电厂锅炉的设计.docx

引 言 随着全球化进程加快，环境问题日益受到各国的高度重视。我国是高速发展的新兴国家，资源消耗、污染物排放占全球的比重了越来越大。发展资源节约型、化境友好性经济将成为今后国民经济发展的主要方向，低碳经济成为我国今后经济发展的主流模式。与此同时，随着我国进入工业化中期阶段，对能源的需求将不断增加，但基于我国人均资源匮乏，生态环境脆弱等问题，节能减排必然成为缓解日益增长的能源危机的有效而必要的途径。燃烧低挥发分煤的锅炉型式较多，大多采用“”型布置除常规的切圆和墙式燃烧外，还有“u”、“w”型的拱式燃烧方式和循环流化床锅炉。此类煤的最大特点是着火与燃尽相当困难，不仅要从炉型设计，而且要从燃烧器及制粉系统的设计选型方面采取相应技术措施解决这一问题。各类锅炉的运行经验表明，为保证锅炉运行的各项性能指标，并为适应燃煤特性的变化，适当放大炉膛容积及高度是十分必要的。为适应电网对锅炉调峰性能的要求，还应实事求是地根据不同煤质和炉型进行各种燃烧器低负荷稳燃性能的研究。 我国大型电厂锅炉的设计、制造、安装和运行水平都有很大的提高，运行可靠性、经济性和环保性都达到了较好的水平，但是与发达国家相比还有不小的差距，因此做好锅炉设计是十分有必要的。第一章 锅炉特点1.1 锅炉型式的选择和性能要求：1.1.1 锅炉整体外型的选择：电厂锅炉的整体布置是指锅炉炉膛、蒸发受热面和尾部受热面之间的相互关系。与锅炉容量、参数和燃料性质等具体条件有关。本次锅炉设计整体外型选用型布置，选型布置的理由如下：1） 锅炉和厂房的高度都比较低，转动机械和笨重设备如送、吸风机、除尘器和烟囱均可采用低位布置，因此减轻了厂房和锅炉构架的负载。2）在水平烟道中，可以采用支吊方式比较简便的悬吊式受热面。3）在对流竖井中，烟气下行流动，便于清灰，具有自身除尘的能力。4）受热面易于布置成逆流方式，以加强对流换热。5）机炉之间连接管道不长，且尾部受热面检修容易。本次设计的锅炉为超高压参数变压运行汽包锅炉，一次中间再热，单炉膛，尾部单烟道结构，固态排渣，全钢构架，全悬吊结构，平衡通风，露天布置，设计燃用煤种为烟煤。1.1.2 性能要求概括说来，对电站锅炉总的要求是即要安全稳定又要经济。因此，对电站锅炉的基本要求有以下几点：1）锅炉的蒸发量要满足汽轮发电机组的要求，能够在铭牌参数下长期运行，并具有较强的调峰能力。2）在宽负荷范围内运行时能够保持正常的汽温和汽压。3）锅炉要具有较高的经济性。4）耗用钢材量要少，以减少初投资，降低成本。5）锅炉在运行中要具有较强的自稳定能力。1.2 锅炉满足的基本性能：1.2.1 负荷特性锅炉必须适应机组运行负荷特性，带基本负荷，并具有一定的调峰能力。燃用设计煤种时，煤粉细度200目筛通过率80%，其不投油最低稳燃负荷不大于45%b-mcr，并在此最低稳燃负荷及以上范围内自动化投入率100。1.2.2 运行方式 锅炉采用定-滑-定运行方式，锅炉负荷连续变化率可按以下数值： 30%b-mcr以下： 2% b-mcr /分钟30%50%b-mcr： 3% b-mcr /分钟50%100%b-mcr：5% b-mcr /分钟负荷阶跃：大于10%汽机额定功率/分钟1.2.3 过热器和再热器蒸汽温度控制范围在稳定工况下，过热汽温在35%100%b-mcr、再热汽温在50%100%b-mcr负荷范围时，保持稳定在额定值，偏差不超过5。1.2.4 过热器和再热器汽温偏差过热器两侧出口的汽温偏差在任何运行工况下均小于5；再热器两侧出口的汽温偏差在50%bmcr负荷以上小于5，在50%bmcr负荷以下小于10。在过热器及再热器系统设计中，对金属温度最高的受热面管子留有足够的安全裕度。1.2.5 锅炉启动时间和寿命：设计锅炉符符合工程实际及行业标准，其主要承压部件设计使用寿命为30年。在机组预期寿命能满足以下要求：冷态启动（停机超过72小时） 500次温热态启动（停机72小时以内） 4000次热态启动 （停机10小时以内） 5000次整台锅炉在30年寿命期内，在上述启停和负荷变化工况下，锅炉寿命损耗不超过寿命的70% 第二章 锅炉内系统流程2.1汽水流程由自给水管路出来的水由炉前右侧进入位于尾部竖井后烟道下部的省煤器入口集箱，水流经省煤器受热面吸热后，由省煤器出口集箱右端引出至汽包，经螺旋水冷壁管、螺旋水冷壁出口集箱、混合集箱、垂直水冷壁入口集箱、垂直水冷壁管、垂直水冷壁出口集箱后进入水冷壁出口混合集箱汇集后，经引入管引入汽包进行汽水分离，蒸汽则依次经低温过热器、顶棚管、后竖井/水平烟道包墙、屏式过热器和高温过热器。调节过热蒸汽温度的喷水减温器装于低温过热器与屏式过热器之间和屏式过热器与高温过热器之间。汽机高压缸排汽进入位于后竖井前烟道的低温再热器和水平烟道内的高温再热器后，从再热器出口集箱引出至汽机中压缸。2.2 烟、风流程送风机将空气送往三分仓空预器，锅炉的热烟气将其热量传送给进入的空气，受热的一次风与部分冷一次风混合进入磨煤机，然后进入布置在前后墙的煤粉燃烧器，受热的二次风进入燃烧器风箱，并通过各调节挡板而进入每个燃烧器直流二次风、旋流二次风通道，同时部分二次风进入燃烧器上部的燃烬风喷口。由燃料燃烧产生的热烟气将热传递给炉膛水冷壁和屏式过热器，继而穿过高温过热器、高温再热器进入后竖井包墙，后竖井烟道内依次布置低温过热器，低温再热器和省煤器。最后进入空气预热器加热冷空气后，进入除尘器，流向烟囱，最终排入大气。2.3蒸汽系统流程2.3.1 过热蒸汽系统流程汽包-低温过热器-低温再热器引出管-转向室-顶棚过热器-一级喷水减温-屏式过热器-二级喷水减温-高温过热器-过热器出口2.3.2 再热蒸汽系统流程 冷端再热器管道-低温再热器入口集箱-低温再热器-低温再热器出口集箱-高温再热器-高温再热器出口集箱-再热器出口第三章 锅炉的基本结构及特点3.1 炉膛及水冷壁3.1.1 炉膛设计特点 （1）锅炉使用单炉膛四角布置切圆燃烧射流燃烧器。 （2）炉膛水冷壁采用焊接膜式壁，炉膛断面尺寸为12.01m13.21m。高度为38.8m，整个炉膛四周为全焊式膜式水冷壁，炉膛由下部螺旋盘绕上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁两个不同的结构组成，两者间由过渡水冷壁和混合集箱转换连接，炉膛角部为r150mm圆弧过渡结构。炉膛冷灰斗的倾斜角度为55，除渣口的喉口宽度为1.28m。（3）炉膛上部布置大节距的过热器分隔屏以增加再热器和过热器的辐射特性。分隔屏沿炉宽方向布置六大片，受到切割旋转的烟气流以减少进入水平烟道沿炉宽方向的烟温偏差。（4）各级过热器和再热器最大限度地采用蒸汽冷却的定位管和吊挂管，以保证运行的可靠性。分隔屏和后屏沿炉膛宽度方向有六组汽冷定位夹紧管并与墙式再热器之间装设导向定位装置以作管屏的定位和夹紧，防止运行中管屏的晃动；过热器后屏和再热器前屏用横穿炉膛的汽冷定位管定位以保证屏与屏之间的横向间距，并防止运行中的晃动；省煤器采用金属撑架固定；对于高温区的管屏（过热器分隔屏、过热器后屏、再热器前屏）通过延长最里面的管圈做管屏底部管的夹紧用。（5）根据国内运行经验和设计煤种的特性，对流受热面的设计采用较低的烟速。（6）各级过热器和再热器采用较大的横向节距，防止在受热面上结渣结灰，同时还便于在蛇形管穿过顶棚处装设高冠板式密封装置，以提高炉顶的密封性。（7）各级过热器和再热器均采用较大直径的管子，增加管子在制造和安装过程中的刚性，有利于降低过热器和再热器的阻力；这种较粗管子的顺列布置对降低管子的烟气侧磨损及提高抗磨能力均有利。（8）各级过热器、再热器之间采用单根或数量很少的大直径连接管相连接，能对蒸汽起到良好的混合作用以消除偏差。（9）锅炉为半露天布置，运转层以下采用紧身封闭；锅炉构架全部采用钢结构。（10）每台锅炉装有三分仓式空气预热器。由于设计煤种水份不高，采用较低的干燥剂温度，故预热器采用回转式，以获得较高的热二次风温，满足炉内燃烧的需要；同时获得较低的一次风温作干燥剂用。3.1.2 水冷壁结构锅炉炉膛四周炉墙上敷设的受热面通常称为水冷壁。水冷壁是锅筒的主要受热面，吸收炉膛辐射热加热工质并以保护炉墙。本次锅炉设计，炉膛四周水冷壁管全部采用膜式水冷壁。水冷壁上设有人孔、看火孔、吹灰孔、打焦孔、防爆门孔、测量孔等。后墙水冷壁上部由分叉管组成两路，一路折向炉膛，形成折焰角，另一路垂直上升，起悬吊管作用。为使两路水量的合理分配，以保证均能安全可靠的工作，在垂直悬吊管的集箱管孔处设置了带有短管的节流孔，伸出集箱底部的短管，从而可以防止因污物进入节流孔而引起的阻塞。3.2 过热器、再热器和减温器3.3.1过热器/再热器的作用过热器和再热器是电站锅炉的两个重要受热面，它们的主要作用是：（1） 将饱和蒸汽或低温蒸汽加热成为达到合格温度的过热蒸汽。（2） 调节蒸汽温度。当锅炉负荷、煤种等运行工况变化时，进行调节，保持其出口蒸汽温度在额定温度的-10+5范围内。3.2.2 过热器过热器是将锅炉的饱和蒸汽进一步加热到所需过热蒸汽温度的部件。对于电站锅炉过热器是一很重要部件，因为过热汽温和电站的循环热效率关系很大，同时过热汽温的高低对汽机末级的蒸汽湿度影响也很大，汽温越高，电站效率越高，汽机末级湿度越小，但同时过热器壁温越高，影响过热器工作的可靠性；相反，汽温越低，电站效率越低，汽机末级湿度越大，影响汽机工作的安全性。过热器受热面由四部份组成，第一部份为顶棚过热器；第二部份是布置在尾部竖井后烟道内的低温过热器；第三部份是位于炉膛上部的屏式过热器；第四部份是位于折焰角上方的高温过热器。过热器系统按蒸汽流程分为：低温过热器、顶棚过热器、包覆过热器、屏式过热器及末级过热器。按烟气流程依次为：屏式过热器、高温过热器、低温过热器。整个过热器系统布置了一次左右交叉，即屏过出口至末级过热器进口进行一次左右交叉，有效地减少了锅炉宽度上的烟气侧不均匀的影响。锅炉设有两级喷水减温，通过喷水减温可有效减小左右两侧蒸汽温度偏差。低温过热器布置在竖井烟道内，分为水平段和垂直出口段。整个低温过热器为顺列布置，蒸汽与烟气逆流换热。管排横向节距84mm，纵向平均节距60mm；管子为425mm。低温过热器水平段管组悬吊在大板梁上，垂直出口段通过与低温过热器出口集箱相连而由集箱吊架悬吊在大板梁上。 经低温过热器和顶棚过热器加热后，蒸汽经2根连接管和一级喷水减温器进入屏式过热器入口汇集集箱。辐射式屏式过热器布置在炉膛上部区域，屏式过热器管屏的横向节距s1=750mm，纵向节距s2=46.83mm，每片屏由24根管绕成，管子规格为385。从屏式过热器出口集箱引出的蒸汽，经2根左右交叉的连接管及二级喷水减温器，进入高温过热器。高温过热器位于折焰角上方，管子排数为113，每排管子根数为3，管排横向节距105mm，管子纵向节距75mm。蒸汽在末级过热器中加热到额定参数后，经出口集箱和主蒸汽导管进入汽轮机。3.2.3 再热器再热器的作用是将汽轮机高压缸排气加热到较高温度，然后再送到汽轮机的中低压缸继续膨胀做功。再热器对较低压力下的蒸汽进行加热，与过热器有相同的结构形式。由于再热器中的蒸汽密度小，允许的质量流速较低，所以管壁的工作条件更差。从汽轮机高压缸出口来的蒸汽，经过再热器进一步加热后，使蒸汽的焓和温度达到设计值，再返回到汽轮机中压缸。整个再热器系统按蒸汽流程依次分为二级：低温再热器、高温再热器。低温再热器布置在竖井烟道内，高温再热器布置在水平烟道内。低温再热器布置于尾部竖井烟道中，由5根管子绕制而成，每组之间留有足够的空间便于检修。低再横向节距s84mm，纵向节距s=80mm沿炉宽方向共布置141排。高温再热器布置于水平烟道内，与低温再热器直接连接，顺流换热布置。高温再热器管子排数为125，每排管子根数为3，管排横向节距100mm，管子纵向节距60mm。 3.2.4 减温器在过热器连接管道和再热器入口冷端管道上，分别装有减温器，以便于在必要时用于调节蒸汽温度，将蒸汽温度保持在设计值。减温过程如下：在减温器蒸汽入口端通过喷嘴将减温水喷入到蒸汽中以达到降低温度的目的，减温用的喷水主要来自锅炉给水系统。过热器减温器分二级布置。第一级布置于顶棚过热器入口集箱至低过出口集箱之间的连接管道。第二级布置于屏式过热器出口集箱至高温过热器入口集箱之间的连接管道上。锅炉的减温水水量占给水量的58%。 3.3 省煤器省煤器是利用锅炉排烟余热加热锅炉给水的换热部件，从即将离开锅炉的烟气中回收热量，以此来降低锅炉排烟温度，提高锅炉效率。省煤器布置在低温过热器下方，省煤器以顺列布置，以逆流方式与烟气进行换热。省煤器蛇形管由管子425光管组成，横向平均节距90mm，纵向平均节距80mm,共120排，采用顺列逆流布置。给水经过省煤器止回阀和省煤器电动闸阀进入省煤器入口导管，再经过省煤器入口集箱进入蛇形管。水在蛇形管中与烟气成逆流向上流动，以此达到有效的热交换，同时也减小了蛇形管中出现气泡造成停滞的可能性。给水在省煤器中被加热后，进入省煤器出口集箱经水冷吊挂管进入水冷吊挂管出口集箱，经出口导管引入锅炉。省煤器系统通过包墙系统引出的吊挂管悬吊，悬吊管吊杆将荷载直接传递到锅炉顶部的钢架上。为防止省煤器管排的磨损，在省煤器管束与四周墙壁间设有阻流板，在每组上两排迎流面及边排和弯头区域设置防磨盖板。省煤器进口集箱位于后竖井环形集箱下护板区域，穿护板处集箱上设置有防磨装置，进口集箱由位于烟气调节挡板处的支撑梁支撑。3.4 空气预热器由于本次设计的煤种是无烟煤，着火比较困难，所以应该选取较高的一次风温，而回转式空气预热器可以使空气达到较高的温度。故本锅炉配置两台受热面回转的三分仓空气预热器。转子直径为9500mm，中心筒直径1500mm。采用垂直轴受热面回转的形式。空气预热器的作用是利用省煤器后排出烟气的热量加热燃烧用的空气以利于燃料的着火和燃烧，并可降低排烟温度，提高锅炉效率。电站锅炉广泛采用的空气预热器有管式和回转式两种。管式空气预热器的传热方式是：热量连续的通过管壁从烟气传给空气，属间接传热方式。回转式空气预热器以再生方式传递热量，烟气与空气交替流过受热面。当烟气流过时，热量从烟气传给受热面，受热面温度升高，并积蓄热量；当空气再流过时，受热面将积蓄的热量放给空气。其工作原理是烟气通过波纹板蓄热元件时，将热量传给波纹板蓄存，冷空气流过波纹板，吸收热量温度升高。回转式空气预热器与管式空气预热器相比有以下优点：（1） 结构紧凑。在相同体积内，可布置的受热面面积是管式空气预热器的68倍。（2） 节省钢材。前者耗用的钢材量约为后者的1/3。因后者管壁厚度为1.5mm，而前者双面受热的波纹板厚度仅为0.51.25mm.（3） 耐腐蚀性能好。可降低排烟温度，提高锅炉效率。因为，当烟气流过受热面，对受热面加热时，不象管式空气预热器的管壁外侧有冷却空气，所以烟气接触的受热面壁温较高，不易结露和引起腐蚀。（4） 受热面受到磨损、腐蚀时，不增加空气预热器的漏风量，且为组装式受热面，更换方便。由于回转式空气预热器具有上述优点，尽管其结构复杂，漏风系数稍大，但仍被大容量电站锅炉普遍采用。预热器采用先进的径向、轴向和环向密封系统，径向、轴向密封采用双密封结构，密封周界短，效果好，并配有性能可靠的带电子式敏感元件的具有自动热补偿功能的密封间隙自动跟踪调节装置，在运行状态下热端扇形板自动跟踪转子的变形而调节间隙，以减少漏风。预热器采用可靠的导向和支承轴承。导向轴承采用双列向心滚子球面轴承，导向轴承装置本身可随转子热胀和冷缩而上下滑动，并能带动扇形板内侧上下移动，从而保证扇形板内侧的密封间隙保持恒定。导向轴承结构简单，更换、检修方便，配有润滑油冷却水系统，并有温度传感器接口。空气预热器的支承轴承采用向心球面滚子推力轴承，使用可靠，维护简单，更换容易，配有润滑油冷却水系统。每台预热器配有一套中心传动装置，包括主电机、辅助电机和盘车装置，电机配备变频调速启动装置，实现软启动、无级变速。当主传动电机发生故障时，能自动切换辅助电机投入运行，确保予热器安全运行。一旦停转，转子停转报警器发出声光报警。传动装置减速机齿轮全部为硬齿面，减速机体积小、重量轻，安装调整方便，运行平稳可靠。3.6 冷灰斗冷灰斗型式取决于燃料种类和灰分性质。本锅炉采用的为开式冷灰斗。炉膛前、后水冷壁相对炉膛中心倾斜下降以形成冷灰斗斜底。炉膛里落下的灰渣通过底部开口直接落到正下方的灰渣斗中。根据炉膛高度不同，在炉膛和灰渣斗之间需留出足够的间隙，在此处装有水封装置或机械密封装置以防止空气从此间隙漏入。 图2-2 空气预热器分解图第四章 锅炉辅助设备4.1 钢构架和平台楼梯锅炉构架（钢结构或钢筋混凝土结构）是用来支承集箱，受热面，部分或全部炉墙平台扶梯和其他构件的结构，并保持其相对位置。现代锅炉中普遍采用悬吊式结构，对锅炉构架的要求是：（1）保证构架有足够的强度和最少的材料消耗以节省投资费用。（2）构架结构便于制造、运输、安装。（3）柱梁斜撑应不妨碍锅炉各部件的检修、更换和运行操作。（4）构架有足够的钢性，不致因构架变形而引起锅炉各部件的相对位移和破坏连接处的严密性。本锅炉构架采用全钢结构，主要构件的接头采用扭剪型高强度螺栓连接，比较次要的构件的接头采用高强度螺栓或焊接连接。楼梯采用炉前两侧集中布置，并与电梯相对应。平台和步道的布置以方便运行、检修和维护为原则。除燃烧器平台采用花纹钢板平台外，其余平台的铺板均采用钢格栅板。由于锅炉为露天布置，燃烧器区域设防雨罩。4.2 吹灰系统为了保持锅炉各级受热面的清洁，提供了足够数量的炉膛吹灰器、及用来吹扫过热器、再热器省煤器的长伸缩式吹灰器和加长枪式吹灰器，分布在炉膛、水平烟道、后竖井、省煤器区域。炉膛水冷壁上预留有炉膛吹灰器和长伸缩式吹灰器墙箱。回转式空气预热器的吹灰器布置于空气预热器的冷端。本体吹灰系统和空气预热器吹灰系统的蒸汽汽源均