大容量燃煤電站鍋爐熱力計(jì)算：原理、方法與實(shí)踐優(yōu)化一、引言1.1研究背景與意義在全球能源結(jié)構(gòu)中，煤炭作為一種重要的基礎(chǔ)能源，在發(fā)電領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。盡管近年來新能源發(fā)展迅猛，但在可預(yù)見的未來，燃煤發(fā)電仍將是許多國家電力供應(yīng)的重要組成部分。在中國，根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，燃煤發(fā)電仍占全國總發(fā)電量的60%以上，短期內(nèi)完全依賴可再生能源存在困難。這凸顯了燃煤電站在滿足當(dāng)前電力需求、保障能源穩(wěn)定供應(yīng)方面的關(guān)鍵作用。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和電力需求的持續(xù)增長，大容量燃煤電站鍋爐成為了主流。相比傳統(tǒng)小型鍋爐，大容量燃煤電站鍋爐具有更高的熱功率和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，能夠更高效地將煤炭的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。然而，這種復(fù)雜性也對其熱力計(jì)算提出了更高的要求。鍋爐熱力計(jì)算是鍋爐設(shè)計(jì)、運(yùn)行和優(yōu)化的基礎(chǔ)。通過精確的熱力計(jì)算，可以確定鍋爐的燃燒效率、傳熱特性以及蒸汽參數(shù)等關(guān)鍵性能指標(biāo)，從而確保鍋爐在安全、高效、環(huán)保的條件下運(yùn)行。具體而言，熱力計(jì)算在以下幾個(gè)方面發(fā)揮著重要作用：提高能源利用效率：準(zhǔn)確的熱力計(jì)算有助于優(yōu)化鍋爐的燃燒過程和受熱面布置，使燃料的化學(xué)能得到更充分的釋放和利用，減少能量損失，提高發(fā)電效率。例如，通過計(jì)算可以確定最佳的過量空氣系數(shù)，使燃料充分燃燒，同時(shí)避免因空氣過量導(dǎo)致的排煙熱損失增加。超超臨界機(jī)組技術(shù)通過提高蒸汽參數(shù)，使得發(fā)電效率可達(dá)45-47%，相較于傳統(tǒng)亞臨界機(jī)組僅35%左右的效率，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，這其中熱力計(jì)算起到了關(guān)鍵的支撐作用。降低環(huán)境污染：在環(huán)保要求日益嚴(yán)格的今天，控制燃煤電站鍋爐的污染物排放至關(guān)重要。熱力計(jì)算可以為優(yōu)化燃燒和煙氣處理系統(tǒng)提供依據(jù)，從而有效降低煙塵、SO?、NOx等污染物的排放。目前全國燃煤電廠100%實(shí)現(xiàn)脫硫（FGD）、脫硝（SCR）和除塵，煙塵、SO?、NOx排放濃度分別被嚴(yán)格控制在低于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3，這一成果離不開精確的熱力計(jì)算對環(huán)保設(shè)備選型和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化的指導(dǎo)。保證鍋爐安全運(yùn)行：鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行是電力生產(chǎn)的基本前提。通過熱力計(jì)算可以確定各受熱面的溫度分布和熱負(fù)荷，合理設(shè)計(jì)受熱面結(jié)構(gòu)和材料，避免因超溫、超壓等問題導(dǎo)致的安全事故。例如，通過計(jì)算爐膛內(nèi)的溫度場和熱流密度，確保爐膛水冷壁的安全工作，防止爆管等事故的發(fā)生。為鍋爐優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)：對熱力計(jì)算數(shù)據(jù)的深入分析，可以發(fā)現(xiàn)鍋爐在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中存在的問題，從而為進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)和技術(shù)改進(jìn)提供方向。通過對比不同工況下的熱力計(jì)算結(jié)果，研究人員可以探索如何進(jìn)一步提高鍋爐的性能，如改進(jìn)燃燒器設(shè)計(jì)、優(yōu)化受熱面結(jié)構(gòu)等，推動(dòng)燃煤電站鍋爐技術(shù)的不斷發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀大容量燃煤電站鍋爐熱力計(jì)算一直是能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者在計(jì)算方法、模型發(fā)展以及實(shí)際應(yīng)用等方面都取得了豐碩的成果。早期，熱力計(jì)算主要依賴于簡單的經(jīng)驗(yàn)公式和圖表，計(jì)算精度較低，適用范圍有限。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法逐漸應(yīng)用于鍋爐熱力計(jì)算領(lǐng)域，使得計(jì)算精度和效率得到了顯著提高。20世紀(jì)70年代，有限差分法、有限元法等數(shù)值計(jì)算方法開始被用于求解鍋爐內(nèi)的傳熱、流動(dòng)和燃燒問題，為鍋爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了更有力的工具。在計(jì)算方法方面，國內(nèi)外學(xué)者不斷探索創(chuàng)新。在燃料燃燒計(jì)算方面，通過改進(jìn)燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，如引入詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算燃燒過程中釋放的熱量和主要產(chǎn)物，提高了燃燒效率計(jì)算的準(zhǔn)確性。在傳熱計(jì)算中，針對不同受熱面的傳熱特性，發(fā)展了多種傳熱模型。對于爐膛內(nèi)的輻射傳熱，采用了更精確的輻射模型，如蒙特卡羅法，能夠更真實(shí)地模擬爐膛內(nèi)的輻射換熱過程，準(zhǔn)確計(jì)算爐膛內(nèi)的溫度分布和熱負(fù)荷；對于對流受熱面，通過考慮流體的湍流特性和傳熱強(qiáng)化措施，改進(jìn)了對流換熱系數(shù)的計(jì)算方法，提高了傳熱計(jì)算的精度。在模型發(fā)展方面，從最初的簡單一維模型逐漸向多維模型發(fā)展。一維模型通常將鍋爐沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向劃分為若干個(gè)計(jì)算單元，對每個(gè)單元進(jìn)行熱量平衡和傳熱計(jì)算，這種模型計(jì)算簡單，但無法準(zhǔn)確描述鍋爐內(nèi)復(fù)雜的三維流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象。隨著計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，二維和三維模型得到了廣泛應(yīng)用。二維模型可以考慮鍋爐橫截面或縱截面上的參數(shù)變化，能夠更直觀地展示鍋爐內(nèi)的溫度場、速度場和濃度場等信息；三維模型則能全面模擬鍋爐內(nèi)的三維流動(dòng)、傳熱和燃燒過程，如采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件對鍋爐內(nèi)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過求解Navier-Stokes方程、能量方程和組分輸運(yùn)方程等，得到鍋爐內(nèi)詳細(xì)的物理參數(shù)分布，為鍋爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了更全面的依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，熱力計(jì)算與鍋爐的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和優(yōu)化緊密結(jié)合。在鍋爐設(shè)計(jì)階段，通過熱力計(jì)算可以確定鍋爐的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，如爐膛尺寸、受熱面布置、燃燒器選型等，以滿足不同工況下的性能要求。在鍋爐運(yùn)行過程中，熱力計(jì)算可以實(shí)時(shí)監(jiān)測鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，如通過在線監(jiān)測鍋爐各受熱面的溫度、壓力和流量等參數(shù)，結(jié)合熱力計(jì)算模型，對鍋爐的燃燒效率、傳熱性能和蒸汽參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中存在的問題，并采取相應(yīng)的調(diào)整措施，保證鍋爐的安全、高效運(yùn)行。在鍋爐的優(yōu)化改造中，熱力計(jì)算可以為技術(shù)方案的制定提供依據(jù)，通過對不同改造方案的熱力計(jì)算和分析，評估改造效果，選擇最優(yōu)的改造方案，提高鍋爐的性能和經(jīng)濟(jì)性。近年來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，一些智能算法也開始應(yīng)用于大容量燃煤電站鍋爐熱力計(jì)算領(lǐng)域。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有強(qiáng)大的非線性映射能力，通過對大量鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，可以建立鍋爐熱力參數(shù)與運(yùn)行工況之間的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)對鍋爐熱力性能的快速預(yù)測和分析；遺傳算法則可以用于優(yōu)化鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，通過模擬自然選擇和遺傳進(jìn)化的過程，尋找最優(yōu)的參數(shù)組合，提高鍋爐的性能和效率。在國外，美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家在大容量燃煤電站鍋爐熱力計(jì)算領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國的一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)，如美國能源部國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（NETL）、巴布科克?威爾科克斯公司（B&W）等，在鍋爐燃燒理論、傳熱模型和數(shù)值模擬等方面開展了深入研究，開發(fā)了一系列先進(jìn)的計(jì)算軟件和技術(shù)，如Fluent、CFX等商業(yè)CFD軟件，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。德國的西門子、阿爾斯通等公司，在超超臨界機(jī)組技術(shù)和鍋爐優(yōu)化設(shè)計(jì)方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，通過不斷改進(jìn)熱力計(jì)算方法和模型，提高了鍋爐的效率和可靠性。日本的三菱重工、日立等企業(yè)，在鍋爐的低NOx燃燒技術(shù)和高效傳熱技術(shù)方面取得了顯著成果，其研發(fā)的鍋爐產(chǎn)品在國際市場上具有較強(qiáng)的競爭力。國內(nèi)在大容量燃煤電站鍋爐熱力計(jì)算領(lǐng)域也取得了長足的進(jìn)步。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校，以及中國電力科學(xué)研究院、東方電氣集團(tuán)等科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)，在鍋爐熱力計(jì)算理論、方法和應(yīng)用方面開展了大量的研究工作。通過自主研發(fā)和引進(jìn)吸收國外先進(jìn)技術(shù)，我國在超超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鍋爐熱力計(jì)算軟件，如中國電力科學(xué)研究院的BoilerCAD軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同類型、不同容量鍋爐的熱力計(jì)算和性能分析，為我國燃煤電站鍋爐的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。同時(shí)，國內(nèi)學(xué)者還針對我國煤炭資源特點(diǎn)和鍋爐運(yùn)行實(shí)際情況，開展了一系列針對性的研究，如針對高硫煤、高灰煤等劣質(zhì)煤的燃燒特性和污染物排放控制技術(shù)的研究，通過熱力計(jì)算優(yōu)化鍋爐的燃燒和受熱面布置，提高了鍋爐對劣質(zhì)煤的適應(yīng)性和燃燒效率，降低了污染物排放。1.3研究目的與內(nèi)容本研究旨在全面、深入地剖析大容量燃煤電站鍋爐的熱力計(jì)算，通過對其原理、方法、性能分析以及優(yōu)化策略的系統(tǒng)研究，為提高鍋爐的能源利用效率、降低環(huán)境污染、保障安全穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。具體研究內(nèi)容如下：大容量燃煤電站鍋爐熱力計(jì)算原理與方法研究：深入剖析燃料燃燒計(jì)算的原理，探究如何根據(jù)燃料的成分和燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，精確計(jì)算燃燒過程中釋放的熱量和主要產(chǎn)物。對傳熱計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)研究，分析如何依據(jù)鍋爐的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況，準(zhǔn)確計(jì)算爐膛、煙道、受熱面等關(guān)鍵部分的熱傳遞過程，確定各部分的溫度分布和熱負(fù)荷。研究蒸汽參數(shù)計(jì)算方法，根據(jù)給定的蒸汽參數(shù)和傳熱計(jì)算結(jié)果，精確確定蒸汽在汽輪機(jī)中的膨脹過程以及各段的焓降、熵降等性能參數(shù)。通過對這些計(jì)算原理和方法的深入研究，為后續(xù)的熱力性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。大容量燃煤電站鍋爐熱力性能分析：運(yùn)用建立的熱力計(jì)算模型，對不同工況下的鍋爐熱力性能進(jìn)行全面分析。研究鍋爐的燃燒效率、傳熱特性以及蒸汽參數(shù)等關(guān)鍵性能指標(biāo)在不同工況下的變化規(guī)律，分析影響這些性能指標(biāo)的因素。通過對熱力性能的深入分析，找出鍋爐在運(yùn)行過程中存在的問題和潛在的優(yōu)化空間，為提高鍋爐的運(yùn)行效率和可靠性提供依據(jù)?；跓崃τ?jì)算的鍋爐優(yōu)化策略研究：根據(jù)熱力性能分析的結(jié)果，提出針對性的鍋爐優(yōu)化策略。從燃燒調(diào)整、受熱面優(yōu)化、蒸汽參數(shù)優(yōu)化等方面入手，研究如何通過調(diào)整運(yùn)行參數(shù)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高鍋爐的能源利用效率，降低污染物排放，保證鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。例如，通過優(yōu)化燃燒器的設(shè)計(jì)和布置，改善燃料的燃燒狀況，提高燃燒效率；通過調(diào)整受熱面的布置和結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)傳熱效果，降低排煙溫度，減少熱量損失；通過優(yōu)化蒸汽參數(shù)，提高蒸汽的做功能力，提高發(fā)電效率。同時(shí)，考慮不同優(yōu)化策略之間的相互影響，尋求最佳的優(yōu)化組合方案，實(shí)現(xiàn)鍋爐性能的整體提升。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，全面、深入地開展對大容量燃煤電站鍋爐熱力計(jì)算的研究，確保研究結(jié)果的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和實(shí)用性。具體研究方法如下：文獻(xiàn)研究法：廣泛查閱國內(nèi)外關(guān)于大容量燃煤電站鍋爐熱力計(jì)算的學(xué)術(shù)期刊、會議論文、研究報(bào)告、專利文獻(xiàn)以及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等資料。通過對這些文獻(xiàn)的系統(tǒng)梳理和分析，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題，掌握已有的研究成果和技術(shù)方法，為后續(xù)的研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和研究思路。在梳理文獻(xiàn)時(shí)，特別關(guān)注國際上先進(jìn)的計(jì)算方法和模型，以及國內(nèi)針對不同煤種和鍋爐結(jié)構(gòu)的研究成果，分析其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，從而明確本研究的切入點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)。理論分析法：深入剖析大容量燃煤電站鍋爐熱力計(jì)算所涉及的基本理論，包括燃料燃燒理論、傳熱傳質(zhì)理論、流體力學(xué)理論等。對燃料燃燒計(jì)算、傳熱計(jì)算和蒸汽參數(shù)計(jì)算等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的原理和方法進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)和分析，明確各計(jì)算過程中的關(guān)鍵參數(shù)和影響因素。通過理論分析，建立完善的熱力計(jì)算理論體系，為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。在分析傳熱計(jì)算時(shí)，結(jié)合不同受熱面的傳熱特性，對各種傳熱模型進(jìn)行理論推導(dǎo)和比較，選擇最適合大容量燃煤電站鍋爐的傳熱模型，并對模型中的參數(shù)進(jìn)行理論分析和確定。數(shù)值模擬法：利用專業(yè)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，如Fluent、CFX等，對大容量燃煤電站鍋爐內(nèi)的流動(dòng)、傳熱和燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)鍋爐的實(shí)際結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況，建立三維物理模型和數(shù)學(xué)模型，設(shè)定合理的邊界條件和初始條件，通過求解相關(guān)的控制方程，得到鍋爐內(nèi)詳細(xì)的物理參數(shù)分布，如溫度場、速度場、濃度場等。通過數(shù)值模擬，可以直觀地了解鍋爐內(nèi)各種物理現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展過程，深入分析熱力性能的影響因素，為鍋爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在對爐膛內(nèi)的燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，采用詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，考慮多種燃燒反應(yīng)和中間產(chǎn)物的生成與消耗，準(zhǔn)確模擬燃料的燃燒過程和污染物的生成與排放。實(shí)驗(yàn)研究法：選取具有代表性的大容量燃煤電站鍋爐作為實(shí)驗(yàn)對象，搭建實(shí)驗(yàn)平臺，對鍋爐的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測量和監(jiān)測。在實(shí)驗(yàn)過程中，改變鍋爐的運(yùn)行工況，如負(fù)荷、燃料種類、過量空氣系數(shù)等，測量不同工況下鍋爐的燃燒效率、傳熱特性、蒸汽參數(shù)以及污染物排放等數(shù)據(jù)。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步完善熱力計(jì)算模型。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)研究還可以為鍋爐的實(shí)際運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持，為優(yōu)化運(yùn)行提供實(shí)踐依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，采用先進(jìn)的測量儀器和設(shè)備，如高精度的溫度傳感器、壓力傳感器、煙氣分析儀等，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性?；谝陨涎芯糠椒?，本研究的技術(shù)路線如下：資料收集與理論研究：通過文獻(xiàn)研究，全面收集國內(nèi)外相關(guān)資料，深入研究大容量燃煤電站鍋爐熱力計(jì)算的原理、方法和模型。對不同的計(jì)算方法和模型進(jìn)行對比分析，明確其適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)研究奠定理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬研究：根據(jù)鍋爐的實(shí)際結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況，利用CFD軟件建立數(shù)值模擬模型。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過數(shù)值模擬，分析鍋爐內(nèi)的流動(dòng)、傳熱和燃燒過程，得到各種物理參數(shù)的分布情況，研究熱力性能的影響因素。實(shí)驗(yàn)研究：選取實(shí)際的大容量燃煤電站鍋爐，進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，測量不同工況下的運(yùn)行參數(shù)。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性，對模型進(jìn)行修正和完善。結(jié)果分析與優(yōu)化策略研究：綜合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，對大容量燃煤電站鍋爐的熱力性能進(jìn)行深入分析。找出影響鍋爐熱力性能的關(guān)鍵因素，提出針對性的優(yōu)化策略，如燃燒調(diào)整、受熱面優(yōu)化、蒸汽參數(shù)優(yōu)化等。通過對不同優(yōu)化策略的模擬和分析，尋求最佳的優(yōu)化組合方案。結(jié)論與展望：對研究成果進(jìn)行總結(jié)歸納，得出關(guān)于大容量燃煤電站鍋爐熱力計(jì)算的重要結(jié)論。對研究中存在的不足進(jìn)行分析，提出未來的研究方向和展望，為該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。二、大容量燃煤電站鍋爐概述2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.1.1爐膛結(jié)構(gòu)爐膛是燃煤電站鍋爐的核心部件之一，其結(jié)構(gòu)對燃燒和傳熱過程有著至關(guān)重要的影響。爐膛的形狀和尺寸設(shè)計(jì)需綜合考慮燃料特性、鍋爐容量、燃燒方式等多方面因素。目前，大容量燃煤電站鍋爐的爐膛多采用矩形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)便于布置受熱面，且能有效組織爐內(nèi)空氣動(dòng)力場，實(shí)現(xiàn)良好的燃燒效果。例如，某600MW超臨界機(jī)組的爐膛，其寬度約為18m，深度約為16m，高度約為60m，這種尺寸的爐膛能夠?yàn)槿剂系某浞秩紵峁┳銐虻目臻g。爐膛的水冷壁布置是爐膛結(jié)構(gòu)的重要組成部分。水冷壁通常由一系列緊密排列的管子組成，沿爐膛內(nèi)壁敷設(shè)，其主要作用是吸收爐膛內(nèi)高溫火焰和煙氣的輻射熱量，使管內(nèi)的水受熱汽化，產(chǎn)生飽和蒸汽。同時(shí)，水冷壁還能保護(hù)爐墻免受高溫侵蝕，降低爐墻溫度，提高鍋爐的安全性和可靠性。水冷壁的結(jié)構(gòu)形式多樣，常見的有光管式水冷壁、膜式水冷壁和內(nèi)螺紋管水冷壁等。膜式水冷壁由于其良好的密封性和傳熱性能，在大容量燃煤電站鍋爐中得到了廣泛應(yīng)用。它是將相鄰的水冷壁管通過鰭片焊接在一起，形成一個(gè)整體的膜式結(jié)構(gòu)，不僅減少了爐膛的漏風(fēng)，提高了鍋爐的熱效率，還增強(qiáng)了水冷壁的剛性和抗腐蝕能力。爐膛的結(jié)構(gòu)對燃燒和傳熱有著顯著的影響。合理的爐膛形狀和尺寸能夠保證燃料與空氣的充分混合，使燃燒過程更加穩(wěn)定和充分，從而提高燃燒效率。例如，合適的爐膛高度可以確保燃料在爐膛內(nèi)有足夠的停留時(shí)間，充分釋放化學(xué)能；適當(dāng)?shù)臓t膛橫截面積則能保證氣流的合理速度，避免出現(xiàn)氣流短路或局部燃燒不充分的現(xiàn)象。而水冷壁的布置和結(jié)構(gòu)形式直接影響著爐膛內(nèi)的傳熱過程。膜式水冷壁的大面積敷設(shè)，增加了輻射受熱面，強(qiáng)化了爐膛內(nèi)的輻射傳熱，使水冷壁能夠更有效地吸收熱量，提高蒸汽產(chǎn)量。同時(shí)，水冷壁的良好吸熱能力也有助于降低爐膛內(nèi)的溫度水平，防止?fàn)t膛結(jié)渣和高溫腐蝕等問題的發(fā)生，保證鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。2.1.2受熱面布置大容量燃煤電站鍋爐的受熱面布置是一個(gè)復(fù)雜而關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到鍋爐的熱力性能和運(yùn)行效率。受熱面主要包括過熱器、再熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等，它們在鍋爐中各自承擔(dān)著不同的作用，相互配合，實(shí)現(xiàn)了熱能的有效傳遞和利用。過熱器的主要作用是將飽和蒸汽進(jìn)一步加熱成具有一定溫度和壓力的過熱蒸汽，以滿足汽輪機(jī)的做功要求。過熱器通常布置在爐膛出口后的煙道內(nèi)，根據(jù)其受熱方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為對流過熱器、輻射過熱器和半輻射過熱器。對流過熱器主要依靠煙氣的對流換熱來加熱蒸汽，通常由蛇形管組成，布置在煙道的對流區(qū)域；輻射過熱器則主要吸收爐膛內(nèi)高溫火焰的輻射熱量，一般布置在爐膛的上部或爐膛壁面上；半輻射過熱器既吸收輻射熱，又吸收對流熱，常見的屏式過熱器就屬于半輻射過熱器，它懸掛在爐膛出口處，既能接受爐膛的輻射熱，又能受到煙氣的沖刷。過熱器的布置位置和結(jié)構(gòu)形式會影響蒸汽的溫度和熱偏差。布置在高溫區(qū)域的過熱器，蒸汽吸收的熱量多，溫度升高快，但也容易出現(xiàn)熱偏差；而采用合理的結(jié)構(gòu)形式和連接方式，如采用多管圈結(jié)構(gòu)、中間混合和交叉連接等，可以有效減小熱偏差，保證蒸汽溫度的均勻性。再熱器的作用是將汽輪機(jī)高壓缸排出的蒸汽再次加熱到較高溫度，然后送入汽輪機(jī)中、低壓缸繼續(xù)做功，以提高機(jī)組的循環(huán)熱效率。再熱器的布置位置和結(jié)構(gòu)與過熱器有相似之處，通常也布置在煙道內(nèi)，可分為低溫再熱器和高溫再熱器。低溫再熱器一般布置在煙道的中下部，利用煙氣的余熱進(jìn)行加熱；高溫再熱器則布置在煙道的中上部，靠近爐膛出口，接受高溫?zé)煔獾臒崃俊Ｔ贌崞鞯倪\(yùn)行特性對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性有重要影響。如果再熱汽溫過低，會降低機(jī)組的熱效率；而如果再熱汽溫過高，則可能導(dǎo)致再熱器管材超溫，影響設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，需要通過合理的受熱面布置和汽溫調(diào)節(jié)手段，確保再熱汽溫在規(guī)定的范圍內(nèi)。省煤器布置在鍋爐尾部煙道內(nèi)，利用鍋爐尾部煙氣的余熱加熱給水，提高給水溫度，從而減少鍋爐的燃料消耗，提高鍋爐效率。省煤器通常由一系列水平布置的蛇形管組成，煙氣在管外橫向沖刷，水在管內(nèi)流動(dòng)。省煤器的主要作用是回收煙氣余熱，提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。隨著給水溫度的提高，進(jìn)入爐膛的水吸收的熱量減少，相應(yīng)地可以減少燃料的消耗量。省煤器還能降低排煙溫度，減少排煙熱損失，提高能源利用效率。同時(shí)，由于給水在省煤器中被加熱，減輕了水冷壁的熱負(fù)荷，有利于水冷壁的安全運(yùn)行?？諝忸A(yù)熱器安裝在鍋爐尾部煙道的最后，用于加熱燃燒所需的空氣，提高空氣溫度，強(qiáng)化燃燒過程，同時(shí)進(jìn)一步降低排煙溫度，提高鍋爐效率?？諝忸A(yù)熱器可分為管式空氣預(yù)熱器和回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。管式空氣預(yù)熱器由許多平行的鋼管組成，煙氣在管內(nèi)流動(dòng)，空氣在管外橫向沖刷；回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器則通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)煙氣和空氣之間的熱量傳遞?？諝忸A(yù)熱器對燃燒和鍋爐效率的影響顯著。預(yù)熱后的空氣進(jìn)入爐膛，能夠提高燃料的著火穩(wěn)定性和燃燒速度，使燃燒更加充分，提高燃燒效率。同時(shí)，降低排煙溫度可以減少排煙帶走的熱量，進(jìn)一步提高鍋爐的熱效率。此外，空氣預(yù)熱器還能改善鍋爐的通風(fēng)條件，為燃燒提供充足的空氣。2.1.3燃燒器設(shè)計(jì)燃燒器作為大容量燃煤電站鍋爐的關(guān)鍵設(shè)備之一，其設(shè)計(jì)直接影響著鍋爐的燃燒效果、熱效率以及污染物排放水平。燃燒器的類型、數(shù)量、安裝位置等因素相互關(guān)聯(lián)，共同決定了燃料在爐膛內(nèi)的燃燒過程和燃燒質(zhì)量。目前，大容量燃煤電站鍋爐常用的燃燒器類型主要有直流燃燒器和旋流燃燒器。直流燃燒器的出口氣流為直流射流，多個(gè)直流燃燒器通常采用四角切圓布置方式，即從爐膛的四個(gè)角將煤粉氣流和空氣以一定的角度噴入爐膛，在爐膛中心形成一個(gè)假想的切圓。這種布置方式能夠使氣流在爐膛內(nèi)形成強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)和混合，有利于燃料與空氣的充分接觸和燃燒，提高燃燒效率。某600MW機(jī)組采用的直流燃燒器，通過精確控制各角燃燒器的噴口角度和風(fēng)速，使煤粉氣流在爐膛內(nèi)形成穩(wěn)定的切圓，實(shí)現(xiàn)了良好的燃燒效果，鍋爐效率可達(dá)93%以上。旋流燃燒器的出口氣流含有旋轉(zhuǎn)射流，其旋轉(zhuǎn)方式和強(qiáng)度可以通過調(diào)節(jié)葉片角度等方式進(jìn)行控制。旋流燃燒器一般布置在爐膛的前后墻或頂部，通過產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流，使燃料和空氣在燃燒器出口附近迅速混合并著火燃燒。這種燃燒器適用于不同煤種，尤其是對揮發(fā)分較低的煤種具有較好的適應(yīng)性，能夠在較低的過量空氣系數(shù)下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，降低污染物排放。燃燒器的數(shù)量根據(jù)鍋爐的容量、爐膛尺寸以及燃料特性等因素確定。一般來說，鍋爐容量越大，所需的燃燒器數(shù)量越多，以保證燃料能夠均勻地分布在爐膛內(nèi)，實(shí)現(xiàn)充分燃燒。例如，對于一臺1000MW的超超臨界機(jī)組，通常需要布置30-40個(gè)燃燒器，以滿足其巨大的燃料供應(yīng)和燃燒需求。合理的燃燒器數(shù)量可以確保燃料在爐膛內(nèi)的均勻分布，避免出現(xiàn)局部燃燒不充分或過燃燒的現(xiàn)象。如果燃燒器數(shù)量過少，可能導(dǎo)致燃料集中在局部區(qū)域燃燒，造成火焰中心偏移、爐膛溫度不均勻等問題，影響鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行；而燃燒器數(shù)量過多，則可能增加設(shè)備投資和運(yùn)行成本，同時(shí)也會對爐膛內(nèi)的空氣動(dòng)力場產(chǎn)生不利影響。燃燒器的安裝位置對燃燒效果起著至關(guān)重要的作用。安裝位置應(yīng)確保燃料和空氣能夠迅速混合并著火燃燒，同時(shí)要避免火焰直接沖刷爐壁，防止?fàn)t墻結(jié)渣和高溫腐蝕。對于四角切圓布置的直流燃燒器，其安裝角度和高度需要精確控制，以保證切圓的直徑和位置合適，使氣流在爐膛內(nèi)形成良好的空氣動(dòng)力場。如果燃燒器的安裝角度偏差過大，可能導(dǎo)致切圓變形，氣流紊亂，影響燃燒的穩(wěn)定性和充分性；而燃燒器安裝高度不合適，則可能使火焰中心過高或過低，影響爐膛內(nèi)的溫度分布和傳熱效果。對于布置在前后墻或頂部的旋流燃燒器，其安裝位置應(yīng)考慮爐膛的形狀和尺寸，以及與其他受熱面的相對位置關(guān)系，確保燃燒器噴出的火焰能夠充滿爐膛，與空氣充分混合，實(shí)現(xiàn)高效燃燒。2.2工作原理2.2.1燃料燃燒過程燃料在爐膛內(nèi)的燃燒是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，主要包括預(yù)熱干燥、揮發(fā)分析出與著火、焦炭燃燒和燃盡等階段，每個(gè)階段都伴隨著特定的化學(xué)反應(yīng)和熱量釋放，這些過程相互關(guān)聯(lián)，共同決定了燃燒的效率和質(zhì)量。在預(yù)熱干燥階段，燃料進(jìn)入爐膛后，首先吸收爐膛內(nèi)高溫火焰和煙氣的熱量。對于固體燃料，如煤，其水分開始蒸發(fā)。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，煤中的水分被完全脫除，為后續(xù)的燃燒過程創(chuàng)造條件。這一階段主要是物理變化，雖然不涉及燃燒反應(yīng)，但對于燃料的著火和穩(wěn)定燃燒至關(guān)重要。如果燃料水分過高，會吸收大量熱量用于水分蒸發(fā)，導(dǎo)致燃料著火困難，燃燒不穩(wěn)定，同時(shí)還會增加排煙熱損失，降低鍋爐效率。隨著溫度的進(jìn)一步升高，燃料進(jìn)入揮發(fā)分析出與著火階段。煤中的揮發(fā)分開始大量析出，形成可燃?xì)怏w，如一氧化碳（CO）、氫氣（H?）、甲烷（CH?）等。這些可燃?xì)怏w與空氣中的氧氣混合，在一定溫度和濃度條件下，達(dá)到著火點(diǎn)而開始燃燒。揮發(fā)分的析出和著火是燃燒過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，揮發(fā)分含量高的燃料，著火溫度較低，著火速度快，有利于快速建立穩(wěn)定的火焰。例如，煙煤的揮發(fā)分含量相對較高，通常在20%-40%之間，其著火性能優(yōu)于揮發(fā)分含量較低的貧煤和無煙煤。在這個(gè)階段，發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)有：CH_{4}+2O_{2}\rightarrowCO_{2}+2H_{2}O2H_{2}+O_{2}\rightarrow2H_{2}O2CO+O_{2}\rightarrow2CO_{2}這些反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，釋放出大量的熱量，使?fàn)t膛內(nèi)的溫度迅速升高，為后續(xù)焦炭的燃燒提供了高溫環(huán)境。當(dāng)揮發(fā)分燃燒后，燃料中的焦炭開始燃燒。焦炭是由固定碳和灰分等組成，其燃燒速度相對較慢，是整個(gè)燃燒過程的主要階段。焦炭的燃燒是一個(gè)多相反應(yīng)，氧氣通過擴(kuò)散作用到達(dá)焦炭表面，與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在高溫下，碳與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳（CO?），當(dāng)氧氣供應(yīng)不足時(shí)，還會生成一氧化碳（CO）。主要化學(xué)反應(yīng)如下：C+O_{2}\rightarrowCO_{2}2C+O_{2}\rightarrow2COCO+O_{2}\rightarrowCO_{2}焦炭燃燒釋放出的熱量是燃料燃燒總熱量的主要來源，其燃燒的充分程度直接影響著鍋爐的燃燒效率。為了保證焦炭充分燃燒，需要提供充足的氧氣，并確保氧氣與焦炭能夠充分接觸。這就要求合理組織爐膛內(nèi)的空氣動(dòng)力場，使空氣能夠均勻地分布在爐膛內(nèi)，與燃料充分混合。在焦炭燃燒后期，剩余的少量可燃物質(zhì)繼續(xù)燃燒，直至燃盡。這個(gè)階段雖然釋放的熱量相對較少，但對于提高燃料的利用率和減少污染物排放具有重要意義。如果燃盡階段不充分，會導(dǎo)致飛灰含碳量增加，造成燃料浪費(fèi)，同時(shí)還會增加大氣污染物的排放。在整個(gè)燃燒過程中，熱量釋放過程與燃燒階段密切相關(guān)。預(yù)熱干燥階段主要是吸收熱量，為后續(xù)燃燒做準(zhǔn)備；揮發(fā)分析出與著火階段開始釋放熱量，使?fàn)t膛溫度升高；焦炭燃燒階段是熱量釋放的主要階段，釋放出大量的熱量，維持爐膛內(nèi)的高溫環(huán)境；燃盡階段繼續(xù)釋放少量熱量，確保燃料充分燃燒。燃料的燃燒效率與燃料的性質(zhì)、爐膛內(nèi)的溫度、氧氣濃度以及空氣動(dòng)力場等因素密切相關(guān)。優(yōu)質(zhì)的燃料，如發(fā)熱量高、揮發(fā)分含量適中、灰分和水分低的煤，燃燒效率更高。合適的爐膛溫度和充足的氧氣濃度能夠促進(jìn)燃料的快速燃燒，提高燃燒效率。合理的空氣動(dòng)力場則能保證燃料與空氣充分混合，使燃燒更加均勻和充分。2.2.2熱量傳遞過程大容量燃煤電站鍋爐內(nèi)的熱量傳遞過程主要包括爐膛內(nèi)的輻射傳熱以及對流受熱面的對流傳熱，這兩種傳熱方式在鍋爐運(yùn)行中相互關(guān)聯(lián)、共同作用，對鍋爐的熱力性能和運(yùn)行效率有著重要影響，而諸多因素也會對傳熱過程產(chǎn)生顯著影響。爐膛是燃料燃燒的空間，也是鍋爐內(nèi)最重要的輻射傳熱區(qū)域。在爐膛內(nèi)，高溫火焰和熾熱的煙氣以輻射的方式向周圍的水冷壁傳遞熱量。輻射傳熱的基本原理是基于物體的熱輻射特性，任何物體只要溫度高于絕對零度，都會向外發(fā)射熱輻射。在爐膛內(nèi)，火焰和煙氣的溫度高達(dá)1500-1600℃，它們發(fā)射出的熱輻射能量很強(qiáng)。水冷壁作為吸收輻射熱的主要受熱面，其表面溫度相對較低，一般在300-400℃左右。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，輻射傳熱量與物體的溫度的四次方成正比，與物體的發(fā)射率和角系數(shù)有關(guān)。因此，爐膛內(nèi)高溫火焰和煙氣與水冷壁之間存在著巨大的溫度差，使得輻射傳熱量占爐膛內(nèi)總傳熱量的絕大部分，通常可達(dá)90%以上。以某600MW超臨界機(jī)組為例，爐膛內(nèi)輻射傳熱量約占總傳熱量的92%。爐膛內(nèi)的輻射傳熱對鍋爐的運(yùn)行有著重要影響。它是水冷壁內(nèi)水吸收熱量、產(chǎn)生蒸汽的主要熱源，輻射傳熱量的大小直接影響著蒸汽的產(chǎn)量和品質(zhì)。如果輻射傳熱不足，會導(dǎo)致水冷壁吸熱量減少，蒸汽產(chǎn)量降低，甚至可能影響鍋爐的正常運(yùn)行；而如果輻射傳熱過強(qiáng)，可能會使水冷壁局部過熱，導(dǎo)致管材損壞，影響鍋爐的安全運(yùn)行。對流受熱面主要包括過熱器、再熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等，它們布置在煙道內(nèi)，主要通過對流傳熱的方式吸收煙氣的熱量。對流傳熱是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞過程，在對流受熱面中，煙氣作為熱流體，以一定的速度沖刷受熱面管束，將熱量傳遞給管束內(nèi)的工質(zhì)（蒸汽或水）。對流傳熱的強(qiáng)度主要取決于煙氣的流速、溫度、對流換熱系數(shù)以及受熱面的面積和結(jié)構(gòu)等因素。煙氣的流速越高，對流傳熱系數(shù)越大，傳熱量也就越大。但流速過高也會增加煙氣的流動(dòng)阻力，增加風(fēng)機(jī)的能耗。受熱面的結(jié)構(gòu)和布置方式也會影響對流傳熱效果，如采用鰭片管、螺旋翅片管等強(qiáng)化傳熱元件，可以增加受熱面的面積，提高對流換熱系數(shù)，增強(qiáng)傳熱效果。某電廠的一臺300MW機(jī)組，通過對省煤器進(jìn)行改造，采用鰭片管代替光管，使省煤器的對流傳熱系數(shù)提高了20%，省煤器出口水溫升高了10℃，鍋爐效率提高了1.5%。在傳熱過程中，有許多因素會影響傳熱效果。燃料的性質(zhì)對傳熱有重要影響。不同種類的燃料，其發(fā)熱量、揮發(fā)分含量、灰分等特性不同，燃燒時(shí)產(chǎn)生的火焰溫度和煙氣成分也不同，從而影響輻射傳熱和對流傳熱。例如，揮發(fā)分含量高的燃料，燃燒速度快，火焰溫度高，輻射傳熱量大；而灰分含量高的燃料，燃燒后產(chǎn)生的灰渣會在受熱面表面沉積，形成積灰，降低受熱面的傳熱系數(shù)，影響傳熱效果。鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷也會對傳熱產(chǎn)生影響。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，燃料消耗量增加，爐膛內(nèi)的溫度和煙氣量也隨之增加，輻射傳熱量和對流傳熱量都會相應(yīng)增加。但負(fù)荷過高時(shí)，可能會導(dǎo)致爐膛內(nèi)溫度過高，使水冷壁結(jié)渣，影響輻射傳熱；同時(shí)，煙氣量過大也會使對流受熱面的流速過高，增加流動(dòng)阻力，降低傳熱效果。受熱面的清潔程度同樣會影響傳熱。如果受熱面表面積灰、結(jié)渣或腐蝕，會增加傳熱熱阻，降低傳熱系數(shù)，使傳熱量減少。因此，定期對受熱面進(jìn)行吹灰、清渣等維護(hù)工作，保持受熱面的清潔，對于提高鍋爐的傳熱效率至關(guān)重要。2.2.3蒸汽產(chǎn)生與循環(huán)在大容量燃煤電站鍋爐中，水在鍋爐內(nèi)經(jīng)歷一系列復(fù)雜的物理變化過程，完成加熱、蒸發(fā)和過熱，最終產(chǎn)生具有一定壓力和溫度的蒸汽，這些蒸汽通過特定的循環(huán)方式在鍋爐和汽輪機(jī)之間循環(huán)，實(shí)現(xiàn)熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，為發(fā)電提供動(dòng)力。水首先進(jìn)入省煤器，利用鍋爐尾部煙氣的余熱進(jìn)行加熱。省煤器通常由一系列蛇形管組成，水在管內(nèi)流動(dòng)，煙氣在管外橫向沖刷。由于煙氣溫度高于水的溫度，熱量從煙氣傳遞給水，使水的溫度逐漸升高。以某600MW超臨界機(jī)組為例，給水進(jìn)入省煤器時(shí)的溫度約為240℃，經(jīng)過省煤器加熱后，水溫可升高到約300℃。省煤器的主要作用是回收煙氣余熱，提高給水溫度，減少燃料消耗，從而提高鍋爐的熱效率。同時(shí)，加熱后的給水進(jìn)入后續(xù)的蒸發(fā)受熱面時(shí)，能夠更快地吸收熱量，提高蒸汽的產(chǎn)生效率。經(jīng)過省煤器加熱后的水進(jìn)入蒸發(fā)受熱面，通常是爐膛內(nèi)的水冷壁。在水冷壁中，水吸收爐膛內(nèi)高溫火焰和煙氣的輻射熱量，開始蒸發(fā)。水冷壁由許多緊密排列的管子組成，水在管內(nèi)流動(dòng)，吸收熱量后逐漸汽化成汽水混合物。隨著受熱的繼續(xù)，汽水混合物中的蒸汽含量不斷增加，最終在水冷壁出口處形成飽和蒸汽。水冷壁內(nèi)的蒸發(fā)過程是一個(gè)復(fù)雜的兩相流過程，涉及到熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和動(dòng)量傳遞等多個(gè)方面。為了保證水冷壁的安全運(yùn)行和高效蒸發(fā)，需要合理設(shè)計(jì)水冷壁的結(jié)構(gòu)和布置方式，確保水在管內(nèi)的流速和流量均勻，避免出現(xiàn)干涸、膜態(tài)沸騰等不良現(xiàn)象。飽和蒸汽從水冷壁出口引出后，進(jìn)入過熱器。過熱器的作用是將飽和蒸汽進(jìn)一步加熱成具有一定過熱度的過熱蒸汽，以滿足汽輪機(jī)的做功要求。過熱器布置在煙道內(nèi)，根據(jù)其受熱方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為對流過熱器、輻射過熱器和半輻射過熱器。對流過熱器主要依靠煙氣的對流換熱來加熱蒸汽，輻射過熱器主要吸收爐膛內(nèi)的輻射熱量，半輻射過熱器則既吸收輻射熱又吸收對流熱。在過熱器中，蒸汽吸收熱量，溫度不斷升高，壓力基本保持不變。例如，某超臨界機(jī)組的過熱器出口蒸汽溫度可達(dá)540℃，壓力為25MPa。過熱蒸汽的溫度和壓力對汽輪機(jī)的效率和出力有著重要影響，因此需要精確控制過熱器的出口蒸汽參數(shù)，確保其滿足汽輪機(jī)的運(yùn)行要求。蒸汽的循環(huán)方式主要有自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)兩種。自然循環(huán)是依靠汽水混合物與水之間的密度差來實(shí)現(xiàn)循環(huán)的。在水冷壁中，汽水混合物的密度小于下降管中水的密度，從而形成了一個(gè)自然的循環(huán)推動(dòng)力，使汽水混合物向上流動(dòng)，水則通過下降管向下流動(dòng)，形成循環(huán)回路。自然循環(huán)具有系統(tǒng)簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，但它對鍋爐的高度和結(jié)構(gòu)有一定要求，且循環(huán)倍率有限，不適用于高參數(shù)、大容量的鍋爐。強(qiáng)制循環(huán)則是借助循環(huán)泵的作用來推動(dòng)工質(zhì)循環(huán)。在強(qiáng)制循環(huán)鍋爐中，循環(huán)泵提供的壓力克服了工質(zhì)在循環(huán)回路中的流動(dòng)阻力，使工質(zhì)能夠更快速、穩(wěn)定地循環(huán)。強(qiáng)制循環(huán)適用于各種參數(shù)和容量的鍋爐，尤其在超臨界和超超臨界機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。它能夠保證在不同負(fù)荷下都有足夠的工質(zhì)流量和流速，確保受熱面的安全冷卻和高效傳熱，提高了鍋爐的運(yùn)行靈活性和可靠性。三、鍋爐熱力計(jì)算原理及方法3.1基本原理3.1.1能量守恒定律能量守恒定律是自然界的基本定律之一，其在大容量燃煤電站鍋爐熱力計(jì)算中發(fā)揮著核心作用，為確定鍋爐各部分的熱量傳遞和能量轉(zhuǎn)換提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。在鍋爐運(yùn)行過程中，能量守恒定律體現(xiàn)為輸入鍋爐的能量等于輸出鍋爐的能量與鍋爐內(nèi)部能量變化之和。輸入能量主要來源于燃料的化學(xué)能，當(dāng)燃料在爐膛內(nèi)燃燒時(shí)，化學(xué)能被釋放出來轉(zhuǎn)化為熱能。以煤為例，煤中主要可燃成分碳、氫、硫等與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量熱量。其中，碳燃燒生成二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)為C+O_{2}\rightarrowCO_{2}，每千克碳完全燃燒大約釋放32700kJ的熱量；氫燃燒生成水的化學(xué)反應(yīng)為2H_{2}+O_{2}\rightarrow2H_{2}O，每千克氫完全燃燒釋放的熱量高達(dá)120370kJ。這些熱量是鍋爐運(yùn)行的主要能量來源。輸出能量則包括蒸汽攜帶的熱能、煙氣帶走的熱量以及鍋爐的散熱損失等。蒸汽作為鍋爐的主要輸出產(chǎn)物，其攜帶的熱能用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。蒸汽攜帶的熱能可通過蒸汽的焓值來計(jì)算，焓是一個(gè)熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)，與蒸汽的壓力和溫度密切相關(guān)。在某600MW超臨界機(jī)組中，過熱器出口蒸汽壓力為25MPa，溫度為540^{\circ}C，此時(shí)蒸汽的焓值約為3470kJ/kg。通過計(jì)算蒸汽的質(zhì)量流量與焓值的乘積，即可得到蒸汽攜帶的熱能。煙氣帶走的熱量也是輸出能量的重要組成部分。煙氣在離開鍋爐時(shí)，仍然具有一定的溫度和焓值，這部分熱量如果不能有效利用，就會造成能量的浪費(fèi)。以某臺300MW機(jī)組為例，在額定工況下，排煙溫度為130^{\circ}C，此時(shí)煙氣的焓值約為400kJ/kg。通過測量煙氣的流量和焓值，可以計(jì)算出煙氣帶走的熱量。鍋爐的散熱損失是不可避免的，它主要是由于鍋爐表面與周圍環(huán)境之間的溫差，導(dǎo)致熱量以對流和輻射的方式散失到空氣中。散熱損失的大小與鍋爐的保溫性能、表面積以及環(huán)境溫度等因素有關(guān)。一般來說，通過采用優(yōu)質(zhì)的保溫材料和合理的保溫結(jié)構(gòu)，可以有效降低散熱損失。在實(shí)際熱力計(jì)算中，通過建立能量平衡方程，可以精確計(jì)算各部分的熱量。對于爐膛，能量平衡方程可表示為：Q_{in}=Q_{out}+Q_{loss}，其中Q_{in}為燃料燃燒釋放的熱量，Q_{out}為蒸汽吸收的熱量和煙氣帶走的熱量之和，Q_{loss}為爐膛的散熱損失。通過求解這個(gè)方程，可以確定爐膛內(nèi)的熱量分配情況，進(jìn)而為爐膛的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供重要依據(jù)。對于對流受熱面，能量平衡方程則可表示為：Q_{gas}=Q_{steam}+Q_{loss}，其中Q_{gas}為煙氣傳遞給受熱面的熱量，Q_{steam}為蒸汽吸收的熱量，Q_{loss}為受熱面的散熱損失。通過對這些能量平衡方程的求解，可以全面了解鍋爐內(nèi)的熱量傳遞過程，為優(yōu)化鍋爐的性能提供有力支持。3.1.2傳熱學(xué)基本理論傳熱學(xué)基本理論是理解大容量燃煤電站鍋爐內(nèi)熱量傳遞過程的關(guān)鍵，它主要包括導(dǎo)熱、對流、輻射傳熱的基本定律，這些定律在鍋爐傳熱計(jì)算中有著廣泛而重要的應(yīng)用，對鍋爐的熱力性能和運(yùn)行效率有著深遠(yuǎn)影響。導(dǎo)熱是指物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間，由于溫度差而引起的熱能傳遞現(xiàn)象。在鍋爐中，導(dǎo)熱主要發(fā)生在受熱面的金屬管壁內(nèi)。根據(jù)傅里葉定律，導(dǎo)熱的熱流量與溫度梯度成正比，與導(dǎo)熱系數(shù)成反比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為q=-??\frac{dT}{dx}，其中q為熱流密度，??為導(dǎo)熱系數(shù)，\frac{dT}{dx}為溫度梯度。不同的金屬材料具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，例如，碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)在40-60W/(m?·K)之間，而不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低，約為15-25W/(m?·K)。在鍋爐受熱面的設(shè)計(jì)中，需要選擇導(dǎo)熱性能良好的材料，以減少導(dǎo)熱熱阻，提高傳熱效率。同時(shí)，通過合理設(shè)計(jì)受熱面的厚度和結(jié)構(gòu)，也可以優(yōu)化導(dǎo)熱過程，確保熱量能夠快速、有效地傳遞給工質(zhì)。對流是指流體（液體或氣體）中，由于溫度差引起的密度差異，導(dǎo)致流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的過程。在鍋爐中，對流主要發(fā)生在煙氣與受熱面之間以及工質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)的過程中。對流換熱系數(shù)是衡量對流換熱強(qiáng)度的重要參數(shù)，它與流體的流速、溫度、物性以及受熱面的形狀和布置等因素密切相關(guān)。根據(jù)牛頓冷卻公式，對流換熱量Q=hA??T，其中h為對流換熱系數(shù)，A為換熱面積，??T為流體與壁面之間的溫差。在鍋爐運(yùn)行中，通過提高煙氣流速和工質(zhì)流速，可以增加對流換熱系數(shù)，從而強(qiáng)化傳熱。某電廠通過對省煤器進(jìn)行改造，將煙氣流速提高了20\%，使得省煤器的對流換熱系數(shù)提高了15\%，省煤器的吸熱量增加了10\%，有效提高了鍋爐的熱效率。輻射傳熱是指物體通過電磁波的形式向外發(fā)射能量，從而實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的過程。在鍋爐的爐膛內(nèi)，高溫火焰和煙氣與水冷壁之間的熱量傳遞主要通過輻射傳熱方式進(jìn)行。輻射傳熱的強(qiáng)度與物體的溫度的四次方成正比，與物體的發(fā)射率和角系數(shù)有關(guān)。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，輻射傳熱量Q=??A?μ(T_{1}^{4}-T_{2}^{4})，其中??為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，A為輻射換熱面積，?μ為物體的發(fā)射率，T_{1}和T_{2}分別為高溫物體和低溫物體的溫度。在爐膛內(nèi)，火焰和煙氣的溫度高達(dá)1500-1600^{\circ}C，它們與水冷壁之間存在著巨大的溫度差，使得輻射傳熱量占爐膛內(nèi)總傳熱量的絕大部分，通常可達(dá)90\%以上。因此，在爐膛設(shè)計(jì)中，需要合理布置水冷壁的位置和面積，以充分利用輻射傳熱，提高水冷壁的吸熱量，保證鍋爐的正常運(yùn)行。在鍋爐傳熱計(jì)算中，通常需要綜合考慮導(dǎo)熱、對流和輻射三種傳熱方式的相互作用。在對流受熱面中，煙氣與受熱面之間既有對流換熱，也有輻射換熱，需要根據(jù)具體情況確定兩種傳熱方式的比例，并進(jìn)行綜合計(jì)算。在爐膛內(nèi)，雖然輻射傳熱占主導(dǎo)地位，但對流換熱和導(dǎo)熱也會對傳熱過程產(chǎn)生一定的影響，需要在計(jì)算中加以考慮。通過準(zhǔn)確應(yīng)用傳熱學(xué)基本理論，對鍋爐內(nèi)的傳熱過程進(jìn)行精確計(jì)算和分析，可以為鍋爐的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，提高鍋爐的能源利用效率，降低運(yùn)行成本。3.1.3燃燒理論基礎(chǔ)燃燒理論基礎(chǔ)是研究大容量燃煤電站鍋爐燃料燃燒過程的重要依據(jù)，它涵蓋了燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)式、燃燒熱的計(jì)算以及燃燒效率的影響因素等方面，這些內(nèi)容對于優(yōu)化鍋爐燃燒過程、提高能源利用效率和降低污染物排放具有關(guān)鍵作用。燃料燃燒是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，不同的燃料具有不同的化學(xué)反應(yīng)式。以煤炭為例，其主要可燃成分是碳（C）、氫（H）和硫（S），它們在燃燒過程中與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。碳的完全燃燒反應(yīng)式為C+O_{2}\rightarrowCO_{2}，不完全燃燒時(shí)會生成一氧化碳（CO），反應(yīng)式為2C+O_{2}\rightarrow2CO；氫的燃燒反應(yīng)式為2H_{2}+O_{2}\rightarrow2H_{2}O；硫的燃燒反應(yīng)式為S+O_{2}\rightarrowSO_{2}。這些化學(xué)反應(yīng)式不僅描述了燃燒過程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，還反映了能量的釋放。了解這些化學(xué)反應(yīng)式是進(jìn)行燃燒計(jì)算和分析的基礎(chǔ)。燃燒熱是指單位質(zhì)量或單位物質(zhì)的量的燃料完全燃燒時(shí)所釋放出的熱量，它是衡量燃料能量含量的重要指標(biāo)。燃燒熱的計(jì)算方法有多種，常用的是基于化學(xué)反應(yīng)熱的計(jì)算方法。對于煤炭等固體燃料，其燃燒熱可以通過元素分析數(shù)據(jù)，利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。例如，根據(jù)門捷列夫公式，煤炭的低位發(fā)熱量Q_{net,ar}（kJ/kg）可以通過以下公式計(jì)算：Q_{net,ar}=339C_{ar}+1030H_{ar}-109(O_{ar}-S_{ar})-25M_{ar}，其中C_{ar}、H_{ar}、O_{ar}、S_{ar}、M_{ar}分別為煤中碳、氫、氧、硫、水分的收到基質(zhì)量分?jǐn)?shù)。準(zhǔn)確計(jì)算燃燒熱對于確定燃料的能量價(jià)值、評估鍋爐的熱效率以及優(yōu)化燃燒過程具有重要意義。燃燒效率是衡量燃料在鍋爐內(nèi)燃燒充分程度的指標(biāo)，它直接影響著鍋爐的能源利用效率和污染物排放水平。燃燒效率受到多種因素的影響，燃料特性是一個(gè)重要因素。不同種類的燃料，其揮發(fā)分含量、固定碳含量、灰分和水分等特性不同，燃燒性能也會有很大差異。揮發(fā)分含量高的燃料，著火溫度低，燃燒速度快，燃燒效率相對較高；而灰分和水分含量高的燃料，會降低燃料的發(fā)熱量，增加燃燒難度，降低燃燒效率。某電廠在使用高揮發(fā)分的煙煤時(shí)，燃燒效率可達(dá)95\%以上，而在使用灰分較高的劣質(zhì)煤時(shí)，燃燒效率下降到85\%左右。過量空氣系數(shù)對燃燒效率也有著顯著影響。過量空氣系數(shù)是指實(shí)際供給的空氣量與理論空氣量的比值。當(dāng)過量空氣系數(shù)過小時(shí)，燃料無法與足夠的氧氣充分混合，導(dǎo)致燃燒不完全，燃燒效率降低，同時(shí)會產(chǎn)生大量的一氧化碳等污染物；而過量空氣系數(shù)過大時(shí)，雖然燃料能夠充分燃燒，但會引入過多的冷空氣，降低爐膛溫度，增加排煙熱損失，也會降低燃燒效率。一般來說，對于大容量燃煤電站鍋爐，合適的過量空氣系數(shù)在1.1-1.2之間。燃燒溫度是影響燃燒效率的另一個(gè)重要因素。較高的燃燒溫度可以加快燃燒反應(yīng)速度，使燃料更充分地燃燒，提高燃燒效率。但燃燒溫度過高會導(dǎo)致氮氧化物（NOx）等污染物的生成量增加，對環(huán)境造成不利影響。因此，需要在保證燃燒效率的前提下，合理控制燃燒溫度，通過優(yōu)化燃燒器設(shè)計(jì)、調(diào)整配風(fēng)方式等措施，實(shí)現(xiàn)高效低污染燃燒。燃料與空氣的混合程度同樣會影響燃燒效率。良好的混合能夠使燃料與氧氣充分接觸，促進(jìn)燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。在鍋爐設(shè)計(jì)中，通常采用合理的燃燒器結(jié)構(gòu)和布置方式，以及優(yōu)化的配風(fēng)系統(tǒng)，來提高燃料與空氣的混合效果，從而提高燃燒效率。例如，采用旋流燃燒器可以使燃料和空氣在燃燒器出口附近形成強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)和混合，增強(qiáng)燃燒效果。3.2計(jì)算方法3.2.1燃料燃燒計(jì)算燃料燃燒計(jì)算是鍋爐熱力計(jì)算的重要基礎(chǔ)，其目的在于精確確定燃燒過程中所需的空氣量、產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物量以及釋放的燃燒熱，為后續(xù)的傳熱計(jì)算和系統(tǒng)性能評估提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。計(jì)算過程依據(jù)燃料的成分分析數(shù)據(jù)，結(jié)合燃燒反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量關(guān)系展開。對于固體燃料，如煤，其成分通常以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示，涵蓋碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）以及水分（M）和灰分（A）等。以某典型煙煤為例，其成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可能為：C58%、H4%、O8%、N1%、S1%、M10%、A18%。依據(jù)這些成分?jǐn)?shù)據(jù)，結(jié)合燃燒反應(yīng)的化學(xué)方程式，可計(jì)算出理論空氣量。例如，碳完全燃燒的化學(xué)方程式為C+O_{2}\rightarrowCO_{2}，根據(jù)化學(xué)計(jì)量關(guān)系，12kg碳完全燃燒需要22.4Nm3氧氣。每千克碳完全燃燒時(shí)需要1.866Nm3氧氣，并產(chǎn)生1.866Nm3二氧化碳。同理，氫的完全燃燒反應(yīng)方程式為2H_{2}+O_{2}\rightarrow2H_{2}O，每千克氫完全燃燒時(shí)需要5.55Nm3氧氣，并產(chǎn)生11.1Nm3水蒸汽；硫的完全燃燒反應(yīng)方程式為S+O_{2}=SO_{2}，每千克硫完全燃燒時(shí)，需要0.7Nm3氧氣，并產(chǎn)生0.7Nm3二氧化硫。考慮到燃料中本身含有的氧，通過綜合計(jì)算可得每千克應(yīng)用基燃料完全燃燒所需外界供應(yīng)的理論氧氣量為：V_{O_{2}}^{0}=\frac{1.866C_{ar}+5.55H_{ar}+0.7S_{ar}-0.7O_{ar}}{100}（Nm3/kg）。已知空氣中氧的體積百分比為21%，所以1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量為V_{k}^{0}=\frac{V_{O_{2}}^{0}}{0.21}（Nm3/kg）。在實(shí)際燃燒過程中，為確保燃料充分燃燒，實(shí)際供給的空氣量通常大于理論空氣量，實(shí)際空氣量V_{k}與理論空氣量V_{k}^{0}之比稱為過量空氣系數(shù)\alpha，即\alpha=\frac{V_{k}}{V_{k}^{0}}，實(shí)際空氣量V_{k}=\alphaV_{k}^{0}。對于上述典型煙煤，若過量空氣系數(shù)\alpha取1.2，經(jīng)計(jì)算可得理論空氣量V_{k}^{0}約為6.5Nm3/kg，實(shí)際空氣量V_{k}約為7.8Nm3/kg。燃燒產(chǎn)物生成量的計(jì)算同樣基于燃燒反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量關(guān)系。在計(jì)算時(shí)，需考慮燃料中各元素燃燒后生成的相應(yīng)氣體，以及空氣中氮?dú)獾暮?。例如，碳燃燒生成二氧化碳，氫燃燒生成水蒸氣，硫燃燒生成二氧化硫，而空氣中的氮?dú)庠谌紵^程中不參與反應(yīng)，直接進(jìn)入燃燒產(chǎn)物。以1kg上述典型煙煤為例，燃燒后生成的二氧化碳量約為1.7Nm3，水蒸氣量約為0.4Nm3，二氧化硫量約為0.01Nm3，氮?dú)饬考s為5.0Nm3（來自理論空氣量中的氮?dú)庖约叭剂现械牡?，燃燒產(chǎn)物總量約為7.11Nm3。燃燒熱的計(jì)算方法主要有實(shí)驗(yàn)測定和理論計(jì)算兩種。實(shí)驗(yàn)測定通常采用氧彈式熱量計(jì)，將燃料在過量氧氣中完全燃燒，通過測量燃燒前后量熱系統(tǒng)的溫度升高值，并對點(diǎn)火熱等附加熱進(jìn)行校正，從而計(jì)算出燃料的發(fā)熱量。理論計(jì)算則基于燃料的元素分析數(shù)據(jù)，利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。如常用的門捷列夫公式，煤炭的低位發(fā)熱量Q_{net,ar}（kJ/kg）可以通過以下公式計(jì)算：Q_{net,ar}=339C_{ar}+1030H_{ar}-109(O_{ar}-S_{ar})-25M_{ar}。對于上述典型煙煤，經(jīng)計(jì)算其低位發(fā)熱量Q_{net,ar}約為21000kJ/kg。此低位發(fā)熱量數(shù)據(jù)在鍋爐熱力計(jì)算中至關(guān)重要，它直接關(guān)系到鍋爐的能量輸入，是后續(xù)計(jì)算鍋爐熱效率、燃料消耗量等性能指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過精確計(jì)算燃料燃燒過程中的各項(xiàng)參數(shù)，為鍋爐的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和優(yōu)化提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，有助于提高鍋爐的能源利用效率，降低運(yùn)行成本。3.2.2傳熱計(jì)算傳熱計(jì)算在大容量燃煤電站鍋爐的設(shè)計(jì)與運(yùn)行中占據(jù)著核心地位，其精準(zhǔn)度直接關(guān)乎鍋爐的熱力性能和運(yùn)行效率。爐膛、對流受熱面以及屏式受熱面等作為鍋爐中熱量傳遞的關(guān)鍵部位，各自擁有獨(dú)特的傳熱特性，需要運(yùn)用專門的公式和方法進(jìn)行深入計(jì)算。爐膛內(nèi)的傳熱過程主要以輻射傳熱為主，同時(shí)伴有一定的對流換熱。在計(jì)算爐膛輻射傳熱時(shí)，常用的方法是基于斯蒂芬-玻爾茲曼定律，將爐膛內(nèi)的火焰和水冷壁視為兩個(gè)相互輻射的表面。輻射傳熱量Q_{f}可表示為Q_{f}=\sigma_{0}\alpha_{s}A_{f}(T_{hy}^{4}-T_^{4})，其中\(zhòng)sigma_{0}為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，取值為5.67??10^{-8}W/(m^{2}?·K^{4})；\alpha_{s}為系統(tǒng)黑度，它與火焰黑度\alpha_{hy}和水冷壁黑度\alpha_相關(guān)，一般通過經(jīng)驗(yàn)公式或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)確定；A_{f}為輻射受熱面積，即水冷壁的表面積；T_{hy}為火焰平均溫度，T_為水冷壁壁面平均溫度。火焰平均溫度的確定較為復(fù)雜，通常需要考慮燃料特性、燃燒方式、過量空氣系數(shù)等因素，可通過經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)值模擬方法進(jìn)行估算。某600MW超臨界機(jī)組的爐膛，其水冷壁面積A_{f}約為5000m2，系統(tǒng)黑度\alpha_{s}經(jīng)計(jì)算約為0.8，火焰平均溫度T_{hy}約為1500K，水冷壁壁面平均溫度T_約為400K，代入公式可得輻射傳熱量Q_{f}約為5.67??10^{-8}??0.8??5000??(1500^{4}-400^{4})\approx1.2??10^{9}W。爐膛內(nèi)的對流換熱量相對較小，一般可通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，對流換熱量Q_eiymiei與煙氣流速w、對流換熱系數(shù)h_gyuiowc以及受熱面積A_msgsswi等因素有關(guān)，即Q_ckqyauq=h_awcoawiA_qymqgce(T_{y}-T_)，其中T_{y}為煙氣平均溫度。在實(shí)際計(jì)算中，通常將輻射傳熱量和對流換熱量相加，得到爐膛內(nèi)的總傳熱量Q_{l}=Q_{f}+Q_qqusecy。對流受熱面的傳熱計(jì)算主要依據(jù)對流換熱原理，通過牛頓冷卻公式進(jìn)行計(jì)算。對流換熱量Q可表示為Q=hA??T，其中h為對流換熱系數(shù)，A為對流受熱面積，\DeltaT為煙氣與工質(zhì)之間的平均溫差。對流換熱系數(shù)h的確定較為關(guān)鍵，它受到煙氣流速、管徑、管束排列方式、工質(zhì)物性等多種因素的影響。對于順列管束，可采用經(jīng)驗(yàn)公式如齊德-泰特公式進(jìn)行計(jì)算：Nu=0.023Re^{0.8}Pr^{n}，其中Nu為努塞爾數(shù)，Re為雷諾數(shù)，Pr為普朗特?cái)?shù)，n為與工質(zhì)狀態(tài)有關(guān)的指數(shù)。通過Nu可計(jì)算出對流換熱系數(shù)h=\frac{\lambda}auiyigkNu，其中\(zhòng)lambda為工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，d為管徑。以某鍋爐的對流過熱器為例，其煙氣流速w為10m/s，管徑d為38mm，管束為順列布置，經(jīng)計(jì)算雷諾數(shù)Re約為1??10^{5}，普朗特?cái)?shù)Pr約為0.7，根據(jù)齊德-泰特公式計(jì)算得到努塞爾數(shù)Nu約為400，工質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)\lambda約為0.05W/(m?K)，則對流換熱系數(shù)h=\frac{0.05}{0.038}??400\approx526W/(m^{2}?·K)。該對流過熱器的受熱面積A為2000m2，煙氣與蒸汽的平均溫差\DeltaT為300K，代入對流換熱量公式可得Q=526??2000??300=3.156??10^{8}W。屏式受熱面兼具輻射和對流兩種傳熱方式，其傳熱計(jì)算相對復(fù)雜。屏式受熱面的輻射傳熱量計(jì)算與爐膛輻射傳熱類似，但需考慮屏間輻射的影響，通常采用修正系數(shù)來考慮這一因素。屏式受熱面的對流換熱量計(jì)算方法與對流受熱面相似，但由于屏式受熱面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，煙氣流經(jīng)時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)更為復(fù)雜，對流換熱系數(shù)的計(jì)算需要考慮更多因素，如屏的節(jié)距、煙氣在屏間的流動(dòng)阻力等。在實(shí)際計(jì)算中，一般將屏式受熱面的輻射傳熱量和對流換熱量分別計(jì)算后相加，得到屏式受熱面的總傳熱量。某鍋爐的屏式過熱器，其輻射傳熱量經(jīng)計(jì)算約為8??10^{8}W，對流傳熱量約為2??10^{8}W，則總傳熱量為1??10^{9}W。在傳熱計(jì)算過程中，準(zhǔn)確確定各項(xiàng)參數(shù)至關(guān)重要。煙氣流速可通過煙道截面積和煙氣流量計(jì)算得到；工質(zhì)物性參數(shù)如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等可根據(jù)工質(zhì)的溫度和壓力，查閱相關(guān)的物性圖表或利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出；受熱面積則根據(jù)鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行計(jì)算。通過精確的傳熱計(jì)算，能夠準(zhǔn)確掌握鍋爐各受熱面的傳熱量，為鍋爐的設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)行調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)，有助于提高鍋爐的傳熱效率，降低能源消耗，保障鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。3.2.3蒸汽參數(shù)計(jì)算蒸汽參數(shù)計(jì)算在大容量燃煤電站鍋爐的熱力計(jì)算體系中扮演著舉足輕重的角色，它緊密依托傳熱計(jì)算的結(jié)果，旨在精準(zhǔn)確定蒸汽的壓力、溫度、焓值等關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)對于評估鍋爐的性能以及保障汽輪機(jī)的高效穩(wěn)定運(yùn)行起著決定性作用。蒸汽壓力的確定與鍋爐的工作壓力密切相關(guān)，通常在鍋爐設(shè)計(jì)階段就已明確。在實(shí)際運(yùn)行中，蒸汽壓力會受到多種因素的影響，如燃料燃燒的穩(wěn)定性、給水量的變化、汽輪機(jī)的負(fù)荷調(diào)整等。一般來說，鍋爐的蒸汽壓力通過壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過調(diào)節(jié)燃料供應(yīng)量和給水量來維持在設(shè)定的范圍內(nèi)。以某600MW超臨界機(jī)組為例，其設(shè)計(jì)蒸汽壓力為25MPa，在正常運(yùn)行時(shí)，通過精確控制燃燒過程和汽水系統(tǒng)，可將蒸汽壓力穩(wěn)定控制在25±0.5MPa的范圍內(nèi)。當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷增加時(shí)，需要更多的蒸汽做功，此時(shí)鍋爐會相應(yīng)增加燃料供應(yīng)量，使燃燒更加劇烈，產(chǎn)生更多的蒸汽，從而維持蒸汽壓力的穩(wěn)定。反之，當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷降低時(shí)，鍋爐會減少燃料供應(yīng)量，降低蒸汽產(chǎn)量，以防止蒸汽壓力過高。蒸汽溫度的計(jì)算較為復(fù)雜，它與鍋爐的受熱面布置、傳熱特性以及蒸汽流量等因素密切相關(guān)。對于過熱器，蒸汽溫度的計(jì)算通常基于傳熱方程和能量守恒定律。過熱器吸收的熱量等于蒸汽焓值的增加，即Q_{gr}=m_{gr}(h_{gr}a??-h_{gr}a??)，其中Q_{gr}為過熱器吸收的熱量，可通過傳熱計(jì)算得出；m_{gr}為蒸汽流量；h_{gr}a??和h_{gr}a??分別為過熱器進(jìn)口和出口蒸汽的焓值。在已知過熱器進(jìn)口蒸汽參數(shù)（壓力p_{gr}a??、溫度t_{gr}a??）的情況下，可通過查閱蒸汽熱力性質(zhì)圖表或利用蒸汽物性計(jì)算軟件確定進(jìn)口蒸汽的焓值h_{gr}a??。根據(jù)傳熱計(jì)算得到的Q_{gr}和已知的m_{gr}，可計(jì)算出蒸汽焓值的增加量\Deltah_{gr}=h_{gr}a??-h_{gr}a??=\frac{Q_{gr}}{m_{gr}}，進(jìn)而得到過熱器出口蒸汽的焓值h_{gr}a??。再根據(jù)出口蒸汽的焓值h_{gr}a??和壓力p_{gr}a??（通常與鍋爐蒸汽壓力相同），通過查閱蒸汽熱力性質(zhì)圖表或計(jì)算軟件，即可確定出口蒸汽的溫度t_{gr}a??。某超臨界機(jī)組的過熱器，進(jìn)口蒸汽壓力p_{gr}a??為24MPa，溫度t_{gr}a??為380℃，通過查閱蒸汽熱力性質(zhì)圖表可知進(jìn)口蒸汽焓值h_{gr}a??約為3100kJ/kg。經(jīng)傳熱計(jì)算，過熱器吸收的熱量Q_{gr}為1.2??10^{9}J/s，蒸汽流量m_{gr}為1800t/h（約為500kg/s），則蒸汽焓值的增加量\Deltah_{gr}=\frac{1.2??10^{9}}{500}=2400kJ/kg，出口蒸汽焓值h_{gr}a??=h_{gr}a??+\Deltah_{gr}=3100+2400=5500kJ/kg。根據(jù)出口蒸汽壓力p_{gr}a??=25MPa和焓值h_{gr}a??=5500kJ/kg，查閱蒸汽熱力性質(zhì)圖表可得出口蒸汽溫度t_{gr}a??約為560℃。蒸汽焓值是蒸汽的一個(gè)重要熱力學(xué)參數(shù)，它綜合反映了蒸汽的能量狀態(tài)。除了通過上述傳熱計(jì)算確定蒸汽焓值的變化外，還可以根據(jù)蒸汽的壓力和溫度，利用蒸汽熱力性質(zhì)圖表或計(jì)算軟件直接查詢得到。蒸汽焓值在鍋爐熱力計(jì)算中的應(yīng)用十分廣泛，它不僅用于計(jì)算蒸汽在鍋爐內(nèi)的吸熱量和做功能力，還用于分析蒸汽在汽輪機(jī)中的膨脹過程以及計(jì)算汽輪機(jī)的功率和效率。在汽輪機(jī)中，蒸汽從進(jìn)口狀態(tài)膨脹到出口狀態(tài)，其焓值逐漸降低，焓降\Deltah用于對外做功。汽輪機(jī)的功率P可通過蒸汽流量m和焓降\Deltah計(jì)算得出，即P=m\Deltah。某汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽焓值為3400kJ/kg，出口蒸汽焓值為2400kJ/kg，蒸汽流量為1000t/h（約為278kg/s），則汽輪機(jī)的功率P=278??(3400-2400)=2.78??10^{8}W=278MW。通過準(zhǔn)確的蒸汽參數(shù)計(jì)算，能夠全面掌握蒸汽在鍋爐和汽輪機(jī)中的狀態(tài)變化，為優(yōu)化鍋爐和汽輪機(jī)的運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。合理調(diào)整蒸汽參數(shù)，可提高蒸汽的做功能力，降低能源消耗，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。在實(shí)際運(yùn)行中，需要密切關(guān)注蒸汽參數(shù)的變化，及時(shí)調(diào)整鍋爐的運(yùn)行工況，確保蒸汽參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)電站的高效穩(wěn)定運(yùn)行。3.2.4系統(tǒng)性能評估系統(tǒng)性能評估是對大容量燃煤電站鍋爐整體性能的全面審視與分析，它通過綜合考量燃料燃燒、傳熱以及蒸汽參數(shù)等多方面的計(jì)算結(jié)果，深入評估鍋爐的熱效率、燃料消耗量等關(guān)鍵性能指標(biāo)，為鍋爐的優(yōu)化運(yùn)行和改進(jìn)升級提供了重要的決策依據(jù)。鍋爐熱效率是衡量鍋爐能源利用效率的核心指標(biāo)，它反映了輸入鍋爐的燃料能量轉(zhuǎn)化為有效輸出能量（蒸汽攜帶的熱能）的比例。熱效率的計(jì)算方法主要有正平衡法和反平衡法。正平衡法通過直接測量輸入鍋爐的燃料熱量和輸出蒸汽的熱量來計(jì)算熱效率，公式為\eta_{z}=\frac{Q_{1}}{Q_{r}}??100\%，其中\(zhòng)eta_{z}為正平衡熱效率，Q_{1}為蒸汽吸收的熱量，可通過蒸汽流量、蒸汽焓值以及給水焓值計(jì)算得出，即Q_{1}=m_{s}(h_{s}-h_{gs})\\##???????¤§??1é???????¤??μ???é???????-?????§è????????\##\#4.1??????é??????????°???é??é??\##\##4.1.1??????????¤§??1é???????¤??μ???é?????????????o?·±??￥?

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