小型燃氣鍋爐煙囪通風(fēng)力計算分析及工程應(yīng)用

張志華 楊聚嶺 紀(jì)國梁

（煙臺荏原空調(diào)設(shè)備有限公司，山東 煙臺 265500）

小型燃氣鍋爐煙囪通風(fēng)力計算分析及工程應(yīng)用

張志華 楊聚嶺 紀(jì)國梁

（煙臺荏原空調(diào)設(shè)備有限公司，山東 煙臺 265500）

首先對小型燃氣鍋爐的排煙系統(tǒng)特點進行了闡述，隨后針對小型燃氣鍋爐進行了煙囪通風(fēng)力計算方法的分析與說明，最后通過實例計算為工程應(yīng)用提供了參考和借鑒。

小型燃氣鍋爐；自生通風(fēng)力；通風(fēng)阻力；煙氣平均溫度；煙氣密度

0 引言

小型燃氣鍋爐，即直接提供蒸汽或熱水的燃氣鍋爐，或提供夏季制冷和冬季采暖的帶燃燒裝置的燃氣型中央空調(diào)機組，因不像工業(yè)鍋爐那么擁有龐雜的煙氣處理系統(tǒng)，如何尋找一種簡便的計算方法來確定和校核煙囪高度以及煙道設(shè)計，是本文探討的主要內(nèi)容。通過總結(jié)日本“空氣調(diào)和衛(wèi)生工學(xué)會”發(fā)布的《SHASE-S 111-2004 煙囪計算基準(zhǔn)》以及中國“《工業(yè)鍋爐設(shè)計計算方法》編委會”發(fā)布的《工業(yè)鍋爐煙風(fēng)阻力計算方法》等文獻，認為《SHASE-S 111-2004煙囪計算基準(zhǔn)》比較適合于小型燃氣鍋爐的煙囪通風(fēng)力計算及其設(shè)計。

本文參考《SHASE-S 111-2004 煙囪計算基準(zhǔn)》對小型燃氣鍋爐的排煙系統(tǒng)編制了通風(fēng)力計算方法并進行分析和舉例說明。

1 煙囪通風(fēng)力計算基準(zhǔn)概要

小型燃氣鍋爐通過燃料燃燒產(chǎn)生的熱量來加熱水或溶液制取蒸汽或熱水，燃料燃燒后會產(chǎn)生煙氣，通過煙道和煙囪排放到大氣中。燃料一般都是清潔能源，比如天然氣、液化石油氣或其他可燃氣體等，整個鍋爐系統(tǒng)只有送風(fēng)機沒有引風(fēng)機，且鍋爐的排煙出口壓力一般接近大氣壓，因此屬于自然通風(fēng)方式。

自然通風(fēng)是指利用煙囪和煙道內(nèi)的熱煙氣與外界冷空氣間密度差所形成的自生通風(fēng)力Z來克服鍋爐通風(fēng)阻力ΔP。

1.1 煙囪自生通風(fēng)力

因為煙道高度差不太大，即煙道雖然有一定的自生通風(fēng)力，但通常在通風(fēng)力計算上煙道自生通風(fēng)力可以省略不計。

式中 Z1——煙囪自生通風(fēng)力（Pa）；

Z2——煙道產(chǎn)生的自生通風(fēng)力（Pa）；

H1——煙道與煙囪結(jié)合處至煙囪頂部高度（m）；

H2——鍋爐排煙出口至煙道中心高度（m）；

ρa——大氣密度（kg/m3）；

ρg——煙囪內(nèi)煙氣密度（kg/m3）；

ta——大氣溫度（℃）；

tg——煙囪內(nèi)煙氣平均溫度（℃）；

tg1——煙囪入口部溫度（℃）；

tg2——煙囪排出口溫度（℃）；

g——標(biāo)準(zhǔn)重力加速度（g=9.8 m/s2）。

對于海拔較高地區(qū)，需要對大氣密度和排煙密度進行修正。

式中 P——海拔高度下大氣壓（Pa）；

P0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101 325 Pa）；

ρ——修正后密度（kg/m3）。

另外，煙道各區(qū)段內(nèi)的溫度下降可以根據(jù)表1來判斷。

表1 煙道內(nèi)溫度下降與入口溫度和煙速的關(guān)系

煙囪內(nèi)的溫度下降可以根據(jù)以下方法求得：

式中 Ki——煙囪壁體熱通過率[W/（m2×K）]，如表2所示；

Ai——煙囪高度方向每米內(nèi)表面積（m2/m）；

B——鍋爐燃氣消耗量（Nm3/h）；

Vg——單位燃氣消耗量的濕排煙量[Nm3/（Nm3燃氣）]，如表3所示。

注：Nm3表示標(biāo)態(tài)下氣體體積（1 atm，0℃）。

表2 煙囪壁體熱通過率（內(nèi)面基準(zhǔn)） 單位：W/（m2×K）

表3 單位燃氣消耗量的濕排煙量 單位：Nm3/（Nm3燃氣）

1.2 鍋爐通風(fēng)阻力

鍋爐通風(fēng)阻力ΔP包括煙囪的通風(fēng)阻力ΔP1、煙囪出口通風(fēng)阻力ΔP2、煙道的通風(fēng)阻力ΔP3、鍋爐爐內(nèi)壓ΔP4，即：

1.2.1 煙囪通風(fēng)阻力ΔP1

包括煙囪沿程摩擦阻力ΔPf1（Pa）、煙囪局部阻力ΔPb （Pa）。

式中 λ——煙囪內(nèi)摩擦系數(shù)；

ζb——局部阻力系數(shù)；

νg——煙囪內(nèi)排煙平均速度（m/s）；

d——煙囪內(nèi)徑或當(dāng)量直徑（m）。

式中 Ac——煙囪斷面積（m2）；

P——內(nèi)圓周長（m）。

1.2.2 煙囪排出部通風(fēng)阻力ΔP2

包括煙囪排出口動壓頭ΔPν（Pa）以及煙囪頂部防護傘阻力ΔPr（Pa）。

式中 ζr——煙囪頂部防護傘阻力系數(shù)；

ν0——煙囪排出口煙氣速度（m/s）（排出口部尺寸無明顯變化時ν0=νg）。

1.2.3 煙道的通風(fēng)阻力ΔP3

包括煙道內(nèi)沿程摩擦阻力ΔPf2（Pa）、流路轉(zhuǎn)向局部阻力ΔPt（Pa）、斷面變化局部阻力ΔPs（Pa）、合流局部阻力ΔPc（Pa）、調(diào)節(jié)擋板全開時阻力ΔPd（Pa）。

注意計算包括直流部和合流部兩部分阻力。

式中 λ——煙道內(nèi)摩擦系數(shù)；

ν——煙道內(nèi)煙氣平均速度（m/s）；

L——煙道長度（m）；

d——煙囪內(nèi)徑或當(dāng)量直徑（m）；

ζt——不同流向局部阻力系數(shù)；

ζs——不同斷面局部阻力系數(shù)；

ζc——不同合流部局部阻力系數(shù)；

ζd——調(diào)節(jié)擋板全開時局部阻力系數(shù)。

說明：λ、ζb、ζr、ζt、ζs、ζc、ζd應(yīng)根據(jù)《SHASE-S 111-2004煙囪計算基準(zhǔn)》來進行選取。

1.2.4 鍋爐內(nèi)阻力ΔP4

因小型燃氣鍋爐排煙出口壓設(shè)計一般略高于大氣壓，所以僅考慮與鍋爐連接的煙道和煙囪的通風(fēng)阻力即可，此處鍋爐內(nèi)阻力ΔP4＝0 Pa。

1.3 煙囪通風(fēng)力計算結(jié)果校核

煙囪高度H1≥8 m（周圍200 m以內(nèi)有建筑物時，煙囪應(yīng)高出最高建筑物3 m以上）；煙囪出口煙氣速度2 m/ s≤ν0≤5 m/s；煙道內(nèi)煙氣平均速度2 m/s≤ν≤5 m/s；通風(fēng)力與通風(fēng)阻力的差值0≤Z-ΔP≤49 Pa（即5 mmH2O）。

說明：當(dāng)Z-ΔP＞49 Pa時，煙道內(nèi)需要設(shè)置通風(fēng)調(diào)節(jié)閥。

2 工程應(yīng)用實例計算

如表4所示，通過對單臺燃氣鍋爐（圖1），兩臺燃氣鍋爐（圖2）的計算實例來提供工程應(yīng)用參考。

海拔高度忽略不計，煙囪煙道為金屬圓形，自然通風(fēng)式。

圖1 煙道煙囪工程略圖（單臺燃氣鍋爐）

圖2 煙道煙囪工程略圖（二臺燃氣鍋爐）

表4 鍋爐煙囪通風(fēng)力計算結(jié)果

續(xù)表

續(xù)表

3 結(jié)論

從編制的計算案例可以看出：兩臺燃氣鍋爐共用一個煙囪的通風(fēng)力計算相對單臺要復(fù)雜些，同時兩臺要求的煙囪截面尺寸和高度都會增大。另外，冬季和夏季都需要對煙道煙囪分別進行通風(fēng)力計算校核，以判斷是否需要在煙道內(nèi)設(shè)置通風(fēng)調(diào)節(jié)閥。本文的計算案例全部選用相同規(guī)格的燃氣鍋爐，實際工程應(yīng)用中經(jīng)常會遇到不同規(guī)格的燃氣鍋爐多臺組合或帶燃燒裝置的中央空調(diào)機組與燃氣鍋爐多臺組合，因此對于其煙囪、煙道的設(shè)計與校核可參考和借鑒本文介紹的計算方法。

[1] SHASE-S 111-2004 煙囪計算基準(zhǔn)[S].

[2]《工業(yè)鍋爐設(shè)計計算方法》編委會.工業(yè)鍋爐煙風(fēng)阻力計算方法[M].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[3] 林宗虎，徐通模.實用鍋爐手冊[M].2版.化學(xué)工業(yè)出版，2009.

[4] 周懿，鐘崴，童水光.通用鍋爐煙風(fēng)阻力計算系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].電站系統(tǒng)工程，2008（6）.

[5] 高田秋一.吸收式制冷機[M].機械工業(yè)出版社，1987.

[6] GB13271—2014 鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

2015-03-19

張志華（1978—），男，湖北人，助理工程師，主要從事冷凍空調(diào)產(chǎn)品設(shè)計及工程應(yīng)用研究。