水管锅炉的结构

水管锅炉的结构2004-6-3水管锅炉因其结构布置比较合理，工作性能比较完善，经济技术指标也较先进，因此发展十分迅速。它可以满足不同蒸发量的要求。我们以 D 型锅炉为例，这种型式的锅炉用于船舶上作蒸汽动力装置的主锅炉，或作为大型油船柴油机动力装置的辅助锅炉。一、D 型水管锅炉的组成及其工作原理图 41 是一台 D 型水管锅炉的工作示意图。图 41 D 型水管锅炉的工作示意图 1锅炉本体D 型水管锅炉本体的造形类似英文字母“D”，故称为 D 型锅炉。其本体是由上锅筒、下锅筒、联箱、水冷壁、对流管束、炉膛及燃烧器等部分构成。除了炉膛和燃烧器外其他部件都承受着锅炉的饱和压力。(1)上锅筒上锅简虽然不是受热面，但在水管锅炉中，它有下列几方面的重要作用：a)由于在上锅筒中可以储存一定量的水(约为锅炉蓄水量的 13)，当给水量和产生的蒸汽量在数量上不平衡时，可暂时以上锅筒中水位的上下波动来应付，从而降低了对给水调节的要求。另外，它又使锅炉具有一定的蓄热能力，当锅炉向外界输出的热量与向锅炉内供入的热量不平衡时，上锅筒中的水可暂时释放或吸收一部分热量，以减缓蒸汽压力的被动，从而降低了对燃烧调节的要求。b)上锅简向蒸发受热面管子输送锅水，接受来自蒸发管束的汽水混合物，并在其中进行汽水分离。锅炉接收给水和向外供应饱和蒸汽也需要经过上锅筒。因此，上锅筒是汽水系统的一个汇集点，另外上锅筒也是一些重要附件装设的地方。c)给水在上锅简内进行锅内水处理，并通过在上锅筒中进行的上部排污，排除锅炉中盐度较大的锅水以及漂浮在水面上的油质和泡沫等杂质，以避免在受热面上结水垢和防止受热面的腐蚀。d)给水在上锅筒中得以预热和除气。锅炉给水的温度较锅水低，且溶解有氧气，进入上锅筒后被周围锅水加热至接近饱和温度，同时溶解的氧也随之析出，从而减轻了上锅筒的温度应力和氧对受热面的腐蚀。(2)联箱和下锅筒联箱和下锅筒也都不是受热面。联箱是用来固定水冷壁管于并使水冷壁管内形成正常的水循环。下锅简是用来固定除水冷壁以外的蒸发受热面管子并联接其水循环，也有一定的蓄水能力。它们能将锅水中沉淀出来的泥渣通过下排污将其排除。(3)蒸发受热面在锅炉中直接受热产生饱和蒸汽的受热面称为蒸发受热面。水冷壁管及靠近炉膛的前三排对流管束(即防渣管)，烟气通过辐射传热的方式，将热量传递给管中的锅水，因而称为辐射受热面。其余的蒸发管束，通过对流换热的方式，接收烟气传递的热量，因而称之为对流受热面。(4)炉膛炉膛是燃油雾化、燃烧的场所。它的作用是提供足够的空间，使燃油得以充分的燃烧同时使燃烧发出的热量不要散失到锅炉外面。炉膛由耐火砖墙和水冷壁组成。水冷壁就是铺设在炉膛内壁上的蒸发受热面管子，由于它吸收高温火焰和烟气的辐射热量，因此可以保护耐火砖不致于过热而烧坏，有冷却炉墙的作用；同时能提高锅炉的蒸发率；通过在炉膛不同部位布置不同数量的水冷壁受热面；来控制炉膛中烟气的温度和温度场分布，保证炉膛内良好的燃烧；它是整个锅炉蒸发受热面的重要组成部分。水冷壁吸收的辐射热，约占锅炉整个受热面吸热量的 13 左右，使烟气由理论燃烧温度(约 2000K)下降到炉膛出口温度(15001750K)，烟气离开炉膛后，流到蒸发管束中去。(5)燃烧器燃油锅炉的燃烧器是由雾化器或喷油嘴和配风器组成。喷油器将送入炉膛内的燃油雾化成油雾，配风器将助燃空气合理地导入炉膛，使之能与雾化的燃油进行及时充分的混合。2锅炉附加设备(1)蒸汽过热器当要求锅炉供应过热蒸汽时，在锅炉中加装蒸汽过热器。根据对过热蒸汽温度要求的高低，蒸汽过热器可放置在对流管束中间或对流管束后面。它接收从上锅筒中来的饱和蒸汽，在其中加热成过热蒸汽再向外界供汽。(2)省煤器省煤器用于加热进入锅炉的给水。由于它安装在锅炉本体的后面，可吸收流出本体后的烟气中的余热，因而能起到节省燃料的作用。(3)空气预热器空气预热器是利用烟气进入烟囱以前的余热来加热助燃的空气，既达到了回收热量的目的，又改善了燃油的燃烧条件。通常空气预热器安装在省煤器的后面。省煤器和空气预热器都装在锅炉本体的后面，统称为尾部受热面。尾部受热面也不是所有锅炉都必须装设的；有的锅炉只装设其中的一个。对于小型锅炉，为了简化管理和减小锅炉的外形尺寸，多不装设尾部受热面。3D 型锅炉的系统及锅炉附件(1)燃油系统燃油系统中的油泵将燃油从油罐中抽出送到日用油箱，再用燃油泵从日用油箱中抽出，经过加压、加温和过滤最后送到喷油器进行雾化。这个系统通常以日用油箱为界限又分成供油系统和燃油工作系统。(2)给水、凝水、蒸汽系统给水系统是由包括锅炉给水的输送管道、给水加热器、给水泵和给水调节阀等所组成。凝水系统包括从除氧器等设备的管路及管路上的设备和阀门。蒸汽系统包括蒸汽管路及管路上的各种阀门。(3)通风系统通风系统的作用是将外界空气送人炉膛供燃油燃烧使用，并将燃烧产物(烟气)排出锅炉送到大气中去。由于在空气和烟气的流动过程中，会产生各种流动阻力，若利用烟囱产生的自然通风力去克服这些流动阻力，称为自然通风。显然，这种通风方式产生的风力很小，用增加烟囱高度的方法来提高自然通风力。利用风机来克服各种流动阻力的通风系统，称为机械通风。机械通风又分为：正压通风、负压通风和平衡通风。用送风机将空气送人锅炉，并把烟气从锅炉压出到大气中，称为正压通风。用引风机将锅炉中烟气排人大气，并把空气吸人炉膛，称为负压通风。同时用鼓风机和引风机进行通风，称为平衡通风。(4)锅炉附件和监测仪表锅炉附件和监测仪表是保证锅炉安全而经济地工作所必需的装置，包括有：a)作为保证锅炉安全工作的附件：水位表、安全阀和指示蒸汽参数的压力表和温度表；b)作为监督燃烧的附件：风压计、CO 2指示仪、氧量计、观烟镜等。(5)锅炉自动化系统在自动化锅炉中，自动化系统包括：给水过程自动调节系统；燃烧过程自动调节系统；过热蒸汽温度自动调节系统及各种安全保护系统。二、D 型锅炉的结构特点下面以一种比较典型的 D 型锅炉为例(如图 42)，介绍锅炉的结构特点。锅炉的蒸发量为 13t/h，蒸汽参数压力为 3.2MPa，温度为 400，锅炉右方为炉膛，在炉膛右侧炉墙内侧布置有水冷壁辐射受热面，它一直沿伸至炉顶。右方为上、下锅筒和将两者连接在一起的对流管束，对流管束与垂线约成 30的倾角，这样就能得到较好的烟气扫刷性。三个燃烧器以“品”字形布置在炉膛的前墙上。燃油雾化燃烧后，高温火焰和烟气与炉膛水冷壁受热面和防渣管进行强烈的辐射热交换，接着烟气流向对流换热烟道。在进入过热器之前，烟气先穿过三排防渣管以适当降温，可使过热器免受炉膛高温火焰的直接照射，这样既可避免过热器管壁温度过高又可使其具有对流和辐射两种传热工况，因而提高了过热器工作的可靠性和稳定性。对流管束布置得具有一定倾角，这样可增加烟气对管束冲刷的均匀性。水冷壁、防渣管、对流蒸发管束中的水吸热蒸发而上行，对流管束的后两排管束和设置在烟道外直径较大的不受热下降管从上锅筒引锅水下行，形成了锅炉的自然水循环回路。水上行的管子称为上升管，水下行的管子称为下降管。图 42 典型的 D 型锅炉1上锅筒 2下锅筒 3防渣管 4对流管束 5水冷壁6水冷壁 7对流管束 8燃烧器 9过热器 10省煤器烟气流出对流蒸发管束时的温度尚有 300以上，为提高锅炉效率和简化烟囱的绝热问题，有的锅炉在本体后面装设尾部受热面，进一步回收其热量和降低排烟温度。有的锅炉装设有省煤器，及空气预热器。或者两者皆装，或者两者皆不装，这主要取决于蒸汽参数、给水温度、燃油品种以及其他特殊要求等因素。一般来说，蒸汽参数较低的系统，给水温度较低，当给水系统装有除氧器时，多装设省煤器。在燃用渣油，要求助燃空气温度较高时，则装设空气预热器。对高压高温的系统，给水温度较高，为更有效地降低排烟温度，故两者皆装。当排烟温度降至 160170时，锅炉效率大约为 88。综上所述，归纳起来，D 型锅炉具有下述特点：(1)D 型锅炉在其本体受热面的布置上，可以很方便地增减尺度和数量，易于组成不同蒸发量的锅炉。(2)D 型锅炉的对流管束位于炉膛旁侧。不是架设在炉膛的上方，因而随着锅炉蒸发量的增加，锅炉高度不会显著增加。(3)当锅炉蒸发量增大时，如果锅炉体积缩小，必须适当提高炉膛容积热负荷，以减小单位蒸发量的锅炉体积和重量。随着燃烧技术的发展，使燃料在炉膛中能完善地燃烧，而炉膛温度却会因燃烧强度的增加而升高，耐火砖墙难于适应这种工作环境。尤其在燃烧劣质渣油时，对耐火砖墙还有侵蚀作用。为此，现在D 型锅炉在炉墙上普遍设置水冷壁受热面，从而减少高温火焰对炉墙的直接辐射和燃烧劣质燃油对炉墙的侵蚀，这不仅对炉墙起到冷却保护作用，而且由于水冷壁受热面的蒸发率很高，还能提高整个锅炉受热面的蒸发率，同时也抑制了炉膛出口烟气温度过分升高。(4)由于掌握了水冷壁的应用技术，对于不同蒸发量的锅炉，在不同炉膛容积热负荷的条件下，通过增减布置水冷壁受热面积来控制炉膛的出口烟气温度，从而使炉膛具有一定的温度水平，既能保证良好的燃烧，又能保护炉墙，而且在炉膛出口处，不会因燃用劣质渣油引起对流管束发生结焦及腐蚀等不良现象。1炉墙锅炉的各种受热面均须由炉墙来包围所形成炉膛和烟道等烟气的流动通道，对于不同部位或不同工作条件的炉墙，在性能以至结构上的要求也应当是不同的。通常对于烟气温度在 900以上的炉膛和高温对流烟道等部位的炉墙要求较高。炉墙长期与高温烟气接触，因此要求具有耐高温的能力和抵抗灰渣侵蚀的特性，并要有很好的绝热性能，以免向外散失大量热量：为了防止外界空气漏入炉膛内或正压燃烧时烟气漏至炉外，还得保持炉墙的气密性。所以，炉墙一般由耐火层、绝热层和密封层叠加而成，如图 43(b)所示。面火的耐火层常用烧粘土耐火砖，绝热层可用硅藻土砖或石棉板。在现在的锅炉中，正逐步推广只装设一层兼有耐火和绝热性能的纤维成型板，其主要成分为氧化铝和氧化硅。它的耐温特性随氧化铝含量百分比的升高而改善，这样不仅使炉墙重量减轻，而且施工简单。最外侧的密封层为薄钢板，图中所示的各层厚度，可视炉墙具体工况而灵活增减，一般应使炉墙外表面温度不超过 60，以免烫伤工作人员，同时也可避免散热损失过大。对于风口等处不规则造型部位，可采用耐火塑料或异形耐火砖砌成。前者对温度的波动适用性较好，但抗灰渣浸蚀能力不及耐火砖。图 43(a)和(c)示出了前墙风口和炉底结构，炉底的耐火层厚度可以减半，但因灰渣侵蚀严重，所以一般均由耐火砖砌成。风口和炉底也可用高铝纤维砖，穿墙管密封处用耐火纤维构成耐火层。图 43 锅炉炉墙结构组成图a)前墙 b)侧墙 c)炉底1耐火砖 2硅藻土砖3石棉板 4薄钢板 5高铝纤维砖在对流管束以后的低温烟道外，则仅由绝热层和密封层组成其外壳，可以不用耐火层。密封层由约 3mm 厚的薄钢板制成，在其内侧铺设一层绝热材料，通常为耐热纤维板或矿渣棉制品、硅藻土砖和石棉板等。绝热层材料的密度通常小于1000kgm 3，导热系数在 20时小于 029W(m)。为了提高炉膛耐火层工作的可靠性，要求使用 A 等 1 级和 2 级耐火砖而烟道可采用 B 等 1 级耐火砖。我国的烧粘土耐火砖分为 A、B、C 三等，每等又分成 3级或 2 级。A 等的耐火度不低于 1730，B 等不低于 1670，C 等不低于 1580。其胀缩率各等中的 1 级最小，其余较大。在锅炉工作中，要保证耐火砖受热膨胀而不损坏，砌砖时应留有膨胀缝。一般在膨胀缝间塞以石锦绳及其制品。砌砖的质量标准按膨胀缝大小分为三级。特精密级，砖缝不大于 1mm；精密级，砖缝不大于 2mm；普通级，砖缝不大于 3mm。绝热层的膨胀缝中，用二或三股石棉绳及其制品充填。在较新式的水管锅炉中，不管是炉膛还是对流烟道部位，在炉墙耐火绝热层的外面，采用一种称为双层罩壳的炉墙结构。双层罩壳炉墙与单层不同，它具有内外两层壳板，中间通以送往燃烧器去的助燃空气。由于助燃空气必须克服燃烧器流动阻力进入炉膛，所以，其压力肯定比炉膛内的烟气压力要大。从而保证了只有空气漏到炉膛，消除了烟气漏入炉外的可能。另一方面，空气带走一部分外散的热量返回炉膛中，因而在减少锅炉散热损失的同时、既提高了助燃空气的温度，又降低了内壳板尤其是外壳板的温度，因此绝热层可以减薄。2水冷壁水冷壁管子为锅炉无缝钢管，管径一般为 51mm。水冷壁垂直布置在炉膛的内壁面上，它构成了水冷壁水循环回路的上升管，是锅炉的主要辐射受热面。火焰辐射传热与热力学温度四次方成比例，炉膛内火焰温度很高，故水冷壁辐射吸热很强烈。同时它还能保护炉墙，减少熔渣和高温对炉墙的破坏作用。装设水冷壁后，炉墙内壁温度大大降低，使炉墙厚度减少，重量减轻。为了防止在侧水冷壁管子延伸至炉顶的部分(顶棚管)管子中发生汽水分层现象，水冷壁不得水平布置，其水平倾角应大于 30，最小不得小于 15。水冷壁在锅筒或上联箱处吊挂，使其具有自由膨胀的可能。水冷壁的结构型式有三种：光管水冷壁、膜式水冷壁和棘形水冷壁。(1)光管水冷壁：水冷壁可减轻耐火砖的负担，并延长炉墙的使用寿命，这种功效的大小，取决于管子排列的密集程度。水冷壁管子中心线之间的距离称为节距，以符号 s 表示，节距 s 与管径 d 之比称为节距比。sd=225 的疏排水冷壁能使炉膛耐火砖层的表面温度降低 400500，sd=11 的密排水冷壁，可使其后耐火砖层的表面温度近于水冷壁管壁的表面温度。当然，sd 大小的选择还应从要求布置的辐射受热面多少和节约水冷壁管子金属等方面来考虑。图 44 为光管水冷壁疏排和密排的结构。图 44 光管疏排和密排水冷壁a)疏排水冷壁 b)密排水冷壁(2)膜式水冷壁：由于现代锅炉炉膛中的燃烧温度不断提高，具有水冷壁的炉墙工作条件进一步恶化并缩短了使用寿命，采用密排水冷壁结构可以提高炉膛容积热负荷，增加单位炉膛壁面积的辐射受热面，因而可以控制炉膛出口温度，但炉膛中的烟气温度仍然较高，耐火层虽可以减薄但不能取消。因此没有彻底摆脱锅炉在炉墙维护工作上的麻烦和困难，同时在配合微正压(或负压)的低过量空气高效燃烧时，炉墙还显得不能保证良好的严密性，于是便使用了一种称为膜式水冷壁的炉膛壁面结构。所谓膜式水冷壁，就是在炉膛中做成一个连续无缝的金属炉墙。它有两种型式，一种是把钢管两边挤压出两个鳍片后，再将这种异形钢管拼焊起来；另一种则是用普通光管和狭钢条间隔拼焊而成。这两种结构分别见图 45(a)(b)中。图 45 膜式水冷壁a)鳍片管拼焊式 b)光管和狭钢条拼焊式膜式水冷壁的管子节距比 sd 约在 11512 之间。由于炉膛高温烟气辐射热不能穿透到这种水冷壁的背后，经过实践证明，在正常工况下，这种水冷壁管壁的温度不会比锅水温度高出 60，所以可以取消炉墙的耐火层，而且绝热层也可大为简化，一般仅安装 50mm 左右厚的玻璃棉等绝热材料，外层再复以薄钢板即可。膜式水冷壁具有严密性好，可以配合微正压或负压的低过量空气燃烧；炉膛气密性好，可降低排烟热损失，提高热效率。简化了炉墙的维护工作；炉墙较薄，蓄热量小，有利于停炉检修；可分片组装出厂，便于安装；适用于两边接触高温火焰的双面水冷壁等优点。但是焊制的膜式水冷壁也有不足之处：由于单位面积的辐射受热面积的吸热率很高，若管内结有水垢，则管壁温度会迅速升高，甚至会导致管子损坏，所以对水质处理的要求十分严格。另外，一旦管子损坏，检修工作十分麻烦，因为必须将它切割下来，换新后重新焊接，临时抢修时，可把损坏的水冷壁管子堵掉，被堵管子仍可由二侧鳍片通过相邻管子散失热量，但不大有效，一旦管子烧穿，就破坏了气密性，可能被迫停炉。所以，一般在被堵后的管子上再涂上耐火材料，以暂时应付。(3)棘形水冷壁：棘形水冷壁是在管子表面面向炉膛的一侧焊上许多棘钉，将耐火材料涂在其上，可以使其吸热率降低，从而满足炉膛不同部位的不同吸热要求。图 46 示出棘形水冷壁部分和全部涂上耐火材料的情况。涂在水冷壁上的耐火材料为一种铬矿砂材料，其主要成分为氧化铬和氧化铁的化合物，涂上以后表层坚硬，能耐高温和具有抗灰渣侵蚀的能力，并具有一定的导热性。图 46 棘形水冷壁a)部分涂耐火材料 b)全部涂耐火材料三、锅炉的尾部受热面在锅炉本体后面的烟道中，根据需要通常安装着省煤器和空气预热器。由于它们能回收锅炉排烟的余热，减少排烟所带定的热量，因而使锅炉效率得以提高，达到节省燃油的目的。(一)省煤器1省煤器的工作特点省煤器里流动的是不等温的给水。在自然循环锅炉中，省煤器出口的水温一般都低于饱和温度。因此，放在同一烟气温度地区，省煤器比蒸发受热面的传热温差要大；在吸收同样的热量时，其受热面积可以小一些。同时省煤器内的给水是强迫流动，故受热面的管径也可选用小一些的，其结构布置更为紧凑。当布置同样多的受热面积时，其占据的空间就更小，布置的位置也不受限制。省煤器的结构比较简单，造价也便宜。另外，给水经过省煤器加热后再送人锅筒，可减少因水温低而使锅筒产生的热应力，使锅筒的工作条件得以改善。所以，省煤器吸热既有效，结构又简单，已与锅炉本体密切结合在一起，成为其重要的组成部分。尤其是大型高效率锅炉更是这样。但由于设置了省煤器也带来了如下一些问题：1)烟气侧的通风阻力增加；2)当锅炉负荷变化较大和较长时间在低负荷下运行时，在结构上和管理上要对省煤器给予特别的考虑；3)省煤器工作在给水由低温转变成高温过程中，在省煤器的末端将析出一部分溶解在水中的空气，造成金属的腐蚀，所以在带有省煤器的锅炉中，对给水中含氧量限制很严格，它只能设置在有除氧器的动力装置中。省煤器分为沸腾式和非沸腾式两种。沸腾式省煤器能将给水加热至饱和温度，并把部分水进一步加热成蒸汽，由省煤器出来汽水混合物的含汽量在 1015以上。这样，它将起到代替一部分蒸发受热面的作用。沸腾式省煤器多用于压力较低，水的汽化潜热较大且蒸发受热面因受到限制而不能布置较多的场合。在沸腾式省煤器中，水是自下而上流动，水流速度在最低负荷时也不应小于 1ms，以利于排除管中的汽泡，避免形成汽塞。非沸腾式省煤器出口的水是未饱和水，此时为了增加传热温差，改进传热效果，将烟气温度降得更低些，可以让水流方向与烟气流动方向相反，即水从上往下流动。但要求在低负荷时(一般为 25负荷)，水经过省煤器的压头损失必须大于水静压头的增加。即在下部出口联箱中的压力必须小于上部进口联箱中的压力；否则在省煤器中会发生再循环流动，影响其正常工作。给水在省煤器中加热、升温，一部分溶解在水中的气体会析出，并且在并列的各根管子中由于存在水力不均匀，而使个别管子内因流量太小而发生蒸发。这些气体和汽泡，聚集在管壁上，将造成管壁的腐蚀和过热；尤其对逆流式省煤器更为不利。所以要求水流速度在低负荷时仍应大于 05ms，以便使水流能随时将停留在管壁上的气泡和汽泡冲掉。一般为了防止个别管内因水力不均匀而产生部分汽化，造成汽塞，要求非沸腾式省煤器出口水温应该比该压力下的饱和温度低 3540。为了防止低温腐蚀，省煤器进口水温应高于烟气露点 1520，以防止省煤器管壁结酸露。沸腾式与非沸腾式省煤器在结构上没有什么区别，仅在管路连接和系统上有些不同，如图 47 所示。图 47 省煤器的管路连接系统1省煤器进口阀 2止回阀 3省煤器出口阀4旁通给水管 5旁通给水阀 6省煤器给水阀7再循环管 8再循环阀 9省煤器10省煤器进口联箱 11省煤器出口联箱12锅筒 13安全阀沸腾式省煤器出口与锅简之间不设任何阀门，以便顺利地将省煤器中产生的汽水混合物导入锅筒，只是在省煤器前装置截止阀和止回阀。当锅炉在低负荷下运行或处在点火升汽阶段时，应当注意省煤器的保护。如果排烟温度低及省煤器为逆流传热时，可设置旁通烟道。在点火时，如果省煤器位于高温烟气区域时，因为水静止不动发生汽化使受热面过热。这时，锅筒与省煤器下部联箱的循环管打开，使省煤器与锅筒之间能进行自然循环。如果没设循环管，可在锅筒产汽后(压力为 0102MPa)逐渐地给省煤器加入少量水；如锅筒水位太高。可将水放出一些，以保证正常水位。2省煤器的结构与型式油炉上用的省煤器由无缝钢管做成，按受热面管子的形状分为光管式、套环式和鳍片式三种。管子弯成蛇形管式，管子两端分别接到进口和出口联箱上。也有管子做成 U 形管式的，此时要求设有转向小联箱。采用光管式省煤器时，管子外径在 2832mm 之间，管壁厚为 3.54mm，管子采用叉排布置，节距比为 s1d=23，s 2d=115。如果排列过密则会造成积灰或堵塞。为了提高省煤器受热面的传热系数，缩小省煤器尺寸，采用在钢管外加铝合金套环或鳍片的方法，也有采用铸铁套环和鳍片，但重量较大。图 48 所示为一种带有套环的 U 形管式省煤器。图 48 带有套环的 U 形管式省煤器1铝质垫环 2后管板 3铝合金套环 4中间支承板5转向小联箱 6前管板 7铝质环 8省煤器管9箍紧钢环 10端环 11转向小联箱 12手孔门除套环式以外，还可用各种形状的肋板作为省煤器的附加受热面。(二)空气预热器1空气预热器的工作特点空气预热器位于省煤器之后，它将进入炉膛参加燃烧的空气预先加热，使其温度升高，同时也进一步降低排烟温度，提高锅炉效率。另一方面，由于空气温度提高，炉膛温度上升，为采用低过量空气燃烧提供了有利条件；并且使在炉膛内大量铺设水冷壁成为可能。但是由于空气对管壁的对流放热系数很小，空气预热器又处于低温烟气区，因此所需的受热面面积很大。例如，一台蒸发量为 12th，蒸汽压力为 25MPa 的锅炉，当其预热空气温度为 135时，空气预热器的受热面积与蒸发受热面一样多，因而使锅炉的重量和外形尺寸都大大增加。2空气预热器的结构与型式空气预热器有管式和回转式两大类。(1)管式空气预热器由管径为 3851mm 的薄壁焊接直管做成，管于是圆形或其他形状。管子两端固定在厚约 812mm 的管板上。空气预热器可以用隔板分成几层，以增加空气在预热器中的流经次数，提高空气流速，改善传热效果。但是流经次数越多，空气流速越高，通风阻力也越大。管式烟气空气预热器结构如图49 所示。图 49 管式烟气空气预热器a)双流程立式空气预热器 b)各种型式管群 c)卧式空气预热器1四管 2蛋形管 3扁豆形管 4菱形管 5空气旁通挡板 6挡板 按照管子的放置方向，管式烟气空气预热器又可分为立式和卧式两种，其构造大致相同，只是管子立放和横放而已。在卧式空气预热器中，空气在管内流动，烟气由管间通过，烟气阻力较立式的大，而且在管子上容易积存烟灰，既影响传热，且当尾部受热面发生着火复燃时，其波及面也大。在立式空气预热器中，空气在管外流动，烟气在管内流动。烟气流阻较大，当受热面发生着火复燃时，波及面小，但积灰可能将整根管子堵塞，而且装置的高度较大，更换管子不方便，所以一般燃油锅炉常采用卧式空气预热器。(2)回转式空气预热器：回转式空气预热器的结构和工作原理如图 410 所示。图 410 回转式空气预热器1转子 2转子的中心轴 3环形长齿条4主动齿轮 5烟气入口 6烟气出口7空气入口 8空气出口 9径向隔板10过渡区 11密封装置 在工作时，回转式空气预热器转子是转动的。转子由 12 个或 24 个横向隔板分成梯形小室，其中放着波纹状薄板组成的传热元件，分为上中下三层。由波纹状板组成的受热面，交替地与烟气和空气接触，与烟气接触时是吸热，与空气接触时是放热，这时空气被加热。转子是由电动机经减速后驱动的。波纹状薄板 A 的波纹较少，并与气流平行。板 B 的波纹多而连续，与气流成30角，使气流经波纹状薄板时不断地受到扰动，使气流能充分地和金属壁相接触，从而加速了热交换过程。在转子的两边分别装着烟气和空气通道，它们之间用装有密封片的密封区隔开，阻止空气漏入烟气通道中。烟气道、空气道和密封区，在一周中分别占 180、120和两个 30。转于转速为 345rmin。转速过高，漏风量较大；当转速小于 5rmin时，漏风量不大于 1。它可将空气加热到 300350。回转式空气预热器的优点是结构紧凑、体积小、重量轻、金属耗量小，降低了锅炉的排烟温度，并能提高锅炉的效率。受热面与空气和烟气轮换接触，腐蚀较烟管式空气预热器轻些。受热面是插入式组合体，损坏后易于更换。工作时转子转动，吹灰器喷嘴喷出的蒸汽能有效地吹及全部受热面。它的缺点是零件多，制造复杂，需要一套传动设备和需精心维护管理等。(三)锅炉尾部受热面运行中的问题尾部受热面回收了大量余热。提高了锅炉的效率，但也给锅炉的运行带来了如低温腐蚀、堵塞和着火复燃等问题。1低温腐蚀低温腐蚀的特点是硫酸腐蚀。低温腐蚀的产生是由于尾部受热面的金属壁温低于硫酸蒸汽的露点，因而在管壁上结有酸露而造成的。它经常发生在空气预热器的冷端(空气进口端)和给水温度低的省煤器中。酸露的形成是由于燃油中硫在燃烧后形成二氧化硫(SO 2)和其中一部分进一步氧化成三氧化硫(SO 3)，三氧化硫与烟气中的水蒸汽结合成为硫酸蒸汽。烟气中硫酸蒸汽的露点称为酸露点。当受热面的壁温低于酸露点温度时，硫酸蒸汽就会在管壁上凝结，使管壁受到硫酸腐蚀。可见酸露点的高低，是判断锅炉能否发生低温腐蚀的一个重要指标，也能在一定程度上反映腐蚀速度的快慢。烟气中硫酸蒸汽的含量与燃油中硫的含量、燃烧温度、燃烧时的过剩空气量、锅炉受热面上的腐蚀产物氧化铁及沉积物的催化作用等因素有关。为了保证锅炉长期可靠地运行，采取如下防止低温腐蚀的措施： 1)装设再循环管路，以提高空气预热器入口空气温度。把一部分已加热的空气从再循环管路引回到风机入口，与冷空气混合以提高其温度后再进入空气预热器，避免管壁结酸露而造成腐蚀。在启动及低负荷运行时，可增大再循环风量(图 411)。图 411 预热空气再循环方案图 2)设置旁通烟道或旁通空气道。当点火升汽或锅炉处在低负荷运行时，将烟气或空气旁通，不经过空气预热器，以保证管壁温度不低于烟气的酸露点。3)采用低过量空气燃烧方式。这是最合理、最有效的防止低温腐蚀的措施，它能减少 SO2的进一步氧化，从而减少硫酸的生成。4)保证良好的燃烧工况，使生成的 SO3在离开炉膛前尽量分解。另外，要及时进行吹灰，经常保持受热面的清洁，尽量减少催化作用。在停炉检修时，要清扫受热面上的铁锈和积灰。5)采用耐腐蚀的材料或涂料，如玻璃钢、硼硅耐热玻璃或搪瓷、防腐漆等。6)使用固体、液体或气体添加剂。清除生成的 SO3。固体的添加剂有白云石、镁石、某些金属(铝、硅)的氧化物。液体添加剂有氯化镁的水溶液；气体的添加剂有氨气等。添加剂的防腐效果取决于添加剂的用量，加入的方式以及其分布的均匀程度等。添加剂可以加工成粉状喷入炉膛中或喷入过热器后，也可通过注入燃油中的浆液，再由喷油嘴喷入炉膛中。添加剂用量为每吨燃油加 48kg。2受热面的外部积灰与堵塞燃油的灰分很少，一般不到 1，而锅炉受热面的积灰却可能比燃煤还要严重。尤其是在燃烧高硫燃油时，积灰更为突出。其原因是灰分中含钒、钠等金属元素，在燃烧过程中可以形成熔点很低的化合物。在烟气温度较高的区域，它们呈软化状态粘附在受热面上，其粘性很强，使其它灰粒也粘上去，形成牢固的积灰。当尾部受热面结有酸露时，管壁湿润，灰也很容易粘附上去。另外，油灰中含有钙，燃烧后生成氧化钙，它与三氧化硫作用形成硫酸钙，遇有凝结下来的水形成很牢固的积灰。当燃烧恶化时，生成大量的碳粒子，其数量多于灰分，而且颗粒很细，吸附性很强，很容易被吸附在尾部受热面上，形成牢固性的积灰；并具有很强的酸性，必要时要用碱水冲洗。当受热面外部积灰严重时，就会形成烟气通道堵塞现象，它不但有腐蚀性，而且会影响锅炉的正常运行，使锅炉效率降低。3尾部受热面的二次燃烧当尾部受热面沉积的积灰中有可燃物时，它在一定条件下会在尾部烟道中重新着火燃烧，把受热面管烧毁。这种现象称尾部受热面的二次燃烧。当燃烧不良时，尾部受热面的积灰中有 8090是碳。尤其是在启、停过程中，由于燃烧不好或设备有缺陷，油凝结在尾部受热面上，更使尾部有再燃的危险。尾部受热面二次燃烧实际上是一种自燃过程。即使在较低温度下，碳粒子等可燃物质也会缓慢氧化，析出少量热量。在正常运行时，尾部烟道的烟气流速很高，散热条件很好，碳粒、油垢等析出的一些热量很快被烟气流带走，不会二次燃烧。当停炉以后，烟道中烟气近于停滞，散热条件很差，因氧化产生的热量散不出去，温度逐渐上升，使氧化加速，温度又再上升，最后导致着火燃烧。所以，大多数锅炉的尾部受热面二次燃烧事故是发生在停炉一段时间以后。综上所述，尾部受热面着火复燃必须具有三个条件：有可燃物；可燃物氧化时析出的热量不易散失；不断供给氧。当发生着火复燃时，必须及时停止向炉内供油，停止送风机和排烟机，严密关闭烟道和空气道的挡板，并进行蒸汽灭火。防止尾部受热面发生着火复燃的主要措施有：保证在各种工况时的良好燃烧；及时进行吹灰，防止可燃物的积存；停炉后 10h 内应严密关闭烟道和风道挡板以及各种孔门，防止空气漏入。四、蒸汽过热器蒸汽过热器是将锅筒中送出来的饱和蒸汽进一步加热，使其中的水分全部蒸发成蒸汽，并使蒸汽温度升高成为具有一定过热度的过热蒸汽。(一)蒸汽过热器的工作特点随着蒸汽过热器中蒸汽温度的升高，蒸汽对管壁的对流放热效果就更差。如何防止过热器管壁不致过热烧坏，这不仅是设计时应考虑的重要问题，也是安全运行时应考虑的问题。过热器管壁过热烧坏，主要是工作时工质的热偏差造成的。所谓“热偏差”是由于烟气侧和工质侧各种因素的影响，各平行管中工质的吸热量不同，使平行管中工质焰增不均匀。造成热偏差的原因主要有三方面：1过热器的流量不均匀性过热器由许多根弯曲的蛇形管组成，并由进出口联箱把这些管子平行地连接在一起。由于每根管子进出口压差不同，每根管子的几何形状和尺寸不完全一样，造成过热器中每根管子通过的流量不一样，产生流量的不均匀现象。阻力大的管子，其蒸汽流量会低于平均值，而产生热偏差，使该管的温度偏高。2过热器的受热不均匀性 过热器的受热不均匀性主要是受到炉膛内温度场分布不均匀的影响。由于炉膛四壁布满水冷壁，因此靠近炉壁的烟气温度远比中间温度低。在炉膛中，如果火焰充满情况不良，各个燃烧器负荷不一致或部分停用，或炉膛中部分水冷壁严重结渣等，均将造成炉膛内温度场分布不均匀，使流过过热器的烟气温度也不均匀，使过热器的热偏差加大。过热器管群中个别管间的管距因管子变形而过大，形成烟气走廊，因而有较大的烟气流通截面，使该处由于烟气流动阻力较小，烟气流速加快，对流放热加强，同时该处还由于具有较大的烟气辐射层厚度，使辐射放热加大，使受热面管子受热不均匀性更会加大。3受热不均匀加剧了工质流量的不均匀由于受热面管子吸热不均匀性的影响，在某些受热面管中，工质温度较高；比容较大，流动阻力增加。因此，工质流量减少，即工质流量不均匀性增大，更加大了管子的热偏差。过热器(包括它的支承)是锅炉中工作条件最恶劣的部件，若使用耐热合金钢，价格昂贵。在选用其材料上既要考虑经济性，又要注意热偏差，不要使管壁温度大于极限工作温度。(二)过热器的结构与形式蒸汽过热器的型式按管子的形状分为 U 形管式和蛇形管式；按管子的放置方法分为立式和卧式；按联箱数目分为单联箱和双联箱。但不论型式如何，它们都是由受热面管子、联箱和支承等组成的。1过热器受热面过热器受热面是由小口径无缝钢管(碳钢或合金钢)弯制而成。有 U 形管和蛇形管两种，其管径有 25mm、29mm、32mm 和 38mm，管距一般为管径的 15 倍。当蒸汽温度超过 450时，为了防止灰渣的堵塞，管壁之间应至少保持 25mm 的间距。在老式锅炉中为了加强烟气侧的放热系数，管子多排成错列式，后来为了便于吹灰和清洗又不得不改成顺排，而且在过热周围或中间留有很大的空当，以便人能进入其中清除积灰。过热器管子与联箱的连接为焊接。焊接是先在联箱上焊上管接头，再将管子焊在管接头上。在焊接时，如果管子排得太密，焊接就会困难，而且对联箱的强度也有影响，因此采用分叉管结构，以减少管接头数目，其形式如图 412 所示。图 412 分叉管过热器1蒸发管 2管子支承3过热器管子 4过热器联箱 5分叉管式接头 2联箱联箱用来固定管子并分配和集合蒸汽。由于联箱放在炉外，其钢材质量比管子可低一些。为了使蒸汽在管中有一定的流速，需要在联箱牛装置几块挡板，将过热器管分成串联几组。为了放掉联箱里的残水，挡板下边开有小孔、联箱底部设疏水阀。3过热器管子的支承蒸汽过热器的联箱一般都是固定在锅炉的外壳骨架上，过热器管子则伸入到锅炉烟道中，处于高温烟气区。因此，管子要装设特殊的支承。支承本身既要耐高温又要耐腐蚀，还要注意冷却，保证其工作可靠，以免支承损坏，管子变形。由于支承极易遭受高温腐蚀，所以要使用耐热合金钢、并要注意拆装、检修和更换工作的简便。过热器一般装在防渣管后，其布置情况可参阅图 412。(三)蒸汽过热器的温度特性锅炉的蒸汽过热器随其放置的位置不同，分为对流式、辐射式和半辐射式三种。对流式过热器放在炉膛外面的对流烟道里，它主要以对流方式吸收烟气的热量。辐射式过热器放置在炉膛壁上，它只吸收炉膛里火焰和烟气的辐射热量。半辐射式过热器放置在蒸发管束中间或防渣管后，它既吸收炉膛中火焰的辐射热量，又以对流方式吸收烟气的热量。不同型式的过热器出口蒸汽温度随锅炉负荷变化规律是不同的，此种特性称为过热器的温度特性，其变化规律如图 413 所示。图 413 过热器出口汽温与负荷的关系 从图 413 中看出，辐射式过热器(曲线 A)出口汽温随负荷的增加而下降，对流式过热器(曲线 D)则随负荷的增加而升高，半辐射式过热器(曲线 B)随负荷的增加而略有升高，其变化比较平稳。这种变化是由于它们的传热方式不同而造成的。辐射式过热器吸热量决定于炉膛温度。当负荷增加时，炉膛温度亦随之提高，但炉膛温度升高的速度远较负荷的升高速度为慢。因此，辐射式过热器因炉膛温度升高使吸热量有所增加，但负荷增加量远较它大，致使通过过热器的每公斤蒸汽所分摊到的热量反而减少。所以，当负荷增加时，辐射式过热器出口汽温降低。对流式过热器的传热强弱主要取决于烟气的流速。当负荷增加时，流过过热器的烟气速度与负荷成正比地增加，使烟气侧对流放热系数增大；同时流过的烟气温度也有所上升，使传热温差增大。在这两项因素的作用下，对流过热器增加的吸热量比对应负荷增加流经过热器蒸汽量的增加相对量为大。所以每公斤蒸汽的吸热量随着负荷的增加而提高，因而过热器出口汽温也随负荷增加而上升。在半辐射式过热器的吸热量中，辐射传热量和对流传热量相差不大，所以上述两种影响同时存在，而使汽温特性曲线比较平坦。在锅炉的运行过程中，当负荷不变，给水温度变化较大时，也会使过热蒸汽温度发生波动。当给水温度降低时，将使锅炉的总吸热量增加，使燃料消耗量增加，这样将会使对流式过热器前的烟气温度和流速增加，使对流式过热器吸热量增加而使过热蒸汽温度升高。炉膛过量空气系数的变化对过热蒸汽温度有显著的影响。如果过量空气系数增加，烟气流速增加而使对流吸热量增加。因而使对流式过热器的出口蒸汽温度增加，而且沿烟气流程，愈往后其增加的比例愈大。(四)过热蒸汽温度的调节过热器的任务：1)将锅炉产生的饱和蒸汽过热到一定温度；2)在锅炉的允许负荷波动范围内及工况变化时，保持过热蒸汽温度正常，其波动范围与额定汽温的偏差值不大于+5和-10。锅炉负荷、给水温度及炉膛过量空气系数的变化，都会引起过热蒸汽温度的变化。因此，对过热蒸汽温度要加以调节，其调节方法如下：1饱和蒸汽与过热蒸汽混合利用调节阀，从锅筒中引出部分饱和蒸汽与过热蒸汽直接混合，供主汽轮机使用，如图 414 所示。图 414 饱和蒸汽与过热蒸汽混合调节蒸汽温度1锅筒 2蒸汽过热器3过热器联箱 4饱和蒸汽阀5调节阀 6过热蒸汽截止阀 当蒸汽过热器布置在烟气温度高于 500的区域中，不能采用这种方法。因为，这时进入过热器的饱和蒸汽量减少、流速降低，使蒸汽温度过高而造成过热器管烧坏。2喷水减温调节向过热蒸汽管路中喷射冷凝水或高质量的给水，用以调节过热蒸汽的温度。这种方法优点是调节延迟小，调节范围大，可使蒸汽温度降低 100139。但是，喷水的含盐量要小于 25ppm，水中不能含有杂质。3改变流经蒸汽过热器的烟气量利用开关安装在烟道上的烟气挡板，改变流经蒸汽过热器的烟气量来调节过热蒸汽温度。这种方法设备简单，操作方便，在大中小锅炉中都可应用。为防止烟气挡板产生热变形，它应放置在烟气温度低于 400的区域内，并应尽量减少烟气对挡板的磨损。(五)蒸汽过热器的高温腐蚀问题当锅炉燃用重油时，在高温燃气区受热面管外壁及支承部位将被腐蚀，称为高温腐蚀。高温腐蚀是燃油中的硫和燃油灰分中的碱金属(钾、钠)及钒所引起的。防止的方法是：1)控制金属温度，使它低于开始出现高温腐蚀的温度(580)。2)在低过剩空气系数下燃烧。这样，一方面可使烟气中氧的浓度降低，使金属不易被氧化；另一方面，缺氧可使灰分中的钒不易形成易熔的五氧化二钒。3)选用耐高温腐蚀性能好的金属材料(各镍铬钢)或用耐高温的涂料(如碳化硅和氮化硅)或表面渗铝。4)使用添加剂镁、铝、钙、硅等的氧化物能与灰分中的成分作用，生成高熔点的化合物，使过热器上减少积灰或使积灰变成松散状，易于吹除。固体添加剂常用白云石，其主要成分是氧化镁和氧化钙。当使用含氧化镁重量比为 21以上的白云石粉时，效果比较好。五、锅内装置在由锅筒引出的饱和蒸汽中，携带有各种化学杂质，如氯化物、硫酸盐、碳酸盐、氢氧化物等。带有杂质的蒸汽进入过热器后，一部分杂质就会沉积在受热面上使壁温升高，有时甚至会使管子烧坏。此外沉积在过热器上的盐垢也会加剧管子的腐蚀。当蒸汽进入汽轮机时，另一部分溶解和以固态悬浮在蒸汽中的杂质，因蒸汽压力