600mw火电机组燃煤锅炉的本体设计--本科毕业设计论文.doc

南 京 工 程 学 院
毕业设计说明书(论文)

作 者： 学 号：
系 部： 能源与动力工程学院
专 业： 热能与动力工程
题 目： 600MW火电机组燃煤锅炉的本体设计

指导者：

评阅者：

20 15 年5 月 南 京

毕业设计说明书（论文）中文摘要
随着火力发电规模的不断扩大，我国自进入21世纪，开始重点发展超临界压力的600MW机组。本文在山西大同烟煤为设计煤种的基础上，进行了600MW火电机组燃煤锅炉本体的设计和热力计算，介绍了大型煤粉锅炉本体设计的一般步骤和方法。
首先对给定煤种进行数据校核和辅助性热力计算，结合已有机组参数，确定本次设计锅炉本体的特性参数；然后进行炉膛的设计和热力计算、并对各受热面进行设计和热力计算，在设计时需考虑受热面的布置方式。最后汇总热力计算结果，找出问题所在，提出解决问题的方案，从而达到设计优化目的。

关键词：600MW锅炉 本体 设计 热力计算

Title:The body design of 600MW thermal power unit in coal fired boiler
Abstract
With the continuous expansion of the scale of thermal power, From the beginning of Twenty-first Century , the super-critical pressure of 600MW units was largely developed . Based on the Datong bituminous coal, this paper studied the process of the body design and thermal calculation of 600MW units. And introduce the general steps and methods of the body design of large coal fired boiler .
Firstly,we did thermodynamic calculation and analysis of the design coal.Combined with the existing parameters of the unit,we determined the characteristic of the body design of the boiler.Then we designed the furnace and did the thermal calculation,and we have also designed the heating surfaces and its thermal calculation.Finally,the results of the thermodynamic calculation are summarized to find out the problems,and put forward the solution of these problems,so as to achieve the goal of optimization design.

Keywords:600MW boiler Body of boiler Design Thermodynamic calculation
毕业设计说明书（论文）外文摘要

南京工程学院毕业设计说明书（论文）
目录
前言 1
第一章 绪论 2
1.1. 概述 2
1.1.1. 我国600MW锅炉的发展 2
1.1.2 超临界火电机组发展现状 3
1.2. 600MW超临界锅炉本体介绍 4
1.2.1. 炉膛 4
1.2.2. 过热器和再热器 5
1.2.3. 尾部受热面 6
1.3. 锅炉本体设计的一般步骤 7
1.3.1. 确定锅炉主要规范 7
1.3.2. 锅炉热平衡及燃料消耗量计算 7
1.3.3. 炉膛设计 7
1.3.4. 各受热面设计 7
1.4 600MW燃煤锅炉本体设计内容说明 8
第二章 600MW锅炉本体设计辅助性热力计算 9
2.1. 锅炉的原始设计参数 9
2.2. 燃料的数据校核和煤种判断 9
2.3. 燃料燃烧计算 11
2.3.1. 理论空气量 11
2.3.2. 理论烟气量 12
2.4.烟气特性计算 13
2.4.1 炉膛出口过量空气系数 13
2.4.2 漏风系数 13
2.4.3 飞灰系数 13
2.5. 锅炉热平衡的计算 14
2.5.1. 锅炉输入热 14
2.5.2 各项热损失的选取 14
2.6. 烟气焓温表的编制 16
第三章 炉膛的设计及热力计算 19
3.1. 炉膛容积的确定 19
3.2. 炉膛形状和尺寸的确定 19
3.2.1. 炉膛截面积的确定 19
3.2.2 冷灰斗和炉顶的设计 20
3.3. 炉膛的热力计算 22
3.3.1 热力计算方法的选择 22
3.3.2. 炉膛热力计算的步骤 22
3.3.3 主要计算参数的选取 23
3.3.4 炉膛热力计算汇总 24
第四章 屏式过热器的设计及热力计算 27
4.1. 屏式过热器的结构设计 27
4.1.1 屏式过热器结构计算中的几点说明 27
4.1.2 设计不当带来的问题 27
4.2. 屏式过热器的热力计算 29
4.2.1. 热力计算方法说明 29
4.2.2. 热力计算的步骤 30
4.2.3. 主要计算参数的选取 30
4.3. 屏式过热器热力计算汇总 31
第五章 高温再热器的设计及热力计算 37
5.1. 高温再热器的结构设计 37
5.1.1 高温再热器结构设计说明 37
5.1.2 高温再热器存在的问题 37
5.2. 高温再热器的热力计算 39
5.2.1. 热力计算方法说明 39
5.2.2. 主要计算参数的选取 39
5.3. 高温再热器热力计算汇总 40
第六章 高温对流过热器的设计及热力计算 43
6.1. 高温对流过热器的结构设计 43
6.1.1. 高温对流过热器设计的要求 43
6.1.2. 设计应注意的问题 43
6.2. 高温对流过热器的热力计算 44
6.2.1. 热力计算方法说明 44
6.2.2. 主要计算参数的选取 44
6.3. 高温对流过热器热力计算汇总 45
第七章 低温再热器的设计及热力计算 48
7.1. 低温再热器的结构设计 48
7.2. 低温再热器的热力计算 49
7.2.1. 热力计算方法说明 49
7.2.2. 低温再热器水平段热力计算 51
7.3. 低温再热器水平段热力计算汇总 53
第八章 省煤器的设计及热力计算 56
8.1. 省煤器的结构设计 56
8.1.1 省煤器结构设计要求 56
8.1.2 省煤器的支吊方式选择 56
8.2. 省煤器的热力计算 56
8.2.1. 热力计算方法说明 56
8.2.2. 主要计算参数的选取 57
8.3 省煤器热力计算汇总 58
第九章 空气预热器的设计及热力计算 60
9.1. 空气预热器的结构设计 60
9.1.1 三分仓空气预热器的选型 60
9.1.2 结构设计计算的几点说明 60
9.2. 空气预热器的热力计算 62
9.2.1. 热力计算方法说明 62
9.2.2. 主要热力计算公式 62
9.3. 空气预热器热力计算汇总 65
第十章 结论 70
10.1. 锅炉整体热量平衡校核 70
10.2. 热力计算结果的汇总 70
10.3. 设计不足与展望 72
致谢 73
参考文献 74

前言
600MW级火电燃煤机组是世界上大多数发达国家重点发展的火力发电机组，是许多国家火力发电机组系列中的重中之重。伴随我国国民经济的高速发展以及电力需求的迅速增长，电网容量也随之增大，这一容量等级也是目前我国火电建设中大力发展的机组之一。自1985年元宝山电厂引进了我国第一台600MW火电机组并投产运行，我国也因此进入了600MW火电机组的年代，先后有平圩发电厂两台600MW亚临界压力机组，上海石洞口第二电厂两台600MW超临界机组、浙江北仑电厂两台600MW亚临界机组、山东邹县电厂两台600MW机组相继投产运行。
相对于1000MW燃煤机组而言，600MW火电燃煤机组具有技术更加成熟，运行可靠性更高，目前在国内电厂应用最多。因此，对600MW火电机组燃煤锅炉的研究就更加具有意义。
现在大容量燃煤发电机组需具备运行可靠性高、供电煤耗率低、自动化水平高。要做到这些，需从锅炉设计时就有所考虑，尤其是锅炉本体部分的设计与计算。好的锅炉本体设计，不仅要求受热面结构设计合理，受热面的布置也至关重要，对提高安全性和经济性有很大帮助。
针对600MW火电机组燃煤锅炉本体的设计，之前已有大量的研究和计算算例，且各热工研究所的计算方法基本一致，并且设计出的锅炉也已投入运行。因此本文也将以已有的计算方法为基础，进行设计和热力计算。
本文将围绕锅炉本体的设计计算为中心。通过对给定煤种的分析与热力计算，结合已有的计算方法，完成对锅炉炉膛、屏式过热器、再热器、过热器、省煤器和空气预热器的设计和热力计算。设计中，结合已有机组结构特征，找出设计中遇到的问题，提出解决问题的方法，从而达到优化设计的目的。

第一章 绪论
1.1. 概述
现代社会离不开电。电能也是最清洁的能源，其使用方便，调节简单且易于转换[1]。电力生产的形式很多，我国目前最主要的电力生产方式为火力发电。在火力发电厂中，锅炉、汽轮机和发电机被成为三大主机。
锅炉是一种将燃料燃烧使其化学能转变为热能并传递给给水，通过一定的蒸发、过热受热面，将水加热成具有一定压力和温度的蒸汽的设备。顾名思义，锅炉由“锅”和“炉”组成。其中，锅不仅是盛水的容器，也是换热和加热水和蒸汽的部件；炉则是提供燃料燃烧场所的部件。
锅炉机组由诸多设备，锅炉本体以及烟、风道和各复杂管路等庞大设备组成。而锅炉本体的设计和布置则对锅炉的汽水系统和烟风系统影响很大[2]。
1.1.1. 我国600MW锅炉的发展
我国火力发电厂第一台600MW火电机组为元宝山电厂2号机组，由德国公司制造的亚临界本生直流锅炉，1985年建成运行，燃用煤种为元宝山当地的褐煤。此后，随着我国经济的持续增长，对电力的大力需求，促成我国对大容量机组的发展[3]。截止到2004年底，已建成的大容量机组中，单机容量600MW及以上大型火力发电机组为55台，其装机容量占全国装机总量的10.7%，超临界机组为也达到14台。据不完全统计，2012年全国单机容量为600MW机组为180台左右，约占全国装机容量的30%。“十二五”及“十三五”期间将新建燃煤火电机组5800万KW，大多数机组将采用600MW及以上的超临界和超超临界机组[4]。
进入21世纪后，600MW机组会在以后的一段时间成为火力发电和电网运行的主力机组。要使全国发电煤耗大幅降低，主力机组效率的提高则显得至关重要，还可获得相对明显的环保效益。
同样600MW等级的机组，由于技术的不断发展和材料的不断升级，理论知识的不断完善，设计出来的机组各项指标也会有所不同。对燃用不同煤种的同一机组，其各项指标也不同。我国早期600MW机组的设计规范及结构特性参数列于表1-1。

名
称
平圩
电厂
哈尔滨第三发电厂
北仑电厂
沙角C电厂
石洞口发电厂
邹县电厂
元宝山电厂
额定功率
600
600
600
600
600
600
600
锅炉容量
2008
2008
2100
1900
2020
1832
1832
锅炉公司
HG-CE
HG
ABB
ABB-CE
CE
FWEC
CE
布置型式
∏型
∏型
∏型
∏型
∏型
∏型
∏型
主蒸汽压力
18.29
18.20
18.20
25.4
18.07
18.60
17.46
主热汽温度
540.6

540.0

540.0

540.0

541.0

541

545.0

给水温度
278.3
279.7
275
286
278.9
257
255
排烟温度
135
126
130
132
130
126
140
热效率
87.93
92.08
92.08
87.78
92.53
92.4
91.5
炉膛的高度
63.79

57.2
56.99
62.13

61.9
炉膛的容积
17067
16607
15042
15485
16100
16884
18551
容积热负荷
101
99.5
116
112
103.5
69.3
76.65
截面热负荷
5.49
5.64
5.45
5.4
5．34
3.12
2.79
燃用
煤种
淮南烟煤
鹤岗、双鸭山烟煤
晋北烟煤
神府东胜烟煤
石歧台烟煤
济宁烟煤
元宝山褐煤
表 1-1 我国早期600MW机组的设计规范及结构特性参数汇总表
1.1.2 超临界火电机组发展现状
截止2011年年底，五大发电集团600MW等级火电燃煤机组装机总容量为7714.3万kw，占五大发电集团燃煤机组装机总量的20%[5]。目前大多数600MW等级机组采用超临界压力运行，是目前发展的主要方向，而目前也还出现了超超临界压力的机组。本文设计的600MW锅炉采用超临界运行。
1) 国外超临界机组的发展历史
国外超临界发电技术的发展可分为三个阶段。第一阶段为世纪年代，以美国为首，起步参数就是超超临界参数，年，美国制造出世界上第一台超超临界，其锅炉容量为，主要参数为、℃/℃/℃。第二阶段为上世纪年代，由于金属材料的发展及对电厂化学方面认识的不断深入，欧洲和日本生产出一批新型超临界机组。第三阶段是从世纪年代开始了，日本为首的锅炉蒸汽参数多为/℃/℃[6]。
2) 国内超临界机组的发展现状
我国从世纪年代开始引进和发展超临界机组，石洞口第二发电厂首先引进我国第一台600MW超临机组，无论是从技术性、经济性来看，都比当时的国内机组的高。2004年我国第一台国产超临界示范电站河南沁北电厂顺利投产运行，这标着我国火力发电有了一个跨越式的发展。截止2011年底，五大发电集团共投产125台600MW等级超临界机组，39台600MW超超临界机组达到，1000MW超超临界机组也达到22台，具体见表1-2。
表1-2 五大发电集团及以上等级超（超）临界机组装机容量
五大
集团
600MW等级超临界
600MW等级超超临界
1000MW等级超超临界
台数
容量
MW
比重
%
台数
容量
MW
比重
%
台数
容量
MW
比重
%
大唐
24
149600
17.43
12
7920
9.23
2
2000
2.33
华能
30
18413
17.7
12
7720
7.42
9
9168
8.81
华电
20
12500
17.81
7
4520
6.44
2
2000
2.85
中电投
14
8740
15.67
8
5240
9.4
4
4000
7.17
国电
37
22530
27.03
0
0
0
5
5000
6

1.2. 600MW超临界锅炉本体介绍
锅炉整体包括锅炉本体及辅助设备两大部分。炉膛、燃烧器、水冷壁、过热器、再热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件称为锅炉本体。锅炉本体和烟、风道等组成锅炉机组的汽水系统和烟风系统，这也是锅炉最主要的两个系统。
1.2.1. 炉膛
炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的封闭空间。煤粉在锅炉内燃烧生成的烟气和火焰，因此炉膛四周材料因由耐高温且保温的材料组成。水冷壁管敷设在炉墙的内表面上方，水冷壁既能保护炉墙不被烧坏，又能吸收火焰和高温烟气的辐射热。
对火力发电厂而言，燃煤锅炉的排渣方式一般采用固态排渣。而对于那些发热量高，灰分又不太高而且容易在固态排渣炉表面上结渣的低灰熔点的煤，以及某些反应能力极低的无烟煤，才采用液态排渣的方式。
煤粉在炉内进行燃烧时，空气动力特性不仅影响燃烧，而且在很大程度上决定于燃烧器的布置及炉膛本身的结构特性。根据我国动力燃料的特性和国内设计、运行经验，炉膛几乎都采用简单的矩形或正方形截面，烟气流程呈上升流动方式[7]。
炉膛的结构设计应能保证炉内煤粉的良好燃烧，同时又能使烟气在达到炉膛出口时已经被冷却到对流受热面管壁不结渣的温度。因此，炉膛的结构应满足属下条件：
（1） 良好的炉内空气动力特性，避免火焰直接冲撞炉墙，这是保证炉膛水冷壁不结渣的重要前提。同时火焰在炉膛中应有好的充满程度，减少炉内停滞漩涡区；
（2） 要有布置一定数量受热面的炉膛空间，将烟气温度冷却到允许的数值，保证炉膛出口和其后面的受热面不结渣；
（3）合适的热强度。用炉膛容积热负荷和炉膛断面热负荷来确定炉膛容积，炉膛的截面尺寸及高度应能满足燃料空气流在炉内的充分发展、均匀混合和完全燃烧以及低NOX排放的标准[8]。
1.2.2. 过热器和再热器
过热器和再热器是锅炉的重要组成部分，其目的是提高蒸汽的焓，以提高整个电厂热力循环效率。过热器的作用是将饱和蒸汽加热成为具有一定温度的过热蒸汽。再热器的作用是将汽轮机高压缸的排气加热到与过热蒸汽温度相等（或相近）的再热温度，然后再送到中压缸和低压缸中膨胀做功。
1) 屏式过热器
屏式过热器也称半辐射式过热器，是指布置在炉膛上部或炉膛出口烟窗处，既接受炉膛内的直接辐射，又吸收烟气的对流热的受热面。它是由许多管子紧密排列的管片（管屏）所组成的，烟气在屏与屏之间的空间流过，屏间距离较大，相对纵向节距很小。
对600MW这样的大容量机组而言，屏式过热器有前屏和后屏之分。前屏一般布置在炉膛上部，节距较大，其主要作用是降低炉膛出口烟温，减少烟气扰动和旋转。后屏布置在炉膛出口处，能有效降低进入密集的对流受热面烟气温度，防止其后对流受热面结渣。
2) 高温再热器
布置在炉膛折焰角上部烟气高温区，与烟气成顺流流动，采用顺列布置。采用顺列布置主要考虑其工作的安全性，但其传热温压下，故受热面较多。再热蒸汽采用摆动燃烧器调温手段。高温再热器进口工质为低温再热器出口工质，工质吸热后经出口集箱送往汽轮机中压缸。
3) 高温对流过热器
高温对流过热器也称末级过热器，布置与水平水平烟道，在高温再热器和炉膛后墙水冷壁悬吊管之后，受热面呈顺列逆流布置，主要靠对流传热吸收热量。吸热后的工质经末级过热器出口集箱引出管送往汽轮机高压缸。
4) 低温再热器
低温再热器布置于后竖井烟道中，顺列排列，与烟气成逆流布置，靠对流传热吸收热量。低温再热器又分为水平段和垂直段，垂直段布置于水平烟道的尾部竖井前墙悬吊管之后锅炉转向室的入口处。
低温再热器进口工质为汽轮机高压缸排气，经低温再热器吸热后送入高温再热器。
1.2.3. 尾部受热面
省煤器和空气预热器布置在锅炉尾部烟道的后面，烟气进入这些受热面时温度已经不是很高，故常把这两个部件统称为尾部受热面。
1) 省煤器
省煤器布置于锅炉的尾部，在低再水平段下面，采用蛇形光管，采用顺列布置，与烟气流动方向相反，省煤器采用悬吊管悬吊。
省煤器的作用有：第一，吸收尾部烟气的热量以降低排烟温度，提高锅炉效率，节省燃料；第二，使用价格低廉的材料代替价格昂贵的高温材料，降低锅炉造价；第三，改善了汽包的工作条件，延长了汽包的使用寿命。
2) 空气预热器
空气预热器是利用烟气的热量来加热燃烧所需空气的设备。一方面由于它工作在烟气温度最低的区域，回收了烟气的热量，降低了排烟温度，因而提高了效率；另一方面由于空气被预热，有利于燃料的破碎和研磨，同时也加强了燃料的着火和燃烧过程，减少了燃料不完全燃烧后热损失，进一步提高了效率。预热后的空气能提高炉膛内的烟气温度，强化炉内的辐射换热。
1.3. 锅炉本体设计的一般步骤
1.3.1. 确定锅炉主要规范
分析原始资料，查阅文献，寻找国内外本体设计案例。确定锅炉的循环方式、热力系统、主要运行方式、通风方式、炉膛结构型式、排渣方式等。
1.3.2. 锅炉热平衡及燃料消耗量计算
根据锅炉本体设计给出的原始数据，进行燃料燃烧计算[9]。包括，理论空气量和理论烟气量的计算，其计算参数包括：理论空气量、理论三原子气体容积、理论氮气容积、理论水蒸气容积和理论烟气量；烟气特性表的计算，其计算参数包括：各受热面的烟道平均过量空气系数下的实际水蒸气容积、烟气容积、水蒸气容积份额、RO2容积份额、水蒸气和RO2总容积份额、烟气质量和飞灰浓度等；烟气焓温表的计算，计算各级受热面进、出口处的烟气在不同温度下的焓值，以供后续计算查取。
1.3.3. 炉膛设计
确定各种热负荷（包括炉膛容积热负荷q v，炉膛断面热负荷q A），根据燃料特性，确定炉膛基本尺寸。进而确定燃烧器的高度、宽度等,再进行冷灰斗和折焰角的设计。确定好炉膛尺寸，就进行炉膛热力计算，先假设炉膛出口烟温，通过辐射计算，校核炉膛出口烟温[10]。
1.3.4. 各受热面设计
根据传热方式，受热面可以分为对流式、半辐射式和辐射式。在大型电厂锅炉中通常采用上述三种形式的串级布置系统。
屏式过热器的设计主要考虑炉膛出口烟温的控制，前屏间节距一般为2500-4000mm，后屏逼前屏横向节距小，屏与屏之间的节距为500-1000mm。
大容量锅炉省煤器多采用非沸腾式，在尾部烟道中多为卧式，采用悬吊结构。为了便于检修，省煤器管组的高度是有限制的，当管子紧密布置时，管组的高度不得大于1m；布置较稀时，则不得大于1.5m。
空气预热器则采用回转式空气预热器，对600MW燃煤锅炉而言，可以根据热空气温度和锅炉排烟温度，选用某一型号的三分仓回转式空气预热器，然后进行热力校核计算[11]。
1.4 600MW燃煤锅炉本体设计内容说明
锅炉本体设计主要包括了锅炉主要性能的要求，以及过热器、再热器、空气预热器、省煤器的选择、布置和热力计算。其主要设计内容包括以下方面：
（1） 本毕业设计论文全面阐述了锅炉主体主要设计依据、参数选择、设备总体设计原则、设计依据和设计参数；各个受热面的结构特性和工作过程，内同包括锅炉受热面、锅炉炉膛的辐射传热及热力计算、对流受热面的传热及热力计算；
（2） 锅炉机组本体的结构设计主要包括锅炉设计辅助计算：炉膛结构设计、过热器设计、再热器设计、省煤器设计、空气预热器设计。
第二章 600MW锅炉本体设计辅助性热力计算
2.1. 锅炉的原始设计参数
600MW火电机组燃煤锅炉的本体设计的原始资料包括额定蒸发量，过、再热器压力、给水压力，温度等，具体数据列于表2-1。
表2- 1 600MW火电机组本体设计原始资料
序号
名 称
符 号
单 位
公式及数据来源
结 果
1
额定蒸发量

原始数值
1913
2
过热蒸汽压力
Psh

原始数值
25.4
3
过热蒸汽温度
tsh''

原始数值
571
4
再热蒸汽流量
Drh''

原始数值
1586
5
再热蒸汽入口压力
prh'

原始数值
4.35
6
再热蒸汽入口温度
trh'

原始数值
310
7
再热蒸汽出口压力
prh''

原始数值
4.16
8
再热蒸汽出口温度
trh''

原始数值
569
9
给水压力

原始数值
29.35
10
给水温度

原始数值
282
11
环境温度

原始数值
20
12
收到基碳

元素分析
70.80
13
收到基氢

元素分析
4.50
14
收到基氧

元素分析
7.10
15
收到基氮

元素分析
0.70
16
收到基硫

元素分析
2.20
17
灰分收到基

元素分析
11.70
18
水分收到基

元素分析
3.00
19
挥发分干燥无灰基

元素分析
24.70
20
收到基低位发热量

g
元素分析
27800
2.2. 燃料的数据校核和煤种判断
燃料数据应符合锅炉热力计算的规定和要求。对燃煤而言，要求提供以下原始材料：
（1） 煤的收到基成分（、、、、、）；
（2） 煤的收到基低位发热量；
（3） 煤的干燥无灰基挥发分含量。
校核燃料各成分收到基之和是否为100%，见式（2-1）。还可根据经验公式（2-2）进行发热量的校核。
（2-1）
（2-2）
高位发热量和低位发热量之间的转换为：
（2-3）
式中，―水的汽化潜热，通常取值为2500KJ/kg。
此外，根据燃料数据还应该进行煤种判别，其中也应包括某些成分量级的判别，即：
（2-4）
（2-5）
（2-6）
式中，，，―燃料的折算水分、折算硫分、折算灰分，%。
当燃料的折算成分>8%，>0.2%，>4%，则这样的煤成为高水分、高硫分、高灰分煤，燃料的数据校核和煤种判别计算列于表2-2。
表2- 2 煤的校核
序号
名 称
符 号
单 位
公式及数据来源
结 果
1
元素之和
—

2
元素之和是否合格
—
—
—
是
3
煤的高位发热量

式2-2

4
煤的低位发热量
Q'net,ar

式2-3

5
差值
⊿Q

—

6
差值判断
—
—
<800
符合
7
煤的折算灰分

公式2-4
1.76
8
煤的折算水分

公式2-5
0.45
9
煤的折算硫分

公式2-6
0.33
10
判断
—
—
<4%
低灰分
—
—
<8%
低水分
—
—
<0.2%
低硫分
2.3. 燃料燃烧计算
2.3.1. 理论空气量
煤粉燃烧是煤粉颗粒中可燃质与氧在高温下进行的放热化学反应。为保证煤粉的良好燃烧，除了需要保证炉膛内的温度外，还须提供一定量的氧气。在工业燃烧设备中，提供的氧气绝大多数为空气。收到基煤完全燃烧且没有剩余氧时所需提供的空气量，称为理论空气量V0[13]。固体和液体燃料中的可燃元素是碳、氢、硫等元素，V0的计算可以根据燃料中各可燃元素的燃烧化学反应方程式计算得到。
燃料燃烧计算时，在计算各种气体体积时，应把其全部当作是理想气体。对燃料的燃烧计算，均以1kg收到基燃料为基准。
碳的完全燃烧方程式为：

从而可以得到1碳完全燃烧时需要的氧气，并产生二氧化碳。1燃料中含有碳，因此1燃料中完全燃烧所需的氧气量为（标况下）。
同理，由氢的完全燃烧反应方程式，可得1氢完全燃烧时需要氧气，产生水蒸气。故1kg燃料中氢完全燃烧需要的氧气量为。
由硫的完全燃烧方程式，可得1kg硫完全燃烧所需氧气，并产生二氧化硫。故1kg燃料中硫完全燃烧后需要的氧气量为。
而1kg燃料本身在标况下包含的氧的容积为。
因此，根据上述燃料中可燃元素碳、氢、硫的完全燃烧所需氧量，以及燃料本身所含氧量，可得到1燃料完全燃烧需要外界提供的理论氧气量：
/ （2-6）
空气中的含氧量为21%，所以1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量为：
m3/kg （2-7）
以上计算的空气量V0是不包含水蒸汽的理论干烟气容积，对应理论干烟气质量G0=1.293V0。
2.3.2. 理论烟气量
燃料燃烧后生成的气态产物称为烟气。燃烧产物中不含可燃物时称为完全燃烧。1收到基燃料，在供给理论空气量V0的条件下完全燃烧时，生成的烟气容积称为理论烟气容积，以表示。理论烟气容积包括二氧化碳C02、二氧化硫SO2，氮N2和水蒸气H2O。根据燃烧反应化学方程式，可以计算出1kg燃料中每一种可燃元素完全生成的烟气容积[14]。
1、 理论二氧化碳容积
煤中碳完全燃烧生成的的体积为
m3/kg （2-8）
2、 二氧化硫的容积
煤中硫完全燃烧生成的SO2的体积为
m3/kg （2-9）
3、 理论氮气容积
理论烟气中氮气的来源有两方面，其一是空气中所含的氮气，其二是煤燃烧后本身释放出来的氮，所以理论氮气体积为
m3/kg （2-10）
4、 理论水蒸气容积
理论水蒸气容积包含有煤中氢燃烧生成的水蒸气、煤中水分蒸发以及随同理论空气量带来的水蒸气，所以理论水蒸气体积为
（2-11）
综上，理论烟气容积可表示为： （标况下）
也可以把理论烟气容积表示成：
(2-12)
式中，―理论干烟气容积，等于
结合以上计算公式，带入数据，理论空气量和理论烟气量计算列于表2-3。
表2- 3 理论空气量和理论烟气量计算
序号
名 称
符 号
单 位
公式及数据来源
结 果
1
理论空气量

Nm3/kg
公式计算
7.324
2
理论氮气容积
VoN2
Nm3/kg
公式计算
5.791
3
三原子气体的容积

Nm3/kg
公式计算
1.337
4
理论水蒸汽容积
V0H2O
Nm3/kg
公式计算
0.655
5
理论烟气容积
V0g
Nm3/kg
VoN2+VoH2O+VRO2
7.782
2.4.烟气特性计算
2.4.1 炉膛出口过量空气系数
炉膛出口过量空气系数与许多因素有关，如燃料的种类、燃烧方式及燃烧设备特性等，其值一般在1.1-1.25的范围内选取。
2.4.2 漏风系数
锅炉本体中各受热面漏风系数有所不同。对于大容量锅炉，锅炉四周壁面一般采用膜式型式，炉膛出口到省煤器出口这段空间内，（累计漏风系数）是很小的，最多不超过0.05，本次设计取=0。
2.4.3 飞灰系数
对燃煤锅炉而言，冷灰斗中落入的灰渣只占送入锅炉燃烧生成炉总灰量的小部分，所以灰渣中的可燃物未完全燃烧带来的机械不完全热损失很小，大部分机械不完全燃烧热损失由飞灰中的可燃物造成的，飞灰系数的选值一般为0.85-0.95[15]。
各烟道的过量空气系数按推荐值选取，选取出的各过量空气系数，以及计算的相应过剩空气量等列于表2-4。
表2- 4 烟气特性表
序号
名称或公式
符 号
单 位
前屏至省煤器
空预器热段
空预器冷段
1
烟道进口过量空气系数
a'
—
1.20
1.20
1.24
2
烟道出口过量空气系数
a"
—
1.20
1.24
1.28
3
烟道平均过量空气系数

—
1.20
1.22
1.26
4
过剩空气量

Nm3/kg
1.465
1.611
1.904
5
水蒸汽容积

Nm3/kg
0.678
0.681
0.685
6
烟气总容积

Nm3/kg
9.271
9.419
9.717
7
RO2占烟气容积份额

rRO2
—
0.1442
0.1419
0.1375
8
H2O占烟气容积份额

rH2O
—
0.0732
0.0722
0.0705
9
RO2+H2O的容积份额
rRO2+rH2O

—
0.2173
0.2141
0.2081
10
烟气质量
1-Aar/100+1.306αavVo

12.360
12.552
12.934
11
飞灰浓度
αfaAar/(100Gg)

0.0090
0.0089
0.0086
2.5. 锅炉热平衡的计算
锅炉热平衡的计算步骤如下：
（1） 计算锅炉输入热量；（2）根据燃料和燃烧方式，选取各项热损失；（3）根据假设的排烟温度计算排烟热损失；（4）计算锅炉效率；（6）计算燃料消耗量和计算燃料消耗量。
2.5.1. 锅炉输入热
对煤粉锅炉而言，每煤带入锅炉内的热量为

式中，-燃料收到基地位发热量，
-燃料的物理显热，
-空气带入锅炉的热量，
-蒸汽来雾化燃料油时，雾化蒸汽送入锅炉内热量，
对于煤粉锅炉，如果煤中燃煤的水分<，一般在热力计算时取输入热量为。
2.5.2 各项热损失的选取
1) 机械未完全燃烧热损失
机械未完全燃烧热损失是煤粉锅炉的主要热损失之一，仅次于锅炉排烟热损失。影响该未完全燃烧热损失的主要因素有燃料性质、燃烧方式、燃烧器和炉膛结构、过量空气系数、以及运行工况等。对于固态排渣煤粉炉而言，这项热损失一般为0.5%-5%；大型电站锅炉在燃用烟煤时，此项热损失只有0.5%-0.8%[16]。
2) 化学未完全燃烧热损失
化学未完全燃烧热损失与炉膛过量空气系数、燃料性质、炉膛结构以及运行工况等有关。一般燃用挥发分较多的燃料时，炉内可燃气体量增多，容易出现不完全燃烧。
炉膛过量空气系数的选取大小和燃烧过程的组织方式、炉内可燃气体与氧气的混合有关，所以它们与未完全燃烧热损失有密切关系。若过量空气取得过小，可燃气体将得不到充足氧而无法燃尽；若取得过大，又会使炉内温度降低，不利于燃料反应的进行，这都会增大。
对煤粉锅炉，一般不超过0.5%，对大型煤粉锅炉而言，一般取0。