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锅炉炉膛出口烟气温度的推算

文档作者：魏铁铮　王平川王建军文档来源：华北电力大学华北电力科学研究院		点击数：	更新时间： 2024年06月12日
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锅炉炉膛出口烟气温度的推算
Reckon ing fo r Gas Temperatu re of Bo iler Fu rnace O u t let
华北电力大学(保定071003) 　　魏铁铮　王平川
华北电力科学研究院(北京100045) 　　王建军
文　摘　锅炉炉膛出口烟气温度是研究锅炉工况
及锅炉热力计算的重要参数, 它是炉膛内辐射传
热和对流烟道内烟气对流传热的分界。同时, 炉膛
出口烟气温度是很难测量的。在已知燃料元素分
析成分的条件下, 利用一般锅炉数据采集系统提
供的工质侧测量数据, 从测量准确的排烟温度开
始, 沿着烟气流动相反的方向, 主要利用热平衡关
系, 反向推出各受热面处的烟气温度, 直到炉膛出
口烟气温度, 给其它锅炉研究, 例如锅炉运行中的
管子金属壁温计算、寿命计算、管子污染情况的监
测以及有针对性的吹灰提供了方便和计算基础。
关键词　炉膛出口烟气温度　热平衡　附加受热
面
锅炉炉膛出口烟气温度是锅炉设计和运行中
的一个重要参数。首先这一烟气温度是区分锅炉
烟气侧的炉膛内辐射传热和对流烟道内对流传热
的界限。在工质侧, 基本上是区分炉膛水冷壁内蒸
发吸热和过热器内蒸汽的过热吸热的界限, 同时
这一烟气温度影响炉膛出口处的对流受热面的结
渣问题。如果这一温度过高, 将成为锅炉过热蒸汽
超温的主要原因之一, 因而也可能是造成过热器、
再热器爆管的重要原因之一。相反如果炉膛出口
烟气温度过低, 则造成过热蒸汽和再热蒸汽低于
设计值, 降低机组的经济性。
锅炉炉膛出口烟气温度的测量是一个很困难
的工作。把热电偶送入适当的位置, 一般锅炉上没
有十分合适的测孔; 现代电站锅炉的炉膛很宽, 要
把热电偶送到合适的测量位置很不容易; 高温烟
气测量, 由于有辐射传热的影响, 有相当大的测量
误差。正是由于炉膛出口烟气温度的测量很困难,
所以电站锅炉上没有这一温度的常规运行测点。
现代电站锅炉一般都装有较完备的数据采集
系统, 各段受热面进出口工质参数, 例如工质温
度、工质压力和工质流量, 一般都有比较准确的测
量值。作者依据这些工质侧的参数, 在已知当时燃
用煤种元素分析成分的情况下, 从测量较为准确
的锅炉排烟温度开始, 沿着与烟气流动相反的方
向, 主要应用热平衡的方法, 逐步计算出各受热面
间的烟气温度, 最终推算出炉膛出口烟气温度。
1　计算对象简介
以唐山陡河电厂200MW 锅炉作为计算对
象。陡河电厂的4 台200 MW 锅炉的型号为
HG670ö1 4029, 是80 年代中期哈尔滨锅炉厂生产
的。这种锅炉是超高压参数的燃用开滦洗中煤的
固态排渣煤粉炉。锅炉烟气侧从前向后依次布置
有: 炉膛上方的前屏过热器、炉膛出口处的后屏过
热器、折焰角上面的高温对流过热器(这段过热器
分两段, 即烟道两侧的冷段和烟道中间的热段)、
前凝渣管、水平烟道中的高温再热器、后凝渣管、
转向室、下行烟道的低温再热器、两级布置的省煤
器和空气预热器。这种锅炉的附加受热面包括顶
棚和包墙管过热器, 包墙管布置在水平烟道侧墙
和直到低温再热器的包墙。
计算对象的蒸汽系统如图1 所示。从汽包出来
的饱和蒸汽经过顶棚过热器和包墙管过热器进入
前屏, 经过一级喷水减温器减温后再进入后屏, 从
后屏出来的全部蒸汽进入汽—汽热交换器去加热
再热蒸汽, 出来后进入高温过热器冷段, 经过二级
喷水减温器减温后, 再进入高温过热器热段, 从高
温过热器出来的蒸汽进入锅炉主蒸汽管道, 送往汽
轮机。汽轮机高压缸的排汽先进入低温再热器, 出
来后一部分再热蒸汽进入汽—汽热交换器加热, 另
一部分再热蒸汽不经过汽—汽热交换器, 两部分蒸
汽混合后进入高温再热器, 此后送往汽轮机。
2　推算前的准备工作
在进行烟气侧烟气温度反向推算前要做好三
方面准备工作: (1) 现场实测数据的整理, 其中包
括根据汽包压力求饱和蒸汽温度; 进而推出锅炉
顶棚及包墙管中的蒸汽平均温度; 由于锅炉实测
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图1　HG670ö14029 型锅炉的蒸汽系统及参数
数据有左右两侧之分, 因而对于蒸汽温度和排烟
温度计算其算术平均值, 对于喷水量则把两侧数
据相加。(2) 进行锅炉实测时的热平衡计算, 计算
出当时的计算燃料量、保热系数, 以备推算时使
用。(3) 与输煤车间联系给锅炉上同一煤矿的煤,
使得采集数据时的煤种不会有过大的变化。
3　锅炉炉膛出口烟气温度的推算方法
按受热面组成和位置的不同, 反推进口烟气
温度的方法可以分为4 种。
311　无附加受热面的尾部受热面
这里指的无附加受热面的锅炉尾部受热面是
省煤器和空气预热器。如果计算其他型式的锅炉,
只要这段受热面只有主受热面, 而没有其他的附
加受热面, 都可以按照这里叙述的方法进行反推
计算。对于空气预热器, 应当用如下的公式进行计
算:
Q dx= (B″+ $aö2) ( I k°″- I k°′) (1)
Q df= 5 ( I ′- I ″+ $a I l°) (2)
式中　B″——空气预热器出口处空气量与理论空
气量之比, B″= a1″- $a1- $azf , 其中
a1″为炉膛出口的过量空气系数; $a1
和$azf分别为炉膛和制粉系统的漏
风系数:
Q df——烟气的放热量, kJökg;
Q dx——工质的吸热量, kJökg;
$a——空气预热器的漏风系数;
I °k、I k°″——空气预热器进、出口处理论空气焓,
kJökg;
5 ——保热系数;
I ′、I ″——受热面前、后的烟气焓, kJök g;
I 1°——a= 1 时漏入的空气焓, 在此处为按
空气预热器进出口的平均空气温度
计算的空气焓, kJök g。
在计算时, 因为知道煤的元素分析成分就可
以计算出Q dx , 根据热平衡关系, 对流吸热等于对
流放热, 因此就求出Q df。在应用(2) 式时, I ″是按
排烟温度和当地的过量空气系数而求得的; I 1°按
冷风温度和热风温度的平均值求得; 这样就可以
求进口处的烟气焓I′, 进而求进口的烟气温度。
应当说明的是, 锅炉大修后一般都做漏风试
验, 计算时要应用最新的实试数据。
对于省煤器, 应用如下关系式计算。
Q dx= D sm ( i″- i′)öB j (3)
Q df= 5 ( I ′- I″+ $a I 1°) (4)
式中　D sm ——省煤器中水的流量, kgös;
i′、i″——省煤器进、出口处水焓, kJök g;
B j——计算燃料量, kgös;
I 1°——冷空气焓, kJök g。
其余符号意义同前。
在计算中, 根据给水温度和省煤器出口水温
度即可算出i′和i″, 进而算出Q dx , 也就是Q df; 此
处I ″与前面计算出的空气预热器的进口烟气焓相
等。这样应用(4) 式就可以求出进口烟气焓I ′, 再
求出进口烟气温度。
应当指出, 本文计算实例的尾部受热面是两级
布置, 没有上下级省煤器和上下级空气预热器之间
水温和热风温度测量值, 所以作者当作单级布置来
推算。根据热平衡原理, 这样不会带来额外的误差。
312　有附加受热面但不接受炉膛辐射的受热面
对于本计算实例, 有附加受热面但不接受炉
膛辐射的受热面指的是高温再热器和低温再热
器。由于有附加受热面, 而其上不可能安装工质温
度测点, 因而不能从工质侧直接得到附加受热面
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吸热量, 因此要求附加受热面吸热。作者根据文献
(1) 中叙述的方法来计算附加受热面吸热。这种受
热面的计算公式如下, 计算框图示于图2 中。
已知出口处烟温、烟焓
求工质吸热
求传热系数
求附加受热面
吸热
求总吸热
求进口烟焓、
烟温
误差
设进口烟温
图2　有附加受热面但不接受炉膛辐射受热面计算框图
Q dx= D ( i″- i′)öB j (5)
Q df= 5 ( I′- I ″+ $a I 1°) (6)
公式(5) 和公式(3) 很类似, 所不同的是公式
(5) 中进出口焓i′和i″以及流量D 是针对蒸汽的。
公式(6) 和公式(4) 相同。因此这类受热面的算法和
前一类基本相同, 所不同的是还要引入一个公式(7)。
Q dc= (K ·$t·H )öB j (7)
式中　Q dc——对流传热量, kJök g;
K ——传热系数, kWö(m ·℃) ;
$t——传热温差, ℃;
H ——受热面积,m 2。
先应用公式(5) 计算出Q dx; 认为Q dc= Q dx; 用
公式(7) , 针对主受热面算出其传热系数K ; 根据
文献[1 ]中规定: 附加受热面传热系数等于主受热
面传热系数, 针对附加受热面应用公式(7) 算出附
加受热面吸热; 求出主受热面和附加受热面的总
吸热, 作为公式(6) 中的Q df, 求出其进口烟气焓,
进而求进口烟气温度。
应当指出, 由于主受热面吸热采用了实测数
据, 这就相当于采用了实际的污染系数。
313　无主受热面的特殊受热面
这类受热面对于本计算对象是指转向室、前、后
凝渣管, 其计算框图如图3 所示。这时的计算就是一
个相反方向的热力计算, 已知出口烟气温度求进口
烟气温度。作者依据文献[1 ]提供的方法进行计算。
314　布置在炉膛出口以外的接受炉膛辐射的受
热面
　　这类受热面对于本计算对象是指炉膛上方的
后屏过热器和折焰角上面的高温对流过热器。这
些受热面都有附加受热面, 一般还不止一种附加
受热面, 其计算框图类似图2 的有附加受热面的
受热面的计算框图。所不同的是, 在计算前先假设
一个吸收炉膛辐射热, 等到算出炉膛出口烟气温
度后, 根据文献[1 ]中的方法计算出一个吸收炉膛
辐射热, 再计算假设值和计算值的误差。如果误差
过大, 则把计算值作为下次计算的假设值, 重新进
行这些受热面的计算, 反复循环, 直到误差满足要
求为止。由于受热面吸收炉膛辐射, 要把公式(5)
换成如下形式, 公式(6) 依然使用。
Q dx= D ( i″- i′)öB j- Q f (8)
式中Q f 为吸收炉膛辐射热。
作者应用上述方法, 在计算机上编程完成了
计算。在计算过程中, 96% 的热量是主受热面的吸
热, 按热平衡反推计算, 受实测数据测量误差的影
响; 4% 的热量是附加受热面和特殊受热面吸热,
按文献[1 ]方法反推计算, 具有计算方法的误差。
4　对计算实例的计算
作者计算的是唐山陡河电厂6 号锅炉, 时间
是1997 年12 月23 日09 时54 分05 秒。当时烧
的是吕家坨煤, 其元素分析如下:
　Cy= 49147%; Hy= 2196%; O y= 5121%;
　N y= 0145%; Sy= 0153%; A y= 32148%;
　W y= 819%
当时测得的工质侧数据标在图1 中, 需要补
充的数据如下:
已知出口处烟温、烟焓
求传热系数
传热温差
求工质吸热
求烟气放热
求进口烟温、烟焓
误差
设进口烟温
图3　特殊受热面的计算框图
(下转第50 页)
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　　电压相似常数CU = 5 064;
频率相似常数Cf = 215×10- 3;
电场强度相似常数CE= 1681816;
电流相似常数CI= 3791863。
载重汽车感应电流的模拟试验时, 在变电站
厂区车道中每3 m 布置一个测量点, 以“黄河”8 t
载重汽车为依据, 当车身的前部位于测量点时, 测
量车身在交变电场中引起的位移电流, 所测量的
感应电流相当于赤足的人体接触汽车时, 流过人
体的工频稳态电流。
沙岭子电厂500 kV 超高压变电站的主接线
采用1 个半开关方式, 主要电气设备布置在同一
高度上, 根据整个设备布置的对称性, 选用沙岭子
电厂500 kV 超高压变电站的一半作为模拟范
围, 模拟模型平面示意图见图3, 载重汽车感应电
流的计算值和模拟试验测量值的分布曲线比较见
图4　载重汽车感应电流的计算值和模拟
试验测量值分布曲线比较
图4。从图中可看出, 计算值和模拟试验测量值基
本一致,A - A 剖面的汽车感应电流的最大值为
2164 mA , B - B 剖面汽车感应电流的最大值为
2186 mA。
对于沙岭子电厂500 kV 超高压变电站, 载
重汽车感应电流的计算和模拟试验表明, 进入变
电站厂区载重汽车感应电流较大, 因此, 当变电站
运行时, 进入变电站厂区的载重汽车的车身应有
良好的接地, 否则, 当人体触摸车身时, 汽车的感
应电流将通过人体流入地面, 造成人身事故, 这一
点应该引起高度重视。
参考文献
1　杨宪章、代义钧. 高压变电站电场强度的数值分析. 武汉水利
电力学院学报, 198714
2　罗九儒等. 超高压变电系统静电感应水平的数值分析及计算.
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3　T. M. MC Cauley, et al. EHV and UHV Electro static Effects:
Simp lified Design Calculations and P reventive M easures. IEEE
T ransactions on Power Apparatus and System s, Vo l. PA S294,
No. 6,NovemberöD ecember 1975: 2057～ 2065
4　Stratton J A. Electro - magnetic theo ry. N ew Yo rk:M cGraw
- H ill, 1941: 38～ 59, 207～ 215
5　刘会金、杨宪章. 超高压变电站内人体感应电流的计算. 武汉
水利电力学院学报, 199213
6　刘会金、罗九儒、杨宪章. 沙岭子电厂500 kV 变电站工频电场
分布模拟试验。湖北电力, 1998
(收稿日期: 1999207201)
(上接第16 页)
　　排烟温度　tpy= 133 ℃;
热风温度　trf= 342 ℃;
环境温度　tlk= 0 ℃。
作者反推出的炉膛出口烟气温度为1 022
℃。
作者还在计算机上按照文献[ 1 ]进行了这个
条件下的热力计算, 有三点说明[ 2 ]: (1) 用杜卜斯
基—卜劳赫炉膛出口烟气温度公式代替古尔维奇
公式; (2) 按当时燃烧器使用情况计算燃烧器中心
高; (3) 按锅炉负荷考虑对火焰中心的修正。这样
计算得到的炉膛出口烟气温度为1 014 ℃。
从两种计算结果来看, 计算是可信的。
参考文献
1　北京锅炉厂译. 锅炉机组热力计算标准方法. 北京: 机
械工业出版社, 1996
2　秦裕琨. 炉内传热(第2 版). 北京: 机械工业出版社,
1992. 1
3　魏铁铮等. 陡河发电厂200MW 锅炉机组热力计算研
究. 华北电力技术, 1999. 2
(收稿日期: 1999206229)
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