45锅炉受热面解析.pptx

4-5 锅炉受热面n电能生产流程：水汽推动汽轮机发电机发电。n锅炉作用：水汽。实现途径：燃料燃烧放热，通过受热面传递给工质。n受热面包括：水冷壁、过热器、再热器、省煤器、空预器*首先，通过上述水汽转变流程，以自然循环锅炉为例，来认识一下各受热面。上升管省煤器锅筒下降管下集箱起沸点A一、水冷壁和水循环n水循环n水冷壁自然循环原理与基本概念一一 自然循环原理自然循环原理 定义：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锅筒、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，如图所示；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；而密度差是由下降管引入水冷壁的水吸收炉膛内火焰的辐射热量后，进行蒸发，形成汽水混合物，使工质密度降低形成的。下降管侧上升管侧 水在回路中循环流动时，下降管侧压差Yxj等于上升管侧压差Yss影响自然水循环推动力的因素影响自然水循环推动力的因素n由起沸点以上计算运动压头：n1要有一定的垂直高度，以保证足够大的运动压头；n2压力升高，则汽水密度差下降，所以，随锅炉压力参数的升高，为保证水循环，炉膛的高度通常越高；n3高压以上锅炉上升管的含汽率也高，即循环倍率随压力参数升高而减小；n4当压力很高时，自然循环将无法保证，必须采取强制循环的手段。在亚临界压力参数下工作的锅炉还可以满足水循环的要求。二 自然循环的两个特征参数n循环流速循环流速w0及循环倍率及循环倍率K。n1循环流速w0：工质流量下按管子截面计算的饱和水速。n可理解为上升管的入口水速。n压力越高，循环水速要求越高，冷却工况越好，但太高，则阻力过大。n2循环倍率K（1）定义：nK上升管的进口水量与上升管出口蒸汽量之比。n在循环回路中，产生1kg蒸汽时，需要K kg的循环水量在回路中流动。循环水量是K倍的蒸发量。n自然循环锅炉上升管中呈泡状流动，通常含汽率小于20%。nK太小时，则含汽率x过大，则易发生膜态沸腾。自然循环锅炉水冷壁的安全运行一 影响水冷壁安全运行的主要因素水质不良导致的水冷壁管内结垢与腐蚀，水冷壁受热偏差或管内流动阻力的影响，导致个别或部分管子出现循环流动的停滞或倒流；水冷壁热负荷过大导致的管子内壁面附近出现膜态沸腾；锅筒水位过低引起水冷壁中循环流量不足，甚至发生更为严重的“干锅”；燃烧产生的腐蚀性气体对金属管子外壁面的高温腐蚀；结渣和积灰导致的对金属管壁的侵蚀；煤粉气流或含灰气流对金属管壁的磨损。停滞倒流膜态沸腾水的冷却汽的冷却连续水膜被破坏爆管超温传热恶化内螺纹管抑制传热恶化的作用 鳍片光管鳍片光管：x=0.3，壁温开始飞升x=0.6，壁温达到第一个高峰点，此后壁温略有下降，x=0.8，出现蒸干,管壁温度再次出现飞升。内螺纹管内螺纹管：x=0.8，壁温才开始飞升。说明内螺纹管具有显著的抵抗膜态沸腾、推迟传热恶化的作用。内螺纹管抑制膜态沸腾、推迟传热恶化的机理内螺纹管抑制膜态沸腾、推迟传热恶化的机理：工质受到螺纹的作用产生旋转，增强了管子内壁面附近流体的扰动，使水冷壁管内壁面上产生的汽泡可以被旋转向上运动的液体及时带走，而水流受到旋转力的作用紧贴内螺纹槽壁面流动。从而避免了汽泡在管子内壁面上的积聚所形成的“汽膜”，保证了管子内壁面上有连续的水流冷却。亚临界参数自然循环锅炉采用内螺纹管水冷壁是具有相当大的安全裕度水冷壁水冷壁的作用na.吸收火焰辐射热，使水蒸发汽化；（介绍3种导热方式）nb.保护炉墙；nc.将炉膛出口烟气温度冷却到要求的允许值；nd.充分利用高温下辐射热强度高于对流热强度的特点，降低锅炉总受热面的金属耗量与造价。分类 na，光管水冷壁；漏风，强度低，nb，膜式水冷壁；密封性好，减少漏风，炉墙很薄，重量轻。现代大型电站锅炉，均采用此结构；nc，销钉管水冷壁；用来敷设卫燃带。在水冷壁管上焊上销钉，然后敷上铬(ge)矿砂耐火材料制成。光管疏排光管密排膜式水冷壁重型炉墙轻型炉墙表征n相对节距：s/dns节距；d管外径ns/d越大，炉内布置的总辐射受热面减少；对炉墙的保护作用也减小；但水冷壁管背火侧吸收的炉墙反射的热量增多，金属利用率升高。反之则相反。s/d的选取，决定于锅炉蒸发量、水冷壁结构等全面的技术经济分析。n目前，我国电站锅炉所采用的水冷壁一般为膜式水冷壁。n一般，S=80mm，d=60mm。材料为20A钢或15CrMo。膜式水冷壁n膜式水冷壁：指水冷壁管子间通过管本身鳍片焊接或用扁钢焊接所联成的一个整体。提高了受热面的吸热量，还保证了炉膛密封，减少了炉膛漏风。且可直接敷设耐热、保温材料，减轻炉墙重量1/21/3。还能与水冷壁一同悬吊，加快安装进度。n日本想买：下花园小石山n周恩来下令不卖，并让中科院进行研究后发现是珍珠岩，一种很好的保温材料。几个概念n1、卫燃带：煤粉通过燃烧器喷入炉内，为了保证其迅速、良好的燃烧，就要保证其处于高温状态下。为了实现该目的，在燃烧器附近，水冷壁管不裸露，而是涂有保温材料。n2、凝渣管 由后墙水冷壁向上延伸而成的管束布置在炉膛出口处，起到一定的悬吊作用在此烟气冷却，灰渣凝结，因此名凝渣管。而由于凝渣管束的横向节距和纵向节距都很大，不易发生堵渣现象。3、汽包（不受热）n直径：1.7m左右n作用：n1与下降管、水冷壁构成水循环系统；n2接受省煤器来的给水，向过热器输送饱和蒸汽；n3有一定量的饱和水和汽，具有一定的蓄热能力，故可适应负荷的骤然变化，有利于锅炉的运行调节；n4几十个汽水分离旋风筒，进行汽水分离；n5利用省煤器来的给水清洗蒸汽，降低蒸汽的含盐量；n6设有有连续排污装置，以降低炉水的含盐量。n4、冷灰斗 冷灰斗的形状一般变化不大。倾斜角不小于500，以便灰渣能自行下滑。n5、折焰角 现场师傅叫它鼻子 改变炉膛上部气流特性0.6-1.4m 自然循环锅炉，最高达自然循环锅炉，最高达18.5MPa，有锅筒，有锅筒强制流动锅炉强制流动锅炉锅锅炉炉按按工工质质在在蒸蒸发发部部分分的的流流动方式分为动方式分为直流锅炉直流锅炉复合循环锅炉复合循环锅炉多次强制循环锅炉多次强制循环锅炉n一、直流锅炉的工作原理（1）强制流动（2）一次通过，K=1，G=D水冷壁水冷壁省煤器省煤器给水泵给水泵过热器过热器强制流动锅炉强制流动锅炉n二、直流锅炉的优点和缺点1优点1）适合于任何压力，压力越高，稳定性越好；2）无锅筒，重量轻，管径小，支撑简单，钢材耗量少2025%，3）蒸发受热面布置比较自由，不必要一定垂直布置；4）启动快，停炉时间短。n 2缺点（1）给水泵的耗电大；（2）给水品质要求高；（3）自动调节性能要求高；（4）要用启动旁路系统（在锅炉点火启动的初期，蒸汽不合格，需要旁路掉）。n三、直流锅炉水冷壁的结构形式（图示）螺旋式螺旋式一次上升式（一次上升式（UP型）型）多次上升式多次上升式现代直流锅炉的管圈形式现代直流锅炉的管圈形式1.螺旋式水冷壁2.UP型水冷壁3.多次上升式三种炉型水冷壁的特点 n自然循环锅炉：60mm的管子n控制循环锅炉：51mmn直流锅炉：22mm（为了保证有足够大工质流速）n概述概述n过热器和再热器的结构型式过热器和再热器的结构型式n过热器与再热器的热偏差过热器与再热器的热偏差过热器和再热器过热器和再热器为何采用过热器和再热器为何采用过热器和再热器1提高机组循环效率提高蒸汽压力、温度。提高温度很难，提高压力受到限制，否则排汽湿度过高，因此采用再热器，同时提高循环效率。2保证汽轮机的安全运行若不过热，相当于卡诺循环，采用饱和蒸汽，湿度大，不能满足汽轮机的要求。过热器与再热器为电站锅炉的主要受热面过热器与再热器为电站锅炉的主要受热面。过热器和再热器的工作特点过热器和再热器的工作特点1工质温度高、传热性能差，处于高温烟气段，金属 壁温高，达到金属使用极限。2再热器受热面工作条件更差（1）中压蒸汽放热系数比高压蒸汽小（1/5），导致管壁金属温度高，（2）中压蒸汽比热小，对热偏差更加敏感；（3）阻力损失要求严格；（4）起动中及汽轮机甩负荷时的保护问题；3锅炉参数提高，容量增大，锅炉各受热面数量和 位置发生变化，过热受热面向炉膛移动（辐射式过热器），工作条件更差；4设计或运行不当，很容易引起受热面金属超温，长期超温会造成爆管，工质泄露，停机，是锅炉故障最多的部件之一。过热器和再热器的种类过热器和再热器的种类n过热器与再热器的结构形式基本相同过热器与再过热器与再热器的种类热器的种类半辐射式半辐射式对流对流+辐射，稀疏管屏，布置在炉膛的上部辐射，稀疏管屏，布置在炉膛的上部对流式对流式以对流传热方式为主，密集蛇型管束，布置在对流烟道以对流传热方式为主，密集蛇型管束，布置在对流烟道辐射式辐射式以辐射传热方式为主，布置在炉膛的壁面上以辐射传热方式为主，布置在炉膛的壁面上对流式过热器和再热器结构特点对流式过热器和再热器结构特点1烟气与管内蒸汽的相互流向 顺流，逆流，混合流2蛇型管圈的布置方式 垂直式（布置在水平烟道）优点：吊挂方便，积灰少。缺点：停炉时易发生积水 腐蚀，再起动时，会形成气塞及水击。水平式：与上相反（布置在垂直烟道）。管子排列错列和顺列布置错列和顺列布置错列管排的传热系数大于顺列，不易积灰，但磨损较为严重，阻力较大。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直接吸收炉膛的辐射热量。1采用的原因：（1）大容量高参数锅炉的过热吸热份额超过50%，300MW以上机组需考虑辐射式过热器；（2）降低炉膛出口烟温；（3）布置在高温区可降低金属耗量；（4）汽温特性平稳。工作条件：n炉膛热负荷高，n蒸汽冷却效果差，n锅炉起动和低负荷运行时会处于干烧，须有冷却保护措施，n工作条件最差的锅炉受热面。半辐射式屏式过热器半辐射式屏式过热器1布置位置 悬吊在炉膛上部，对流烟道入口，吸收辐射热与对流热。降低进入密集管束的烟气温度，防止结渣，传热性能较好。2结构 每个屏由并联的管子紧密排列而成，各屏之间的距离达0.61.2米。3工作条件 烟温高，工质温度高，平行各管长度相差较大，蒸汽流量相差较大，各管壁温差达8090，运行安全性较差。包墙管过热器包墙管过热器 该种过热器布置于水平烟道或尾部竖井的内壁。主要是用于悬吊炉墙，传热效果差。不是过热器的主要受热面。一般其出口蒸汽进入到低温过热器。过热器的系统过热器的系统1将不同形式的过热器以最安全、最经济的 方式连接在一起，有各种不同的形式。2考虑的因素（1）经济性：从传热性能出发，省金属。先对流后辐射，形成总的逆流，温差大，传热最理想。（2）安全性：顺流最安全，使高温介质处于 低温烟区，先辐射后对流。3过热器系统的一般布置规律（1）先通过辐射式过热器。蒸汽在饱和线附近具有 较大的比热容，工质吸收较多热量而温度升高 不多，且传热温压大。（2）将过热器划分为若干段，各段之间采用集箱联 接，中间进行交叉混合，保证吸热均匀。4减温器一般为喷水减温方式n减温器在过热器系统中的位置（1）安全：布置在可能超温的过热器管段前面，起到保护受热面的作用；（2）灵敏：使其尽量靠近过热器出口，减少调 温的滞后性。一般为两级喷水减温，各尽其责：n一级喷水减温器在屏式过热器的入口，保护屏式过热器。n二级喷水减温器在末级过热器之前，主要作用是调节出口汽温，也起保护作用。再热器系统n再热器与过热器布置的原则基本一致，再热器一般均为对流式，分为低温段与高温段，n原则上再热器蒸汽不能采用喷水调温方式（经济性考虑），n只设置事故喷水减温，在汽温过高时采用。过热器和再热器的汽温特性过热器和再热器的汽温特性n汽温特性：即汽温随锅炉负荷变化的规律，汽温调节 主要是在锅炉变化负荷时进行。对流式过热器与辐射式过热器的汽温特性是相反的对流式过热器与辐射式过热器的汽温特性是相反的。对流式：随锅炉负荷增加负荷增加，燃煤量增加，汽温升高汽温升高；反之降低；辐射式：随负荷增加负荷增加，火焰温度变化不大，辐射热 负荷增加不多，但蒸汽流量增加，相当于 每公斤工质的吸热量减少，因此，汽温降低汽温降低；反之增加。锅炉负荷百分比，锅炉负荷百分比，100%过过热热蒸蒸汽汽汽汽温温辐射过热器辐射过热器锅炉负荷百分比，锅炉负荷百分比，100%过过热热蒸蒸汽汽汽汽温温对流过热器对流过热器希望得到平稳的汽温特性n设计时采用适当比例的辐射式过热器，则可以达到较平稳的汽温特性，n较小容量的锅炉以对流式过热器为主，n大容量锅炉辐射式过热器比例增加。再热器的汽温变化幅度更大（1）工质进口参数随负荷降低而下降（而过热器入口 温度不变），升温幅度大；（2）再热器多为纯对流式受热面，辐射的比例更小；（3）再热蒸汽的比热小，对吸热变化更加敏感概述省煤器空气预热器锅炉尾部受热面烟气侧的腐蚀锅炉尾部受热面烟气侧的积灰和磨损 省煤器和空气预热器锅炉尾部受热面或低温受热面1利用锅炉尾部烟气的热量加热给水，提高进入汽包的给水温度，减少蒸发受热面；2早期是为了降低排烟温度，提高效率，蒸发受热面 降低排烟温度的幅度有限；3高参数大容量锅炉中，省煤器不可缺少；4高压以上锅炉均有回热循环，给水温度升高，并有空气预热器，主要目的不仅是为了降低排烟温度；5.特点传热温差大，强制对流，金属消耗比蒸发受热面少得多，价格低。一、省煤器的作用省煤器的作用二、空气预热器的作用1电站锅炉用汽轮机抽汽预热锅炉给水，省煤器入口水温很高，锅炉排烟温度降低受限制，须利用空气预热器降低排烟温度；2磨制、烘干煤粉，改善燃料着火与燃烧，强化炉内辐射换热，要求将空气加热到较高的温度，空气预热器是必须的。三、尾部受热面设计与运行中的主要问题n1.省煤器受热面金属的磨损和积灰，尾部烟道中烟气的灰颗粒变硬。n2.空气预热器的腐蚀、积灰和堵灰，回转空气预热器的漏风等。省煤器和空气预热器锅炉尾部受热面或低温受热面概述省煤器空气预热器锅炉尾部受热面烟气侧的腐蚀锅炉尾部受热面烟气侧的积灰和磨损 一、分类与结构省煤器：加热锅炉的给水，水平管圈加热锅炉的给水，水平管圈根据出口工质的状态分根据出口工质的状态分沸沸腾腾式式用用于于中中低低压压锅锅炉炉，沸沸腾腾度度小小于于20%，工工质质侧侧的的阻阻力力较较大大非沸腾式非沸腾式高压以上的锅炉省煤器高压以上的锅炉省煤器根根据据管管子子的的排排列列方方式式分分类：类：错列错列布置紧凑，传热效果好，积灰少，但第二排磨损严重布置紧凑，传热效果好，积灰少，但第二排磨损严重顺列顺列传热效果较差，但磨损较轻传热效果较差，但磨损较轻根根据据管管子子的的结结构构方方式式分分类：类：铸铁式铸铁式仅用于压力低，给水品质要求不高，耐磨，耐腐蚀等仅用于压力低，给水品质要求不高，耐磨，耐腐蚀等光管式光管式2842（51）mm外径的蛇型钢管，普通钢材外径的蛇型钢管，普通钢材扩展受热面式扩展受热面式鳍片管、螺旋肋片管、膜式管等鳍片管、螺旋肋片管、膜式管等 二、布置方式布置方式（尾部烟气流通截面为矩形）综合考虑蛇型管圈中的水速及管外侧的磨损程度分为：1）蛇型管垂直于前墙布置：水速最低，但每根管均会受到磨损。2）蛇型管平行于前墙布置：水速最高，仅磨损几根管子，支吊不方便3）蛇型管平行于前墙，双侧进水布置，水速适中，支吊方便。三、支吊方式支吊方式1支承只用于小型锅炉；2悬吊集箱在烟道中，减少穿墙管的数目，以出水引出管为悬吊管，有利于热膨胀，大型电站锅炉普遍采用。省煤器和空气预热器锅炉尾部受热面或低温受热面概述省煤器空气预热器锅炉尾部受热面烟气侧的腐蚀锅炉尾部受热面烟气侧的积灰和磨损完成低温烟气与空气间的热交换一、气体间的换热方式1）间壁式换热通过壁面的导热，冷热流体不接触2）再生式换热冷热流体轮流接触受热面的蓄热元件，也称为蓄热式3）直接混合式冷热流体直接混合交换热量。二、电站用空气预热器的分类电站空气预热器分为电站空气预热器分为管式（基于间壁式换热）管式（基于间壁式换热）回转式（基于再生式换热）回转式（基于再生式换热）三、管式空气预热器一）结构n直径为4051mm、壁厚为1.251.5mm的普通薄壁钢管n密集排列、错列布置，组成立方体型的管箱，n数个管箱排列在尾部烟道中。二）主要特点n体积大，数倍于回转式空气预热器，金属耗量大，n易受腐蚀，损坏，不易更换，清灰困难，管板易发生变形，n漏风较小，运行方便，应用较少。三）布置方式1垂直布置n烟气管内纵向冲刷，空气管外横向冲刷，须满足烟气及空气流速的不同要求。2水平布置n烟气在管外，空气在管内，可以提高壁温、减轻金属腐蚀；采用较少。锅炉容量增大，管式空气预热器体积增加，锅炉尾部布置困难。四、回转式空气预热器回转式空气预热器大型电站锅炉均采用回转式空气预热器工作原理：再生式，烟气和空气交替地流过受热面（蓄热元件）放热和吸热。两种结构：受热面旋转式（用的较多），风罩旋转式。l优点：尺寸小，重量轻，制造水平要求高；l烟气侧腐蚀小，受热面温度高，允许有较大磨损量和腐蚀量，检修方便。l缺点：存在漏风，结构复杂，耗电大。一）受热面回转式1结构1）可转动的园筒型转子，内置蓄热元件；2）固定的园筒型外壳，扇形顶板和底板将转子流通截面分为两部分，分别与固定的烟气及空气通道相连接；3）转子截面分三个区：烟气流通部分约50%、空气流通部分：约为30%、密封区：其余部分。2工作过程 每分钟旋转14周。转子受热面顺序通过烟气侧，吸热升温，通过空气侧放热降温，旋转一周完成一个热交换过程。二）风罩回转式 传热元件不旋转，上下风罩旋转，转一周换热两次，转速稍慢一些，已经用的较少。五漏风1）漏风来源 转动和固定部分间存在一定的间隙，空气与烟气间存在一定的压差，转动部分带入风量；2）漏风危害：送风量增大，引风也增加，排烟损失增加；3）漏风量：先进水平58%，一般为10%左右，最高可达40%；4）要求有良好的密封装置，在运行中吹灰省煤器和空气预热器锅炉尾部受热面或低温受热面概述省煤器空气预热器锅炉尾部受热面烟气侧的腐蚀锅炉尾部受热面烟气侧的积灰和磨损一、腐蚀的原因nSO3在200C以下与烟气中的水蒸汽结合形成H2SO4蒸汽，n硫酸蒸汽在受热面上凝结，造成腐蚀，n硫酸蒸汽凝结取决于烟气露点温度及烟气中硫酸蒸汽得以凝结的受热面温度。二、烟气露点 烟气中存在两个露点温度：硫酸蒸汽对应于酸露点温度；水蒸汽对应于水露点温度。1酸露点温度n比水露点温度高得多，取决于SO3和水蒸汽的含量，一般可达120140，n极少量的硫酸蒸汽就会对酸露点影响很大；n酸露点估计依靠经验关联式确定n可以由仪器直接测定。2水露点温度取决于水蒸汽在烟气中的分压力，烟气中水蒸汽分压力很低，水露点温度一般为4555，空气中的水蒸汽分压力更低，水露点温度一般为1020，一般不会出现由于水蒸汽凝结造成锅炉腐蚀三、受热面发生腐蚀的条件 能否发生腐蚀决定于腐蚀介质，介质的量（浓度），得以凝结的受热面温度。四、四、SO3的形成 可燃硫分燃烧生成SO2，进一步转化成SO3的很少，烟气中SO3含量仅为SO2的3%5%，烟气中SO3只占到几十万分之几。五、腐蚀过程1烟气中SO3与烟气中水蒸气结合成硫酸蒸汽，2烟气中硫酸蒸汽在“冷”受热面上凝结发生在沿烟气流程一段范围，凝结的硫酸浓度逐渐降低3开始烟气中硫酸浓度大，可在较高温度的壁面上凝结下来，随着浓度降低，露点下降，可以在较低温度的壁面上凝结；4凝结的硫酸浓度对受热面腐蚀的速度影响很大，浓硫酸几乎不腐蚀，稀硫酸腐蚀（40%50%）很强。六、防腐措施1提高金属管壁温a、提高空气预热器入口空气温度（暖风器，热风再循环等）b、预热器水平布置，c、新型换热器等采用等；2采用防腐材料；省 煤 器 和 空 气 预 热 器锅炉尾部受热面或低温受热面概述省煤器空气预热器锅炉尾部受热面烟气侧的腐蚀锅炉尾部受热面烟气侧的积灰和磨损一、燃煤锅炉受热面灰垢及其影响燃煤锅炉受热面灰垢及其影响1积灰的几种形态：1）熔渣结渣 原因：飞灰呈熔融状的黏性颗粒黏附在管壁上；位置：炉膛受热面及高温对流受热面的入口处，2）高温黏结灰 原因：钠、钾、钙、硅等氧化金属在高温环境中发生氧化物的升华，氧化金属呈分子状态冷凝在受热面上，与烟气中SO3形成硫酸盐，有黏性，大量捕捉飞灰，位置：炉膛受热面及高温对流受热面。3）低温黏结灰原因：飞灰与冷凝在受热面上的硫酸溶液形成水泥状物质，呈硬结状，堵死，并加重低温腐蚀。位置：空气预热器受热面4）松散积灰原因：飞灰中1020微米颗粒，冲刷管束时，背风区产生旋涡，进入旋涡区的灰颗粒分子吸附力大于其质量，在静电力、表面粗糙度作用下，积灰最后达到平衡状态。易清除，与烟气流速有关。位置：省煤器受热面2灰垢对锅炉传热设计的影响锅炉的设计中，往往出现对灰垢热阻估计不准确造成设计与运行的差距，受热面过多或不足，锅炉运行中，燃烧煤种发生较大的变化造成锅炉出力不足或超温，目前主要依靠经验积累数据。二、磨损磨损n飞灰对金属的磨损量与烟气流速成三次方的关系。n200MW的燃煤锅炉，灰分30%，飞灰80%，每年流经对流受热面管束的飞灰量为16.5万吨，设计寿命为10年，流过165万吨，n省煤器的磨损最严重。