第三章、锅炉的汽水系统及其设备.ppt

1、第三章、锅炉汽水系统及其设备,第一节、锅炉水循环,一、自然循环的基本原理: 自然循环原理 自然循环是指：在一个闭合的回路中，由于工质自身的密度差造成的重位压差，推动工质流动的现象。 自然循环锅炉的循环回路是由汽包、下降管、分配水管、水冷壁下联箱、水冷壁管、水冷壁上联箱、汽水混合物引出管、汽水分离器组成的。 重位压差是由下降管和上升管(水冷壁管)内工质密度不同造成的。 自然循环推动力的实质是由重位压差造成的循环推动力克服了上升系统和下降系统的流动阻力，推动工质在循环回路中流动。,压力越高，汽、水的密度差降低，工质循环流动速度越低。 二、竖直蒸发管汽水混合物流型与传热 当水冷壁管受热时，而管中心的

2、水不断地向壁面补充，这时的管内沸腾被称为核态沸腾。 锅炉蒸发管内的流型主要分为四类，即泡状流、弹状流、环状流、雾状流。 如果管外的热负荷很高，汽泡就会在管子内壁面上聚集起来，形成完整稳定的气膜，热量通过气膜层传到液体再产生沸腾蒸发，此时管子壁面得不到水膜的直接冷却，就会导致管壁超温，这种现象就称为膜态沸腾。也称为第一类传热恶化。,泡状流动画,弹状流动画,环（柱）状流动画,膜态沸腾一般发生在亚临界参数锅炉水冷壁管内。 尽管亚临界参数锅炉水冷壁管出口汽水混合物的质量含汽率一般只达到0.30.4，但由于采用了内螺纹管水冷壁，抑制了膜态沸腾的发生。 环状流水膜被撕破或蒸干而产生膜态沸腾，形成液雾流（湿

3、蒸汽），导致第二类传热恶化。,内螺纹管结构,三、自然循环工作可靠性主要指标 (1)循环流速o定义为：在饱和水状态下进入上升管入口的水的流速。即 (2)质量含汽率定义为：上升管中蒸汽所占循环流量的份额。或汽水混合物中蒸汽所占的份额。即,(3)循环倍率定义为：上升管中实际产生一公斤蒸汽需要进入多少公斤水。 界限循环倍率Kjx， (4)自然循环的一个重要特性是吸热较多的管子中，工质循环流量自动增加，循环流速会自动提高，循环安全性越高，这就是自然循环特有的自补偿特性。,w0 X Xjx(Kjx),(5)上升管单位流通截面蒸发量 300MW亚临界自然循环锅炉Dss/Fss推荐值650800t/(h)，界

4、限值是1300t/(h)。 四、汽水循环系统 汽包、大直径下降管、分配水管、供水管、水冷壁下联箱、水冷壁管、后墙水冷壁吊挂管、后墙排管、水冷壁上联箱、汽水混合物引出管组成的。,五、水循环安全性分析 1、循环倍率 K大于界限循环倍率Kjx，K2.5 影响循环倍率主要因素 （1）上升管单位流通截面积蒸发量Dss/Fss; （2）导气管与上升管的截面比Fyc/Fss ； （3）其他影响因素 2、大量蒸汽在汽包内或下降管内凝结： 蒸发量需增加20%25%,3、运动压头 （1）汽水密度差； （2）回路高度； （3）循环回路阻力； 4、亚临界压力下采用内螺纹管可提高循环可靠性 5、循环停滞 在受热弱的水冷

5、壁管中，进入上升管的循环流量仅足以补充蒸发量时，称为循环停滞。,6、循环倒流 上升管接入汽包水容积时，循环停滞可能转成循环倒流。 7、下降管带汽 下降管入口阻力大、入口旋涡斗、汽包水欠焓、锅炉水带汽、汽包液面高度、下降管受热。 六、控制循环锅炉 1、产生原因：压力升高；亚临界； 2、形式：主要依靠低压循环泵和内螺纹管。,主要依靠循环泵的压头进行循环的锅炉，称为多次强制循环锅炉。 在水冷壁上升管入口处加装节流圈的多次强制循环锅炉，又称为控制循环锅炉。 控制循环锅炉的特点： （1）运动压头可以达到0.250.5MPa，可以采用小管径，管壁薄，金属消耗少； （2）可以任意布置蒸发受热面； （3）较高

6、质量流速，循环倍率低,K=35； （4）采用负荷高、阻力大的分离器，减少数量，采用较小直径汽包； （5）保持较高质量流速，加装节流圈，防止水动力特性不稳定和热偏差； （6）循环泵34台，其中一台备用，功率消耗0.2%0.25%； （7）调节系统比直流锅炉要求低； （8）缩短启动时间，100/h; （9）循环泵要求高，成本大；,第二节、 锅炉汽包与水冷壁,一、锅炉蒸发设备： （一）汽包 1、结构： 2、汽包的作用： （1）汽包是工质加热、蒸发、过热的过程的连接枢纽； （2）具有蓄热能力，缓和汽压变动速度，有利于调节； （3）装有汽水分离装置和排污装置，保证蒸汽品质； （4）汽包装设压力表、水位表

7、、事故放水门、安全阀等附属设备，控制汽包压力，监视水位，保证安全运行。,二、水冷壁的类型与结构： 辐射式受热面 1、光管式水冷壁 2、刺管式水冷壁 3、鳍片管（膜式）水冷壁 （1）膜式水冷壁主要优点 A、严密性，减少漏风； B、辐射受热面积增加，节约钢材； C、墙壁保护好，墙体轻，缩短启停时间； D、增加管子刚性； E、提高紧固件寿命； F、可成片预制，减少安装工作量；,水冷壁结构动画,（2）膜式水冷壁结构 轧制，焊接 4、水冷壁布置:吊挂式 5、折焰角： 增加了水平烟道的长度； 改善了屏式过热器的冲刷特性 改善了前角充满度,折焰角结构动画,炉膛结构动画,锅炉本体结构动画,过热蒸汽管道,三、蒸

8、汽净化： 蒸汽品质是指蒸汽中杂质的含量。这些杂质包括盐类物质、碱类物质和氧化物，其中绝大部分是盐类物质，所以通常也把蒸汽对杂质的携带称为蒸汽带盐。 蒸汽带盐的危害： 沉积在过热器内；沉积在汽轮机； 沉积在阀门；,（一）蒸汽污染的原因 1、机械性携带 机械性携带是指蒸汽由于携带含盐的炉水水滴而带盐的现象。机械性携带量的大小决定于携带水滴的多少及炉水的含盐浓度，可由下式表示： ，mg/kg 式中 Sqs蒸汽机械携带的盐分，mg/kg； 蒸汽的湿度，表示蒸汽中携带的炉水水滴的质量占蒸汽质量的百分数；,Sls 汽包炉水的含盐量，mg/kg 影响蒸汽携带水滴的主要因素为锅炉负荷、 锅炉工作压力、 汽包水

9、位、 炉水含盐量和锅筒内部装置等。 当炉水含盐量增大到某一数值后，蒸汽的含盐量突然急剧增加。此时对应的炉水含盐量叫临界含盐量。临界含量的数值与蒸汽压力、负荷、炉水中的杂质成分、蒸汽空间高度以及汽水分装置等因素有关。,2、溶解性携带 溶解性携带指由于蒸汽能够溶解盐类而带盐的现象。 溶解性携带特点：饱和蒸汽和过热蒸汽都具有直接溶解某些盐类的能力； 溶盐具有选择性； 溶盐随压力升高而增大。 蒸汽中的溶盐量可用下式表示： ， mg/kg 式中： a分配系数，又叫溶解系数，表示溶解于蒸汽中的某种杂质的含量与此种杂质在炉水中的含量的比值的百分数。,对于锅炉，蒸汽污染是由机械性携带和溶解性携带引起的，蒸汽既

10、携带炉水又溶解盐类。因此，蒸汽中某种杂质的总量为： ，mg/kg 式中： k蒸汽的携带系数，表示蒸汽中的含盐量占炉水含盐量的百分数。 影响蒸汽溶解性带盐的主要因素有：杂质的种类、 蒸汽压力、 炉水的含盐量与 PH值等。,第一类为硅酸（H2SiO3），分配系数最大，在蒸汽中的溶解能力也就最强。 第二类为NaOH、NaCl和CaCl2，这类杂质的分配系数比硅酸低得多，即在蒸汽中的溶解能力很差。 第三类为一些难溶于蒸汽的盐分，如Na2SO4、Na2SiO3、Na3PO4、Ca3(PO4)2、CaSO4和MgSO4等。 在压力小于6MPa时，主要考虑机械性携带； 压力大于6MPa时，要考虑硅酸携带；

11、压力大于12.5MPa时，要考虑第二类杂质的溶解性携带； 压力大于20MPa时，才考虑第三类杂质的溶解性携带。,（二）汽包内部装置： 1、汽水分离设备 在现代大型锅炉上，常见的汽水分离设备有：旋风分离器、百叶窗、顶部多孔板（均汽板）等。其中旋风分离器是最主要的汽水分离设备。 1）旋风分离器 （a）非导流式旋风分离器 立置非导流式旋风分离器的结构如图所示。,汽包封头,（b）导流式旋风分离器 立置导流式旋风分离器广泛应用于超高参数的锅炉上。它在筒体内部汽水混合物入口引管的上半部加装有导流板，形成导流式筒体， （c）涡轮式旋风分离器 涡轮式旋风分离器又叫轴流式旋风分离器。 （d）卧式旋风分离器 卧式

12、旋风分离器主要是借助于离心力进行汽水分离，在蒸汽的出口处装有钢丝网分离装置进行进一步的水膜分离。,2)百叶窗分离器 百叶窗分离器由许多波形钢板组装而成，各波形板之间的间隙为10mm左右。 百叶窗分离器属于锅筒中的细分离装置。它有水平和立式两种型式。为了使波形板分离器前的蒸汽负荷均匀，波形板分离器往往与顶部多孔板配合使用。多孔板布置在波形板分离器的上方。 3）顶部多孔板 顶部多孔板又叫均汽板，它是利用孔板的节流作用，起到一定的细分离作用。,2、蒸汽清洗 1）基本原理 蒸汽清洗的主要目的是减少蒸汽的溶解性携带。 2）清洗装置 按照蒸汽与水的接触方式的不同，清洗装置可分为喷水式、水膜式、穿层式等。

13、（1）喷水式 这是最简单的清洗方法，清洗效率不高。,（2）水膜式 水膜式清洗是将旋风分离器顶部的百叶窗倾斜放置。 （3）穿层式 穿层式清洗装置，蒸汽穿过清洗水层时水层会起泡，所以也称为起泡穿层式。多采用平板式清洗装置。,3、锅炉排污 排污方法有两种：即连续排污和定期排污。 连续排污也叫表面排污，它是连续不断地从锅筒水位面附近将浓度最大的炉水排出，降低炉水中的含盐量和碱度。 定期排污又叫间断排污或底部排污。是定期从锅炉水循环系统的最低点排放部分炉水。其主要目是排除水中的沉渣、铁锈。,连续排污扩容器,排污量Dpw占锅炉额定蒸发量D的百分比称为排污率p，即： 一般情况下，对凝汽式发电厂，p（12）；

14、对热电厂，p=（25）。,第三节、过热器、再热器和省煤器,一、过热器、再热器的作用与工作特点 1、过热器的作用：将饱和蒸汽加热成具有一定温度的过热蒸汽，提高电厂的循环热效率。 2、再热器的作用：将汽轮机高压缸的排汽再一次加热，然后再送到中、低压缸膨胀做功，提高汽轮机末几级干度和电厂的循环热效率。 3、过热器和再热器的工作特点：吸热多，可占总吸热量的50%；面积大，约9000；外部烟温高、内部汽温高、冷却条件差、安全性差；。 4、再热器特点： 1、放热系数小，质量流速小； 2、压力低，对热偏差敏感； 3、进口汽温虽负荷变化，调节幅度大； 4、需要安装旁路； 5、阻力对机组热效率影响大；,锅炉受热

15、面结构动画,T 1 1 C 5 6 7 4 3 2 2,二、结构型式： 按传热方式过热器与再热器可以分为：对流式、辐射式、半辐射式三类。 1、对流式过热器和再热器 蛇形管组组成； 立式；吊挂方便，积灰较少，应用广泛，但停炉后管内积水难以排除 卧式；易于疏水，但支吊较复杂，常采用管子吊挂的方式。,吊挂受热面-省煤器,根据烟气与蒸汽的相对流向，对流过热器和再热器又可分为： 逆流；传热温压大，传热效果好，减少受热面面积，节约金属。但蒸汽温度高的管段恰好处在烟气的高温区域，管子出口端金属壁温高。 顺流；传热温压小，传热效果较差，需要的受热面积大，消耗金属多。但蒸汽温度低的管段处于烟气的低温区域，管子出

16、口端金属壁温较低。 排列方式有顺列和错列两种，s1为横向节距，s2为纵向节距。 在其它条件（如烟气速度和管子排列特性）相同时，烟气横向冲刷顺列布置受热面管子时的传热系数比冲刷错列布置时小，但顺列管束管外积灰易被吹灰器清除。,布置在高烟温区的过热器和再热器一般易产生粘结性积灰，为便于蒸汽吹灰器清除积灰，及支吊方便，都以顺列方式布置。 在尾部竖井中，烟温较低，为增强传热，布置在其中的低温过热器和低温再热器一般采用错列布置。 2、辐射式过热器和再热器 辐射式过热器和再热器布置在炉膛壁面上或炉膛上方，直接吸收炉膛辐射热。 辐射式过热器和再热器的另一种型式是屏式结构。 由焊在联箱上的许多U型管紧密排列成

17、管屏组成，所以称之为屏式过热器和屏式再热器。,屏式过热器,3、半辐射式过热器和再热器 屏式受热面既吸收炉膛辐射热，又吸收高温烟气的对流热，具有较高的热负荷。特别是外圈管子，受热最强，长度最长，因此阻力大，工质流量小，易发生超温爆管，为保证其工作安全，可采取如图所示的各项措施。,屏式过热器与集箱组装后,四包覆壁过热器 包覆壁过热器是布置在水平烟道和尾部竖井烟道内壁上的，类似于水冷壁的一种过热器。 布置包覆壁过热器的主要目的是为了简化炉墙结构、减轻炉墙的重量、便于采用悬吊结构的敷管炉墙。 现代大容量锅炉的包覆壁过热器都采用膜式壁结构，这样可以保证锅炉烟道的气密性。 由于烟道靠墙处的烟气流速很低，且

18、烟气辐射也弱，故包覆壁过热器的吸热量很小。,该系统由顶棚过热器、包覆过热器、低温过热器、分隔屏过热器、后屏过热器、末级高温过热器组成。 顶棚过热器：布置在炉膛顶部、水平烟道及转向室的顶部，分成前、后两部分。前部炉顶管构成炉膛和水平烟道的顶部，后部构成后烟井顶部。 包覆过热器：布置在水平烟道的延伸侧墙及底部，后烟井的前墙、后墙及两侧墙上。 低温过热器：布置在后烟井烟道的上部，其主体为水平布置的四组蛇形管。,分隔屏过热器：又名大屏过热器，属炉内辐射受热面。 后屏过热器：属于半辐射式过热器，布置在分隔屏之后的炉膛出口处，共20片。 末级高温过热器：属于对流式过热器，布置在水平烟道中，位于末级再热器之

19、后。 布置两级喷水减温器：在分隔屏进口管道上布置第一级喷水减温器，第二级减温器布置在末级高温过热器的进口管道上。,国产300MW亚临界压力自然循环或控制循环锅炉的再热器系统由三级组成，即墙式再热器、屏式再热器和末级高温再热器。,再热器喷水减温器,锅炉炉膛动画,三、过热器的热偏差 1、热偏差的概念 热偏差指过热器和再热器管组中因各根管子的结构尺寸、内部阻力系数和热负荷可能不同而引起的每根管子中的蒸汽焓增不同的现象。热偏差的程度可用热偏差系数来衡量，即： 式中 hp为偏差管（所检测管子）中工质的焓增，kJ/kg； ho为管组中工质的平均焓增，kJ/kg。,在过热器和再热器中，从安全的角度看，应关心

20、那些值最大，即焓增最大，管壁温度最高的管子。因此，通常所说的某个管组的热偏差是指该管组中焓增最大的那些管子的热偏差，偏差管通常也指这些焓增最大的管子。 2、引起热偏差的原因 hp和ho可以表示为：,式中：q为吸热不均匀系数， ； F为结构不均匀系数， ； G为流量不均匀系数， 。,四、影响汽温变化的因素 影响汽温变化的因素分结构因素和运行因素两大类。从运行的角度看影响汽温变化的主要因素有锅炉负荷、 炉膛过量空气系数、 给水温度、 燃料性质， 受热面污染情况和火焰中心的位置等，这些因素还可能互相制约。 1、锅炉负荷 过热器和再热器出口蒸汽温度与锅炉负荷之间的关系，简称汽温特性,1)、辐射式过热器

21、的汽温特性 当锅炉负荷的增加时，锅炉的燃料耗量基本上同比例增大，但炉内火焰温度却升高不多，故炉内辐射传热量并不同比增加，这使得辐射式过热器的辐射传热量跟不上负荷的增加，从而使辐射式随锅炉负荷增加过热器汽温下降。 2)对流过热器的汽温特性 当锅炉负荷增加时，因为燃料耗量基本上同比增加，所以对流过热器中的烟速增加，烟气侧的对流放热系数增大；同时燃料耗量的增加也使得烟温增加，烟温增加使对流过热器的传热温差相应增大，从而使对流过热器的对流,吸热量的增加值超过了负荷的增加值，使对流过热器随锅炉负荷增加过热器出口汽温增加。对流式过热器布置的离炉膛出口越远，汽温随锅炉负荷的升高而增加的趋势越明显。 2、过量

22、空气系数 过量空气系数增加时，送入炉膛的空气量增大，炉膛温度水平将降低，炉内辐射传热将减弱。因此，辐射过热器和再热器出口汽温降低，对流过热器和对流再热器的出口汽温升高。,3、给水温度 在机组运行中，当高压加热器解列时，给水温度将降低很多，将使锅炉受热面的总吸热量增加，在维持锅炉负荷及参数不变的条件下，需要增加燃料消耗量，这将导致燃烧产生的烟气量增加和炉膛出口烟温的升高，因而对流式过热器和对流式再热器出口汽温将随着给水温度的降低而升高。由于炉膛出口烟温提高，辐射式过热器和再热器的吸热量增加，出口汽温也将升高。 一般情况下，过热器系统和再热器系统均呈对流特性，当锅炉负荷升高（或降低）时，汽温也随之

23、升高（或降低）。,4、燃料性质 水分和灰分增加时，燃料的发热量将降低，如果要维持锅炉蒸发量蒸不变，就必须增加燃料耗量，这使得燃烧产生的烟气量增大、流速加快，对流过热器和对流再热器的吸热量增加，出口汽温将升高。 5、受热面污染情况 过热器（或再热器）之前的受热面发生积灰或结渣时，会使其前面的受热面的吸热量减少，使进入过热器（或再热器）区域的烟温增高，因而使过热汽温（或再热汽温）上升；过热器（或再热器）本身积灰、结渣或管内结垢时，将导致汽温下降。,6、火焰中心的位置 火焰中心位置上移将使炉膛上部和水平烟道内烟温升高，导致过热汽温和再热汽温升高。反之，则降低。 实际运行中，下列几种情况将使火焰中位置

24、发生改变： 1、改变摆动式燃烧器的上下倾角； 2、投运不同层次的燃烧器； 3、煤粉变粗或煤质变差。由于难于燃尽使火焰中心位置上移。 4、炉底大量漏风，会使火焰中心上移,五、蒸汽温度调节 过热蒸汽温度和再热蒸汽温度（以下简称汽温）对机组的安全性与经济性有直接的影响。 研究表明：过热器在超温1020的状态下长期运行，会使其寿命缩短一半以上。 而汽温每下降10，会使循环热效率相应降低0.5。 运行中通常规定汽温偏离额定值的波动范围为-10+5。,汽温调节的方法有两大类：一类是蒸汽侧调温，一类是烟气侧调温。 蒸汽侧调温是指通过改变蒸汽热焓来调节汽温的方法，主要有喷水减温法和汽汽热交换法； 烟气侧调温是

25、通过改变锅炉内辐射受热面和对流受热面的吸热量分配比例来调节汽温的方法，主要有改变火焰中位置（如采用摆动式燃烧器）、 烟气再循环法和烟气挡板法。 1、蒸汽侧调温,1）、喷水减温法 特点：喷水减温法调节灵敏、惯性小，易于实现自动化，加上调温范围大、设备结构简单。 一般布置二级喷水减温器，第一级布置在屏式过热器前，喷水量大些，以保护屏式过热器不超温，并作为过热汽温的粗调节。第二级布置在末级高温对流过热器前，对过热汽温进行微调。一般设计的喷水量约为锅炉容量的5%8%。 喷水减温器有多种型式：多孔喷管式减温器(又称笛形管式减温器) ；旋涡式喷嘴减温器；文丘里管式减温器等。,多孔喷管（笛管）式喷水减温器动

26、画,*喷水减温不可以用在再热器调温： 再热器采用喷水减温，会降低汽轮发电机组的循环效率，喷水部分相当于增加了一个中压循环，降低了平均吸热温度，使循环效率降低。 2）、汽汽热交换法 用于调节再热汽温，利用受热面一侧的过热蒸汽加热受热面另一侧的再热蒸汽，达到调节再热蒸汽温度的目的。,T 1 1 C 5 6 7 4 3 2 2,2、烟气侧调温 1）改变火焰中心位置 摆动式燃烧器多用于四角布置的锅炉中。调节摆动式燃烧器喷嘴的上下倾角，可以改变火焰中心位置的高低，从而改变炉膛出口烟温，以调节锅炉辐射吸热量和对流吸热量的比例，达到调节汽温的目的。 大型锅炉上常采用多层燃烧器 (45层)，改变上下排燃烧器的

27、负荷，就可以改变炉膛火焰中心的位置，调节蒸汽温度。,2) 分隔烟道挡板 分隔烟道挡板调温法，是将尾部竖井烟道分隔成并联的两部分，将再热器和过热器分别布置在相互隔开的两个烟道中。过热器和再热器的下面布置省煤器，在省煤器的下方装设烟气调节挡板，调节挡板开度，可以改变流经再热器的烟气量，达到调节再热汽温的目的。与此同时，流经过热器的烟气量也将改变，从而使过热汽温改变，但这可通过调节减温器的喷水量来维持过热汽温的稳定。,3)烟气再循环 用再循环风机从锅炉尾部低温烟道中抽出一部分低温烟气，由冷灰斗附近送入炉膛，可改变炉内辐射和对流受热面的吸热量分配，从而达到调节汽温的目的。 当低温再循环烟气送入炉膛后，

28、炉膛温度会降低些，使炉内辐射传热减少，而炉膛出口烟温变化不大。在对流受热面中，因为烟气量增加其对流吸热量将增加，使蒸汽温度升高。,六、省煤器位置： 尾部竖井内，吸收对流热，烟温低于600； 省煤器特点： 1、省煤器吸收尾部烟道中低温烟气的热量，降低锅炉的排烟温度，提高了锅炉热效率，节省燃料。 2、省煤器的采用提高了进入锅筒的水温，减少了锅筒壁与给水之间的温度差，从而使锅筒热应力降低，提高了锅筒的寿命。 尾部受热面存在低温腐蚀、积灰、磨损等问题；,（一）省煤器的型式和布置 大容量、高参数锅炉均采用钢管式省煤器，它是由许多并列布置2851的蛇形无缝钢管和进、出口联箱组成的。烟气一般自上而下流动，使

29、烟气与水逆向流动，增加传热温差，提高传热效果。 1、型式： 工质传热：沸腾式（小型锅炉）,非沸腾式（大型锅炉）， ； 材质：钢管式，铸铁式；,2、布置： 省煤器可以采用水流方向与锅炉前墙垂直或平行两种布置方式； 垂直：管子短而多，水流速小，便于悬吊，转向室后墙位置所有的管子都磨损严重； 平行：管子少，流速高，只有几根管子受到磨损； 可以错列或顺列布置： 错列：磨损大，换热系数大； 顺列：磨损轻，换热差；,光管、肋片管、鳍片管和膜式省煤器 鳍片管和膜式：占空间小20%25%，磨损轻； 肋片管：面积比光管大45倍，节省空间，效率高； 常采用悬吊式省煤器。省煤器出口联箱上的引出管既可悬吊省煤器，又可悬吊过热器和再热器。,低温再热器进口,省煤器进口,3、省煤器