对流受热面的换热计算.

对流受热面的换热计算.

锅炉对流受热面的换热计算

大型电站锅炉的对流受热面是指对流换热为主的对流过热器和再热器、省煤器、空气预热器、直流锅炉的过渡区等，也包括辐射份额较大的屏式受热面。尽管这些受热面的结构布置、工质和烟气的参数都有着很大的不同，辐射传热所占的份额不同，但为了简化计算，均采用对流传热计算的规律，将辐射传热部分折算到对流传热，各个不同受热面的计算方法有所不同。

对流受热面的换热计算，不论是设计计算还是校核计算，都是利用对流传热方程和烟气侧与工质侧的热平衡方程，分别从对流传热和热平衡的角度来表达对流受热面的对流换热量。

对流受热面换热计算的基本方程

1.受热面的对流传热方程

d j

, kJ/kg K tH Q B ?= 式中d Q ——以对流方式由烟气传递给受热面内工质的热量，以1kg 燃料（固体、液体）或31m ；燃料（气体）为基准；K ——传热系数,W/(m 2·℃)；t ?——传热温压，℃；H ——参与对流换热的受热面面积，m 2；j B ——锅炉计算燃料量，kg/s 。

2.烟气侧热平衡方程

对各段受热面，烟气侧热平衡方程是基本相同的，为

()0d y y lk ,kJ/kg Q h h h ?α'''=-+?

式中 ?——保热系数，考虑散热损失的影响；y

h '、y "h ——烟气在该受热面入口及出口截面上的平均焓值，kJ/kg ；0lk h ——对应于过量空气系数1α=时，漏入该段受热面烟气侧

的冷空气焓值,kJ/kg ；α?——该段受热面的漏风系数。

3.工质侧热平衡方程

对于布置在不同位置、不同工质状态的受热面，工质吸热量的计算方法不同。

（1）布置在炉膛出口处的屏式过热器或对流过热器。

这一类受热面的工质总吸热量由两部分组成：屏间（或对流受热面）烟气的对流换热量和炉膛烟气的辐射换热量，所以，在计算屏（或对流受热面）的对流换热量时，应从工质吸收的热量中扣除该受热面接受的炉膛辐射热量，即

()d f j

"Q ,kJ/kg D h h Q B '-=- 式中 f Q ——受热面吸收来自炉膛的辐射热量,kJ/kg ;D ——工质流量，kg/s ；"h 、h '——受热面出口及入口的工质焓值,kJ/kg 。

来自炉膛烟气的辐射热量f Q '可能不会全部被屏式过热器吸收，将有一部分热量f "Q 透射到屏后的其他受热面，另外屏间烟气的辐射热量也会投射到屏后的受热面上，用P "Q 表示。所以，屏式过热器及其后的对流过热器的工质吸收炉膛的辐射热量为

()

f f f P ""Q Q Q Q '=-+

来自炉膛的烟气辐射热量是由炉膛传热计算确定的，即 11

f j "q F Q B βηH '=

式中 1"F ——炉膛出口烟窗面积，m 2；β——考虑炉膛与屏相互辐射影响的修正系数；q H ——炉膛有效辐射受热面积的屏间热负荷；1η——沿炉膛高度面积热负荷的不均匀系数。

炉膛辐射透射到屏后受热面的热量按下式计算，即

()f p

f 1"",kJ/k

g Q a x Q β'-=

屏间烟气对屏后受热面的辐射热量为

40p pj r

p j "",kJ/kg aF T Q B σξ=

(2)布置在水平烟道和尾部烟道中的过热器、再热器、省煤器及直流锅炉的过渡区等受热面内工质的吸热量按下式计算，即

()d j

",kJ/kg D h h Q B '-= （3）空气预热器中空气的吸热量为

()

ky 00d ky ky ky ",kJ/kg 2Q h h αβ'''=+- 主要对流受热面的计算特点

1、对流过热器和再热器的计算

对流过热器和再热器均为烟气横向冲刷（顺列或错列），按平均烟气温度（进口截面和出口截面烟气温度的算术平均值）计算平均烟气流速，计算烟气量的过量空气系数亦取进口和出口过量空气系数的平均值。

过热器或再热器受热面吸收来自炉膛的辐射热lf Q 时，应在热平衡计算中考虑这部分热量。在所计算的对流过热器或再热器前布置有凝渣管或屏式受热面的情况下，计算lf Q 时需计及凝渣管或屏式受热面的吸热量对lf Q 的影响。

计算燃烧产物管间辐射的辐射放热系数时，应考虑位于过热器或再热器受热面前和其间

的气室空间容积的辐射，对平均有效辐射层厚度进行修正。位于管束后的气室空间对管圈的辐射忽略不计。

当采用锅炉尾部竖井分隔烟道及烟气挡板调节再热蒸汽温度时，在两烟道中，分别按流经受热面计算区段的烟气份额计算烟气出口温度和焓值，而后按均匀混合计算进入到下一级受热面的入口烟气温度和焓值。

过热器（和再热器）中间均装有喷水减温器，通常以减温器为界分为两级独立的受热面进行计算。如果减温器前后的受热面管组布置在同一烟气区段内，可合并在一起进行传热系数的计算，对两部分按其实际温度分别计算温压。

减温器前蒸汽流量q D 较减温器后的蒸汽流量h D 要小，其差值为喷水量D ?，喷水减温器的热量平衡为

()q

jws q jw D h h D h '?-=? 进一步可得D ?值与减温器中蒸汽焓的降低值jw h ?间的关系，即

jw h q q q

jws h D D D D h h ??=-='- 式中 q

"h ——减温器前级受热面出口蒸汽焓，即减温器进口蒸汽焓；q h '——减温器后级受热面入口蒸汽焓，即减温器出口蒸汽焓；jws h ——进入减温器中喷水的焓。

2、蒸发管束及附加受热面的计算

（一）凝渣管束

一般情况下，凝渣管束布置在炉膛的出口，并且通常系炉膛水冷壁的延伸部分，管内介质系汽水混合物，可按错列管束计算。

由于凝渣管束往往直接布置在炉膛出口窗后，因此必须考虑吸收炉膛的辐射热，计算受热面的对流传热量时，应从凝渣管束的总换热量中扣除辐射换热量。

（二）直流锅炉过渡区

在直流锅炉中，为了减轻锅内积盐所造成的危害，常将盐分容易沉积区域的受热面，布置在烟气温度较低的区域，称为过渡区域。当锅炉给水品质足够高时，可以不限制过渡区域的布置位置。

在所有可能的负荷情况下，过渡区进口蒸汽湿度应不小于15%~20%，而过渡区受热面出口蒸汽过热度不小于20℃。如在过渡区前装置了分离器，其进口的蒸汽可取为干蒸汽。

过渡区的计算与过热器受热面计算区别不大，过热度较低且数值不大于40℃时，过渡区的传热温压计算可简化为烟气平均温度与饱和温度之差；如过热度高于40℃，则需按有介质状态变化的情况，分段计算传热温压。

（三）转向气室

在现代电站锅炉结构中，转向气室内常布置有敷壁管的受热面或稀疏的悬吊管受热面，烟气在转向气室中的流动速度较低，一般按辐射换热进行计算。同时又由于转向气室中的换热量在整台锅炉的换热中所占的份额较小，因此，常作简化计算。转向气室的换热方程为()f hg ,kJ/kg Q t H α?=-

式中H ——换热面积，2

m 。

转向气室的有效辐射层厚度可按气室的长、宽、高三维尺寸a 、

b 、

c 计算，即

2.2,m 111s a b c

=++ 计算辐射放热系数的定性烟气温度取烟气平均温度，灰污系数可近似选取：固体燃料0.0086 m 2·℃/W ，液体燃料0.007 m 2·℃/W ，气体燃料0.0055 m 2·℃/W.

敷壁辐射受热面按与炉膛水冷壁受热面类似的方法计算。对为数不多的悬吊管等，同样按辐射投影面计算，并考虑辐射角系数的修正。

当计算灰污壁温hg t 时，对受热面内不同介质的温度，应分别进行计算。转向气室的换热量为各部分换热量之和。

（四）、过热器、再热器的附加受热面及悬吊管

在过热器、再热器或其他主受热面区段内布置有另一种介质状态的附加受热面，或虽属同一介质状态，但属于单独计算的受热面时，附加受热面所吸收的热量包括在计算主受热面的烟气发热量中。主受热面区段的敷壁管(包括烟道四壁、烟道顶部和底部)及主受热面的悬吊管等均属于附加受热面。

当附加受热面的数量不大于主受热面10%时，附加受热面的换热可按下述方法计算。无论附加受热面与主受热面结构形式是否相同，通常因受烟气冲刷较差，计算受热面积时往往引入经验修正系数。敷壁管按与水冷壁相同的方法计算，悬吊管按圆周受热面计算，修正系数可取为0.5。附加受热面的传热系数取等于主受热面的传热系数。

附加受热面与主受热面并联布置时，取烟气平均温度与附加受热面工质平均温度之差值作为附加受热面的传热温压。当附加受热面串联在主受热面之后时，取烟气出口端温度与工质平均温度之差为传热温压。

换热计算式为

fj

fj j H K t Q B '?=

式中 H '——以修正系数修正后的附加受热面积,2

m ；K ——主受热面传热系数，W/ (m 2·℃)；fj t ?——附加受热面的传热温压，℃。 3、省煤器的计算

省煤器的计算过程与过热器、再热器类似，两级布置省煤器的每一级的计算与单级省煤器的计算相同。

当进行省煤器的设计计算时，省煤器的计算吸热量可由汽水吸热平衡方程近似估算，即

sm yx gl ph 4

100,kJ/kg 100Q Q Q q η=-∑- 式中 yx Q ——1kg 燃料的有效利用热量；ph Q ∑——炉膛及各级受热面（除省煤器外）的吸热量，需代入由热平衡方程计算的数值。

当由炉膛沿烟气流程逐级计算受热面时，省煤器进口烟气温度为已知值，当从锅炉尾部逆烟气流程逐级计算受热面时，省煤器出口烟气温度为已知值。无论哪一种情况，通常省煤器进口水温度是已知值。省煤器中传热温压，按烟气和水相互流动方向所构成的系统进行计算。

在省煤器的计算中，计算流经省煤器的实际水流量sm Q 时，应考虑排污量、自用蒸汽量、喷水减温水量等。

当进行布置在尾部竖井分隔烟道中的省煤器计算时，需要考虑分隔烟道中流过的烟气份额，以确定烟气速度和计算省煤器出口温度。

4、空气预热器的计算

管式空气预热器为单级布置时，可将其作为一个整体进行计算。如空气预热器为双级布置，则上级（第二级）和下级（第一级）分别进行计算。

空气预热器的计算需依据空气的实际流量，合理估计漏风系数是很重要的，并需要考虑抽取温风的比例。当全部空气均在空气预热器内加热时，对单级空气预热器或双级布置的空气预热器的第二级，空气侧出口过量空气系数为

ky 11zf ""βαααII =-?-?

式中1"α——炉膛出口过量空气系数；1α?——炉膛漏风系数；zf α?——制粉系统漏风数。

双级布置空气预热器的第一级，其出口过量空气系数为；

ky ky 2""ββαI II =+?

式中2α?——第二级空气预热器的漏风；

只有一部分空气在第二级空气预热器内加热时，第二级空气预热器按实际空气流量进行计算。

当采用热风再循环时，提高了预热器入口的空气温度。再循环空气量与理论空气量之比称为循环系数，由式（10-76）计算，即()ky lk yz ky ky rk ky

"t t t t ββα'-=+?'- 式中ky α?——整个空气预热器中空气流动部分的漏风系数，可取等于烟气侧的漏风系数；

lk t 、rk t 、ky

t '——冷空气温度、热空气温度和空气预热器入口空气温度，℃。热风再循环时，热平衡、温压、空气的平均温度及平均流速均要按空气的实际流量及空气的实际温度去计算。

烟气或空气的平均温度按各自进、出口端的算术平均值计算。传热温压按不同的流动系统计算，烟气和空气的平均流速按实际流量及平均温度确定。

除第二级空气预热器外，由于烟气温度较低，辐射放热系数可以不计。

在进行回转式空气预热器校核热力计算时，其受热面面积和介质流通截面积均与制造厂家所采用的蓄热板板型有关，需要根据厂家提供的单位容积蓄热板的受热面面积和单位面积的流通截面积计算；传热温压按逆流温压计算；各制造厂家根据不同蓄热板型所提供的传热系数计算式有所不同。