小型燃气锅炉烟囱通风力计算分析及工程应用

张志华 杨聚岭 纪国梁

（烟台荏原空调设备有限公司，山东 烟台 265500）

小型燃气锅炉烟囱通风力计算分析及工程应用

张志华 杨聚岭 纪国梁

（烟台荏原空调设备有限公司，山东 烟台 265500）

首先对小型燃气锅炉的排烟系统特点进行了阐述，随后针对小型燃气锅炉进行了烟囱通风力计算方法的分析与说明，最后通过实例计算为工程应用提供了参考和借鉴。

小型燃气锅炉；自生通风力；通风阻力；烟气平均温度；烟气密度

0 引言

小型燃气锅炉，即直接提供蒸汽或热水的燃气锅炉，或提供夏季制冷和冬季采暖的带燃烧装置的燃气型中央空调机组，因不像工业锅炉那么拥有庞杂的烟气处理系统，如何寻找一种简便的计算方法来确定和校核烟囱高度以及烟道设计，是本文探讨的主要内容。通过总结日本“空气调和卫生工学会”发布的《SHASE-S 111-2004 烟囱计算基准》以及中国“《工业锅炉设计计算方法》编委会”发布的《工业锅炉烟风阻力计算方法》等文献，认为《SHASE-S 111-2004烟囱计算基准》比较适合于小型燃气锅炉的烟囱通风力计算及其设计。

本文参考《SHASE-S 111-2004 烟囱计算基准》对小型燃气锅炉的排烟系统编制了通风力计算方法并进行分析和举例说明。

1 烟囱通风力计算基准概要

小型燃气锅炉通过燃料燃烧产生的热量来加热水或溶液制取蒸汽或热水，燃料燃烧后会产生烟气，通过烟道和烟囱排放到大气中。燃料一般都是清洁能源，比如天然气、液化石油气或其他可燃气体等，整个锅炉系统只有送风机没有引风机，且锅炉的排烟出口压力一般接近大气压，因此属于自然通风方式。

自然通风是指利用烟囱和烟道内的热烟气与外界冷空气间密度差所形成的自生通风力Z来克服锅炉通风阻力ΔP。

1.1 烟囱自生通风力

因为烟道高度差不太大，即烟道虽然有一定的自生通风力，但通常在通风力计算上烟道自生通风力可以省略不计。

式中 Z1——烟囱自生通风力（Pa）；

Z2——烟道产生的自生通风力（Pa）；

H1——烟道与烟囱结合处至烟囱顶部高度（m）；

H2——锅炉排烟出口至烟道中心高度（m）；

ρa——大气密度（kg/m3）；

ρg——烟囱内烟气密度（kg/m3）；

ta——大气温度（℃）；

tg——烟囱内烟气平均温度（℃）；

tg1——烟囱入口部温度（℃）；

tg2——烟囱排出口温度（℃）；

g——标准重力加速度（g=9.8 m/s2）。

对于海拔较高地区，需要对大气密度和排烟密度进行修正。

式中 P——海拔高度下大气压（Pa）；

P0——标准大气压（101 325 Pa）；

ρ——修正后密度（kg/m3）。

另外，烟道各区段内的温度下降可以根据表1来判断。

表1 烟道内温度下降与入口温度和烟速的关系

烟囱内的温度下降可以根据以下方法求得：

式中 Ki——烟囱壁体热通过率[W/（m2×K）]，如表2所示；

Ai——烟囱高度方向每米内表面积（m2/m）；

B——锅炉燃气消耗量（Nm3/h）；

Vg——单位燃气消耗量的湿排烟量[Nm3/（Nm3燃气）]，如表3所示。

注：Nm3表示标态下气体体积（1 atm，0℃）。

表2 烟囱壁体热通过率（内面基准） 单位：W/（m2×K）

表3 单位燃气消耗量的湿排烟量 单位：Nm3/（Nm3燃气）

1.2 锅炉通风阻力

锅炉通风阻力ΔP包括烟囱的通风阻力ΔP1、烟囱出口通风阻力ΔP2、烟道的通风阻力ΔP3、锅炉炉内压ΔP4，即：

1.2.1 烟囱通风阻力ΔP1

包括烟囱沿程摩擦阻力ΔPf1（Pa）、烟囱局部阻力ΔPb （Pa）。

式中 λ——烟囱内摩擦系数；

ζb——局部阻力系数；

νg——烟囱内排烟平均速度（m/s）；

d——烟囱内径或当量直径（m）。

式中 Ac——烟囱断面积（m2）；

P——内圆周长（m）。

1.2.2 烟囱排出部通风阻力ΔP2

包括烟囱排出口动压头ΔPν（Pa）以及烟囱顶部防护伞阻力ΔPr（Pa）。

式中 ζr——烟囱顶部防护伞阻力系数；

ν0——烟囱排出口烟气速度（m/s）（排出口部尺寸无明显变化时ν0=νg）。

1.2.3 烟道的通风阻力ΔP3

包括烟道内沿程摩擦阻力ΔPf2（Pa）、流路转向局部阻力ΔPt（Pa）、断面变化局部阻力ΔPs（Pa）、合流局部阻力ΔPc（Pa）、调节挡板全开时阻力ΔPd（Pa）。

注意计算包括直流部和合流部两部分阻力。

式中 λ——烟道内摩擦系数；

ν——烟道内烟气平均速度（m/s）；

L——烟道长度（m）；

d——烟囱内径或当量直径（m）；

ζt——不同流向局部阻力系数；

ζs——不同断面局部阻力系数；

ζc——不同合流部局部阻力系数；

ζd——调节挡板全开时局部阻力系数。

说明：λ、ζb、ζr、ζt、ζs、ζc、ζd应根据《SHASE-S 111-2004烟囱计算基准》来进行选取。

1.2.4 锅炉内阻力ΔP4

因小型燃气锅炉排烟出口压设计一般略高于大气压，所以仅考虑与锅炉连接的烟道和烟囱的通风阻力即可，此处锅炉内阻力ΔP4＝0 Pa。

1.3 烟囱通风力计算结果校核

烟囱高度H1≥8 m（周围200 m以内有建筑物时，烟囱应高出最高建筑物3 m以上）；烟囱出口烟气速度2 m/ s≤ν0≤5 m/s；烟道内烟气平均速度2 m/s≤ν≤5 m/s；通风力与通风阻力的差值0≤Z-ΔP≤49 Pa（即5 mmH2O）。

说明：当Z-ΔP＞49 Pa时，烟道内需要设置通风调节阀。

2 工程应用实例计算

如表4所示，通过对单台燃气锅炉（图1），两台燃气锅炉（图2）的计算实例来提供工程应用参考。

海拔高度忽略不计，烟囱烟道为金属圆形，自然通风式。

图1 烟道烟囱工程略图（单台燃气锅炉）

图2 烟道烟囱工程略图（二台燃气锅炉）

表4 锅炉烟囱通风力计算结果

续表

续表

3 结论

从编制的计算案例可以看出：两台燃气锅炉共用一个烟囱的通风力计算相对单台要复杂些，同时两台要求的烟囱截面尺寸和高度都会增大。另外，冬季和夏季都需要对烟道烟囱分别进行通风力计算校核，以判断是否需要在烟道内设置通风调节阀。本文的计算案例全部选用相同规格的燃气锅炉，实际工程应用中经常会遇到不同规格的燃气锅炉多台组合或带燃烧装置的中央空调机组与燃气锅炉多台组合，因此对于其烟囱、烟道的设计与校核可参考和借鉴本文介绍的计算方法。

[1] SHASE-S 111-2004 烟囱计算基准[S].

[2]《工业锅炉设计计算方法》编委会.工业锅炉烟风阻力计算方法[M].中国标准出版社，2005.

[3] 林宗虎，徐通模.实用锅炉手册[M].2版.化学工业出版，2009.

[4] 周懿，钟崴，童水光.通用锅炉烟风阻力计算系统的研究与开发[J].电站系统工程，2008（6）.

[5] 高田秋一.吸收式制冷机[M].机械工业出版社，1987.

[6] GB13271—2014 锅炉大气污染物排放标准[S].

2015-03-19

张志华（1978—），男，湖北人，助理工程师，主要从事冷冻空调产品设计及工程应用研究。