工业锅炉设备1.docx

工业锅炉设备
课程基本要求
　　1.熟悉工业锅炉的定义、工作原理
　　2.熟悉锅炉分类原则
　　3.掌握锅炉型号含义
　　4.掌握工业锅炉的组成与结构
　　5.了解工业锅炉辅助设备
　　6.了解工业锅炉的燃烧设备
　　相关标准：
　　《工业锅炉技术条件》NB/T 47034-2013
　　《工业锅炉产品型号编制方法》JB/T 1626-2002
主要内容
　　1.工业锅炉定义及工作原理
　　2.锅炉传热与水循环基础
　　3.工业锅炉分类
　　4.工业锅炉型号及参数系列
　　5.工业锅炉基本组成及主要受压部件
　　6.典型工业锅炉结构简介
　　7.工业锅炉燃烧设备
　　8.工业锅炉辅助设备

第一章 工业锅炉定义及工作原理
第01讲　工业锅炉定义及工作原理
1. 工业锅炉定义及工作原理
锅炉是一种动力设备。“锅炉”二字非常形象而又科学、准确地说明了这种设备。锅炉一般是以水为介质，尽管现代工业锅炉也有采用导热油等有机液体作为锅炉介质（有机热载体锅炉），但是大多数的锅炉，特别是用于发电的大型锅炉，仍然将水作为介质。
锅炉为了实现对水加热、汽化、蒸汽过热的过程，必须具有能从燃料获得足够热量的设备，即“炉子”，以及盛装水及蒸汽的耐压容器，并具有能吸收足够热量的受热面，这就是“锅”。

这里所指的“足够热量”，取决于需要产生蒸汽（水）的量，以及蒸汽（水）的压力和温度。如果要给锅炉作一个科学的描述，那么应该表述为：锅炉是这样一种换热设备，它通过燃料的燃烧，使燃料中的化学能转化为热能，并将此热能传递给工质（多数情况下为水）从而使工质升温甚至转变成为具有所需要的热力学参数的蒸汽。
1 工业锅炉的定义
1.1 锅炉定义
　　GB/T2900.48—2008 《电工名词术语 锅炉》将锅炉定义为：利用燃料燃烧释放的热能或其他热能加热水或其他工质，以生产规定参数（温度，压力）和品质的蒸汽、热水或其他工质的设备。
　　锅炉是一种能量转换设备。也是一种典型的承压类特种设备（符合一定条件）。
　　为了加强特种设备安全工作，预防特种设备事故，保障人身和财产安全，我国制定一系列法律法规对锅炉进行安全管理。
我国根据《特种设备安全法》、《特种设备安全监察条例》、《特种设备目录》界定锅炉是否纳入特种设备实施监管。
《特种设备安全监察条例》对锅炉的定义为：
　　锅炉，是指利用各种燃料、电或者其他能源，将所盛装的液体加热到一定的参数，并对外输出热能的设备，其范围规定为容积大于或者等于 30L的承压蒸汽锅炉；出口水压大于或者等于 0.1MPa（表压），且额定功率大于或者等于 0.1MW的承压热水锅炉；有机热载体锅炉。
　　《特种设备安全法》规定，“国家对特种设备实行目录管理。特种设备目录由国务院负责特种设备安全监督管理的部门制定，报国务院批准后执行”。
　　“质检总局关于修订《特种设备目录》的公告（2014年第114号） ”中《特种设备目录》对锅炉的定义为：
锅炉，是指利用各种燃料、电或者其他能源，将所盛装的液体加热到一定的参数，并通过对外输出介质的形式提供热能的设备，其范围规定为设计正常水位容积大于或者等于30L，且额定蒸汽压力大于或者等于0.1MPa（表压）的承压蒸汽锅炉；出口水压大于或者等于0.1MPa（表压），且额定功率大于或者等于0.1MW的承压热水锅炉；额定功率大于或者等于0.1MW的有机热载体锅炉。
特种设备目录中锅炉的类别为：
　　承压蒸汽锅炉；承压热水锅炉；有机热载体锅炉；
　　有机热载体锅炉分为有机热载体气相炉，有机热载体液相炉两个品种。
　　2004年公布《特种设备目录》（已废止）包含：锅炉部件；锅炉材料。以及承压蒸汽锅炉又分为电站锅炉、工业锅炉、生活锅炉三个品种。
1.2 工业锅炉定义：
　　工业锅炉的概念是在 20世纪 30年代后期，为了区别于大容量电站锅炉才逐渐采用的。通常人们将工业锅炉和生活锅炉合称工业锅炉，我国目前的标准规范中所述工业锅炉一般也包含生活锅炉。
　　GB/T2900.48-2008 《电工名词术语 锅炉》中工业锅炉的定义为：生产的蒸汽或热水主要用于工业生产和/或民用的锅炉。
　　GB/T1921-2004 《工业蒸汽锅炉参数系列》明确其适用于工业用、生活用以水为介质的固定式蒸汽锅炉。
　1999版《锅炉定期检验规则》 （已废止）第十一条中明确，工业锅炉是指以向工业生产或生活用途提供蒸汽、热水的锅炉，一般是指额定工作压力小于等于 2.5MPa的锅炉。
　　TSGG7002-2015 《锅炉定期检验规则》（2015.10.1实施）对于锅炉检验的要求是按电站锅炉和电站锅炉以外的锅炉来分别要求，没有再明确给出工业锅炉的定义。
　　TSG0001-2012 《锅炉安全技术监察规程》对锅炉范围做了进一步调整，其适用范围包括固定式承压蒸汽锅炉、承压热水锅炉、有机热载体锅炉，以及以余（废）热利用为主要目的烟道式和烟道与管壳组合式余（废）热锅炉。
　　这里面涉及的工业锅炉包括：发电（包括热、电联产）锅炉之外的蒸汽锅炉、发电锅炉之外的以余
　　（废）热利用为主要目的烟道式和烟道与管壳组合式余（废）热锅炉、承压热水锅炉、有机热载体锅炉。
2 工业锅炉用途、特点
2.1 工业锅炉用途
a.为石油、化工、纺织、造纸、医药等工业生产提供热能。
b.用于采暖、食品加工、卫生消毒等人民生活的诸多方面。
c.回收利用工业生产过程的余（废）热。
2.2 工业锅炉特点
　　工业锅炉是工业生产中的常用设备，实践证明，它又是一种事故率比较高、事故危害严重的特殊设备，主要表现在：易发事故、破坏力强、危害性大。特点：
　　a.爆炸危害性：锅炉一般都是承受压力载荷的承压设备，超压、安全附件失灵、受压元件缺陷等等都有可能出现爆炸事故，造成财产损失和人身伤害；
　　b.易于损坏性：锅炉受热面长期处于高温条件下工作，以及同时受火、烟气、灰、水（汽）等的侵蚀、磨损，锅炉设备是在比较恶劣的条件下运行，比一般设备易于损坏；
　　c.使用的广泛性：由于锅炉是提供热源的重要设备，凡是需要蒸汽、热水的生产和生活场所，一般都离不开锅炉，锅炉遍及国民经济的各个行业，使用非常广泛；
　　d.可靠的连续运行性：无论生产或生活用锅炉，一旦投入运行，就要连续运转，如果被迫停炉，会造成很大损失。生产用锅炉被迫停炉，会造成工厂停产；采暖锅炉冬季被迫停炉，会影响人们生活，因此，要求锅炉必须连续可靠地运行。
　　所以，锅炉的特殊工况条件决定了锅炉的特殊性，事故的危害性大，尤其是锅炉爆炸事故，一旦爆炸，造成的损失就难以估量。
3 锅炉工作原理
　　以常见的利用燃料燃烧释放的热能且工质为水、汽的锅炉为例，其工作原理可用下述工作过程和工作系统来说明。
　　3.1 锅炉工作过程：锅炉产生热水或蒸汽需要三个过程。
　　a.燃料的燃烧过程，燃料在炉膛内燃烧放出热量的过程。
　　b.烟气的流动和传热过程，燃料燃烧后产生的热量，通过受热面传递给锅内的水或蒸汽的过程。
　　c.工质的加热汽化过程（锅内过程），水吸收热量转变为热水或蒸汽的过程。

　　3.2 锅炉工作系统：锅炉从构造上由二个系统组成，锅炉的工作过程就是在系统内连续完成的。
　　3.2.1 汽水系统：进入锅炉的水（给水），经过加热、汽化、过热，最后获得符合要求参数的蒸汽或热水；
　　3.2.2 燃烧系统：燃料和空气（或经过空气预热器预热）送入炉内混合燃烧后，产生高温烟气，再通过各受热面，将热量传给工质以后，烟气由烟囱排出。燃烧生成的灰渣，由排渣设备排出；

电站锅炉及其辅助设备系统简图
　　①─煤斗；②─给煤机；③─磨煤机；④─空气预热器；⑤─排粉风机；⑥─燃烧器；⑦─炉膛；⑧─水冷壁；⑨─屏式过热器；⑩─高温过热器；⑾─低温过热器；⑿─省煤器；⒀─除尘器；⒁─吸风机； ⒂─烟囱；⒃─送风机；⒄─锅筒；⒅─下降管；⒆─顶棚过热器；⒇─排渣室
燃料进入锅炉燃烧的基本流程：
燃烧  炉膛（或炉排） 除渣设备。
烟气的基本流程：

蒸汽的产生过程（流程）：

水的循环过程（流程）：

第二章 锅炉传热与水循环基础

第01讲　锅炉传热与水循环基础（一）
2. 锅炉传热与水循环基础
　　内容
2.1 热力学基础
热力学第一定律、热力学第二定律、水蒸汽的性质等
2.2 传热学基础
辐射、导热、对流等
2.3 锅炉水循环
水循环与流动压头、影响水循环因素、水循环故障等
2.4 流体的层流和紊流
工程热力学、传热学与流体力学并称能源动力类专业的三大基础课程。在锅炉设计、制造、运行等环节得到广泛应用。
工程热力学、传热学用于锅炉受热面设计和热力计算。流体力学用于锅炉水循环系统设计和水动力计算、烟风阻力计算等。
2.1 热力学基础
　　工程热力学的研究对象主要是热能转化为机械能的规律和方法以及提高转化效率的途径。
　　2.1.1 热力学第一定律：
　　自然界中一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态；在能量的转化过程中，一定量的一种形态的能量总是确定地相应于一定量的另一种形态的能量，能的总量保持不变。
　　在工程热力学的范围内，热力学第一定律主要是热能和机械能之间的相互转化和守恒。用简单的数学式表示，即
Q＝AJW
　　式中Q表示消耗的热能，W表示完成的功, AJ表示与一个单位的功相当的热量，叫做热功当量。AJ的数值与能量转化时的条件无关，仅仅决定于热和功所用的单位。
　　在国际制（SI）中，热与功采用相同的单位，即焦耳（J）。所以AJ＝1这时上式可写成Q＝W。
　　在工程制中，热的单位是千卡（kcal），功的单位是公斤力·米（kgf·m），这时
（1.1）
　　把热力学第一定律的原则应用于系统中的能量变化时可写成如下形式：
　　进入系统能量－离开系统能量＝系统中储存能量的增加
　　2.1.2 热力学第二定律
　　热力学第二定律有几种最基本的、广为应用的叙述方式，一种为克劳修斯说法，即：热不可能自发地、不付代价地、从低温物体传至高温物体。另一种为开尔文表达方式，即：不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化成为功而不留下其他任何变化的热力发动机。还有一种最经典的表述：第二类永动机是不可能存在的。
　　由热力学第二定律可以推出著名的卡诺定理：
　　在相同温度的高温热源T1和相同温度的低温热源T2 之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类及采用哪一种工质无关，其热效率等于1—T2/T1。
　　T1和T2 之间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环的热效率。
　　由两个可逆的定温过程和两个绝热过程组成的循环称为卡诺循环，在相同热源和冷源之间工作的一切循环以卡诺循环热效率最高。
　　2.1.3 水蒸汽的性质
　　1.汽化
　　水由液态转化为气态的过程称为汽化。
　　汽化是通过蒸发或沸腾两种方法进行的。
　　蒸发是水在自由表面上缓慢地汽化，在任何温度下都在持续进行。
　　沸腾是水在表面和内部同时进行剧烈的汽化，只有当温度达到沸点时才会发生。
　　2.饱和温度（沸点温度）
　　是指对水加热时，水的温度不断上升，当达到该压力下水开始沸腾（常压下100℃）时的温度。此时的水称为饱和水，此时的蒸汽称为饱和蒸汽（湿蒸汽）。
　　饱和蒸汽中含水分的重量百分数叫做湿度，它是衡量蒸汽品质好坏的一个重要指标。一般对蒸汽湿度的要求，水管锅炉应控制在3%以下，火管锅炉应控制在5%以下。
　　湿度过大，会降低蒸汽的品质，影响使用效果，还可能在蒸汽管道上发生水击现象，使管道剧烈震动，以致损坏。
　　3.过热蒸汽
　　是指在该压力下对饱和蒸汽再加热，蒸汽的温度开始上升，变成温度超过饱和温度的过热蒸汽。而超过饱和温度的温度数值称为过热度。
　　将饱和蒸汽进一步加热变成过热蒸汽的目的：是让蒸汽不带水分，保证蒸汽品质。同时，让蒸汽升温，增加蒸汽热焓，来供给生产或汽轮机发电。
　　4.液体热（显热）
　　是指在一定压力下，使1公斤的水从0℃加热到饱和温度所需要的热量。
　　液体热仅用于提高水的温度，而不能改变水的形态。它与压力有关，压力越高液体热就越大。
　　5.汽化热（潜热）
　　是指在一定压力下，使1公斤的饱和水完全汽化，变成干饱和蒸汽所需要的热量。
　　汽化热仅增加汽化量，而不提高蒸汽温度。它与压力成反比，压力越高汽化热就越小。
　　6.焓
　　是指在一定压力下，使1公斤的水从0℃加热到任一状态下的水或蒸汽所吸收的总热量。饱和水的焓等于液体热，干饱和蒸汽的焓就等于液体热与汽化热之和。
　　7.水蒸汽的特性
　　水蒸汽具有良好的膨胀，压缩和载热性能，因此在动力工程和工业部门的生产工艺过程中，水蒸汽是应用最广泛的一种介质。
　　饱和蒸汽离液态（水）较近，为不稳定状态，遇冷即转化为饱和水放出汽化潜热。所以工业上常用饱和蒸汽而较少用过热蒸汽。
　　过热蒸汽具有较大的能量，且没有水分，常用来推动汽轮机发电。
　　2.1.4 水蒸汽的热力过程
　　1.饱和状态－－－－液体和蒸汽处于动态平衡的状态

图1.1 水的饱和状态
　　容器内 液体→蒸发、汽化→蒸汽
　　液体←凝结、液化←蒸汽
　　此时的汽化速度取决于液体温度t，液化速度取决于蒸汽密度ρ。
　　当汽化速度等于液化速度时，达到饱和状态（动平衡），两过程不断进行，但状态不变，ρ和t不再改变。

图1.2 定压下水蒸汽的产生过程
2.1.5 物质平衡与热平衡
　　锅炉中所发生的过程当然遵守物质不灭定律。送入锅炉的燃料通过燃烧这一化学反应将燃料中的可燃质转变成为了二氧化碳、二氧化硫、水蒸汽、灰渣等燃烧产物。但由于种种原因，燃料在锅炉中不能完全燃烧，而燃烧放出的热量也不会全部有效地用于生产蒸汽或热水。
　　也就是说，燃料的总输入热量中只有一部分被工质（水或蒸汽）所吸收，这部分热量称为有效利用热，其余部分则损失掉了，称为锅炉的热损失。有效利用的热量和损失掉的热量与送入锅炉的总热量之间服从能量守恒定律。
　　2.1.6 蒸汽动力装置及循环
　　1.水蒸汽作为工质的卡诺循环

　　如图：湿蒸汽区可以实现卡诺循环1-2-c-5-1 ，实际不用，因为：1. 5-1,1-2,2-c 三过程可以实现。但c-5难实现；2. 湿蒸汽区Th受限，ηt不高；3. 1-2膨胀末期，干度太小，影响汽机工作。
　　2 朗肯循环—火力发电厂基本循环
　　蒸汽动力循环系统及朗肯循环针对上述3点不利因素，进行改进的可逆循环。

　　如图：2-3过程为定压放热完全冷凝成水。便于水泵工作；3’-4过程为过冷水吸热（与卡诺不同，定压吸热）
　　5-1过程为过热器吸热 （与卡诺不同，定压吸热）
　　2.2 传热学基础
　　传热：是物质在温差作用下所发生的热能传递。
　　传热学：研究热能传递规律的一门学科。
　　热量总是自然地由高温物体传向低温物体，在锅炉中，燃烧是基础，产生蒸汽或热水是目的，这两者是通过传热来实现的。燃料在炉膛内燃烧后，放出高温热量，通过火焰的热辐射和烟气的对流传热将热量传递给锅炉各受热面，通过受热面自身的热传导将热量从外壁烟气侧传递到内壁工质侧，再通过锅内工质流动把内壁的热量吸收变成蒸汽或高温热水。
　　锅炉内热量传递方式有热辐射、热传导、对流传热三种。

图1.5 锅炉传热示意图
　　2.2.1 热辐射
　　2.2.1.1 定义
　　辐射：物体通过电磁波来传递热量的方式。
　　热辐射：物体由于热的原因向外发出的辐射。
　　辐射换热：物体之间以辐射的形式交换热量。
　　2.2.1.2 特点
　　1.不需要冷热物体的直接接触。即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量，而且最有效。
　　2.在辐射换热过程中伴随着能量的转移和能量形式的转换，物体热力学能→电磁波能→物体热力学能。
　　3.动态平衡
　　只要物体之间的温度差很大时，热辐射就能成为主要传热方式。运行的锅炉热辐射主要发生在有火焰辐射的地方，如炉膛、水冷壁管等部分。当炉膛温度在1200℃以上时，布置在炉膛内的水冷壁吸收辐射热量要比对流受热面效果高出5倍以上。
　　热辐射计算公式为
（1.2）
　　式中
　　qf －炉膛辐射换热量，kJ/m2；
　　Co－绝对黑体辐射常数，Co＝5.7×l0－11kW/m2；
　　a－炉膛黑度，与烟气特性，受热面几何特性及表面灰污状况有关；
　　T1－炉膛中火、烟气的平均有效温度，K；T1＝t1+273；
　　Tb1－受热面烟气侧壁面温度，K；Tb1＝tb1+ 273。
　　2.2.2 热传导
　　2.2.2.1 定义
　　温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。
　　2.2.2.2 特点
　　1.直接接触
　　2.物体各部分之间不发生宏观位移
　　3.依靠微观粒子（分子、原子、电子等）的无规则热运动
　　4.物体的固有本质（只要存在温差，在固体、液体、气体中均会发生导热现象）
　　在热传导过程中物体本身各部分不发生相对移动。例如：锅炉水管的外壁受烟气加热后，热量很快传导给内壁。再供锅水吸收。各种物质的导热性能是不相同的。
　　物体传导热量的能力称为热传导率或常称为导热系数。用符号“λ”表示，单位：kW/m·℃。
　　导热系数越大，传热越强。金属是导热体，热传导率较大。而非金属，如：空气、塑料、石棉热传导率很小，属于绝热体。一般锅内水垢的导热系数仅是钢的1/20－ 1/50，烟垢则比水垢的导热系数还小，烟灰的导热系数平均值仅为锅炉钢板的1/460。
　　热传导计算公式为：
　　kW/m2  （1.3）
　　式中：
　　qd一单位面积热传导量，kW/m2；
　　λ 一 物体的导热系数，kW/m·℃；
　　S 一 物体导热厚度，m；
　　△t 一物体导热高、低温差，℃；△t＝tb1–tb2
　　2.2.3 对流传热
　　2.2.3.1 定义
　　流体各部分之间发生相对位移时，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。也就是借助流动的液体或气体，把热量从一个物体传递给另一个物体的过程。
　　2.2.3.2 特点
　　1.仅能发生在流体中
　　2.流体宏观运动+流体导热（流体中各部分温度不同，必然拌有分子不规则热运动而传递的热量）
　　3.对流换热：流体流过温度不同的固体壁面时的热量传递过程（工程上感兴趣）
　　4.对流换热机理与通过紧靠换热面上薄膜层的热传导有关
　　2.2.3.3 分类
　　对流换热按照不同的原因可分为多种类型。
　　按流动起因可分为：强迫对流换热和自然对流换热。
　　按是否相变可分为：相变对流换热和无相变对流换热
　　在单位时间内流体和壁面的温度相差1℃时，通过单位面积所传递的热量称为传热系数。用符号“α”表示，单位：kW/m2·℃。
　　在锅炉设备中，对流传热是高温烟气以某种速度流经受热面，冲刷管壁，在与管壁接触过程中放热。对流传热系数是表明传热过程强弱。它的影响因素很多，其主要原因有：烟气的流速；烟气与受热面冲刷方向以及受热面管子的排列。
　　对流传热计算公式为
（1.4）
　　式中：
　　qL ——单位面积、单位时间对流传递的热量，kW/m2；
　　α—— 对流传热系数，kW/m2·℃；
　　△t —— 高、低温物体的温差，℃。
　　2.2.4 传热过程和传热系数
　　2.2.4.1 传热过程
　　1.传热过程概念
　　热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称传热过程。
　　2.传热过程的组成
　　传热过程一般包括串联着的三个环节组成，即：
　　（1）热流体→壁面高温侧；
　　（2）壁面高温侧→壁面低温侧；
　　（3）壁面低温侧→冷流体。
　　若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。
　　3.传热过程的计算
　　针对稳态的传热过程，即 Q＝常数

图1.6 传热过程
　　如上图（图1.6） ，其传热环节有三种情况，则其热流量的表达式如下：
（1.5）
（1.6）
（1.7）
　　三式相加，整理可得：

　　也可以表示成：

　　式中，K 称为传热系数，单位为 W/（m2.K）。
　　2.2.4.2 传热系数
　　1.概念：是指用来表征传热过程强烈程度的指标。数值上等于冷热流体间温差△t＝1℃，传热面积A＝1m2时热流量的值。
　　K值越大，则传热过程越强，反之，则弱。其大小受较多的因素的影响：
　　①参与传热过程的两种流体的种类；
　　②传热过程是否有相变
　　传热系数的表达式为：
（1.13）
　　传热系数的表达式揭示了传热系数的构成，即它等于组成传热过程诸环节的 1/h1、δ/λ及1/h2之和的倒数。如果对上式取倒数，可得：
或
　　因此，由上式可见：传热过程热阻是由各个构成环节的热阻组成。
　　串联热阻叠加原则：在一个串联的热量传递过程中，如果通过各个环节的热流量都相等，则串联热量传递过程的总热阻等于各串联环节热阻之和。
第02讲　锅炉传热与水循环基础（二）
2.3 锅炉水循环
2.3.1水循环与流动压头
锅炉运行时，“锅”中的水实际上遵循着一定的路线不断的流动着，流动的路线往往构成周而复始的回路叫做循环回路。水在锅炉循环回路中的流动，称为锅炉水循环。
锅炉的水循环可分为自然循环和强制循环两类，自然循环是利用上升管中汽水混合物的密度较下降管中的水为小，形成压力差，使锅水循环。强制循环是依靠水泵的推动作用强迫锅水循环。绝大部分工业蒸汽锅炉水循环都是自然循环。
按锅炉结构不同，锅炉中的水循环，有的只有一个循环回路，有的却有几个循环回路。
图1.8是自然循环锅炉单回路水循环的示意图。它构成的循环回路是：上升管1－锅筒2－下降管3－下集箱4－上升管1。
图1.9是自然循环锅炉多回路水循环的示意图。可以看出，图中1、3、5三组上升管（水冷壁管及对流排管）共同合用一组下降管4，构成三个水循环回路。

图1.8 单回路水循环原理示意图　　　　　图1.9 多回路水循环原理示意图
自然循环的原理是利用上升管中汽水混合物的密度较小，重量较轻，下降管中尚未汽化的水密度较大，重量较重，造成压力差，形成自然循环压头，使两段水柱之间失去平衡，导致锅水流动而循环。
　　水循环流动压头：是指下降管内的水与上升管内的水汽混合物之间的重量差或压力差。用△P表示，单位Pa。
△P＝H混（ρ′－ρ混） （1.23）
　　式中：
　　H混 ——上升管汽水混合物水柱的高度，m；
　　ρ′——下降管中水的重度，N/m3；
　　ρ混——上升管汽水混合物的平均重度，N/m3。
　　在自然循环过程中，每一循环回路都存在着流动阻力，即上升管和下降管的阻力之和。流动压头是用来克服流动中的全部阻力损失。
　　有效压头是指上升管产生的运动压头除去本身的流动阻力损失后剩余的压头，是用来克服下降管阻力的。有了足够的有效压力，才能保证工质不停的流动。
P有效＝ H混（ρ′－ρ混）－△P上升管 ＝ △P下降管 （1.24）
　　式中：
　　P有效——有效压头，N/m3；
　　H混 ——上升管汽水混合物水柱的高度，m；
　　ρ′——下降管中水的重度，N/m3；
　　ρ混——上升管汽水混合物的平均重度，N/m3；
　　△P上升管——上升管水流动阻力，N/m3；
△P下降管——下降管水流动阻力，N/m3。
2.3.2 影响水循环的因素
　　从上式计算中可以看出，良好水循环决定因素是：
　　1.锅炉工作压力
　　压力越高，气水密度差越小。工业锅炉一般都是低压锅炉，因此对循环比较有力。
　　2.受热强度
　　受热越强，上升管中工质的含汽量就越多，密度差就越大。因此，在自然循环锅炉中，随着负荷增加，回路的流动压头增大，使循环水量也随之增大，具有一定的自补偿能力，这是自然循环锅炉的一个优点。相反，如负荷很低，则水循环的稳定性就较差。所以工业锅炉低负荷运行对水循环的稳定性是不利的。
　　3.回路高度
对中低压工业锅炉来说，回路越高，流动压头越大。应注意尽量减少上升水平段的长度，因为增加水平段长度，流动压头不变，而阻力增加，将使有效压头减小，对水循环不利。
　　一般对0.8MPa表压力以下的锅炉，水冷壁的高度最好不少于2米，对于1.3MPa表压力的锅炉，水冷壁高度最好不少于3.5米。
4.上升管和下降管阻力应尽量减小
　　进入上升管的循环水量是标志水循环回路工作可靠性的重要参数，循环水量越大，工作越可靠。常用进入上升管的水流速来表示，称为循环水速，用W0表示，如下式：
W0 ＝，m/s （1.25）
　　式中：G——循环水量，kg/h；
　　　　　——上升管的截面积，m2；
　　　　　——水的比容，m3/kg。
　　上升管中进入的循环水量与产生的蒸汽量之比值，称为循环倍率，用K表示：
K＝ （1.26）
　　工业锅炉的循环倍率一般都比较大。对于蒸发量≤15t/h以下的锅炉，当蒸汽压力≤1.5MPa时，其循环倍率为150～200；当蒸汽压力为1.5～2.5MPa时，其循环倍率为50～100。
　　在一定的热负荷下，循环回路的有效压头Syx随循环水量G（或循环水速W0）增加而减小，这是因为含汽量减小，同时上升管的阻力也有所增大所致。另一方面，下降管阻力随着循环水量增加而增加。这样，可以绘制有效压头、下降管阻力与循环水量（或循环水速）的关系曲线，称为水循环特性曲线（如图）。
　　曲线的交点即是循环回路稳定工作的工作点。

图1.10 水循环特性曲线
　　工业锅炉对流管束是由多排密集布置的管束所组成，其特点是整个管束都吸收热量，没有独立的不受热的下降管。在这种情况下，对流管束中的工质如何流动，哪部分下升或下降，就要看那部分管子吸收的热量多少决定。根据烟气流动方向，在烟道前部的烟温高，吸热多，产生的蒸汽多，工质的密度小，是上升管，在烟道后部的则为下降管。
　　2.3.3 水循环故障
　　1.循环停滞　
　　是指受热最弱管子的有效压头小到不能克服下降管的阻力，这些管内的循环水速小到接近于零。此时上升管又引入于锅筒的蒸汽空间，则管内将会形成几乎静止不动的“自由水面”。这样就造成自由水面以上的管段冷却不良，而使管壁过热而爆裂。
　　2.倒流　
　　是指上升管受热极差而完全没有蒸汽产生，而相邻上升管受热好向上流动的作用下，这根上升管如同下降管，形成倒流。在倒流中管内存有汽泡，当流速较小时，汽泡会停滞，堵塞管子，引起管子烧损。
　　3.汽水分层　
　　是指上升管水平或微倾斜布置，在管内工质流速不高时，由于汽水密度不同，蒸汽则在管内上部流动，水则在管内下部流动，形成汽水分层。在锅炉运行中，往往造成管子上部壁温过高而烧坏。在汽水分离处，由于水波动，壁温时高时低，容易引起疲劳裂纹。
　　4.下降管带汽　
　　是指锅筒内水面上形成旋涡，蒸汽被旋涡吸入到下降管中；或下降管与上升管间距不远时，从上升管来的蒸汽很可能直接进入下降管中；或下降管受热，使下降管内水沸腾气化产生蒸汽。下降管带气会增加下降管水流动阻力；减少了下降管与上升管中工质的重度差，使流动压力减少，对水循环不利；若下降管带汽量较多，容易形成气塞，使水循环中断，不能对上升管可靠供水，造成爆管事故。
　　2.4 流体的层流和紊流
　　流体在直圆管中流动，当流速很小时，流体质点的流动轨迹呈现为直线，不与周围的流体相混杂，此种情况下的流动状态称为层流。当流速增大到一定数值时，流体质点在流动过程中不断相互混杂，流场内运动要素发生不规则的脉动现象，这种流动状态称为紊流。
　　层流与紊流这两种流动状态的形成，与流体的粘性系数μ、密度ρ、圆管的特征尺寸——直径d，以及特征流速——管内的平均流速υ等有关。
　　定义无量纲数：
Re＝ （1.27）
　　式中，ν为流体的运动粘性系数，
　　Re 称为雷诺数。
　　经过量纲分析可以得出，雷诺数就是判别流动形态的准则数。
　　逐渐增大流体的流速，Re随之增大，当Re超过某一临界值时，流动就由层流变为紊流。
　　工程上一般取Re＞2000时的流态为紊流，而取Re≤2000时的流态为层流。
第三章 工业锅炉分类
第01讲　工业锅炉分类
3. 工业锅炉分类
3.1 锅炉分类
经过200多年的发展，人们根据不同行业的不同需求，按不同的分类方法出现了众多的锅炉种类，主要的分类方法有：按锅炉用途分类、按锅炉结构分类、按锅炉循环方式分类、按锅炉出口压力分类、按锅炉燃烧方式分类等等。
分类方法
锅炉类型
简要说明
按用途分类
电站锅炉
生产的蒸气（水蒸气）主要用于发电的锅炉
工业锅炉
生产的蒸汽或热水用于工业生产和/或民用的锅炉
船用锅炉
用作船舶动力，一般采用低、中参数，大多燃油。要求锅炉体积小，重量轻
机车锅炉
用作机车动力，一般为小容量、低参数，火床燃烧，以燃煤为主，锅炉设计紧凑
按结构分类
锅壳锅炉
蒸发受热面主要布置在锅壳内，燃烧的火焰在管内而汽水在管外流动的锅炉
水管锅炉
烟气在受热面管子外部流动，工质在管子内部流动的锅炉
按循环方式
分类
自然循环
锅筒锅炉
依靠下降管中的水和炉内上升 管中的汽水混合物之间的密度差和重位高度产生的压差而推动水循环的锅筒锅炉
强制循环锅炉
主要依靠下降管和上升管之间装设水循环泵的压头推动水循环的锅炉，又称辅助循环锅炉
直流锅炉
受给水泵压头的作用，工质按顺序一次流过加热段、蒸发段和过热段等各级受热面而产生额定参数蒸气的锅炉。
按锅炉出口工质压力分类
低压锅炉
压力小于等于2.5Mpa
中压锅炉
压力为3.8Mpa≤P<5.3MPa
次高压锅炉
压力为5.3Mpa≤P<9.8MPa
高压锅炉
压力为9.8Mpa≤P<13.7MPa
超高压锅炉
压力为13.7MPa≤P<16.7Mpa
亚临界压力
锅炉
16.7MPa≤P<22.1MPa
超临界压力
锅炉
压力大于P ≥22.1MPa；
按燃烧方式
分类
火床燃烧锅炉
燃料主要在炉排上燃烧，主要用于工业锅炉，其中包括固定排炉、抛煤机炉、滚动炉排炉、下饲式炉排炉和往复炉排炉等。
火室燃烧锅炉
主要用于电站锅炉，燃烧液体燃料、气体燃料和煤粉的锅炉都是火室燃烧锅炉。火室燃烧时，燃料主要在炉膛空间悬浮燃烧。
旋风炉
有卧式和立式两种，燃用粗煤粉或煤屑。微粒燃料在旋风筒中央悬浮燃烧，较大煤粒贴在筒壁燃烧，液态排渣。
流化床燃烧
锅炉
送入炉排的空气流速较高，使大粒燃煤在炉排上面的流化床中翻腾燃烧，小粒燃煤随空气上升并燃烧。宜用于燃用劣质燃料，目前只用于工业锅炉。最近正在开发大型循环流化燃料锅炉。
按所用燃料或能源分类
固体燃料锅炉
燃用煤等固体燃料
液体燃料锅炉
燃用液体燃料（石油、燃料油、工业废液等）的锅炉
气体燃料锅炉
燃用气体燃料（天然气、高炉煤气、焦炉煤气等）的锅炉
余热锅炉
利用各种工业过程中的废气、废料或废液中含有的显然或（和）其可燃物质燃烧后产生热量的锅炉
原子能锅炉
利用核燃料在反应堆内裂变（或聚变）所释放热能作为热源的蒸汽发生装置
电热锅炉
以电力为能源并将其转化成为热能，从而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、热水或有机热载体的锅炉
生物质锅炉
以生物质能源（秸秆、薪柴、禽畜粪便、有机废渣等）做为燃料的锅炉
垃圾焚烧锅炉
焚烧炉是常用于医疗及生活废品、动物无害化处理方面的一种无害化处理设备
其他能源锅炉
利用地热、太阳能等能源的蒸汽发生器
按炉膛烟气
压力分类
负压锅炉
用引风机压头和系统所产生的自生通风压头（主要是烟囱）克服烟道和风道阻力，因而使风道、炉膛及烟道均处于负压状态下运行的锅炉
微正压锅炉
只配置送风机而不配置引风机，因而炉膛中烟气压力高于大气环境压力的锅炉。一般用于燃油和燃气的锅炉，炉膛设计压力一般在5KPa以下
平衡通风锅炉
用送风机和引风机压头和系统所产生的自生通风压头克服风道和烟道阻力，使炉膛顶部保持微负压运行的锅炉
按锅炉出厂
型式分类
整装锅炉
将锅炉本体和燃烧设备在制造厂内组焊完成，并进行完砌炉保温、包装等工作后整体出厂的锅炉
组装锅炉
将受热面部分和燃烧部分（炉排）分成多个组装件供货，在安装现场进行组合的锅炉。
散装锅炉
以零件、部件形式供货，发运到安装现场，由安装单位现场完成组装的锅炉
按工质分类
蒸气锅炉
用以产生蒸气（水蒸气）的锅炉
热水锅炉
用以产生热水的锅炉
有机热载体
锅炉
以有机质液体作为热载体工质的锅炉
其他工质锅炉
以熔盐等作为热载体工质的锅炉
　　从危害性及失效模式出发，突出本质安全思想，《锅炉安全技术监察规程》对锅炉设备分为A、B、C、D四个级别。
级 别
分 类
A级锅炉
A级锅炉是指p（表压，下同，注1）≥3.8MPa的锅炉，包括：
（1）超临界锅炉，P ≥22.1MPa；
（2）亚临界锅炉，16.7MPa≤P＜22.1MPa；
（3）超高压锅炉，13.7MPa≤P＜16.7MPa；
（4）高压锅炉，9.8MPa≤P＜13.7MPa；
（5）次高压锅炉，5.3MPa≤P＜9.8MPa；
（6）中压锅炉，3.8MPa≤P＜5.3MPa。
B级锅炉
（1）蒸汽锅炉， 0.8MPa＜P＜3.8MPa；
（2）热水锅炉， P＜3.8MPa，且t≥120℃（t为额定出水温度，下同）；
（3）气相有机热载体锅炉,Q＞0.7MW（Q为额定热功率，下同）；液相有机热载体锅炉， Q＞4.2MW。
C级锅炉
（1）蒸汽锅炉， P≤0.8MPa，且V＞50L（V为设计正常水位水容积，下同）；
（2）热水锅炉，P＜3.8MPa， 且t＜120℃；
（3）气相有机热载体锅炉, 0.1MW＜ Q≤0.7MW；液相有机热载体锅炉， 0.1MW＜ Q≤4.2MW。
D级锅炉
（1）蒸汽锅炉： P≤0.8MPa，且30L≤V≤50L；
（2）汽水两用锅炉（注2），P≤0.04MPa，且D≤0.5t/h（D为额定蒸发量，下同）；
（3）仅用自来水加压的热水锅炉，且t≤95℃；
（4）气相或者液相有机热载体锅炉, Q≤0.1MW。
注1：p是指锅炉额定工作压力，对蒸汽锅炉代表额定蒸汽压力，对热水锅炉代表额定出水压力，对有机热载体锅炉代表额定出口压力。
注2：其他汽水两用锅炉按照出口蒸汽参数和额定蒸发量分属以上各级锅炉。
3.2 工业锅炉分类
　　工业锅炉常见分类方法：
分类方法
锅炉类型
按锅炉本体型式
火管
立式水管（LS）、立式火管（LH）、立式无管
（LW）、卧式外燃（WW）、卧式内燃（WN）等
水管
单锅筒立式（DL）、单锅筒纵置式（DZ）、单锅筒横置式（DH）、双锅筒纵置式（SZ）、双锅筒横置式（SH）、强制循环式（QX）
按燃烧设备
固定炉排（G）、固定双层炉排（C）、链条炉排（L）、往复式炉排（W）、滚动炉排（D）、下饲炉排（A）、抛煤机（P）、鼓泡流化床燃烧（F）、循环流化床燃烧（X）、室燃炉（S）
按燃烧种类
燃煤
无烟煤（W）、烟煤（A）、褐煤（H）、贫煤（P）、型煤（X）、水煤浆（J）
燃油
油（Y）
燃气
气（Q）
生物质
木柴（M）、稻壳（D）、甘蔗渣（G）、秸秆等
余热

按出厂形式
整装、组装、散装
按供热工质
（热载体）
蒸汽、热水、有机热载体、其他