一、引言在我國電力工業(yè)發(fā)展歷程中，300MW等級燃煤發(fā)電機(jī)組曾作為主力機(jī)型，在電網(wǎng)中承擔(dān)著重要的基荷與調(diào)峰任務(wù)。哈爾濱鍋爐廠（以下簡稱“哈鍋”）作為國內(nèi)電站鍋爐設(shè)計制造的領(lǐng)軍企業(yè)之一，其開發(fā)的300MW燃煤電站鍋爐以技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠、效率優(yōu)良而著稱。本文將圍繞哈鍋300MW燃煤電站鍋爐的熱力設(shè)計及計算展開探討，旨在從專業(yè)角度剖析其設(shè)計思路、關(guān)鍵環(huán)節(jié)與計算方法，為相關(guān)工程技術(shù)人員提供參考。二、鍋爐熱力設(shè)計的基本依據(jù)與原則鍋爐熱力設(shè)計是一項系統(tǒng)性工程，其首要任務(wù)是根據(jù)給定的原始數(shù)據(jù)和設(shè)計要求，確定鍋爐的整體結(jié)構(gòu)、受熱面布置及各項熱力參數(shù)。（一）設(shè)計原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)是設(shè)計的基石，主要包括：1.燃料特性：這是鍋爐設(shè)計，尤其是燃燒系統(tǒng)和爐膛設(shè)計的根本依據(jù)。具體包括收到基碳、氫、氧、氮、硫含量，收到基水分，收到基灰分，干燥無灰基揮發(fā)分，以及燃料的低位發(fā)熱量、灰熔點（變形溫度DT、軟化溫度ST、流動溫度FT）、灰的成分分析等。這些參數(shù)直接影響燃燒方式的選擇、爐膛容積熱負(fù)荷、斷面熱負(fù)荷的確定，以及受熱面的積灰結(jié)渣特性判斷。2.蒸汽參數(shù)：即鍋爐額定蒸發(fā)量、過熱蒸汽出口壓力和溫度，再熱蒸汽進(jìn)口/出口壓力、溫度及流量。這些參數(shù)決定了鍋爐熱力循環(huán)的效率和受熱面的布置方式。3.給水溫度：由回?zé)嵯到y(tǒng)的設(shè)計確定，影響省煤器的吸熱量和布置。4.熱風(fēng)溫度：根據(jù)燃料著火特性和燃燒要求確定，影響空氣預(yù)熱器的設(shè)計和鍋爐效率。5.鍋爐效率：設(shè)計時需達(dá)到的目標(biāo)值，是衡量鍋爐經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。6.排污率：根據(jù)水質(zhì)情況確定，影響鍋爐的給水量和熱損失。（二）設(shè)計基本原則在設(shè)計過程中，需遵循以下原則：1.安全性：確保鍋爐各部件在額定工況及允許的變工況下安全可靠運(yùn)行，防止超溫、超壓、爆管、結(jié)渣、腐蝕等現(xiàn)象發(fā)生。2.經(jīng)濟(jì)性：在保證安全的前提下，力求提高鍋爐效率，降低能耗，減少金屬耗量和制造成本。3.可靠性與耐久性：選擇成熟可靠的結(jié)構(gòu)形式和材料，保證鍋爐具有較長的使用壽命和良好的運(yùn)行維護(hù)性能。4.環(huán)保性：考慮燃料燃燒對環(huán)境的影響，預(yù)留必要的脫硝、脫硫、除塵設(shè)備接口，并優(yōu)化燃燒以減少原始排放。5.符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范：嚴(yán)格遵守國家及行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程和法規(guī)。三、鍋爐整體熱力系統(tǒng)概述哈鍋300MW燃煤鍋爐通常采用∏型布置或塔型布置，以∏型布置為例，其主要由以下部分組成：1.燃燒系統(tǒng)：包括爐膛、燃燒器、點火及助燃系統(tǒng)等，是燃料燃燒放熱的場所。2.蒸發(fā)系統(tǒng)：由汽包、下降管、水冷壁、聯(lián)箱等組成，完成水的加熱、蒸發(fā)過程。3.過熱系統(tǒng)：由各級過熱器（如頂棚過熱器、包墻過熱器、低溫過熱器、屏式過熱器、高溫過熱器等）組成，將飽和蒸汽加熱至額定過熱蒸汽溫度。通常采用噴水減溫或汽汽熱交換器等方式調(diào)節(jié)汽溫。4.再熱系統(tǒng)：由低溫再熱器和高溫再熱器組成，將汽輪機(jī)高壓缸排汽重新加熱至額定再熱蒸汽溫度，以提高機(jī)組循環(huán)效率。再熱汽溫調(diào)節(jié)常采用煙氣擋板、擺動燃燒器、噴水減溫（作為事故備用）等方式。5.省煤器：布置在尾部煙道，利用煙氣余熱加熱給水，提高鍋爐效率，保護(hù)汽包。6.空氣預(yù)熱器：布置在省煤器之后，利用煙氣余熱加熱燃燒所需的空氣，改善燃料著火條件，提高鍋爐效率。300MW等級鍋爐常用的有管式空氣預(yù)熱器和回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。這些受熱面通過煙道和汽水管道有機(jī)地連接在一起，構(gòu)成一個完整的熱力循環(huán)系統(tǒng)。四、主要受熱面的設(shè)計與計算（一）爐膛設(shè)計與傳熱計算爐膛是鍋爐的核心部件，其設(shè)計的合理性直接關(guān)系到燃燒的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及鍋爐的安全運(yùn)行。1.爐膛容積與斷面尺寸確定：主要依據(jù)燃料特性和燃燒器型式，通過選取合適的爐膛容積熱負(fù)荷（qV）和爐膛斷面熱負(fù)荷（qF）來確定。qV反映了單位爐膛容積內(nèi)燃料的放熱量，其值過大易導(dǎo)致結(jié)渣，過小則爐膛體積增大，金屬耗量增加。qF則關(guān)系到燃燒器區(qū)域的溫度水平和火焰充滿度，對燃料著火和燃燒穩(wěn)定性有重要影響。對于固態(tài)排渣煤粉爐，需保證爐膛出口煙溫低于灰的軟化溫度ST，并留有一定余量，以防止對流受熱面結(jié)渣。2.水冷壁設(shè)計：水冷壁是爐膛的主要輻射受熱面，同時也是構(gòu)成爐膛空間的屏障。其結(jié)構(gòu)型式（光管、膜式、內(nèi)螺紋管等）的選擇需考慮工質(zhì)壓力、熱負(fù)荷水平及防結(jié)渣性能。對于高熱負(fù)荷區(qū)域（如燃燒器區(qū)域），可能采用內(nèi)螺紋管水冷壁以增強(qiáng)傳熱，防止膜態(tài)沸騰。水冷壁的布置需保證良好的水動力特性，避免出現(xiàn)循環(huán)停滯、倒流等問題。3.爐膛傳熱計算：爐膛傳熱計算的目的是確定爐膛出口煙溫和水冷壁的吸熱量。目前工程上廣泛采用的是“熱平衡法”結(jié)合經(jīng)驗公式或線算圖進(jìn)行計算。其基本思路是：根據(jù)燃料燃燒放出的熱量（扣除化學(xué)不完全燃燒熱損失和機(jī)械不完全燃燒熱損失），減去爐膛散熱量，得到有效輻射傳熱量。然后根據(jù)爐膛黑度、火焰平均溫度、受熱面面積等參數(shù)，通過輻射傳熱公式計算水冷壁吸熱量，并迭代計算爐膛出口煙溫，直至計算值與預(yù)設(shè)值相符。（二）過熱器與再熱器設(shè)計及計算過熱器和再熱器的設(shè)計關(guān)鍵在于保證在各種工況下能將蒸汽加熱到額定溫度，且受熱面管壁不超溫。1.受熱面布置與結(jié)構(gòu)：過熱器和再熱器通常布置在煙溫較高的區(qū)域，如爐膛出口、水平煙道和尾部煙道上部。為了調(diào)節(jié)汽溫并降低高溫段受熱面的金屬溫度，常采用分級布置，并進(jìn)行交叉混合。受熱面管子的材料選擇需根據(jù)其工作溫度和壓力確定，高溫段通常選用合金鋼管。2.熱力計算：過熱器和再熱器的傳熱過程以對流換熱為主，同時伴有輻射換熱。其熱力計算的基本步驟為：*確定各段受熱面的煙氣和工質(zhì)進(jìn)出口參數(shù)。*計算煙氣和工質(zhì)的平均溫度。*計算受熱面的傳熱系數(shù)，考慮煙氣側(cè)和工質(zhì)側(cè)的放熱系數(shù)、管壁熱阻及可能的積灰和結(jié)垢熱阻。*根據(jù)傳熱方程Q=K·F·Δt計算傳熱量Q，并與工質(zhì)所需吸熱量進(jìn)行比較，通過調(diào)整受熱面積F或煙氣流速等參數(shù)進(jìn)行迭代計算，直至兩者相符。*對受熱面管壁溫度進(jìn)行校核計算，確保其在允許范圍內(nèi)。3.汽溫特性與調(diào)節(jié)：分析不同工況下（如負(fù)荷變化、燃料變化、給水溫度變化等）過熱汽溫和再熱汽溫的變化趨勢（即汽溫特性），并據(jù)此選擇合適的汽溫調(diào)節(jié)方式，確保汽溫穩(wěn)定。（三）省煤器與空氣預(yù)熱器設(shè)計及計算省煤器和空氣預(yù)熱器均為尾部受熱面，其主要作用是利用低溫?zé)煔獾挠酂幔岣呓o水溫度和空氣溫度，從而提高鍋爐效率。1.省煤器：省煤器一般為臥式布置的蛇形管受熱面。其設(shè)計需考慮防磨和防腐蝕。對于燃用高硫煤的鍋爐，低溫省煤器區(qū)域可能存在硫酸露點腐蝕問題，需合理選擇其布置位置和管材。熱力計算方法與過熱器類似，主要考慮對流換熱。2.空氣預(yù)熱器：*管式空氣預(yù)熱器：結(jié)構(gòu)簡單，制造安裝方便，但體積大，金屬耗量多。其傳熱計算需考慮管內(nèi)空氣和管外煙氣的對流換熱。*回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器：體積小，重量輕，傳熱效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，漏風(fēng)問題需重點關(guān)注。其傳熱計算基于蓄熱式換熱原理，需考慮受熱面的旋轉(zhuǎn)、煙氣和空氣的交替流過以及漏風(fēng)的影響。（四）鍋爐整體熱力計算鍋爐整體熱力計算是在各部件受熱面熱力計算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通常采用“煙風(fēng)側(cè)”和“汽水側(cè)”聯(lián)立迭代的方法。1.煙風(fēng)側(cè)計算：從爐膛開始，依次計算各受熱面的煙氣溫度、煙氣流速、煙氣成分（考慮漏風(fēng)）及傳熱量。2.汽水側(cè)計算：根據(jù)給水參數(shù)和蒸汽參數(shù)要求，計算各受熱面（省煤器、水冷壁、過熱器、再熱器）的工質(zhì)吸熱量和流量分配。3.迭代與平衡：由于煙溫與傳熱量相互影響，需進(jìn)行多次迭代計算，直至各受熱面的吸熱量、煙氣溫度、工質(zhì)溫度等參數(shù)滿足設(shè)計要求，并最終保證鍋爐的熱平衡和各項性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)。這一過程通常借助計算機(jī)程序完成，如采用哈鍋自主開發(fā)或行業(yè)通用的鍋爐熱力計算軟件。五、設(shè)計中的關(guān)鍵問題與考量1.熱偏差問題：由于煙氣速度和溫度在煙道截面上分布不均，以及受熱面結(jié)構(gòu)和吸熱條件的差異，會導(dǎo)致過熱器和再熱器管屏間及管間存在熱偏差，嚴(yán)重時可能造成個別管子超溫爆管。設(shè)計中需采取受熱面分級、交叉混合、合理布置、優(yōu)化流量分配等措施來減輕熱偏差。2.水動力特性：對于強(qiáng)制循環(huán)鍋爐或直流鍋爐，水冷壁的水動力穩(wěn)定性至關(guān)重要。需進(jìn)行詳細(xì)的水動力計算，確保在各種工況下均能保證良好的水循環(huán)。3.受熱面磨損與腐蝕：煙氣中攜帶的飛灰對受熱面（尤其是省煤器和空氣預(yù)熱器）會造成磨損，燃料中的硫等成分可能導(dǎo)致低溫腐蝕或高溫腐蝕。設(shè)計中需合理選擇煙氣流速、采用防磨措施（如防磨罩、導(dǎo)流板）、控制管壁溫度避開腐蝕區(qū)域等。4.啟動與變工況適應(yīng)性：設(shè)計應(yīng)考慮鍋爐從冷態(tài)啟動到滿負(fù)荷運(yùn)行以及負(fù)荷變化過程中的安全性和經(jīng)濟(jì)性，如設(shè)置啟動旁路系統(tǒng)、考慮低負(fù)荷時的汽溫調(diào)節(jié)等。5.環(huán)保性能優(yōu)化：通過優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)和配風(fēng)方式，降低氮氧化物生成；合理設(shè)計爐膛和燃燒區(qū)域，減少飛灰含碳量，為后續(xù)除塵創(chuàng)造有利條件。六、結(jié)論哈鍋300MW燃煤電站鍋爐的熱力設(shè)計及計算是一個多學(xué)科交叉、理論與經(jīng)驗并重的復(fù)雜過程。它不僅要求設(shè)計人員具備扎實的熱工學(xué)、流體力學(xué)、金屬材料等專業(yè)知識，還需要豐富的工程實踐經(jīng)驗。設(shè)計過程中，需從原始數(shù)據(jù)出發(fā)，遵循安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的原則，對鍋爐各受熱面進(jìn)行詳細(xì)的熱力計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計，并綜合考慮熱偏差、水動力、磨損腐蝕等關(guān)鍵問題。通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠嬎?/p>