内燃三回程锅炉,采用天然气为原料,该类型锅炉具有结构紧凑、占地面积小、节能、耐用、环保等优点,最初应用在船用锅炉上。
本设计对4tbeingreferstotheboiler,usingnaturalgasasrawmaterial,thetypeboilerareaofanareasmall,theadvantagesofenergysaving,durable,environmentalprotection,theinitialapplicationinMarineboiler.
Thedesignof4t,designparametersas:
boilerratedevaporation:
D=4.0tpartisthespecificdesign,including:
designandcalculationoffurnace,threadedpipethermalcalculation,otherpartsofthe,resistancecalculation.Thedetailedarrangement,intensitycalculationandstructurethermalefficiencycanreach87.3%,andtwoanda;
gas
1绪论
锅炉是一种把石油、煤炭或天然气等能源储藏的化学能转变成水或水蒸气的热能重要设备,同时锅炉也是国民经济中重要的供应蒸汽设备,电力、机械、冶金、化工、食品、造纸等,以及工业和民用都需要锅炉供给大量的蒸汽或热水。
各种工业的生产性质与规模不同,工业及民用采暖的规模大小也不一样,因此所需要的锅炉容量、蒸汽参数、结构、性能方面也很不相同。
我国是一个储煤量较多的国家,但燃煤工业和生活锅炉的热效率较低,仅有65%。
能源的浪费和环境的污染问题相当严重。
全国燃煤电厂排放的烟尘达1680万吨,排入大气的SO2达1310万吨,发生酸雨的频率不断增加。
近几年,国际社会中环保的呼声越来越高,许多大中城市和经济发展较快地区在环保上的要求也越来越高,再加上城市用地紧张,在这些情况下促进了燃气锅炉的研究、生产发展。
燃气锅炉具有许多燃煤锅炉难以具备的优点,如气体燃料容易着火,燃烧迅速,锅炉可以迅速点火启动;
气体燃料中的灰分和硫分含量极少,硫和氮的氧化物也比较少,大大减轻了对环境的污染,可称得上是绿色环保型燃料;
具有较高的发热值,燃烧时容易燃尽,需要的燃烧空间少,允许采用较大的热负荷,锅炉的体积小于同容量的燃煤锅炉;
输送和燃烧前后的辅助设备简单,管道运输比车辆输送清洁,也不需要燃煤时所需要的运煤、储煤、除灰等设施,大大降低了锅炉房的占地面积和基建投资;
燃气锅炉的燃料供应系统和运行系统简单,利于采用自动化控制系统对锅炉的燃烧、蒸汽和热水参数进行自动控制。
据统计,国外的一些发达国家供暖锅炉中,燃油、燃气锅炉已占相当大的比例,如俄罗斯占60%,美国占98%,日本占99%。
随着本国的发展和国际社会对环保呼声的提髙,我国燃气锅炉制造与应用必将有一个新的发展。
1.1燃气锅炉的结构
现代锅炉工业中的中小型锅炉趋向于快装化、自动化,无论是水管还是锅壳式燃油锅炉,其结构形式一般可分为立式和卧式两种。
其中立式锅炉有结构简单,安装方便,占地面积小的优点[1]。
从理论上讲,小型立式锅炉要想达到较高的热效率,必须具备特殊的燃烧器,以强化炉膛内的传热,由于温度的4次方正比于辐射换热量,而对流换热部分采用较大的换热面积,这样才能最大限度的降低第一回程的出口烟温,小功率的燃烧器不能克服太大的烟气阻力,因此无论第一回程是横向冲刷还是纵向冲刷管束都不可能釆用较高的烟速,传热效果降低,因此第二回程也不会产生较大的温降[2]。
图1-1小型立式锅炉
因此,立式锅炉排烟温度高,锅炉效率低,由于结构问题又易于损失,因此一些旧式立式锅炉已逐渐被淘汰,因此本设计选用卧式锅炉,其具有以下特点:
卧室锅壳式燃气燃油锅炉容量一般在lt。
回燃室筒体的壁厚应不大于35mm,且不应小于10mm。
采用双炉胆可减少炉胆和回燃室筒体的壁厚,当锅炉容量比较大,壁厚不能满足要求时,单炉胆的壁厚有可能超过标准要求。
我国锅炉制造厂很少采用双炉胆结构,这和锅炉制造厂的传统制造工艺有关。
湿背顺流燃烧式炉胆可以偏置,也可以轴对称布置。
因为偏置式的布置在水循环方面有一些好处,所以本设计选择偏置式的炉胆。
1.2锅壳式火管燃油燃气锅炉
燃油燃气锅炉就其本体结构而言可分为锅壳式(也称火管)锅炉、水管锅炉和浸没燃烧式加热锅炉。
锅壳式锅炉结构简单,水及蒸汽容积大,对负荷变动适应性好,对水质要求比水管锅炉低,多用于小型企业的生产工艺和生活采暖上。
水管锅炉的受热面布置方便,传热性能好,在结构上可用于大容量和高参数的工况。
但对水质和运行水平要求较高。
水火管锅炉是在锅壳式锅炉和水管锅炉的基础上发展起来的,具有两者的优点,对水质要求和水管锅炉相近。
锅壳式锅炉因为容量小、结构紧凑,一般制成快装式锅炉,容量不大的水管锅炉也可制成快装锅炉,以便于运输和现场安装。
浸没燃烧式加热锅炉不需要间壁式换热所需要的固定传热面,而是将高温烟气直接喷入液体中完成加热的方式。
浸没燃烧式加热锅炉热效率高,设备成本低,加热速度快,适合快速加热和调峰操作的情况。
本次设计的锅炉是带压卧式锅壳燃气蒸汽锅炉。
图1-4卧式湿背锅炉
所谓锅壳式锅炉,也称为火管锅炉,即以炉胆(火简)和烟管(火管)为主要受热面构成的锅炉。
其工作特征是火焰或烟气在炉胆(火筒)和烟管(火管)受热面中流动,并将热量传给炉胆或管外炉水以产生蒸汽或热水,在19世纪末期出现的船用和陆用的锅炉主要是这类锅炉。
后来船用锅炉向着大容量的水管锅炉方向发展,这种锅壳式锅炉才用船用锅炉的辅助锅炉。
随着人们对节能和环保意识的增强,现代燃油燃气祸炉也向着组装化、大型化、自动化方面发展,和早期的卧室锅壳式燃油燃气锅炉相比,现代卧室锅壳式锅炉主要在结构上进行了以下改进:
(1)由于大功率燃烧器的采用,目前卧室锅壳式锅炉接本上采用单炉胆结构,最多不超过两个炉胆,目前燃烧器的单台功率已达到29MW以上。
单台锅炉容通大大提高,卧室锅壳式燃油燃气热水锅炉的最大容量可达19MW左右,蒸汽锅炉的最大容量可达15t。
(5)水冷壁炉膛的结构应有足够的承载能力,以承受在不正常的正压燃烧情况下对炉膛的压力,避免炉膛被轻易的破坏。
(6)炉腔应有良好的密封性,以减少漏风和热损,保持燃烧的稳定性。
(7)承载结构在承压设计载荷时应具有足够的强度、刚度、稳定性及防腐性,以满足安全的要求。
(8)便于安装、运行操作、检修和淸洗内外部。
如:
门孔的开设应便于人员通过、检查等工作,链条炉排锅炉应便于拨火操作。
(9)锅炉的排污结构应利于排污,以防锅炉内水垢堆积和锅水含盐量过高。
(10)必须装有可靠的安全保护设施。
锅炉上的安全附件、自动控制装置是为了运行中发生异常情况时能够发出报警或严重时自行动作的,是保护人员和设备安全必不可少的设施,是锅炉安全的保证[7]。
2.2锅炉热平衡的计算
燃气蒸汽锅炉运算目标是确定应有的受热面,从而确保锅炉适合的效率及出力。
气体燃料燃烧中和燃烧过后产生的烟气,与固体燃料相比,有它自己的特点。
燃气蒸汽锅炉热力学运算包括下面几点:
锅炉热力平衡的计算、受热面积的研究与对流受热面热平衡运算。
目的是确保进入锅炉机组的有效利用热量,及各热损失的和保持平衡。
以此为基础,得出锅炉机组燃料耗量和热效率。
热平衡的计算应该在锅炉机组处在热工况一定下进行的。
对燃气蒸汽锅炉,通常按照标况下1m3气体燃料为标准计算。
锅炉热平衡的方程形式为:
Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6kJkg或者kJm3(2-1)
Qr——送入锅炉系统的热量,kJkg
Q1——锅炉系统的有效利用热量,kJkg
Q2——排烟热损失,kJkg
Q3——化学不完全燃烧热损失,kJkg
Q4——机械不完全燃烧热损失,kJkg
Q5——散热损失,kJkg
Q6——灰渣物理热损失,kJkg
对于气体燃料,上面热量的大小都是以1m3燃气为基础,单位是kJkg。
因为燃料含灰量相当少,Q6可以忽略不计。
此刻,气体燃料充分燃烧的时候,通常情况下不会产生固体不完全燃烧的情形,即Q4=0。
由此来说的话,针对燃气蒸汽锅炉,热平衡的方程式为:
Qr=Q1+Q2+Q3+Q5kJkg或者kJm3(2-2)
对于此类问题,当各项热量用%表示,可以轻松的推出热平衡方程式为:
q1+q2+q3+q4+q5+q6=100%
式中qi=QiQr,其中Qi为每一项热量。
式中q2——排烟的热量损失,%
q3——化学不完全燃烧热损失,%
q4——机械不完全燃烧热损失,%
q5——散热损失,%
q6——灰渣物理热损失,%
η=100-(q2+q3+q4+q5+q6)%(2-3)
锅炉的燃料消耗量为:
B=Q1ηQrkgs或m3s
式中Bj——燃料的耗量,kgs或m3s
燃料消耗量的定义为:
单位时间内实际参加燃烧产生烟气的量,对燃气锅炉来讲,B=Bj。
(1)计算参数
锅炉额定蒸发量D=4.0th
锅炉额定蒸汽压力p=1.0Mpa
给水温度20oC
冷空气温度20oC
燃烧方式室燃
设计燃料天然气
锅炉炉型锅壳式、燃气湿背三回程
天然气成分如表2-1:
表2-1天然气成分表
CH4(%)
C2H6(%)
C3H8(%)
H2S(%)
H2O(%)
CO2(%)
95.9494
0.9075
0.1367
0.0002
0.0062
3
热力计算如表2-2:
天然气成分
密度(KGNM3)
热值(KJKG)
0.7616
35160
烟气计算(过量空气系数a=1.05)
理论空气量Vko=(0.5H2+0.5CO+SUM(m+n4)CmHn+1.5H2S-O2)21=9.323m3m3
三原子气体容积Vro2=0.01(CO2+CO+SUMmCmHn+H2S)=1.012m3m3
理论氮气容积Vn2o=0.79Vko=7.36517m3m3
实际氮气容积Vn2=0.79aVko=7.73m3m3
理论水蒸汽容积VH2O=0.01(H2+H2S+H2O+SUM(m+n4)CmHn+120(dg+Vkoda))=1.99m3m3
实际水蒸汽容VH2O=0.01(H2+H2S+H2O+SUM(m+n4)CmHn+120(dg+aVkoda))=1.992m3m3
过剩氧体积Vo2=0.21(a-1)Vko=0.098
实际烟气容积Vy=Vro2+Vh2o+Vn2+Vo2=1.012+1.992+7.73+0.098=10.832m3m3
理论烟气容积Vyo=Vro2+Vh2o+Vn20=1.012+1.99+7.36517=10.36717m3m3
表2-2热力计算表
续表2-2
序号
符号
单位
计算公式或数据来源
结果
1
Qr
KJKg
燃料带入热量
Qr=Qdwy
2
q4
%
机械不完全燃烧热损失
取用(忽略不计)
q3
化学不完全燃烧热损失
0.5
4
q6
灰渣物理热损失
5
q5
散热损失
取用(参照《工业锅炉手册》)
1.5
6
bx
保温系数
Bx=1-q5(Xgl+q5)
0.98404
7
Tpy
0C
排烟温度
任务书给定
146
8
Ipy
排烟焓
查烟气焓温表
2740.466
9
tik
冷空气温度
已知给定
20
10
Iik0
冷空气焓(理论)
278.8136
11
q2
排烟热损失
q2=100(Ipy-apyIiko)Qr
6.96
12
Xgl
锅炉热效率
Xgl=100-q2-q3-q4-q5
91.04
13
Q
KJh
锅炉总换热量(标牌)
D(ibq-igs)
14
Bj
kgs
燃料消耗量
418.68Q1(3600QrXgl)
0.093485
15
B
418.68Q1(QrXgl)
336.5469
16
D
kgh
额定蒸发量
设计给定
4000
17
igs
给水焓
查水蒸汽物性表
83.86
18
ibq
饱和气焓
2785.54
19
Q1
kcalh
总换热量
Q4.2
燃烧器选择
Ecoflam燃烧器BLU4000PR
21
火焰长度
3.0m
22
火焰直径
0.75m
RH2o=Vh2oVy=0.1839
Rro2=Vro2Vy=0.093427
2.3炉膛的传热过程计算
在锅炉中,我们可以知道既有燃烧反应的化学形式,还会出现物质交换的形式,从这可以得出炉膛传热形式很多。
这些年里,电子科学的进步和深入,一些研究人员尝试数学模型解析法,得出炉膛传热过程的意义,已经有所成效。
炉膛的传热计算主要目的是:
得出炉膛出口温度以及炉膛辐射受热面(水冷壁)的吸热大小[8]。
2.3.1对流受热面传热计算
对流受热面传热的计算,可以使用校核方法。
即:
已知受热面工质的入口温度、结构特征、燃料耗量、烟气温度、漏风系数等。
需要确定的是受热面的传热量和烟气、工质的出口温度。
计算如下:
(1)假定受热面烟出口温度,运用焓温表得出烟的焓,紧接着用烟气侧热平衡方程式,得到烟气放热的大小;
(2)针对工质热平衡方程,计算得到工质出口的焓,可以用水蒸汽表,得出出口的温;
(3)当要求出工质和烟气的平均温度的时候,还有烟气及工质的平均流速;
(4)确定对流换热系数;
(5)确定辐射换热系数;
(6)得出烟气侧放热的系数大小,接着求取工质侧放热系数大小;
(7)针对实际的问题,适当选用灰污系数、有效系数;
空气预热器的系数可以用:
利用系数;
(8)确定传热系数;
(9)对于烟气及工质的进出口温度,以及相对的流向,得出最终的平均温差;
(10)按传热方程式求得受热面的传热量;
(11)如果需要测出某受热面的烟气出口温度假定合理与否,我们应该以下式来计得出以下数据:
烟气放热量、传热量误差百分数,即:
(2-4)
对防渣管不大于5%,对无减温器的过热器不大于3%,其他受热面、不大于2%时,方可确定假定烟气的出口温度对的,可以得出该部分运算应该停止。
此时,温度及焓的最终答案,可以按照热平衡方程的值为基础。
烟气焓温表计算内容如表2-3:
表2-3烟气焓温表
焓温表
oC
CN2
VN20
HN2VN20
CH2o
VH2o0
HH2oVh2oo
CRO2
VRO2
HRO2VRO2
Iyo
Vo
Iy
30
7.36517
1.99
9.323
19.11
100
1.302
958.945
1.499
298.301
1.7
1.012
172.04
1429.29
1490.82
200
1.303
1919.363
1.516
603.368
1.796
363.5104
2886.24
3010.24
300
1.31
2894.512
1.537
917.589
1.876
569.5536
4381.65
4569.51
400
1.319
3885.864
1.557
1239.372
1.943
786.5264
5911.76
6164.42
500
1.331
4901.521
1.583
1575.085
2.001
1012.506
7489.11
7807.96
600
1.344
5939.273
1.608
1919.952
2.056
1248.4032
9107.63
9494.53
700
1.357
6996.175
1.633
2274.769
2.102
1489.0568
10760.00
11215.90
800
1.369
8066.334
1.658
2639.536
2.144
1735.7824
12441.65
12967.94
900
1.382
9160.798
1.683
3014.253
2.181
1986.4548
14161.51
14759.11
1000
1.394
10267.047
1.712
3406.88
2.219
2245.628
15919.55
16588.48
1100
1.407
11399.074
1.738
3804.482
2.248
2502.4736
17706.03
18449.54
1200
1.415
12506.059
1.763
4210.044
2.273
2760.3312
19476.43
20293.59
1300
1.424
13634.403
1.788
4625.556
2.294
3017.9864
21277.95
22170.16
1400
1.436
14806.938
1.809
5039.874
2.315
3279.892
23126.70
24094.43
1500
1.444
15952.958
1.834
5474.49
2.336
3546.048
24973.50
26017.21
1600
1.453
17122.547
1.855
5906.32
2.357
3816.4544
26845.32
27965.48
1700
1.461
18292.873
6346.508
2.378
4091.1112
28730.49
29927.10
续表2-3
1800
1.47
19488.240
1.897
6795.054
2.395
4362.732
30646.03
31919.55
1900
1.474
20626.895
1.918
7251.958
2.412
4637.7936
32516.65
33868.02
2000
1.482
21830.364
1.934
7697.32
2.424
4906.176
34433.86
35863.08
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