炉膛传热计算步骤

9.2.7　炉膛传热计算步骤

设计炉膛进行受热面布置时，要综合考虑燃烧、传热、水动力以及制造、安装、运行等方面的要求。燃烧方面要求合理布置燃烧器，并使炉膛具有足够的容积和合理的形状，以使燃料易于着火和充分燃尽，防止严重结渣。传热方面要求适当布置受热面数量和结构型式，以使炉膛出口烟温符合预期的数值。水动力方面要求受热面的布置和结构能保证工质循环的可靠性。在达到性能要求的前提下，尽量节省材料、降低成本、便于安装，易于操作和维修。

布置好炉膛的几何形状，受热面的结构和面积后就可进行炉膛的传热性能计算。计算的目的是校核所设计的炉膛能否将火焰冷却到预期的炉膛出口温度，在炉膛内布置的受热面能否吸收预先分配的辐射吸热量。

一个炉膛燃烧燃料B（kg/s），由于存在固体及气体不完全燃烧热损失q₄及q₃以及灰渣物理热损失q₆，炉膛中单位时间实际可用来加热燃烧产物的热量为^［10］

式中：Q_r为每kg燃料送入炉膛的可用热量，单位为kJ/kg，按式（4.83）计算。

设计锅炉时，为了计算方便，采用计算燃料消耗量（B_j）来计算燃烧产物的量。

显然，计算燃料消耗量中每kg燃料的燃烧产物在炉膛中可以得到燃料的热量为

除燃料燃烧后发出的热量以外，还有参加燃烧的空气带来热量Q_k，因此每kg计算燃料的燃烧产物所拥有的热量为

式中：Q_k为每kg燃料空气带入炉膛的热量，单位为kJ/kg，按下式计算：

式中：Δα_l、Δα_zf为炉膛及制粉系统的漏风系数；为每kg燃料理论空气量在热空气温度时的焓，kJ/kg。为每kg燃料理论空气量在冷空气温度时的焓，kJ/kg。

考虑到外热源加热空气的热量不应重复计算，因此需从空气热量中减去。此外，再考虑烟气再循环的热量后，具有普遍意义的炉膛有效放热量为

式中：Q_wr为用外热源加热空气的热量，单位为kJ/kg，按式（4.87）计算；r为烟气再循环的份额；I_xh为再循环烟气的焓，kJ/kg，按所取烟气处的焓计算。

以炉膛有效放热量Q_l作为烟气的理论焓求得理论燃烧温度θ_ll。

燃烧产物的平均热容量VC_pj为

由于a_hy和VC_pj与θ″_l有关，而计算的目的是求出θ″_l，因此，必须先假定一个θ″_l，然后比较假定值与计算的差别，若二者之差小于±100℃，则认为计算合格，并以计算值为准。否则应重新假定，再次计算，直至合格为止。

当预先给定炉膛出口烟温，也可确定所需的炉壁面积。在计算时须预先假定水冷壁的热有效系数ψ，其与最后确定的ψ值相差应不超过ψ值的±5%。

1.炉膛几何特征

炉膛几何特征主要指炉膛的容积、炉壁面积和受热面积等几何尺寸。

确定炉膛容积的一般性原则为：炉膛容积的边界是水冷壁管中心线所在平面或是绝热保护层的向火表面，未敷设水冷壁的地方则是炉膛的壁面。在炉膛出口断面（又称出口烟窗）以通过屏式过热器、凝渣管或锅炉排管的第一排管子中心线作为容积边界。炉膛下部容积的边界是炉底。有冷灰斗时，则以冷灰斗高度一半处的假想平面作为容积边界。冷灰斗的下半高度区域被认为是对燃烧无用的呆滞区（但有助于降低炉渣温度）。

火床炉中，炉膛容积为由炉排面及通过炉排两端和除渣板或挡渣板的垂直平面所包围的容积。对链条炉应从以炉排为下界面的容积中扣除燃料层及灰渣层的容积，即以燃料层的外表面作为界面。燃料层及灰渣层的平均计算厚度可取为：烟煤150～200mm，褐煤300mm，木屑500mm。抛煤机炉中燃料厚度很小，在计算炉膛容积时不予考虑。

大型电站锅炉中，一般在炉膛中布置各种屏式受热面。此时炉膛容积还要根据以下原则确定：

（1）对于倒U（或称П）型布置的锅炉，炉膛出口烟窗截面一般规定为炉膛后墙折焰角尖端垂直向上直至顶棚管形成的假想平面，如图9.12所示。布置在上述假想平面以内（即炉膛侧）的屏式受热面的屏板净间距应≥457mm；如果＜457mm，则该屏区应从炉膛有效容积中扣除；例如布置在上述假想平面前的屏（一般称为后屏）平均净间距＜457mm，则此时炉膛出口烟窗相应移到该屏区之前，见图9.13。

图9.12　炉膛有效容积的确定方法

（a）П形布置，切向或墙式燃烧；（b）П形布置，拱式燃烧；（c）塔式布置，切向或墙式燃烧

H—炉膛高度，对倒U形炉为从炉底排渣喉口至炉膛顶棚管中心线；对塔式炉为从炉底排渣喉口至炉膛出口水平烟窗；

W—炉膛宽度，左右侧墙水冷壁管中心线间距离；

D—炉膛深度，前后墙水冷壁管中心线间距离；

H_L—（拱式燃烧）下炉膛高度，从炉底排渣喉口至拱顶上折点；

H_U—（拱式燃烧）上炉膛高度，从拱顶上折点至炉膛顶棚管中心线；

D_L—（拱式燃烧）下炉膛深度；

D_U—（拱式燃烧）上炉膛深度；

h₁—燃尽区高度；

h₂—最上层燃烧器煤粉喷口（或乏气喷口，参见说明）与最下层燃烧器煤粉喷口中心线之间的铅直距离；

h₃—最下层燃烧器煤粉喷口中心线与冷灰斗上折点的铅直距离；拱式燃烧炉膛为拱顶上折点至冷灰斗上折点的铅直距离；

h₄—（П形炉）从折焰角尖端（如有直段，即为其上折点）铅直向上至顶棚管中心线；

h₅—冷灰斗高度，即排渣喉口至冷灰斗上折点的铅直距离；

d₁—折焰角深度；

d₂—排渣喉口净深度；

b—炉膛横断面上炉墙切角形成的小直角边尺寸，见图9.12（b）；

α—折焰角下倾角；

β—冷灰斗斜坡与水平面夹角。

图9.13　炉膛出口烟窗因后屏净间距过小而前移示例

若在上述假想平面后的屏式受热面屏板平均净间距≥457mm，此时炉膛出口烟窗可以沿烟流方向后移到出现管子横向平均净间距＜457mm的断面，但最远不得超过炉膛后墙水冷壁管中心线向上延伸形成的断面，如图9.14所示。

图9.14　炉膛出口烟窗允许后移示例

（2）对于塔式布置的锅炉，炉膛出口烟窗为沿烟气行程遇到的受热面水平方向管间平均净距离＜457 mm的第一排管子中心线构成的水平假想平面，如图9.12（c）所示。

（3）炉膛的四角如设计带有较大的切角（切角三角形的小边长b≥/10）时，如图9.12（b）举例所示，则其炉膛有效容积应按切角壁面包裹的实际体积计算。

要补充说明的是h₁对倒U形炉为最上层燃烧器一次风煤粉喷口（如配套贮仓式制粉系统，而乏气喷口在最上层一次风喷口之上，则为最上层乏气喷口）中心线至折焰角尖端（如有直段，即为其上折点）的铅直距离（屏幔式受热面一般不宜低于折焰角尖端过多），见图9.12（a）；对于拱式燃烧炉膛可取为拱顶上折点至折焰角尖端的铅直距离，见图9.12（b）；对于塔式炉则为上述一次风喷口或乏气喷口至炉内水平管束最下层管中心线的铅直距离，见图9.12（c）。

炉壁面积按包覆炉膛容积的表面尺寸计算。对双面曝光水冷壁及屏，应以其边界管中心线间距离和管子曝光长度乘积的两倍（即计及双面）作为其相应的受热面积。在计算半开式炉膛燃烧室时，炉墙面积应包括位于燃烧室及冷却室之间的烟窗面积。

炉膛宽度、深度和炉膛横截面面积均按水冷壁管中心线之间的距离计算。

炉膛有效受热面积H_l等于炉壁面积减去不布置水冷壁的面积（如燃烧器、防爆门），即各水冷壁所占据的炉墙面积F_i乘以各水冷壁的角系数x_i，即

炉膛形状与火焰形式、燃烧方式、燃烧器布置和炉型等有关。常见炉膛体型有瘦高和矮胖型两种。由于大容量锅炉的发展需要和切向燃烧技术的应用，瘦高型炉膛得到广泛采用。按炉膛的宽度W和深度D的比例，常见的炉膛截面形状有方形（W/D≤1.2）和长方形（W/D＞1.2）两种。方形炉膛适用于切向燃烧，长方形炉膛则适用于前墙布置或前后墙对冲布置旋流燃烧器。

在确定炉膛宽度W时，还要兼顾对流受热面的工质流速和烟气流速，以及锅筒内部装置的要求。超高压以上的锅炉还要根据上升管内工质的质量流速来选择炉膛周长。

2.单室炉及半开式炉膛的传热性能计算

大型锅炉设计计算时，炉膛容积是根据允许的炉膛出口烟温所需的炉内受热面来确定的。炉膛出口烟温应保证布置在炉膛之后的受热面不发生结渣，炉膛容积热负荷q_V及炉膛截面热负荷q_F应处于燃烧条件允许的范围之内。在确定q_V时，炉膛上部横向节距s₁＞457mm的屏式过热器的容积也应包括在炉膛容积之中。

在设计中小型锅炉时，炉膛容积一般按允许的热负荷q_V确定，然后确定炉膛出口烟温，并与允许值比较。对小型锅炉，从炉子的工作条件来看，炉墙不需要铺满水冷壁。

3.带有屏的炉膛传热计算

带有屏的炉膛有效容积示意图见图9.15。

（1）炉壁总面积F₁应包括炉膛空容积部分的炉壁面积F_k、屏的面积F_p及屏区水冷壁的

图9.15　带有屏的炉膛有效容积示意图

面积F_pb，而对后两项应计及其曝光不完全性，即

式中：z_p，z_pb为屏和屏区水冷壁的曝光不均匀系数。

（2）屏和屏区水冷壁的有效辐射受热面积为

式中：x_p，x_pb为屏及屏区水冷壁的角系数。

（3）炉膛有效辐射层厚度s考虑屏的面积后计算式为

式中：V_k为炉膛空容积部分的容积；V_l为炉膛总容积。

（4）屏及屏区水冷壁的曝光不均匀系数计算式为

式中：a_k为炉膛空容积中的火焰黑度；a_p，a_pb分别为屏及屏区水冷壁的火焰黑度，由屏间容积的火焰黑度和来自炉膛空容积的火焰黑度组成；a_pj为屏间容积的火焰黑度，按a_pj＝1－e^－kps计算，其有效辐射层厚度s_pj按屏间容积的尺寸计算；φ_p，φ_pb为屏及屏区水冷壁的辐射系数，查图9.16；c_p，c_pb为修正系数，查图9.16，辐射系数与修正系数乘积表示该受热面单位面积受到炉膛容积的辐射热与屏入口窗单位面积受到的辐射热之比。

使用图9.16时应注意下列几点：

①如果屏区与炉膛空容积间的分界面是两个平面（见图9.15（d）、（e）、（f）），则应取其中大的分界面作为朝向炉膛容积的假想窗口，以尺寸i表征。

②在确定c_p时，如屏宽b＜s₁，则取系数w＝b/i；如b≥s₁，则w＝s₁/i。在确定c_pb时，如i≥s₁，则取w＝b/i；如i＜s₁，则w＝b/s₁。s₂为两片屏之距离。

③在屏区与屏平行的水冷壁，其火焰黑度a_pb＝a_p。

④在屏区与屏及假想的分界窗口垂直的水冷壁，可按φ_p的线图来取用φ_pb，但要用b/i来代替b/s₁。系数c_pb按c_p的图取用。

⑤在屏区与假想分界窗口平行的水冷壁，按图中φ_pb、c_pb取用。

⑥对有两个空容积的炉膛（图9.15（e））应按两个容积的有效辐射层厚度的算术平均值s_pj来计算a_k，而式（9.162）中的第二项应加倍。

屏的污染系数比一般水冷壁低0.1，对膜式屏，则比一般水冷壁低0.05。

（5）双室炉炉膛的传热性能计算

双室炉包括扰动炉、卧式旋风炉和立式旋风炉。在计算时把两个炉室当作整体看待，仍然以式（9.107）作为传热计算的基本公式。由于冷却室的经验数据不足，其吸热量是按炉内总吸热量与燃烧室及捕渣管束吸热量之差来确定。具体参阅有关资料。

图9.16　屏曝光不均匀辐射系数及修正系数

（6）炉膛的热负荷分布

炉膛有效辐射受热面的平均热负荷为

炉膛内温度场及黑度场是不均匀的，使热负荷沿炉膛高度和各侧炉壁的分布也不均匀。这种不均匀性可分别用沿炉高热负荷分布不均匀系数和沿炉宽或炉深热负荷分布不均匀系数、各侧炉壁热负荷不均匀系数ηq_r来进行计算。事实上，要精确计算某一部分受热面的热负荷或吸热量是非常困难的。在实际进行有关锅炉性能计算而需要知道局部热负荷时，一般是通过引用热负荷不均匀系数（即局部热负荷与平均热负荷的比值）η_r来近似计算炉内某一区域的热负荷。首先根据试验或经验数据，确定要计算的区段的热负荷不均匀系数η_r，进而这个区段上辐射受热面的热负荷q_fi为

有关的确定方法参见§11.5。