煙囪靜壓及全壓降的計(jì)算

1、<p>　　煙囪靜壓及全壓降的計(jì)算</p><p>　　摘要:本文結(jié)合《鍋爐設(shè)備空氣動力計(jì)算》、《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程（DL/T5121-2000）》配套設(shè)計(jì)計(jì)算方法，分析了煙囪靜壓和全壓降計(jì)算方法，并指出了兩者的計(jì)算方法的差異及物理意義的區(qū)別。 </p><p>　　關(guān)鍵詞:煙囪；靜壓；全壓降 </p><p>　　中圖分類號：C32 文獻(xiàn)

2、標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2104（2012） </p><p>　　【Abstract】Based on Aerodynamical Analysis for Boiler Equipments and AssociatedCalculation Methods in Technical Code for Design of Thermal Power Plant Air & Flue Gas D

3、ucts / Raw Coal & Pulverized Coal Piping(DL/T5121-2000), this article analyzed calculation methods of static pressure and total pressure drop for chimney and described the differences of calculation methods and physi

4、cal signification. </p><p>　　【Keywords】Chimney；Static Pressure；Total Pressure Drop </p><p><b>　　1、引言 </b></p><p>　　當(dāng)前火力發(fā)電廠300MW及以上機(jī)組，煙囪主要采用“錐形+直筒形”套筒煙囪、“直筒形”套筒煙囪兩種形式，對于采

5、用濕法脫硫裝置且不設(shè)置GGH的項(xiàng)目，為防止酸液及石灰石漿液帶出煙囪污染環(huán)境，開始采用 “大直徑直筒+出口收縮段”套筒煙囪，本文主要結(jié)合《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程DL/T5121-2000》配套設(shè)計(jì)計(jì)算方法、《鍋爐設(shè)備空氣動力計(jì)算》，以“錐形+直筒形”煙囪為例，分析了煙囪的靜壓和全壓降計(jì)算方法，并指出了兩者的計(jì)算方法的差異及物理意義上的區(qū)別。對于其它型式的煙囪（指內(nèi)筒型線），其實(shí)是直筒、錐形筒、內(nèi)筒出口擴(kuò)算段的不同組合方式，其計(jì)

6、算方法與本文所述基本一致。 </p><p>　　對于“錐形+直筒形”套筒煙囪、“直筒形”套筒煙囪，一般可通過在煙囪內(nèi)筒出口設(shè)置擴(kuò)散段，以達(dá)到消除或降低煙囪內(nèi)筒靜壓的目的。對于采用濕法脫硫裝置且不設(shè)置GGH的項(xiàng)目，采用 “大直徑直筒+出口收縮段”套筒煙囪時(shí)，出口一般不再設(shè)置擴(kuò)散段。為簡化計(jì)算，本文列舉的計(jì)算方法暫不考慮內(nèi)筒出口擴(kuò)算段回收煙氣靜壓的作用。 </p><p>　　《火力發(fā)電廠煙

7、風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程DL/T5121-2000》配套設(shè)計(jì)計(jì)算方法以下簡稱“煙規(guī)配套計(jì)算方法”、《鍋爐設(shè)備空氣動力計(jì)算》以下簡稱“空動計(jì)算”。 </p><p>　　2、《煙規(guī)配套計(jì)算方法》中關(guān)于“錐形+直筒形”煙囪的計(jì)算 </p><p>　　《煙規(guī)配套計(jì)算方法》中公式（T1.1-1）列出了煙囪內(nèi)任一計(jì)算截面和煙囪出口截面熱煙氣的伯努利方程，表達(dá)如下： </p><p

8、>　　P+hd= Pa0+ hd0+ΔhM+ gρyΔl……(T1.1-1) </p><p>　　Pa=Pa0+ gρa(bǔ)Δl……(T1.1-2) </p><p><b>　　上式中： </b></p><p>　　P、hd—計(jì)算截面上煙氣的絕對靜壓和動壓，Pa </p><p>　　Pa0、hd0—煙囪出口水平

9、面上的大氣壓力（等于煙囪出口截面上的煙氣絕對靜壓）和煙囪出口截面上的煙氣動壓，Pa </p><p>　　Δl—計(jì)算截面與煙囪出口截面間高度差（區(qū)段），m </p><p>　　ΔhM—在高度為Δl的煙囪區(qū)段內(nèi)煙氣流動時(shí)摩擦阻力損失，Pa </p><p>　　ρy—相應(yīng)溫度下的實(shí)際狀態(tài)的濕煙氣密度，kg/m3 </p><p>　　ρa(bǔ)—為

10、當(dāng)?shù)刈顭嵩缕骄鶞囟葘?yīng)的濕空氣密度，在高度變化不大時(shí)，一般取值為常數(shù)，kg/m3 </p><p>　　Δρ—當(dāng)?shù)刈顭嵩缕骄鶞囟葘?yīng)的濕空氣密度與實(shí)際的濕煙氣密度的差值，Δρ=ρa(bǔ)-ρy ，kg/m3 </p><p>　　Pa—計(jì)算截面標(biāo)高處的大氣壓力（即大氣絕對靜壓），Pa </p><p>　　根據(jù)公式(T1.1-1)和公式(T1.1-2)，可列出煙囪內(nèi)任一截

11、面的相對靜壓（表壓），表達(dá)如下： </p><p>　　ΔP= P-Pa=hd0-hd+ΔhM-gΔρΔl……(T1.1-3) </p><p>　　公式中：ΔP為煙囪內(nèi)任一截面煙氣相對對應(yīng)截面標(biāo)高處大氣壓力的相對靜壓（表壓），Pa。 </p><p>　　根據(jù)公式(T1.1-3)可以列出不同型式的煙囪或其組合煙囪內(nèi)任一截面的相對靜壓值ΔP（表壓，相對對應(yīng)截面標(biāo)高處

12、的大氣壓力）。 </p><p>　　1)“錐形+直筒形”煙囪的上部直型筒靜壓 </p><p>　　ΔPT=gΔρΔlT(RT-1)……① </p><p><b>　　上式中： </b></p><p>　　ΔPT—“錐形+直筒形”煙囪的上部直型筒靜壓（表壓），Pa </p><p>　　Δl

13、T—計(jì)算截面處距離煙囪出口處的高度，m，數(shù)據(jù)范圍0～HT，HT為上部直型筒的高度；當(dāng)ΔlT=HT時(shí)，公式①即為上部直型筒入口截面靜壓（表壓）； </p><p>　　RT—上部直型筒體靜壓準(zhǔn)則數(shù)，RT=λhd0/(gΔρD0)； D0為煙囪出口內(nèi)徑m，hd0為煙囪出口處動壓hd0=ρyω02/2，Pa；ω0為煙囪出口煙氣流速m/s；λ為摩擦阻力系數(shù)。 </p><p>　　2) “錐形+直

14、筒形”煙囪的下部錐形筒體靜壓 </p><p>　　ΔPZU=gΔρHT(RT-1)+(1+λ/8i)(1-D04/D4)w02ρy/2-gΔρΔlZ……② </p><p><b>　　上式中： </b></p><p>　　ΔPZU—“錐形+直筒形”煙囪的下部錐形筒體靜壓（表壓），Pa； </p><p>　　gΔρ

15、HT(RT-1) —上部直型筒入口靜壓（表壓），即ΔlT=HT時(shí)的ΔPT，Pa； </p><p>　　i—下部錐形筒體的坡度； </p><p>　　D—下部錐形筒體計(jì)算截面處的直徑，m；D=2iΔlZ+D0 </p><p>　　ΔlZ—計(jì)算截面處距離錐形段煙囪出口處的高度，m，數(shù)據(jù)范圍0～HZ，HZ為下部錐形筒體出口截面到主煙道中心線的的高度，當(dāng)ΔlZ=Hz時(shí)

16、，公式②即為主煙道中心線標(biāo)高處錐段煙囪底面的靜壓（表壓）； </p><p>　　3) “錐形+直筒形”煙囪的入口異形件的進(jìn)口截面處的靜壓 </p><p>　　ΔPZua=ΔPZuD+hdD-(1-ξa)wa2ρy/2……③ </p><p><b>　　上式中： </b></p><p>　　ΔPZua—“錐形+直筒

17、形”組合煙囪的入口異形件進(jìn)口截面的靜壓（表壓）， Pa； </p><p>　　ΔPZuD—主煙道中心線標(biāo)高處錐段煙囪底面的靜壓（表壓），Pa； </p><p>　　hdD—主煙道中心線標(biāo)高處錐段煙囪底面的動壓 Pa，hdD=ρyωD2/2；式中ωD為主煙道中心線標(biāo)高處錐段煙囪底面的煙氣流動速度，m/s； </p><p>　　ξa—煙囪入口異形件的局部阻力系數(shù)；

18、 </p><p>　　wa—煙囪入口異形件的進(jìn)口截面（即為主煙道截面）的流速； </p><p>　　4) 計(jì)算方法說明 </p><p>　　《煙規(guī)配套計(jì)算方法》中關(guān)于“錐形+直筒形”煙囪的計(jì)算的公式，實(shí)際上是利用伯諾利方程，分別寫出了“錐形+直筒形”煙囪的上部直型筒、下部錐形筒體、煙囪的入口異形件進(jìn)口截面的靜壓（表壓，相對對應(yīng)截面標(biāo)高處的大氣壓力）。 <

19、/p><p>　　(1) 對公式①進(jìn)行合并化簡后，可表達(dá)為如下公式： </p><p>　　ΔPT=λΔlT/D0×ρy×ω02/2-gΔρΔlT……④ </p><p>　　上式中的第1項(xiàng)為直型筒計(jì)算段的摩擦阻力損失，第2項(xiàng)為計(jì)算段的煙囪自生通風(fēng)力，直筒段的進(jìn)出口截面相同因此其動壓損失為0。 </p><p>　　(2) 對

20、公式②進(jìn)行合并化簡后，可表達(dá)為如下公式： </p><p>　　ΔPZU=ΔPT+ρy（w02-ωD2）/2+λ/8i×ρy（w02-ωD2）/2-gΔρΔlZ……⑤ </p><p>　　上式中的第1項(xiàng)為直型筒入口截面的靜壓（表壓），第2項(xiàng)為下部錐形筒計(jì)算段的動壓損失，第3項(xiàng)為下部錐形筒計(jì)算段的摩擦阻力損失，第4項(xiàng)為下部錐形筒計(jì)算段的煙囪自生通風(fēng)力。 </p>&

21、lt;p>　　(3) 對公式③進(jìn)行合并化簡后，可表達(dá)為如下公式： </p><p>　　ΔPZua=ΔPZuD+ρy（wD2-ωa2）/2+ξawa2ρy/2……⑥ </p><p>　　上式中的第1項(xiàng)為煙囪底部（對應(yīng)主煙道標(biāo)高處的煙囪內(nèi)筒截面）的靜壓（表壓），第2項(xiàng)為煙囪入口異形件的動壓損失，第3項(xiàng)為煙囪入口異形件的局部阻力損失。 </p><p>　　將公

22、式⑥展開各項(xiàng)后的公式表示如下： </p><p>　　ΔPZua=λHT/D0×ρy×ω02/2+ρy（w02-ωD2）/2+λ/8i×ρy（w02-ωD2）/2+ρy（wD2-ωa2）/2+ξawa2ρy/2-gΔρ（HT+HZ）……⑦ </p><p>　　從上式可以看出，煙囪入口異形件進(jìn)口截面的靜壓（表壓）為上部直筒段的動壓損失和摩擦阻力損失、下部錐形筒

23、的動壓損失和摩擦阻力損失、煙囪入口異形件的動壓損失和局部阻力損失、煙囪有效的自生通風(fēng)力的代數(shù)和。 </p><p>　　如果將公式⑦進(jìn)一步簡化，公式表示如下： </p><p>　　ΔPZua=λHT/D0×ρy×ω02/2+λ/8i×ρy（w02-ωD2）/2+ξawa2ρy/2+ρy（w02-ωa2）/2-gΔρ（HT+HZ）……⑧ </p>

24、<p>　　從上式可以看出，煙囪入口異形件進(jìn)口截面的靜壓（表壓）為上部直筒段的摩擦阻力損失、下部錐形筒的摩擦阻力損失、煙囪入口異形件的局部阻力損失、煙囪的動壓損失（從煙囪出口截面至煙囪入口異形件進(jìn)口截面）、煙囪有效的自生通風(fēng)力的代數(shù)和。 </p><p>　　對于其它型式的煙囪內(nèi)筒型式，其實(shí)是直筒段、錐形段、煙囪內(nèi)筒出口擴(kuò)散段之間的不同的組合而已，可以參照上述計(jì)算方法進(jìn)行。 </p>&

25、lt;p>　　3、《空動計(jì)算》中關(guān)于“錐形+直筒形”煙囪的計(jì)算 </p><p>　　《空動計(jì)算》中公式1-1列出了任一煙風(fēng)道各區(qū)段內(nèi)的全壓降，可列出如下伯努利方程： </p><p>　　P1g+(P0-ρa(bǔ)×g×Z1)+ρy×w12/2+ρy×g×Z1=P2g+(P0-ρa(bǔ)×g×Z2)+ρy×w22/

26、2+ρy×g×Z2+ΔhM ……⑨ </p><p><b>　　上式中： </b></p><p>　　P1g、P2g—計(jì)算的進(jìn)出口截面的煙氣的靜壓（表壓，相對于計(jì)算截面標(biāo)高處的大氣壓力），Pa </p><p>　　P0—海拔高度為0m時(shí)的環(huán)境大氣壓力，Pa </p><p>　　Z1、Z2—進(jìn)出

27、口截面的海拔標(biāo)高，m </p><p>　　由公式⑨可推導(dǎo)出： </p><p>　　P1g-P2g=ΔhM+ρy×（w22-w12）/2-（Z2-Z1）g（ρa(bǔ)-ρy）…… </p><p>　　ΔHΠ=（P1g+ρy ×w12/2）-（P2g+ρy ×w22/2）=ΔhM-（Z2-Z1）g（ρa(bǔ)-ρy）…… </p>

28、<p>　　上式中：ΔHΠ—進(jìn)出口計(jì)算截面的全壓降，Pa </p><p>　　說明：公式所計(jì)算的P1g- P2g與《煙規(guī)配套計(jì)算方法》中公式（T1.1-3）所計(jì)算的ΔP，物理意義不同，當(dāng)計(jì)算出口截面為煙囪出口截面時(shí)（P2g=0），兩者計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)果相同；公式即為《空動計(jì)算》中公式1-1，注意公式所計(jì)算的“（P1g+ρy ×w12/2）-（P2g+ρy ×w22/2）”采用的是表壓（

29、而不是絕壓），由于不同截面處環(huán)境大氣的絕度壓力是變化的，兩者的表壓差和絕壓差數(shù)據(jù)是不相等的。 </p><p>　　《空動計(jì)算》2-44條討論了煙囪的阻力計(jì)算問題，這里不再贅述，將其各項(xiàng)公式及條文的說明歸納匯總后，“錐形+直筒形”煙囪全壓降可匯總?cè)缦拢?</p><p>　　ΔHΠ=λHT/D0×ρy×ω02/2+λ/8i×ρy（w02-ωD2）/2+ξawa

30、2ρy/2+ξ0×ρy×w02/2-gΔρ（HT+HZ）…… </p><p>　　公式中：ξ0為煙囪出口的局部阻力系數(shù)，根據(jù)《空動計(jì)算》2-44條，ξ0=1.0。 </p><p>　　同時(shí)，《空動計(jì)算》中指出固定斜度的煙囪內(nèi)的摩擦阻力，可按下面的近似公式確定：ΔP=λ/8i×ρy×w02/2，當(dāng)沒有關(guān)于煙囪結(jié)構(gòu)資料時(shí)，初步計(jì)算阻力用的斜度值可取為

31、0.02,同時(shí)也指出圓柱形煙囪內(nèi)的摩擦阻力按λHT/D0×ρy×ω02/2計(jì)算。本文認(rèn)為，在初步設(shè)計(jì)階段或吸風(fēng)機(jī)招標(biāo)之前，鍋爐專業(yè)應(yīng)依據(jù)土建專業(yè)設(shè)計(jì)的煙囪結(jié)構(gòu)形式（主要包括煙囪內(nèi)襯材料、內(nèi)筒支撐方式、內(nèi)筒錐形筒體斜度。）來進(jìn)行煙囪的全壓降計(jì)算。隨著機(jī)組容量及煙囪高度的增加，采用近似計(jì)算方法時(shí)“錐形+直筒形”煙囪全壓降計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的偏差比較大，將對吸風(fēng)機(jī)的電動機(jī)功率產(chǎn)生較大的影響。 </p><

32、;p>　　將公式減去公式，ΔHΠ-ΔPZua=ρy×ωa2/2，兩者差值為煙囪入口異形件進(jìn)口截面的動壓。 </p><p>　　4、兩種計(jì)算方法的分析總結(jié) </p><p>　　在此可以列出煙囪各個(gè)截面的伯努利方程，來說明煙囪靜壓和煙囪全壓降的關(guān)系，各個(gè)截面的定義參見附圖，截面1為煙囪入口異形件的進(jìn)口截面，截面2為煙囪內(nèi)筒出口截面（此截面相對靜壓為0），截面3為假想煙氣末端

33、截面（此截面相對靜壓為0，流速為0，ρa(bǔ)=ρy），下角標(biāo)1、2、3分別表示對應(yīng)截面的物理參數(shù)，下角表g表示壓力為表壓。 </p><p>　　由于環(huán)境大氣壓力沿海拔高度是變化的，為簡化計(jì)算，大氣的密度ρa(bǔ)在高度變化不大的范圍內(nèi)取值為常數(shù)。 </p><p>　　1) 截面1和截面2之間的伯努利方程 </p><p>　　P1g+(P0-ρa(bǔ)×g×

34、Z1)+ρy×w12/2+ρy×g×Z1=P2g+(P0-ρa(bǔ)×g×Z2)+ρy×w22/2+ρy×g×Z2+Δh1-2 …… </p><p>　　公式中，Z表示對應(yīng)截面的海拔高度，單位為m；Δh1-2為截面1和截面2之間的局部阻力損失與沿程摩擦阻力損失之和，單位為Pa；ΔH1-2表示截面1和截面2之間的全壓降，單位為Pa。 <

35、;/p><p>　　根據(jù)公式可推導(dǎo)出截面1和截面2之間的靜壓差（表壓差）和全壓降公式： </p><p>　　P1g-P2g=Δh1-2+ρy×（w22-w12）/2-（Z2-Z1）g（ρa(bǔ)-ρy）…… </p><p>　　ΔH1-2=（P1g+ρy×w12/2）-（P2g+ρy×w22/2）=Δh1-2-（Z2-Z1）g（ρa(bǔ)-ρy）…

36、… </p><p>　　2) 截面2和截面3之間的伯努利方程 </p><p>　　P2g+(P0-ρa(bǔ)×g×Z2)+ρy×w22/2+ρy×g×Z2=P3g+(P0-ρa(bǔ)×g×Z3)+ρy×w32/2+ρy×g×Z3+Δh2-3 …… </p><p>　　根據(jù)公

37、式可推導(dǎo)出截面2和截面3之間的靜壓差（表壓差）和全壓降公式： </p><p>　　P2g-P3g=Δh2-3+ρy×（w32-w22）/2-（Z3-Z2）g（ρa(bǔ)-ρy）…… </p><p>　　ΔH2-3=（P2g+ρy×w22/2）-（P3g+ρy×w32/2）=Δh2-3-（Z3-Z2）g（ρa(bǔ)-ρy）…… </p><p>

38、　　對于截面2和截面3，P2g=P3g=0，w3=0；對于截面2和截面3之間，由于煙氣和周圍環(huán)境大氣發(fā)生能量和質(zhì)量的交換，ρy最終逐漸趨近于ρa(bǔ)，工程計(jì)算中忽略截面2和截面3之間由于密度差引起的自生通風(fēng)力，即（Z3-Z2）g（ρa(bǔ)-ρy）=0。 </p><p>　　根據(jù)公式和公式，截面2和截面3之間的伯努利方程可改寫為： </p><p>　　ΔH2-3=Δh2-3=ρy×w2

39、2/2…… </p><p>　　根據(jù)《空動計(jì)算》列出的公式中，將Δh2-3視為煙囪出口的局部阻力（ξ0×ρy×w02/2， 其中ξ0=1.0），因此兩者的數(shù)值是相等的。 </p><p>　　3) 截面1和截面3之間的伯努利方程 </p><p>　　P1g+(P0-ρa(bǔ)×g×Z1)+ρy×w12/2+ρy

40、5;g×Z1=P3g+(P0-ρa(bǔ)×g×Z3)+ρy×w32/2+ρy×g×Z3+Δh1-3 …… </p><p>　　上式中：Δh1-3—為截面1和截面3之間的摩擦阻力損失和局部阻力損失，Δh1-3=Δh1-2+Δh2-3，Pa。 </p><p>　　將公式移項(xiàng)變換或?qū)⒐?、+，即可得出截面1和截面3之間的靜壓差（表壓差）

41、和全壓降公式： </p><p>　　P1g-P3g=[Δh1-2+ρy×（w22-w12）/2-（Z2-Z1）g（ρa(bǔ)-ρy）]+[Δh2-3+ρy×（w32-w22）/2-（Z3-Z2）g（ρa(bǔ)-ρy）]…… </p><p>　　ΔH1-3=[Δh1-2-（Z2-Z1）g（ρa(bǔ)-ρy）]+[ Δh2-3-（Z3-Z2）g（ρa(bǔ)-ρy）] …… </p>

42、<p>　　根據(jù)P2g=P3g=0，w3=0，公式，并忽略截面2和截面3之間的自生通風(fēng)力后，上述公式和公式即可化簡為： </p><p>　　P1g-P3g= P1g-P2g =Δh1-2+ρy×（w22-w12）/2-（Z2-Z1）g（ρa(bǔ)-ρy）…… </p><p>　　ΔH1-3=Δh1-2+ρy×w22/2-（Z2-Z1）g（ρa(bǔ)-ρy）…… &

43、lt;/p><p>　　4) 計(jì)算方法總結(jié) </p><p>　　對照公式⑧與公式、公式與公式，分析其物理意義，《煙規(guī)配套計(jì)算方法》所計(jì)算的靜壓值實(shí)際是圖中所示截面1到截面2之間各個(gè)截面的靜壓（表壓，對應(yīng)于計(jì)算截面標(biāo)高處的環(huán)境大氣壓力），而《空動計(jì)算》中的計(jì)算實(shí)際是截面1和截面3之間的全壓降，兩者是不同的概念。 </p><p>　　《煙規(guī)配套計(jì)算方法》所計(jì)算的靜壓數(shù)據(jù)

44、用于判別煙囪計(jì)算截面的靜壓值，而《空動計(jì)算》所計(jì)算的煙囪的全壓降用于吸風(fēng)機(jī)的選型計(jì)算。 </p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】 </b></p><p>　　錢成緒，火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程（DL/T5121-2000）配套設(shè)計(jì)計(jì)算方法[S]，北京：中國電力出版社，2004.01-83 </p><p>　　[蘇聯(lián)]С.И.莫強(qiáng)