锅炉原理-6章-蒸发设备

第六章蒸发设备6-1概述6-2汽包6-3水冷壁的作用和结构6-4水冷壁的布置形式6-5蒸发受热面存在问题及防止措施6-1概述

给水进入锅炉后，经过预热、蒸发、过热、再热，分别在不同的受热面内完成加热任务：①水的预热：省煤器；②水的蒸发：蒸发受热面，主要是水冷壁；③蒸汽过热：过热器；④蒸汽再热：再热器。一般水冷壁布置在炉膛四周的炉墙上，过热器和再热器布置在水平烟道内，省煤器布置在尾部烟道内。工质在锅炉中的吸热是通过布置各种受热面来完成的。由于受热面所处的烟温区域不同，受热面所起的作用也不同。锅炉受热面的典型布置形式12-水冷壁

13-屏式过热器14-高温过热器

19-再热器

20-低温过热器23-省煤器27-空预器锅炉内介质的流动过程锅炉中吸收火焰和烟气热量把水加热为饱和蒸汽的受热面，称为蒸发受热面。自然循环的蒸发系统包括：汽包、下降管、上升管（水冷壁）、联箱和连接管道等组成闭合蒸发系统，称为水循环回路。一、蒸发设备的组成自然循环：流动的推动力是下降管与上升管之间的汽水密度差产生的，故称为自然循环。为了维持蒸发受热面的工质良好的换热，受热管中应该有足够大的流速。控制循环：在亚临界压力时，由于压力升高使汽水密度差减小，需要用辅助循环泵来推动工质的流动。1、下降管（1）作用：把汽包的水连续不断的送往下联箱供给水冷壁，以维持正常的水循环。（2）布置：布置在炉外，不受热；（3）结构形式：小直径分散下降管：管径小、数量多，阻力大，不利循环（可直接与下联箱连接）；大直径集中下降管：阻力小，有利于循环，简化布置（通过分支引出管与下联箱连接）。二、下降管和联箱

2、联箱：作用：将工质集中混合并均匀分配；结构形式：通过联箱可以连接若干管子，一般不受热，材料为20号碳钢。二、下降管和联箱

控制循环锅炉采用循环泵加强循环流动，循环泵安装在下降管上。循环泵工作条件：循环流动循环泵产生的压头并不高，但入口水的压力、温度与汽包内工质参数一样，高温高压。轴向密封问题是关键。无轴封湿式电动机循环泵在这样高的参数下解决泵轴的密封问题就比较困难。所以一般循环泵多采用无轴封泵，把泵与电动机都浸在水中，共同处在一个密封的压力壳体内。三、循环泵电动机定子与转子采用防水电缆绕成，泵的叶轮装在电动机主轴上，形成整体；电动机与水泵置于相互连通的密封压力壳体内，泵与电动机结合成一整体，电动机工作在锅炉压力下；电动机内腔通有高压冷却水，定子和转子都浸在高压冷却水中；循环泵悬挂在下降管下端，在锅炉热态时可以随下降管一起向下自由膨胀。6-2汽包一、汽包结构：汽包（锅筒）：位于锅炉顶部，是一个圆筒形的承压容器。下部是水，上部是汽，主要功能是实现汽水分离。它接受省煤器的来水，同时又与下降管、联箱、水冷壁共同组成水循环回路。水在水冷壁中吸热而生成的汽水混合物汇集于汽包，经汽水分离后向过热器输送饱和蒸汽。6-2汽包

1、汽包外部结构汽包是焊接而成圆筒形容器。封头留有椭圆形人孔。汽包开有很多管孔（管座），分别连接给水管、下降管、汽水混合物引入管、蒸汽引出管，以及排污管、给水再循环管、加药管和事故放水管等。汽包长度25-28米，直径1.7-1.8米，壁厚130-200mm；汽包内部主要有汽水分离器，连通管，各液位计接口，加药管，托板等。

2、汽包内部结构：

（1）是工质加热、蒸发、过热三过程的连接枢纽，汽包把水的预热、蒸发、过热三个过程严格分开；形成水蒸发的自然循环回路；（2）储存一定水量，起到蓄热蓄水的作用，延缓汽压的变化速度；确保水循环的安全；（3）实现汽水分离和改善蒸汽品质。内部有汽水分离装置、蒸汽清洗装置，以及连续排污装置，保证锅炉蒸汽品质；（4）汽包装设安全附件：压力表、水位计、安全阀等附属设备，保证安全运行。二、汽包的作用

（1）控制汽包运行压力：设计时，严格进行强度计算，确定材料和壁厚。运行中，设置安全阀。一旦超压，安全阀自动开启。（2）控制汽包热应力：保证汽包上下壁温差合适；保证汽包内外壁温差合适。要求温差小于40~50℃。三、汽包的安全运行6-3水冷壁的作用和结构水冷壁：水冷壁一般布置在炉膛四周，接受火焰和烟气的辐射热。对双面曝光水冷壁，水冷壁布置在炉膛中间。汽包锅炉：水冷壁就是蒸发受热面；直流锅炉：由于没有汽包，蒸发段和过热段没有明显界限。水冷壁用作蒸发受热面外，部分用作预热和过热。（1）蒸发受热面：接受炉膛高温辐射热，使管内水吸热蒸发汽化；（2）保护炉墙：炉墙敷设水冷壁后，炉墙内壁温度降低，保护炉墙，简化炉墙结构；（3）避免结渣：水冷壁吸收大量辐射热，降低烟气温度，使炉墙处烟气中灰分降到软化温度以下，避免炉墙和受热面结渣。一、水冷壁的作用

二、水冷壁的结构1、光管式水冷壁（1）结构形式光管水冷壁是由光滑的无缝钢管组成，一般是贴近炉墙内壁垂直布置；水冷壁上端与锅筒或上集箱连接，下端与下集箱连接。护板绝热层耐火层管子光管水冷壁（2）结构参数管子外径d；管中心节距s；管中心与炉墙内表面距离e。（3）结构布置水冷壁管紧密排列：充分利用炉膛空间，保护炉墙。

s/d=1-1.1广泛采用敷管式炉墙：炉墙温度低，简化炉墙悬吊结构。

e/d=01、光管式水冷壁规格：Φ45、Φ51、Φ57、Φ60、Φ63.5、Φ76，壁厚δ＝3～5

材质：无缝钢管10g、15g、20g在水冷壁管外侧焊上许多圆柱形销钉，形成销钉式水冷壁。销钉可以使铬矿砂耐火材料与水冷壁牢固连接。作用：销钉式水冷壁表面覆盖有耐火材料，降低水冷壁的吸热量，以便保持局部高温。应用：用在固态排渣煤粉炉的卫燃带、液态排渣煤粉炉的熔渣池、旋风炉的旋风筒等。2、销钉式水冷壁2、销钉式水冷壁卫燃带（燃烧带）：用耐火材料将燃烧室周围的水冷壁覆盖起来,这部分被覆盖的面积称卫燃带或燃烧带。卫燃带目的是提高燃烧区域的温度,为着火困难的煤种的着火及稳定燃烧创造条件。燃烧器区域布置卫燃带，以提高炉膛温度。现代大中型锅炉普遍采用膜式水冷壁。膜式水冷壁是由鳍片管沿纵向依次焊接起来，构成整体的受热面，使炉膛内壁四周被一层整块的水冷壁膜严密包围。鳍片管有两种类型：轧制鳍片管、焊接鳍片管。3、膜式水冷壁膜式水冷壁（中间有人孔）膜式水冷壁主要优点（1）严密性，减少漏风；（2）墙壁保护好，可以采用轻质保温墙体；蓄热少，锅炉启停迅速；（3）辐射受热面积增加，节约钢材；（4）膜式水冷壁可成片预制和安装，减少安装工作量，加快安装进度；（5）增加管子刚性，提高炉膛抗爆炸能力。3、膜式水冷壁

1、刚性梁沿炉膛高度，每2.5～3m布置一层水平刚性梁。固定在水冷壁上，可以随着水冷壁移动。2、刚性梁作用承受炉内压力带来的侧向推力，防止水冷壁和炉墙结构变形和破坏。3、刚性梁布置刚性梁布置在炉外，不受热。水冷壁和刚性梁之间用销子连接：既可相对滑动，又可以承受水冷壁侧向推力。刚性梁三、刚性梁6-4

水冷壁的布置形式一、汽包锅炉水冷壁布置型式

1、水冷壁布置：一般水冷壁垂直布置在炉膛四周，形成炉膛内壁面。（1）侧墙水冷壁：左右两侧墙水冷壁垂直布置；（2）前后墙水冷壁：上部倾斜布置，下部收缩成冷灰斗。冷灰斗出口布置凝渣管：中压锅炉或早期高压锅炉，后墙水炉膛出口处水冷壁，被拉稀排列2-4排管，形成烟气通道，称为凝渣管。排列稀疏的水冷壁对烟气进一步冷却，使飞灰冷凝成固态，防止尾部受热面凝渣。变工况时，凝渣管可能首先结渣，而保护了尾部受热面。（3）炉膛出口水冷壁布置出口布置成折焰角结构：现代大容量锅炉在炉膛出口布置屏式过热器，后墙水冷壁布置成折焰角结构，同时拉出部分管束作为后墙悬吊管。（3）炉膛出口水冷壁布置8-水平烟道底部包墙管折焰角使得炉内烟气分布更加均匀。大容量锅炉水冷壁有近千根。由于炉膛热负荷分布不均，造成水冷壁吸热不均。而并列管受热不均，造成水循环故障。为提高水循环可靠性，需要将热负荷及结构相近的水冷壁划分成独立的循环回路。每个联箱与其连接的水冷壁管组，构成一个水冷壁管屏。2、水冷壁循环回路划分每个循环回路的系统：汽包—下降管—水分配器—下降管支管—下联箱—水冷壁管—上联箱—汽水混合物引出管—汽包1-集中下降管；2-下降管支管（供水管）；3-水冷壁下联箱；4-水冷壁管（数字：水冷壁管数）SG1025/18.1锅炉水冷壁回路：共有4个集中下降管；前后墙、左右墙各有8个管屏（回路）；前后墙水冷壁对称、左右墙水冷壁对称，总计648根水冷壁。在小容量锅炉中，水冷壁通常采用下集箱支撑的办法来固定，热膨胀向上进行。大型电站锅炉水冷壁与上下集箱直接焊接，采用上部固定下部自由膨胀的方法固定。即将水冷壁的上集箱悬吊在锅炉钢架上，下集箱由水冷壁悬吊着。现代大型电站锅炉中的凝渣管用于联络上联箱至汽包，及悬吊后墙水冷壁，故又称悬吊管。3、水冷壁的固定直流锅炉管内工质依靠给水泵的压头来克服流动阻力；直流锅炉没有汽包。在给水泵的作用下，工质一次性地通过省煤器、水冷壁、过热器等受热面，循环倍率K=1。直流锅炉可以适用于任何压力。对于超临界参数锅炉，直流锅炉是唯一可用的炉型。二、直流锅炉水冷壁的布置直流锅炉1-给水泵；2-省煤器；3-水冷壁；4-汽水分离器；5-再循环泵；6-过热器在超临界和超超临界压力下，不存在汽水两相共存现象，水的蒸发热为零。现代火电机组多采用变压运行，即随负荷降低，锅炉压力也降低。当锅炉压力低于临界压力时，出现汽水两相共存区，因此在水冷壁和过热器之间需设置汽水分离器和再循环泵。直流锅炉工质靠给水泵压头强制流动，炉膛内水冷壁可自由布置。直流锅炉传统型式：拉姆辛型（水平围绕管圈型）；苏尔寿型（回带管圈型）；本生型（垂直多管屏型）。现代直流锅炉型式：螺旋管圈型；垂直管屏型。（一）直流锅炉的类型（二）螺旋管圈型水冷壁1、水冷壁的布置：直流锅炉以折焰角部位为分界，将水冷壁划分为下辐射区和上辐射区。炉膛下辐射区：为燃烧区，热负荷高，采用螺旋管圈，以减小热偏差保护管子，各并连管受热均匀；炉膛上辐射区：热负荷低，采用结构简单的垂直管水冷壁，以便采用全悬吊结构。冷灰斗：采用螺旋管圈或垂直管。螺旋管与垂直管之间的连接方式：联箱连接（a）：分叉管连接（b）：（a）（b）给水由炉前右侧进入省煤器，流经省煤器后，进入螺旋水冷壁、过度段、垂直水冷壁然后进入入汽水分离器进行汽水分离；从分离器分离出来的蒸汽依次经顶棚管、后竖井/水平烟道包墙、低温过热器、屏式过热器和高温过热器；再热器由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组成。DG1900/25.4-Ⅱ型直流锅炉：在炉膛折焰角以上采用垂直上升管屏，以便采用全悬吊结构；在炉膛高热负荷区采用螺旋管圈型水冷壁，以减小炉内热偏差。（三）垂直管屏型水冷壁1、垂直一次上升型水冷壁系统形式：在一次上升垂直管屏中，工质自下而上一次上升到炉顶（类似自然循环）。在上升过程中，中间经过多次混合，以消除管子之间的热偏差。系统特点：一次上升型垂直管屏结构简单，流动阻力小；相邻管间热偏差相对较小；便于安装和采用悬吊结构，适用于膜式水冷壁。上海锅炉厂1025t/h直流锅炉水冷壁

炉膛高度分四个区：冷灰斗区；下辐射区；中辐射区；下辐射区。各区间设有混合器。每个管屏进口联箱的供水管上，装设节流阀或节流圈，用来分配各管屏的工质流量。整台锅炉水冷壁分为左右对称的两个回路系统，右侧回路系统如图:2、上升-上升型水冷壁

（2）系统形式：炉膛下部：高热负荷区域，采用多次上升串联垂直管屏，用于提高管内工质质量流速，以避免传热恶化。炉膛上部：低热负荷区仍采用一次垂直上升管屏。炉外加设下降管，用以连接多次上升串联管屏。

（2）多次上升型水冷壁特点：

可保证高热负荷区有较高的质量流速，达到充分冷却的目的；工质流程长，系统阻力较大，水泵功耗较大；相邻两屏内工质的含汽率不同，管间壁温差大，使各屏热膨胀不同。1950t/hFT型超临界压力直流锅炉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管间吸热偏差小，适应变压运行；螺旋管不需设置水冷壁进口节流圈；垂直管需要采用节流圈调节进口流量，以减轻热偏差影响。6-5蒸发受热面存在问题及防止措施一、固态排渣锅炉的结渣问题固态排渣煤粉锅炉，火焰中心温度达到1400-1600℃；燃料中的灰分由多种矿物杂质组成，在高温火焰中呈现熔化状态；熔融的灰分接近水冷壁时，可以积聚并黏结在受热面外壁上，难于清除，形成了“结渣”（结焦）；若熔融的灰分接近受热面时，已经被冷却降温凝结为固态，则受热面不会“结渣”现象（积灰）。（1）水冷壁结渣，增加传热热阻，受热面传热减弱，锅炉排烟温度上升，效率下降；（2）水冷壁结渣，传热减弱，锅炉出力下降；（3）部分水冷壁结渣，使水冷壁受热不均，导致热偏差，影响水循环的安全；（4）水冷壁结渣，炉膛出口烟气温度上升，导致过热蒸汽温度上升，容易引起过热器损坏；（5）燃烧器喷口结渣，使炉内空气动力特性受到破坏，影响正常燃烧过程；（6）冷灰斗处结渣，使冷灰斗出口逐渐堵塞，无法正常排渣。（7）炉膛上部大块渣块下落，会砸坏水冷壁或冷灰斗。2、受热面结渣的危害

（1）煤粉灰分特性通常把灰的软化温度ST作为是否结渣的主要指标。灰熔点低的煤（ST＜1200℃）容易结渣。此外，结渣性指标还包括：硅比、碱酸比、结渣指数，极限黏度等。（2）炉内空气动力特性气流组织不当，导致火焰中心偏移，煤粉气流火焰贴墙引起水冷壁局部结渣；气流组织不当，形成烟气滞留漩涡区并形成还原性气氛（存在CO），降低灰熔点，增大了结渣的可能性。过量空气系数：当炉内过量空气过小，可能产生还原性气氛，结渣倾向随之增加。2、锅炉受热面结渣的影响因素（3）锅炉热负荷的影响锅炉设计热负荷：热负荷强度越大，炉内燃烧器区域的温度越高，煤灰达到熔融状态，结渣的可能性增大。锅炉运行负荷：锅炉运行热负荷越高，送入炉内的热量也越多，结渣的可能性也越大。（4）煤粉细度的影响粗煤粉燃烧时间长，当煤粉中粗煤粉的比例增加时，容易引起火焰延长，导致炉膛出口处的受热面结渣。（1）防止受热面附近温度过高。炉膛设计热负荷强度合理，控制合理的炉温；同时布置足够的受热面冷却烟气，保证熔化状态的灰贴近受热面之前已经凝固；（2）合理组织炉内气流，燃烧器布置合理，一、二次风形成良好的气流结构，保证火焰不直接冲刷受热面；避免过量空气系数过低产生还原性气氛；（3）加强燃料管理，做好燃料灰成分分析及熔点分析，尽量使用设计煤种；避免煤粉过粗；（4）加强运行管理，及时调整燃烧状况，及时吹灰除渣。3、防止受热面结渣的措施

液态排渣锅炉运行时，在熔渣池底部会有大量铁水随着液态灰渣一同流出，称为炉底析铁。二、液态排渣炉的炉底析铁1-冷却段，2-熔渣段，3-渣井，4-粒化水箱1、析铁原因炉底析铁主要来源于燃料灰分中的氧化铁。熔渣池中的液态灰分包含自由氧化铁。如果有未燃尽的碳粒落入渣池内，氧化铁就被还原成铁：

FeO+C=Fe+CO（1）铁的熔点很高（1535℃

），因而析铁后熔渣黏度大，不利于排渣；（2）铁的质量较大，高温铁水渗入炉底，侵蚀耐火涂料层，从炉底的缝隙中漏出而损坏炉底结构，造成炉底水冷壁管过热而爆管。（3）析铁严重时，铁水流入粒化水箱，与水作用产生大量氢气，可能引起爆炸。（4）铁水沉于炉底，停炉后凝成大块，很难清除。2、炉底析铁的危害炉底析铁反应：FeO+C=Fe+CO（1）防止煤粉落入渣池措施：直流燃烧器切圆燃烧、提高下二次风速度、控制上排燃烧器的下倾角、控制煤粉细度等；（2）尽快从炉底排走熔渣，减少熔渣在炉内停留时间：

措施：可以采用微倾斜炉底等。3、防止炉底析铁的措施

在低温条件下，受热面管壁中的Fe发生缓慢的氧化反应生成致密且稳定的Fe2O3保护膜，可保护管壁免受进一步氧化。而氧化产物Fe3O4和FeO较疏松，易脱落。

（一）高温腐蚀的机理（1）硫化物型腐蚀；（2）硫酸盐型腐蚀；（3）腐蚀性气体腐蚀：

SO2、SO3气体腐蚀；H2S气体腐蚀；HCL气体腐蚀。三、水冷壁的高温腐蚀（1）硫化物型腐蚀

在还原性气氛中，管壁温度达到450℃时，燃料会分解出自由硫原子[S]：内部金属硫化，使氧化膜疏松脱落。而生成的FeS多孔疏松，不能对金属起保护作用，腐蚀会继续下去。受热面管壁温度