第4章蒸发设备

第四章蒸发受热面本章主要介绍内容？1.超临界锅炉蒸发受热面组成及特点。2.水冷壁蒸发过程。3.水冷壁壁温特点。4.超临界锅炉传热恶化。5.超临界锅炉水动力不稳定性。6.超临界锅炉脉动。7.超临界锅炉热偏差。8.节流工作原理。1/31/20231双辽电厂培训§4.1概述一、蒸发受热面:1.汽包炉蒸发受热面组成:汽包、下降管、水冷壁、联箱、连接管。2.超临界锅炉蒸发受热面组成:

二、哈锅1000MW超超临界锅炉蒸发受热面：水冷壁、顶棚管、包墙管。(垂直管)流程：见下图1/31/20232双辽电厂培训1000MW超超临界锅炉水冷壁系统流程图1/31/20233双辽电厂培训1/31/20234双辽电厂培训三、东锅600MW锅炉（螺旋管）锅炉型号：DG1900/25.4-Ⅱ1锅炉为超临界参数变压直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构倒U型锅炉。中速磨直吹式制粉系统，配6台磨(1台备用)，装设旋流式HT-NR3型燃烧器，前后墙布置，对冲燃烧。1/31/20235双辽电厂培训

锅炉主要规范：

名称单位B-MCRBRL过热蒸汽流量t/h19001797.95过热器出口蒸汽压力MPa(g)25.425.2过热器出口蒸汽温度oC571571再热蒸汽流量t/h1613.81523.8再热器进/出口蒸汽压力MPa(g)4.6/4.414.34/4.16再热器进/出口蒸汽温度oC322/569315/569给水省煤器进口温度oC283279计算热效率(按低位发热量)/93.7293.8保证热效率(按低位发热量)/93.49热一/二次风温度oC313/327310/322排烟温度(修正前/后)oC123/118121/1151/31/20236双辽电厂培训名称单位姚孟阳逻炉膛容积热负荷

kw/m3

83.1179.99炉膛断面热负荷

kw/m2

49504370燃料耗量

kg/h265800232680锅炉计算效率(按低位热值)

％93.7293.38炉膛出口过剩空气系数

/1.141.14过热器一级减温水喷水量

t/h5776过热器二级减温水喷水量

t/h7676过热器侧烟气份额

％66.455.5再热器侧烟气份额

％33.644.5空气预热器一次风进出口温度

℃

27/31328/323空气预热器二次风进出口温度

℃

20/32721/334空气预热器出口(修正前/修正后)℃

123/118131/126锅炉主要性能参数（BMCR)1/31/20237双辽电厂培训锅炉汽、水、烟、风阻力

BMCR工况的阻力情况：过热器蒸汽侧阻力1.068MPa顶棚和包墙系统阻力0.696MPa再热器蒸汽侧阻力0.19MPa省煤器水侧阻力0.087MPa水冷壁压降阻力1.619MPa空气预热器一次风阻力350Pa空气预热器二次风阻力770Pa空气预热器烟气侧阻力909Pa锅炉本体烟气阻力（含空预器）2257Pa燃烧器一次风阻1150Pa燃烧器二次风阻力1950Pa1/31/20238双辽电厂培训负荷特性：带基本负荷，并具有一定调峰能力运行方式：采用定-滑-定方式运行，也可定压方式运行汽温控制范围：过热汽温35%～100%B-MCR再热汽温50%～100%B-MCR炉膛压力：设计压力±5800Pa瞬时承受压力±8700Pa

锅炉启动时间：冷态启动7～8小时温态启动

2～3小时热态启动1～1.5小时极热态

＜1小时1/31/20239双辽电厂培训锅炉主要界限尺寸

锅炉深度

mm44500锅炉宽度(外侧柱)mm44000锅炉宽度(内侧柱)mm25000大板梁标高mm85900炉膛宽度

mm19419.2炉膛深度

mm15456.8顶棚拐点标高

mm72800水平烟道深

mm5486.4后竖井低温再热器烟道深度

mm6604后竖井低温过热器烟道深度

mm8331.2水冷壁下集箱标高mm58001/31/202310双辽电厂培训锅炉性能保证值(设计煤种)1锅炉B-MCR出力1900t/h2锅炉保证热效率（按低位发热量）93.49%3不投油最低稳燃负荷不大于35%B-MCR4烟、风压降实际值与设计值的偏差不大于10%5过热器、再热器、省煤器的实际水、汽侧压降数值不超过保证值。6过热蒸汽在35～100%B-MCR范围内，再热蒸汽在50～100%B-MCR范围内能维持其额定汽温；汽温允许偏差为±5℃。7NOX的排放量不高于400mg/Nm3

1/31/202311双辽电厂培训1/31/202312双辽电厂培训1/31/202313双辽电厂培训1.总体布置采用П型布置形式П型布置是传统普遍采用的方式，烟气由炉膛经水平烟道进入尾部烟道，在尾部烟道通过各受热面后排出。其主要优点是锅炉高度较低，尾部烟道烟气向下流动有自生吹灰作用，各受热面易于布置成逆流形式，对传热有利等。1/31/202314双辽电厂培训锅炉∏型布置和塔型布置的比较布置简图世界上烟煤型锅炉典型布置日本超临界燃煤锅炉均采用此种布置方式主要用于褐煤型锅炉-高灰份适合600MW-1050MW超临界燃煤变压锅炉概念缺乏1000MW超临界燃煤变压锅炉经验业绩结构与安装具备成熟的结构技术及众多业绩，可靠性高需研究大容量超临界锅炉可靠性再热器采用喷水及燃烧器摆动调温，对经济性和煤适应性有影响。煤适应性好（采挡板调节再热汽温）性能及运行1/31/202315双辽电厂培训

2.水冷壁

采用螺旋管圈＋垂直管圈方式对于超临界变压运行锅炉，螺旋管圈水冷壁是首先应用于超临界变压运行锅炉的水冷壁型式。炉膛水冷壁采用螺旋管圈＋垂直管圈方式【即下部炉膛的水冷壁采用螺旋管圈（内螺纹管），上部炉膛的水冷壁为垂直】，保证质量流速符合要求。水冷壁采用全焊接的膜式水冷壁水冷壁采用一次中间混合联箱来实现螺旋管至垂直水冷壁管的过渡

1/31/202316双辽电厂培训水冷壁结构炉膛宽为19419.2mm深度为15456.8mm高度为67000mm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1.2432米1/31/202317双辽电厂培训内螺纹螺旋管圈水冷壁:不需设置水冷壁进口节流圈负荷变化和煤种变化适应性对比垂直水冷壁+内螺纹管螺旋水冷壁+内螺纹管流量调整困难(进口节流圈)采用高质量流速，且质量流速可以自由调整。炉膛水冷壁型式节流圈为针对锅炉某一负荷、某一煤种而设计。由于节流圈的固有特性，对所有负荷进行流量合理分配、调节较为困难；机组运行一段时间，节流圈将不可避免地结垢，偏离设计值。对煤种变化、炉膛结渣等所引起的炉膛热负荷变化适应性较差。采用较高质量流速设计，且进口不需装设节流圈，螺旋管圈水冷壁的传热、流量分配和介质出口温度等不会受到燃烧器、磨煤机切换等工况的影响。对煤种变化、炉膛结渣以及机组负荷变化所引起的吸热量的变化适应性好，变负荷、变压运行能力强1/31/202318双辽电厂培训螺旋水冷壁管炉膛下部水冷壁（包括冷灰斗水冷壁、中部螺旋水冷壁）都采用螺旋盘绕膜式管圈，从水冷壁进口到折焰角水冷壁下标高52608.9mm处。螺旋水冷壁管全部采用六头、上升角60°的内螺纹管，共456根，管子规格Φ38.1×7.5，材料为SA-213T2。炉膛冷灰斗处管子节距为50.8及49.827mm，冷灰斗以外的中部螺旋盘绕管圈，倾角为19.471°，管子节距50.8mm。冷灰斗管屏、螺旋管屏膜式扁钢厚δ6.4，材料为15CrMo，均采用双面坡口型式。1/31/202319双辽电厂培训内螺纹管结构

1/31/202320双辽电厂培训1/31/202321双辽电厂培训下部螺旋水冷壁管屏带弯头出厂1/31/202322双辽电厂培训现场水冷壁的布置图冷灰斗1/31/202323双辽电厂培训1/31/202324双辽电厂培训螺旋管圈水冷壁1/31/202325双辽电厂培训

性能优越、成熟可靠的水冷壁自由选择管子尺寸和数量：布置与选择管径灵活，易于获得足够的质量流速

螺旋管圈水冷壁所需管子根数和管径，可通过改变管子水平倾斜角度来调整，使之获得合理的设计值，以确保锅炉安全运行与水冷壁自身的刚性。

管子根数大大减少，而且这种减少水冷壁管子根数的办法不加大管子之间的节距，使管子和肋片的金属壁温在任何工况下都安全。1/31/202326双辽电厂培训

内螺纹螺旋管圈水冷壁:采用内螺纹管，提高水冷壁安全裕度技术特点：采用管螺旋管圈

控制合理的设计平均质量流速，防止亚临界状态下的传热恶化，提高高负荷下的安全裕度。选取较高的质量流速较高的流速可以确保更高的传热性能和流动可靠性，确保水冷壁有较高的安全性和较大的安全裕度。结论：通过采用内螺纹管及选取合适的质量流速，水冷壁安全裕度得到极大的提高，汽水阻力仅增加约10%。1/31/202327双辽电厂培训

内螺纹螺旋管圈水冷壁:管间吸热偏差小，适应变压运行燃烧器燃烧器燃烧器燃烧器水冷壁出口介质温度垂直管布置水冷壁螺旋上升式水冷壁热负荷前墙侧墙后墙侧墙前墙侧墙后墙侧墙流向流向流向流向螺旋管在盘旋上升的过程中，每根管子都经过炉膛下部高热负荷区域的整个周界，途经宽度方向不同热负荷分布的区域。因此，螺旋管的每个管子，以整个长度而言，热偏差很小1/31/202328双辽电厂培训过渡段水冷壁螺旋水冷壁前墙、两侧墙出口管全部抽出炉外后墙出口管则是4抽1根管子直接上升成为垂直水冷壁后墙凝渣管，另3根抽出到炉外抽出炉外的所有管子均进入24根螺旋水冷壁出口集箱，由22根连接管从螺旋水冷壁出口集箱引入位于锅炉左右两侧的两个混合集箱（Φ444.5×95，SA335P12）混合后，再通过22根连接管从混合集箱引入到24根垂直水冷壁进口集箱，然后由垂直水冷壁进口集箱引出光管形成垂直水冷壁管屏，垂直光管与螺旋管的管数比为3：1。这种结构的过渡段水冷壁可以把螺旋水冷壁的荷载平稳地传递到上部水冷壁。1/31/202329双辽电厂培训中间过渡水冷壁螺旋水冷壁垂直水冷壁混合集箱垂直水冷壁入口集箱半炉膛混合，减少吸热偏差小，适应变压运行1/31/202330双辽电厂培训1/31/202331双辽电厂培训过渡段水冷壁厂内组装1/31/202332双辽电厂培训过渡段水冷壁安装后1/31/202333双辽电厂培训1/31/202334双辽电厂培训1/31/202335双辽电厂培训水冷壁的支撑结构1/31/202336双辽电厂培训垂直膜式水冷壁水平刚性梁螺旋膜式水冷壁1/31/202337双辽电厂培训水冷壁系统的保护

温度监测保护：水冷壁系统温度测点是锅炉在启停、运行时对管子金属壁温进行监视和保护的重要手段。水冷壁系统温度的监视是通过设置系统管道上不同位置的热电偶来实现的，管子金属壁温的监视是通过装设在水冷壁的壁温测点来实现的。1/31/202338双辽电厂培训壁温测点壁温测点位置数量

螺旋水冷壁出口24（前7/后7/侧5*2）

上部水冷壁出口20（前7/侧5*2/折焰角3）

顶棚管出口7

尾部包墙出口23（前5/侧4*2/后5/中隔墙5）

水平烟道（前）出口2

水平烟道（后）出口2

水平烟道（底部）出口7

尾部包墙汽吊管出口16

低温过热器出口7

屏过出口14

高过出口7

汽水分离器筒体4（内外壁各2）高过出口集箱筒体4（内外壁各2）1/31/202339双辽电厂培训3.启动分离器1/31/202340双辽电厂培训主要设备：启动分离器功能和特点：在锅炉启停及低负荷运行期间，汽水分离器湿态运行，起汽水分离作用；在锅炉正常运行期间，汽水分离器只作为蒸汽通道。在启动时将蒸汽从水中分离出来收集的水排入储水罐超临界锅炉的典型结构.在锅炉启停及正常运行过程中，汽水分离器均投入运行。序号名称1筒身2汽侧封头3水侧封头4管接头5手孔管接头6热电偶插座1/31/202341双辽电厂培训启动分离器结构简图1/31/202342双辽电厂培训分离器尺寸规格为Ф900×110，直段高度2.890m，材质SA-387Gr11C12数量为两个。经水冷壁加热以后的工质分别由6根连接管沿切向逆时针向下倾斜15°进入两分离器，分离出的水通过连接管进入分离器下方的贮水罐。分离器内设有阻水装置和消旋器。

1/31/202343双辽电厂培训启动分离器贮水罐结构简图1/31/202344双辽电厂培训启动分离器贮水罐的尺寸规格为Ф990×120，直段高度17m，数量一个。启动分离器和贮水罐端部均采用日立-巴布科克（BHK）有丰富运行经验的成熟的锥形封头结构，封头均开孔与连接管相连。

1/31/202345双辽电厂培训1/31/202346双辽电厂培训1/31/202347双辽电厂培训1/31/202348双辽电厂培训四、水冷壁(1)作用:吸收炉内高温火焰辐射热,使水汽化为蒸汽;降低炉膛出口处烟气的温度,防止结渣。(2)型式:按照管子结构：光管、膜式按照管屏结构：螺旋上升、垂直管屏按照管内结构：内光管、内螺纹管、来复线管、扰流子管1/31/202349双辽电厂培训(3)对水冷壁安全的要求:任何工况下壁温不超温；相邻管子的壁温不能太大，以避免产生过大的热应力；管子鳍片的温度不能超温变形；管壁有足够的抗氧化和耐腐蚀性能。保证足够的质量流速。1/31/202350双辽电厂培训(4)超临界锅炉水冷壁结构:螺旋管、垂直管。螺旋管圈水冷壁特点：★优点、缺点1/31/202351双辽电厂培训二、超临界锅炉水冷壁特点1.管径大、流量不足；小、流量偏差大，热敏感性大2.节距不能太大3.低负荷时流量不足4.传热恶化也会发生5.垂直管屏要克服热偏差和流量不足的影响1/31/202352双辽电厂培训三、直流锅炉水冷壁蒸发过程1.亚临界锅炉水冷壁蒸发过程三个阶段：汽水两相流基本过程：见图4-52.超临界锅炉蒸发过程两个阶段：加热、过热见图4-4所示：各个状态参数的变化。定压比热：1千克工质在定压下加热，温度升高1℃所需要的热量。拟临界温度：工质在超临界压力下吸热，定压比热具有最大值时的温度。1/31/202353双辽电厂培训1/31/202354双辽电厂培训1/31/202355双辽电厂培训四、水冷壁壁温1壁温计算管壁传热特点：径向、圆周方向；热负荷不均匀；管子周界各个点存在热流密度偏差；各个管子间存在受热不均匀和工质流速不均匀。管壁温度的计算考虑最恶劣的工作条件，热负荷取最大热负荷。超临界锅炉工质温度变化，与亚临界不同。简化获得定性的计算公式：1/31/202356双辽电厂培训2影响壁温的因素质量流速；热负荷；含汽率；压力3超临界锅炉水冷壁壁温的特点相对于亚临界压力锅炉而言，必然发生传热恶化；同时由于热偏差的影响，各管热膨胀受到相邻管的约束，过大壁温差将造成过大的热应力，导致炉管失效。1/31/202357双辽电厂培训4.影响壁温的几个因素燃烧扰动水质工况传热恶化1/31/202358双辽电厂培训简化的计算公式：1/31/202359双辽电厂培训§4.2超临界锅炉传热恶化一、亚临界锅炉水冷壁传热恶化1传热区段见下图所示2传热恶化定义：传热恶化是一种传热现象，它表现为管壁对工质的放热系数急剧下降。如果外界热负荷较高，可造成管壁温度升高较大数值，带来管壁超温；若外界热负荷较低，管壁温度升高不大。1/31/202360双辽电厂培训1/31/202361双辽电厂培训3传热恶化形式（1）第一类传热恶化：核态沸腾偏离发生恶化的判别标准：临界热负荷低于临界压力的锅炉不会出现，但是在接近临界压力时，水的临界热负荷显著降低，因此超临界锅炉可能发生。（2）第二类传热恶化：蒸干传热恶化发生判别标准：临界含汽率直流锅炉必然会发生1/31/202362双辽电厂培训4控制传热恶化的措施控制质量流速将传热恶化的区域推移到低热负荷区管内采取特殊结构1/31/202363双辽电厂培训1/31/202364双辽电厂培训1/31/202365双辽电厂培训1/31/202366双辽电厂培训二、超临界压力锅炉传热恶化1传热恶化特点工质直接相变为蒸汽；相变区为大比热区，管壁与工质之间的传热类似于亚临界压力下沸腾传热的特点。发生类膜态沸腾偏离（蒸干传热恶化），与热负荷有关。见图4-82控制传热恶化措施提高质量流速；见下图管内采取特殊结构1/31/202367双辽电厂培训1/31/202368双辽电厂培训1/31/202369双辽电厂培训§4.3超临界锅炉水动力不稳定性工质流动压降组成：流动阻力（局部、沿程摩擦）、加速度阻力、重位压降直流锅炉的水动力特性：一、锅炉水动力不稳定性1定义：在一个压差下可能有三个不同的流量，此现象就称为水动力多值性，或水动力不稳定性。2危害：引起水力不均，造成超温失效。引起蒸发点波动，造成金属疲劳破坏。工质出口状态偏差，引起管子过热。1/31/202370双辽电厂培训二、造成锅炉水动力不稳定性的原因根本原因是汽水密度差或水的比容差。不同管子的工质密度不同（亚临界参数时水和蒸汽的比例不同，超临界时蒸发点位置不同），导致管子总阻力不同，造成流量不同。三、影响锅炉水动力不稳定性因素压力；进口水欠焓；加热段长度（减少加热段，相当于减少水进口欠焓）；锅炉负荷（高负荷稳定）；热负荷（越高越趋近单值）；局部阻力（改善）；垂直管的工质流动方向。见下图1/31/202371双辽电厂培训1/31/202372双辽电厂培训1/31/202373双辽电厂培训1/31/202374双辽电厂培训1/31/202375双辽电厂培训1/31/202376双辽电厂培训1/31/202377双辽电厂培训四、锅炉水动力不稳定性的防止措施提高蒸发受热面的压力减少进口水的欠焓入口加节流圈水冷壁采取分级管径提高水冷壁入口的质量流速1/31/202378双辽电厂培训§4.4超临界锅炉脉动一、脉动1定义:在直流锅炉中，当给水量和流出总量基本保持不变的情况下，管子流量随时间做周期性波动的现象。2脉动形式：管间脉动、屏间脉动、整体脉动3脉动危害：相变点附近金属壁温波动很大，产生疲劳破坏；并联管之间出现热偏差，可能使管子金属超温过热破坏。1/31/202379双辽电厂培训二、产生脉动的原因吸热（热负荷）增大，引起管子内压力增加，与入口和出口压力比较，产生工质不平衡，工质不平衡又带来内部压力反向变化，使流量变化。变化工程中，工质压力、流量、管壁温度周期性变化，带来危害。三、影响脉动的因素工质压力、热负荷、管子入口欠焓、质量流速1/31/202380双辽电厂培训四、防止脉动发生的措施增大管内质量流速增大热水段阻力减少蒸发段阻力提高压力控制热负荷（热负荷过高容易引起）1/31/202381双辽电厂培训§4.5超临界锅炉热偏差一、热偏差1定义：2热偏差危害：水冷壁：自然循环：造成循环停滞、倒流或自由水位；直流炉：影响传热恶化；直接影响水冷壁管子安全。（超临界压力时，工质无恒定饱和温度，偏差管子的工质温度变化大，更要重视。）省煤器：偏差最大，但温度低，不考虑。过热器和再热器：工质对管壁冷却效果差，严格控制偏差大管子。二、产生热偏差的原因：热力不均、水力不均（流量不均）、结构不均。1/31/202382双辽电厂培训三、水冷壁热偏差：（一）.影响因素：1.吸热不均：（1）炉膛壁面的速度、温度、热流分布不均；（2）火焰偏斜；（3）燃烧器负荷不均；（4）结渣。2.流量不均：（1）联箱连接方式；（2）结构不均；（3）吸热不均引起流量不均（热效流