小型燃氣鍋爐煙囪通風力計算分析及工程應用

張志華 楊聚嶺 紀國梁

（煙臺荏原空調設備有限公司，山東 煙臺 265500）

小型燃氣鍋爐煙囪通風力計算分析及工程應用

張志華 楊聚嶺 紀國梁

（煙臺荏原空調設備有限公司，山東 煙臺 265500）

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

小型燃氣鍋爐；自生通風力；通風阻力；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機組，因不像工業鍋爐那么擁有龐雜的煙氣處理系統，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計，是本文探討的主要內容。通過總結日本“空氣調和衛生工學會”發布的《SHASE-S 111-2004 煙囪計算基準》以及中國“《工業鍋爐設計計算方法》編委會”發布的《工業鍋爐煙風阻力計算方法》等文獻，認為《SHASE-S 111-2004煙囪計算基準》比較適合于小型燃氣鍋爐的煙囪通風力計算及其設計。

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

1 煙囪通風力計算基準概要

小型燃氣鍋爐通過燃料燃燒產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，整個鍋爐系統只有送風機沒有引風機，且鍋爐的排煙出口壓力一般接近大氣壓，因此屬于自然通風方式。

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

1.1 煙囪自生通風力

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

式中 Z1——煙囪自生通風力（Pa）；

Z2——煙道產生的自生通風力（Pa）；

H1——煙道與煙囪結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——煙囪內煙氣密度（kg/m3）；

ta——大氣溫度（℃）；

tg——煙囪內煙氣平均溫度（℃）；

tg1——煙囪入口部溫度（℃）；

tg2——煙囪排出口溫度（℃）；

g——標準重力加速度（g=9.8 m/s2）。

對于海拔較高地區，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——標準大氣壓（101 325 Pa）；

ρ——修正后密度（kg/m3）。

另外，煙道各區段內的溫度下降可以根據表1來判斷。

表1 煙道內溫度下降與入口溫度和煙速的關系

煙囪內的溫度下降可以根據以下方法求得：

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表示標態下氣體體積（1 atm，0℃）。

表2 煙囪壁體熱通過率（內面基準） 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 鍋爐通風阻力

鍋爐通風阻力ΔP包括煙囪的通風阻力ΔP1、煙囪出口通風阻力ΔP2、煙道的通風阻力ΔP3、鍋爐爐內壓ΔP4，即：

1.2.1 煙囪通風阻力ΔP1

包括煙囪沿程摩擦阻力ΔPf1（Pa）、煙囪局部阻力ΔPb （Pa）。

式中 λ——煙囪內摩擦系數；

ζb——局部阻力系數；

νg——煙囪內排煙平均速度（m/s）；

d——煙囪內徑或當量直徑（m）。

式中 Ac——煙囪斷面積（m2）；

P——內圓周長（m）。

1.2.2 煙囪排出部通風阻力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；

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 煙道的通風阻力ΔP3

包括煙道內沿程摩擦阻力ΔPf2（Pa）、流路轉向局部阻力ΔPt（Pa）、斷面變化局部阻力ΔPs（Pa）、合流局部阻力ΔPc（Pa）、調節擋板全開時阻力ΔPd（Pa）。

注意計算包括直流部和合流部兩部分阻力。

式中 λ——煙道內摩擦系數；

ν——煙道內煙氣平均速度（m/s）；

L——煙道長度（m）；

d——煙囪內徑或當量直徑（m）；

ζt——不同流向局部阻力系數；

ζs——不同斷面局部阻力系數；

ζc——不同合流部局部阻力系數；

ζd——調節擋板全開時局部阻力系數。

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

1.2.4 鍋爐內阻力ΔP4

因小型燃氣鍋爐排煙出口壓設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阻力即可，此處鍋爐內阻力ΔP4＝0 Pa。

1.3 煙囪通風力計算結果校核

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

說明：當Z-ΔP＞49 Pa時，煙道內需要設置通風調節閥。

2 工程應用實例計算

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用參考。

海拔高度忽略不計，煙囪煙道為金屬圓形，自然通風式。

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 鍋爐煙囪通風力計算結果

續表

續表

3 結論

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力計算相對單臺要復雜些，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力計算校核，以判斷是否需要在煙道內設置通風調節閥。本文的計算案例全部選用相同規格的燃氣鍋爐，實際工程應用中經常會遇到不同規格的燃氣鍋爐多臺組合或帶燃燒裝置的中央空調機組與燃氣鍋爐多臺組合，因此對于其煙囪、煙道的設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[S].

[2]《工業鍋爐設計計算方法》編委會.工業鍋爐煙風阻力計算方法[M].中國標準出版社，2005.

[3] 林宗虎，徐通模.實用鍋爐手冊[M].2版.化學工業出版，2009.

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

[5] 高田秋一.吸收式制冷機[M].機械工業出版社，1987.

[6] GB13271—2014 鍋爐大氣污染物排放標準[S].

2015-03-19

張志華（1978—），男，湖北人，助理工程師，主要從事冷凍空調產品設計及工程應用研究。