某钢厂电炉余热发电系统的余热锅炉设计.doc

设计总说明IINTRODUCTIONII1绪论11.1背景11.2我国余热利用现状11.3我国钢铁工业余热资源的回收利用现状与分析21.4余热锅炉的型式31.5余热锅炉的开展动向31.6本设计的主要内容42余热锅炉的选型及结构布置62.1余热锅炉设计主要参数62.2余热锅炉的选型62.3余热锅炉整体布置结构72.4余热锅炉结构及系统组成83受热面计算方法的概述113.1热平衡方程式113.2传热方程式123.3考查壁面污垢热阻传热过程计算方法143.4肋片管的传热系数计算153.5管内流体换热系数173.6辐射换热系数计算方法184余热锅炉设计计算194.1设计计算总体框图194.2整体设计计算步骤194.3热力平衡计算204.4省煤器结构参数选取及热力计算22省煤器结构参数选取22省煤器热力计算流程图24省煤器热力计算244.5蒸发器热力计算及结构参数29蒸发器结构参数选取29蒸发器热力计算流程图31蒸发器热力计算314.6水冷壁热力计算及结构参数36水冷壁结构参数选取36水冷壁热力计算流程图37水冷壁热力计算374.7过热器结构参数选取及热力计算40过热器结构参数选取40过热器计算方法流程图42过热器热力计算434.8热力校核484.9烟气阻力计算505余热锅炉主要零部件525.1管组支吊架525.2锅筒525.3集箱535.4联箱536积灰处理546.1积灰对传热面传热的影响546.2影响飞灰沉积和结渣的因素546.3减少积灰的措施557锅炉经济效益计算587.1年产蒸汽效益587.2锅炉的耗钢量588总结60鸣 谢61参考文献62设计总说明某钢厂生产过程中产生烟气的排烟温度较高，如果直接排出到大气不加以利用，会浪费比拟多的燃料，加大该钢厂的生产本钱，而且对自然环境污染也较大，不利于可持续开展。为了提高该钢厂能源利用效率、降低生产本钱和减小对自然环境的污染，针对该钢厂的排烟特点，设计可供发电利用的余热锅炉。根据该钢厂的排烟特点，对余热锅炉进行选型和整体布置。余热锅炉选用自立式结构，整个炉膛四周布满水冷壁，各对流受热面均为一级布置。烟气自下而上分别冲刷过热器、蒸发器和省煤器，两级受热面间留一定高度的检修空间。各级受热面上均设置脉冲高能除灰装置。锅炉汽水选用自然对流循环方式，流程为：给水经过滤、除氧、除盐、阴阳离子交换处理生成软水进入软水箱，软水经过省煤器换热，使给水接近饱和状态后进入汽包，然后汽包内水流进下降管、进入水冷壁和蒸发器蒸发换热，从蒸发器出口的饱和蒸汽由上升管进入汽包、最后再进入过热器，产生过热蒸汽，乏汽经冷凝器和凝结水泵返回至软水箱。设计对余热锅炉进行热平衡计算，求出锅炉的蒸发量、烟气的总换热量和保热系数等参数，在此根底上对过热器、蒸发器和省煤器结构参数设计、热力计算和烟气阻力计算，最终对各级受热面进行总体热力校核，发现该设计满足要求，能够生产满足要求的蒸汽参数。设计还涉及到余热锅炉各零部件选型和各受热面积灰处理。其主要零部件主要有管组支吊架、锅筒、集箱和联箱等等。积灰会使省煤器堵塞、传热恶化，从而提高排烟温度，降低锅炉运行。运行不当时还会发生爆管停炉。所以本设计还对积灰进行处理，选取适宜的吹灰器，以保证余热锅炉运行平安可靠。关键词：余热锅炉；提高效率；平安可靠；降低生产本钱INTRODUCTIONA steel works exhaust high temperature flue gas on the production process. If the flue gas does not made good use of, directly emitted into the atmosphere. It will waste more fuel, increase the production cost and pollution of the natural environment, not conducive to sustainable development. To improve the energy efficiency of the steel works, reduce the production costs and pollution of the natural environment. Against the steel factory of the smoke characteristics made this design, designed for power generation using exhaust heat boiler.According to the characteristics of the steel works' flue gas, exhaust heat boiler based on the type selection and overall layout. The exhaust heat boiler selected and used self-supporting structure. The furnace covered around with water-cooled wall, classic convection heating surfaces arrangement. The flue gas bottom-up scour through the superheater, evaporator and economizer. There is a certain height of maintenance space in the two heating surface. The ash pulse high-energy devices are installed in all levels of heating surface. The boiler steam and water circuit of the design used of the way of natural convection circulation mode. The process is: Water through a filter, deoxidize, salt elimination. Anion exchange treatment produce soft water, the soft water into the tank, then the soft water through the economizer heat exchanger. Water saturation the water got into the steam pocket, then the soft water flow into the drop tube. Get into the water-cooled wall and evaporation heat transfer and evaporation. Exit from the evaporator saturated steam into the drum from the riser, and finally entered the superheater to produce superheated steam, exhaust steam through the condenser and the condensate pump to return to the soft water tank.This design of the exhaust heat boiler make a heat balance calculations, find the boiler evaporation, the total for flue gas heat and the Paul thermal coefficient and other parameters. This design is on the basis of the superheater, evaporator and economizers structural parameters. The design made the calculation of flue gas resistance and the heat calculation. Ultimately, check the heat of the overall levels of heating surface, found that the designs meet the requirements and produce the steam to meet the requirements of parameters.The design also involves the spare part selection and the heated area ash handling of exhaust heat boiler. The main spare parts are mainly control group support and hanger, boiler drum, set box and header, etc. The economizer will blocked up with dust stratification. Aggravate the heat transfer to improve the exhaust gas temperature, affect the efficiency of the boiler. When the boiler was not right work it would happens explosion tube and stop work. Therefore, this design also dealing with dust stratification, select the appropriate soot blowers to ensure the safe and reliable of the exhaust heat boiler works.KEYWORDS: Exhaust heat boiler, increase efficiency, safe and reliable, lower production cost 某钢厂电炉余热发电系统的余热锅炉设计热能与动力工程，200611422131，张仕通指导教师：冯耀勋1 绪论1.1 背景钢铁企业是高耗能产业2。据统计，我国钢铁企业工业能耗占全国工业总能耗的15.18%。钢铁企业消耗的能源中，电能占总用能比例因各企业工艺流程不同而有所不同，大致在20%30%。在钢铁生产过程中，又产生大量余热余能,利用好这些余热余能,使之转换成电能，可提高企业自发电比例，或利用余热余能替代电能。这些都是钢铁企业节能降耗,提高资源利用率的有效途径。余热发电不仅节能，还有利于环境保护。余热发电的重要设备是余热锅炉。它利用工业窑炉的废气、废液等工质中的热或可燃质作热源，生产热水和蒸汽用于发电。由于工质温度不高，故锅炉体积大，耗用金属多。用于发电的余热主要有:高温烟气余热，化学反响余热，废气、废液余热，低温余热(低于2000)等。目前重点研究如何利用更多的热能，提高锅炉热效率。余热有品质上下之分。根据“按质用能，各用其所的原那么，对于有动力利用价值的较高品位的余热从节能角度考虑应该作功以回收动力。假设单纯用作加热热源，就会产生高级能干低级活的不合理现象。反之，假设将低品位余热用于作功，那么也是一种能质不匹配的得不偿失现象。同时在热能使用过程中，也要遵循“按质供能，能质匹配的原那么。这就必须根据用热设各的需要按质提供热能，做到热能供需不仅在数量上相等，而且在质量上相匹配。在需要低况，低位能的场合，尽量不供应高品位能量，做到“热尽其用。1.2 我国余热利用现状在文献2指出我国历来的能源消耗结构中，工业生产部门始终是能源消费的大户，约占个国能耗量的70%左右。而先进工业国家中，日本占50%左右，西德、英国、法国都在35%以下，美国只占27.5%左右。除了产业结构的原因之外，我国工业部门能源消耗如此高的主要原因是:我国工业生产工艺落后，能源综合利用差，尤其是余热回收装置设备陈旧或设计不合理，热效率低；其它次要原因有：自动化水平低，节能意识不强，管理工作不完善；技术改造资金不加制约等。从1984年至1990年，根据对冶金、石油、化工、建材、轻工、机械及电力等部门和有关企业余热资源情况的调查和统计，我国高温余热资源为4800万吨标煤/年，中、低温余热资源为900万吨标煤/年。至1990年我国余热回收利用量为1382万吨标煤/年，其中余热锅炉回收利用量占70%。1.3 我国钢铁工业余热资源的回收利用现状与分析1、 我国钢铁工业的能耗现状4自1980年以来，我国钢铁工业沿着降低各生产环节第一类载能体的单耗及其载能量；降低各生产环节第二类载能体的单耗及其载能量；回收各种余热、余能和废弃物等方向和途径，在节约能源和非能源两方面取得了很大成绩。全国大中型钢铁企业的吨钢可能耗从1980年的1.285t标煤降到2005年的0.714和标煤，吨钢可比能耗指标下降了571kg标煤吨钢综合能耗那么下降更多。如果考虑这些年来由于轧钢成材率提高引起的吨钢能耗上升量，那么25年间吨钢能耗指标实际下降了617kg标煤。其中，直接节能的奉献占56.3%，间接节能的奉献占43.7%。前15年1980-1995主要依靠降低各生产工序的工序能耗，直接节能的奉献占62.5%，间接节能占37.5%；后10年(1996-2005)主要依靠钢铁工业的结构调整和流程优化，间接节能的比例上升到51.9%，直接节能的比例下降为48.1%。2、我国吨钢能耗与先进产钢国的差距4我国钢铁工业节能虽然取得举世瞩目的成绩，但与世界先进水平相比仍有较大差距：假设不考虑国内外轧钢系统在工序能耗和成材率两方面的差异，2005年我国大中型钢铁企业的吨钢可比能耗比先进产钢国高出9.9%，即64 kg标煤；假设考虑上述两方面的差异并认为国内轧钢工序与国外具有相同的水平，那么我国的吨钢可比能耗将比先进产钢国高出17.2%，即112 kg标煤。在钢比系数方面，我国的矿钢比要比先进产钢国高出0.294，铁钢比高出0.130，电炉钢比却低了0.103。在工序能耗方面，差距最大的是“其它能耗(包括焦化、能源亏损及放散、燃气加工和厂内运输等环节)，每吨产品的能耗比先进产钢国高出33.2 kg标煤，其次是转炉炼钢的工序能耗,高出18.1 kg标煤，烧结(含球团)工序的能耗高出8.0 kg标煤。3、 回收利用余热资源是未来钢铁工业节能的潜力所在4因国内外钢比系数不同，使我国吨钢能耗高出国外61.5 kg标煤；因工序能耗不同，使我国吨钢能耗高出50.5 kg标煤。在工序能耗方面,差距最大的是“其它能耗，吨钢能耗高出33.2 kg标煤，占65.7%；其次是转炉工序能耗,高出13.3 kg标煤，占26.3%；其余生产工序的工序能耗相差不多。究其原因，一方面是各生产工序不能大量地回收本工序产生的各种余热资源，回收效率低，且数量缺乏；另一方面是对已回收的各种能量不能合理地加以使用,造成煤气、蒸汽、氧气、压缩空气等二次能源的大量放散。经调查，目前国外先进钢铁企业对余热、余能和副产煤气等能源的回收率均在90%以上，如日本的新日铁已达92%，而国内钢铁企业只有30%50%。假设不包含副产煤气和高炉炉顶压差发电在内，我国余热资源的回收利用率那么更低，缺乏30%，而国际先进钢铁企业均在50%以上。所以，今后除了继续把结构调整、流程优化作为降低钢比系数的重要途径之外，加强余热余能的回收与利用将是我国钢铁工业节能的主攻方向。钢铁工业是环境污染、能源消耗大户，烟气除尘、余热回收利用是钢铁工业保护环境、节约能源的对策之一。多年以来，国内外对电炉余热的回收利用进行了大量的研究。目前，用于电炉余热烟气回收的系统主要有以下四种形式:(1)利用余热锅炉产生蒸汽或提供热水，直接利用；(2)用冷却器的排气代替点火器的助燃空气，或用于预热助燃空气；(3)将余热锅炉产生的蒸汽，通过透平及其它装置转换成电力；(4)将排气直接用于预热混和料。1.4 余热锅炉的型式余热锅炉按气水循环方式可分为以下三种型式3：1、自然循环余热锅炉自然循环余热锅炉，给水进入省煤器吸热后，进入汽包。汽包有下降管与蒸发部的下联箱相连，下降管位于烟道外面，不吸收烟气的热量。汽包还与蒸发器的上联箱相连。直立管簇吸收烟气的热量。当水吸收烟气热量就有部份水变成蒸汽，由于蒸汽的密度比水的密度要小得多，所以直立管内汽和水混合物的平均密度要小于下降管中水的密度，两者密度差形成了水的循环。也就是说：不吸热的下降管内的水比拟重，向下流动。直立管内的汽水混合物向上流动，形成连续产汽过程。此时进入蒸发器的水不是靠循环泵的动力，而是靠流体的密度差而流动，这种余热锅炉称为“自然循环余热锅炉。其特点是：省去循环泵，使运行和维修简单。但各受热面是沿水平方向布置，占地面积大，在排烟处所需烟囱的高度要高。2、强制循环余热锅炉强制循环余热锅炉，气水混合物和锅炉给水的循环靠泵而实现。从汽包下部出来的水经一台循环泵后，进入蒸发器，是靠循环泵产生的动力使水循环的，称为“强制循环余热锅炉。其特点是：各受热面组件的管子是水平的，受热面之间是沿高度方向布置，可节省地面的面积，并使出口处的烟囱高度缩短。但在运行中需要循环泵，使运行复杂，增加维修费用。目前油田进口的余热锅炉，多数采用此种型式。3、直流余热锅炉直流余热锅炉，用泵将给水强制通过加热管中，一次通过即气化达80%90%，故气水混合物别离后的水很少，勿需采用大的气包储存和循环，仅参加给水即可。1.5 余热锅炉的开展动向自20世纪70年代以来，由于世界性的能源短缺，国内外化工厂对废气余热锅炉方面做了大量工作。其开展也很迅速。综合余热锅炉的进展情况，主要有以下几点开展动向：1、大型化，近代工业多趋向于大型化，因而余热锅炉也趋于大型化，此外，随着工业企业的大型化，每单位产品平均收回的余热也有所提高。2、高参数化，近代锅炉的另一趋向就是把所产生的蒸汽首先作为工厂本企业的动力应用，之后，再作为工艺用气或者供热，使能源的有效利用更为合理，因而余热锅炉便成为动力锅炉了。为了提高此动力余热锅炉的蒸汽质量和循环热效率，就需要提高蒸汽参数。3、自动化，烧结余热锅炉是安装在工艺生产流程中间的，锅炉前后都与工艺设备相连。因此，不但余热锅炉工艺侧的操作条件会影响锅炉后续设备的操作条件和产品质量，而且锅炉侧的工作状况的变动都将通过传热面影响到工艺气侧的操作条件，以致引起整个生产流程的操作条件改变，导致产品的质量低劣、产量下降。还有由于余热锅炉趋向于高温高压动力蒸汽锅炉，因而工作的稳定性、可靠性、平安性要求就更高，由于以上种种原因，要使余热锅炉在工艺生产流程中保证平安、稳定、连续可靠的正常运行，保证工艺产品的质量和产量，自动控制和自动调节就甚为重要了，所以现代大型余热锅炉的自动化程度较高。4、定型化，但凡回收热能的工业装置目前都广泛采用余热锅炉，结构形式多种多样，因此，在一些国家里，已开始走向定型化。5、强化传热技术引入余热锅炉，近年来，由于强化换热元件取得了某些进展，因而有的强化换热元件已被引用到余热锅炉，例如把螺旋槽管用到余热锅炉，在相同管束的条件下，螺旋槽管锅炉可以大大提高产气量。热管技术是近年来开展起来的一项余热回收利用新技术。它的主要特点是利用气化相变传热,传热效率高,性能可靠。热管余热蒸汽发生系统用于烧结废气的余热回收具有独特的优点,节能效果显著,经济效益良好,具有重要的推广价值和应用前景。1.6 本设计的主要内容本论文研究的主要目的是针对某钢厂在生产过程中产生的废热烟气的特点，按照余热发电对蒸汽参数的要求，对余热锅炉进行热力设计计算和烟气阻力计算，设计并布置各受热面，使其能够生产满足要求的过热蒸汽。通过设计计算掌握由于结构变化导致余热锅炉热力性能变化的一些规律，从而提高余热锅炉的效率，确保余热锅炉的平安生产。提高能源的利用效率、设备可用率和降低单位造价，同时提高余热利用的技术水平。余热锅炉的平安可靠运行不仅与自身的设计和操作有关，而且与整个工艺的顺序息息相关。为此，本设计从以下几方面展开：1、该钢厂电炉余热烟气特点分析余热的可回收程度，很大程度上取决于余热烟气所处的状态参数特点。通过分析，明确余热回收的方法，锅炉系统的选型，及其计算方法。2、余热锅炉系统分析通过对余热锅炉系统中各局部的结构设计分析，以给定的进入余热锅炉的电炉余热排烟参数为原始数据，运用热力学根本理论和数学推导的方法，以及公式拟合的技巧，对余热锅炉进行热力计算，结构计算和烟气阻力计算，对计算结果进行分析进一步明确本设计计算的方法。 3、通过本设计分析和计算取得的成果概括为：余热锅炉热力计算方法和锅炉受热面布置的合理性;熟悉应用origin工具进行公式拟合，用于设计烟气、蒸汽的焓、密度等等；对余热锅炉其它计算、设计和运行的指导作用；过热器出口蒸汽温度、蒸汽流量和锅炉烟气阻力的数值及其随燃某钢厂电炉余热排烟温度变化的规律。2 余热锅炉的选型及结构布置2.1 余热锅炉设计主要参数该钢厂电炉的一次烟气从沉降室引出，经过降温后进入二次烟气管道，然后去除尘器；均热炉分为1段、2段和3段排出烟气，各段烟气分别直接排入烟囱。电炉的烟气流量和温度随着冶炼周期中的一次加料、冶炼、二次加料、冶炼、出钢的阶段变化而变化，属于周期波动热源，这股热源是发电的主要热源；均热炉的烟气流量和温度比拟稳定和连续，属于稳定热源。通过对余热源的实际情况进行了较长时间的测量和分析，得出用于设计的数据，电炉包含两个完整周期的典型实测流量、温度变化。根据测量结果的统计分析，电炉一个炼钢周期平均为57min，最高烟气温度为1000，最大烟气工况流量为1212987m3/h，烟气流量的算术平均值为300000Nm3/h，烟气温度的算术平均值为475。电炉一个周期中烟气温度和流量的变化情况的近似为50000 Nm3/h350000Nm3/h。余热锅炉的入口烟气温度475余热锅炉的出口烟气温度170烟气流量300000Nm3/h含尘量12 g/m3蒸汽压力2.2MPa过热蒸汽温度280给水温度 40烟气组成：N2：78%； O2：17%；CO2 ：4%；H2O：1%2.2 余热锅炉的选型由于各种工业生产的载热气体性质以及对所产蒸气的利用与要求的不同，因而余热余热锅炉的种类和结构也多种多样。选择结构形式，是设计者要首先解决的总是余热锅炉必须满足工艺生产的需要；能够最大限度地回收热能；产生蒸气的压力和质量可以满足使用对象的要求；对余热锅炉系统那么要求操作稳定、调节方便、结构简单、材料易得等。具体选型时可从以下同方面进行考虑。1、流量和流速现代工业生产趋向于大型化，流经余热锅炉的流量和流速不断提高。而该钢厂余热锅炉的工艺气流量平均为300000Nm3/h，工艺气体流量较大，但工艺气中含有飞灰，对流速要求不高。所以对于工艺气体流量大而流速要求不高时，可选用烟道式、U形管式和插入管式。本设计选用烟道式余热锅炉。烟道式余热锅炉与一般燃烧锅炉较为相似，高温气体通过耐火材料砌成的烟道，与布置在烟道内的管束中的水进行换热，产生蒸气。高温气一般为压力较低的工艺气或烟道气。2、工艺气体的特性各种工艺气体流经余热锅炉的特性，对于余热锅炉形式关系较大。该钢厂余热锅炉工艺气体中带有飞灰微粒，其含尘量为含尘量12 g/m3，这就要求锅炉的气侧通道平直而无阻碍，尽量减少弯头、扩大口和收缩口等。3、阻力降在工艺生产中，特别是气体侧为常压或低压时，气侧的阻力降是一个关键的参数。如果经过余热锅炉的阻力过大，超过了系统的驱动推力，那么可能造成生产不正常或无法进行。本设计要求烟气阻力小于式等于700Pa在这种情况下，该钢厂余热锅炉选择阻力降较小的烟道式余热锅炉。4、压力和温度余热锅炉内同时存在两个压力，即工艺气的操作压力和水侧所产蒸汽的压力。该钢厂余热锅炉工艺气侧压力不高，水气侧压力较高，为2.2MPa。为了减少壳体壁厚的制造的困难，应使水气在传热管内流动，工艺气流经管外，此时可以选用烟道式、或水管式及套管式锅炉。综上所述，结合工艺气和烟道式锅炉的特点，某钢厂余热锅炉选用烟道式循环汽包炉，烟道按微正压设计。该余热锅炉系统包括锅筒、锅炉受热面通过上升管和下降管连接。2.3 余热锅炉整体布置结构整个炉膛四周布满水冷壁，各对流受热面均为一级布置，从上而下分别为省煤器、蒸发器和过热器。锅炉的水循环方式有自然循环与强制循环两种，自然循环锅炉具有结构简单，运行维护费用低，管理方便等特点。“立式布置可以减少锅炉占地面积，这在原锅炉用自有工场里增设余热装置时往往是有利的。根据实际情况，本设计余热锅炉选用自然循环、立式结构，烟气自下而上分别冲刷过热器、蒸发器、省煤器，两级受热面间留一定高度的检修空间。每级受热面上均设置脉冲高能除灰装置。其总体布置如以下图所示：图2-1 余热锅炉整体布置结构图2.4 余热锅炉结构及系统组成1、炉膛和炉墙结构炉膛尺寸确实定1炉膛尺寸确实定炉膛采用矩形截面，由文献6可取炉膛截面热负荷qF=2.290KW/m2,炉膛截面F=54.718m2,取炉膛宽a0=8240mm,炉膛深b0=5940mm。具体选取过程见表3-1：表3-1炉膛结构尺寸序号名称符号计算公式单位数值1锅炉蒸发量Dt/h44.5942炉膛截面热负荷qF查表KW/m22.3103炉膛截面积FQ/qFm254.2444炉膛宽度a0选定m8.2405炉膛深度b0选定m5.9406炉膛容积热负荷qv查表KW/m3204.3207炉膛容积V1Q/qvm3613.2708炉膛高度H1V1/Fm11.3069前、后墙面积F12a0*H1m2186.31910侧墙面积F22b0*H1m2134.31311出口烟道高度H2设定m3.50012锅炉总高HH1+H2m14.8062炉墙结构锅炉炉墙结构采用管上炉墙型式，由于炉墙内壁面的温度不超过400，可以省去耐热层而直接用绝热层和密封层组成。炉膛的管上炉墙的内侧第一层采用超细玻璃棉压实于膜式水冷壁后，厚度为35mm从管子中心线算起；第二层为蛭石保温温砖，厚度为130mm；第三层为密封抹面。炉墙总厚度为180mm。每平方米炉墙的重量为120kg左右。故锅炉外形尺寸为8651×6351×14806mm。3受热面中的受热管该钢厂电炉余热烟气量大、进、出口温差较小。假设采用以往的光管蛇形管省煤器将会很庞大，阻力也大，很不现实。对该余热锅炉省煤器、过热器、蒸发器的受热管都选用 38×3/58/8/1的高频焊螺旋翅片管。材料：基管采用20G/GB 5310；翅片用优质碳素结构钢08F。翅片管制造和检验应严格按 HG/T 31811989?高频电阻焊螺旋翅片管 ?进行，并逐根按 JB /T 16121994?锅炉水压试验技术条件 ?进行水压试验。螺旋翅片管与弯头连接处开坡口，采用氩弧焊焊接。翅片管结构见图3-2：图2-2 翅片管结构参数2、系统组成1汽水循环系统给水经过滤、脱气、阴阳离子交换处理生成软水进入软水箱，软水经过省煤器换热，使给水接近饱和状态后进入汽包，然后汽包内水流进下降管、进入水冷壁和蒸发器蒸发换热，从蒸发器出口的饱和蒸汽由上升管进入汽包、最后再进过过热器，产生过热蒸汽，进入汽轮发电机组发电后，乏汽经冷凝器和凝结水泵返回软水箱。其工艺流程见以下图：图2-3 系统工艺流程2烟气系统从某钢厂生产过程中产生的高温烟气有两路出口，一路进人余热锅炉，从主烟囱排入大气，另一路进入旁路烟囱排人大气。每路烟道上都装有挡板，共有三个挡板，主烟道上的挡板称“主挡板，旁路烟道上的档板称“旁路档板，主烟囱处的档板称“烟囱挡板，各挡板是配合使用的。该钢厂电炉工作而余热锅炉不工作，要开启旁路挡板，关闭主挡板。燃气轮机与余热锅炉同时工作，要关闭旁路挡板，开启主挡板。另一方面为调节余热锅炉的产汽量，主挡板和旁路挡板可以部份开启或部份关闭，挡板调节的内容见后。余热锅炉工作时，应该开启烟囱挡板。当余热锅炉短时间停炉，可以关闭烟囱挡板，以防止余热锅炉内的热量损失。因为余热锅炉内温度比拟高，周围冷空气可以进入余热锅炉，形成自然对流将热量带走，关闭烟囱挡板就能防止外界气流进入余热锅炉，以保存热量，准备随时起动余热锅炉。如果余热锅炉要停炉检修，希望冷却速度快些，可以开启烟囱挡板。水平烟道经过一个90°转弯接头与余热锅炉相连，这个转弯接头是经制造厂试验研究后确定的，其形状尺寸必须要保证转弯后的气流分布均匀，均匀的气流能够使得烟气放热也均匀，管内水或汽的吸热也均匀，否那么会使一些管子吸热多而另一些管子吸热少，这对余热锅炉的平安运行是不利的。主烟道和旁路烟道都装有膨胀节，这是由于烟道受热后要伸长，会对烟道的支架产生热应力。采用膨胀节能吸收烟道的伸长量，可以减小热应力。3 受热面计算方法的概述余热锅炉的产汽过程是通过省煤器、蒸发器及过热器来实现的。也就是通过管子把管外烟气的热量传给管内的流体水或汽。在运行中，如果省煤器和蒸发器传过的热量少，那么蒸汽产量少，蒸汽压力低。如果过热器传过热量少，就使蒸汽出口温度低。另外，受热面处在高温烟气下工作，管内流体的流动情况会影响管子金属温度，也就是影响管子强度，由此可见，这三个受热面直接影响余热锅炉运行的平安性和经济性。本章节主要介绍了热平衡方程式、传热方程式、考查包括壁面污垢热阻在内的壁面传热系数计算方法和管内外流体换热系数的计算等等，确定各计算方程式，防止计算过程中换热量、传热系数等参数的计算错误，从而影响整个设计。同时，可以降低影响余热锅炉运行的平安性和经济性。 3.1 热平衡方程式烟气经过某受热面所放出的热量，扣除散到周围的散热量，就是烟气的有效放热量，公式如下： J/s或W4-1式中：Qp烟气有效放热量；j保热系数，考虑散热量的影响，通常取0.980.99；V烟气流量，kg/s烟气进口焓，J/kg烟气出口焓，J/kg管内流体在某受热面所吸收的热量，用下式表示： J/s或W4-2式中：Qw管内流体吸热量；G管内流体流量，kg/s流体出口焓，J/kg流体进口焓，J/kg热平衡方程式就是：Qp Qw 通常写成 ： 4-3分析4-3式，可以看到烟气侧改变任何一个物理量的大小，都影响管内流体的吸热量，也就是影响管内流体的物理量的大小。例如：钢厂烟气量V减少，如果烟气的进口和出口焓不变，整个烟气放热量减少。此时管内流体吸热量要减少，如果流体的流量G不变，进口流体焓不变，那么流体的出口焓就要减小。同样的理由，改变烟气焓也会影响流体的出口焓。对于省煤器和过热器来看，管内水或汽的流量G不随烟气放热量而变，只改变水或汽的出口焓，也就是改变流体的出口温度，而对蒸发器那么不同，烟气放热量的变化会使蒸汽产量发生变化以及蒸汽压力发生变化，这些都是运行中需要重视的参数。公式4-3中，烟气流量是随燃气轮机负荷而改变，烟气进口焓也与燃气轮机负荷有关，烟气的出口焓那么与传热量大小有关，所以只有热平衡方程式还不能确定烟气放热量，还需要通过传热方程式来计算传热量，最后确定烟气放热量。上面已提到，放热量和吸热量和传热量三者是相等的，如果传的热量少，烟气的放热量和流体吸热量都会随之减少，这说明传热量是很重要的，计算传热量采用传热方程式。3.2 传热方程式从文献6中知道传热方程式的根本形式是： QK·T·A J/s或W 4-4其中：Q传热量；K传热系数，w/(m2·)T平均温差， A管子的传热面积，m21、肋片管的传热面积计算肋片管子的尺寸符号见图3-1。管外壁的总传热面积包括肋片的外表积和无肋片区的管外壁面积。令Af为肋片外表积，AWb为无肋片区的管外壁面积，每米管长的总面积A0AfAWb，m2/m。 4-5 4-6式中：n每米长度上肋片的数目。注：假定肋片端部绝热。图3-1 翅片管的尺寸符号2、平均温差Dt的计算受热面都是由多排的水平管圈组成，沿着管子长度各点的流体温度是逐渐变化的，同时对应的各点的烟气温度也是逐渐变化的，因此只能求出整个受热面的平均温差。进入受热面的烟气温度为T1，经过放热后的烟气温度降到T1。进入受热面的水或汽的温度为T2，吸热后温度升高，离开受热面时温度为T2。图3-2中表示出a、b、c三种情形。 a (b) (c)图3-2 受热面的温度分布 a逆流 b顺流 (c)冷流体有相变图3-2中a表示热流体烟气与冷流体水或汽的流动方向是相反的，称为逆流。两种流体的高温段位于受热面同一侧，低温段也位于受热面的另一侧。从a上可以看到，被加热的冷流体的出口温度T2可以高于热流体的出口温度T，此时，沿受热面的各处温度差T1-T2比拟一致，其数值比拟大。这就是逆流布置的一个优点。本设计余热锅炉的省煤器、过热器和蒸发器都采用逆流布置，热烟气自下而上流动，水或汽自上而下流动。图3-2中b表示热流体与冷流体的流动方向是相同的，称为顺流，可以看到，冷流体的出口温度T2不能与热流体的出口温度T1