蒸发系统及蒸发受热面
蒸发系统及蒸发受热面
第一节 概述 第二节 直流锅炉蒸发受热面的水动力特性 第三节 姚电600MW超临界锅炉蒸发系统 第四节 蒸发受热面工作的安全性
一、蒸发系统的组成及工作特点
2.工作特点 1) 蒸发受热面与水冷壁的关系 A 30%MCR以下 B 30%MCR以上 2)蒸发受热面的工作特点 A 传热特点 B 工质流动特点
B 2dL 1ri 1
C
L2q d2r
1
水动力特性的曲线说明
1.水动力特性曲线是压差ΔP与质 量流速(ρw)的关系曲线； 2.由于是一三次方程,最一般的情 况是有三个根,即同一个压差对应 三个质量流速的情形; 3.同一个压差对应多个质量流速 的特性,称为水动力特性的多值性 或者水动力特性的多值性; 4.影响:同一根管中的流量忽大忽 小;并列管中压差相同的情况下, 流量不同,而且差别很大,造成蒸发 受热面的流量偏差及热偏差。
一、蒸发系统的流动阻力
1、水动力特性 1）各工况下，锅炉管内工质的流量分配； 2）蒸发受热面系统内，当热负荷一定时，工质流量与
压降的关系，即 △P=f(ρw) A 单值性 压降△P 与质量流速(ρw) 一一对应；锅炉
管两端的压降决定了质量流速，两端的压降（阻力） 相同，流量相同。单相流体的流动特性是单值性的。 B 多值性 蒸发受热面中，两相流动，在一定的条件 下：同样的压降△P 、受热条件下，对应多个流量 (ρw)的情况；且流量值差别很大的情况。
根本原因：热水段与蒸发段共存。
热水段阻力与蒸发段阻力
三）、水动力特性多值性的影响因素
1、入口水温（入口水欠焓） 2、压力 3、热负荷、4、热水段阻力 入口欠焓越小 （进口水温越高） 水动力特性越稳定
入口水温（入口水欠焓 ）对水动力特性的影响
锅炉蒸发受热面的结构介绍
锅炉蒸发受热面的结构介绍进入锅炉的工质（如给水）在锅炉中吸热汽化的受热面称为锅炉蒸发受热面。
在热水锅炉和超临界压力锅炉中不存在蒸发受热面,水冷壁用作加热工质的辐射受热面.锅炉蒸发受热面以布置在炉膛中的吸收辐射热的水冷壁为主,称为辐射蒸发受热面.在低压锅炉中,由于水冷壁吸热不能满足全部工质汽化热的需要,因而在对流烟道中还需布置吸收对流传热量的锅炉管束,称为对流蒸发受热面.另一种对流蒸发受热面为中、高压锅炉中的凝渣管束.凝渣管束由炉膛后水冷壁出口烟窗处“拉稀”形成,其作用为保护炉膛出口处的对流过热器不结渣堵塞（文章来源：河南永兴锅炉集团转载请注明！）一、对流式过热器结构?对流式过絷器由一系列蛇形钢管和两个或更多的集箱构成。
蛇形管由无缝钢管弯制而成。
过热器管束常作顺列布置。
过热器管一般为光管，这种管子具有积灰少，易制造和价廉的特点，但如烟速低时，则光管的传热效果差。
为了强化烟气的传热，可采用带纵肋的鳍片管或带环状圆肋的肋片管作为过热器，这样可减小过热器的受热面和尺寸。
二、辐射式过热器结构?辐射式过热器主要布置在炉膛壁面上，吸收炉膛中辐射热量加热蒸汽，所以也称墙式过热器。
如与对流式过热器一起采用，有利于改善汽温调节特性。
这种过热器金属耗量少但因炉膛热负荷高和管内蒸汽冷却性能差，应注意运行安全性。
在起动时应采用给水冷却或用其他锅炉的蒸汽冷却等方法来保证辐射式过热器管得到冷却。
辐射式过热器管的我么范围与对流过热器的相同。
三、锅炉管束与凝渣管束结构凝渣管束布置在炉膛出口处，由后墙水冷壁管拉稀成为*列的几排对流管束。
凝渣管束管子外直径与后水冷壁管管径相同。
其纵向节距和横向节距与管子外直径的比值一般为3~5。
凝渣管束用于中、低压锅炉和旧式高压锅炉。
在现代高压和超高压锅炉中常采用屏式过热器降低炉膛出口烟气温度以防止后置的密集过热器受热面管束结焦堵塞。
四、自然循环锅炉的水冷壁结构一般锅炉水冷壁回路均由不受热的下降管和作为上升管的受热水冷壁管构成。
自然循环原理
S yx H q g ( q ) Pss S yd Pss Pxj
3、影响回路水循环特性的因素 1）锅炉工作压力 2）上升管热负荷 3）回路的重位高度 4）循环回路的阻力
（二）下降管和联箱 1、下降管： 下降管的作用是将汽包中的水连续不断的送往下连箱供 给水冷壁，以维持正常的循环的。下降管布置在炉外不受热， 并加以保温。 下降管分为小直径分散下降管和大直径集中下降管两种。 小直径分散下降管的管径一般为Φ 108、Φ 133和Φ 159；大 直径集中下降管的管径一般为Φ 325、Φ 426和Φ 508。 2、联箱： 联想的作用是汇集、混合和分配工质。它一般有无缝 钢管两端焊上弧形封头构成，出厂时联箱上带有管接座，在 现场将要连接的管子与管接座对焊起来。联想一般不受热， 材料常用20号碳钢。
(二)、自然循环工作的可靠性指标 1、循环流速w0：循环回路中水进入上升管时的速度。
w0
பைடு நூலகம்
G 3600 ss f
m/s
1）为避免上升管入口段沉积泥渣，w0不小于0.3 m/s； 2）供热锅炉水冷壁的w0=0.4~2m/s，对流管束 G w 3600 f w0 =0.2~1.5 m/s。 2、循环倍率K：由下降管进入上升管的水量G与同一时间在上 升管中产生的蒸汽量D之比。
4-1 自然循环原理
图1-8
自然循环锅炉
图1-9 自然循环锅炉
2、特点： 自然循环锅炉的特点有：
有汽包，汽水流动特性简单；
水冷壁管径大、直； 水容量大，蓄热能力大，锅炉启动、停止速度受限； 对给水品质要求低； 金属耗量两大。 19MPa以下的锅炉压力可以采用。
化工原理蒸发
化工原理蒸发
蒸发是化工过程中常见的一种分离技术，它利用物质在加热的条件下从液态转
变成气态的特性，实现了液体混合物的分离和浓缩。
蒸发技术在化工工业中有着广泛的应用，涵盖了食品加工、化学工业、环境保护等多个领域。
在化工原理蒸发中，液体混合物首先被加热至其沸点以上，使得部分液体蒸发
成为气体。
然后，通过冷凝器将气体冷却，使其再次变成液体，从而实现了混合物中不同组分的分离。
这一过程中，蒸发器和冷凝器是两个关键的设备，它们的设计和操作直接影响到蒸发过程的效率和成本。
在蒸发过程中，选择合适的蒸发器类型对于实现高效的分离和浓缩至关重要。
常见的蒸发器类型包括单效蒸发器、多效蒸发器、膜蒸发器等。
每种类型的蒸发器都有其适用的场景和特点，化工工程师需要根据具体的情况选择合适的设备。
另外，冷凝器的设计也是影响蒸发效率的重要因素之一。
通过合理的冷却系统
设计和运行参数的优化，可以有效地提高冷凝效率，减少能源消耗，降低生产成本。
除了设备的选择和设计，蒸发过程中的操作条件也对分离效率起着重要的作用。
例如，控制蒸发器的进料流量和温度，调节冷凝器的冷却水流量和温度等操作参数都会影响到蒸发过程的效率和产品质量。
总的来说，化工原理蒸发是一种重要的分离技术，它在化工工业中有着广泛的
应用。
通过合理选择设备、优化设计和操作条件，可以实现高效的分离和浓缩，为化工生产提供了重要的支持和保障。
余热锅炉组成及工作过程
余热锅炉组成及工作过程通常余热锅炉由省煤器、蒸发器、过热器以及联箱和汽包等换热管组和容器等组成，在有再热器的蒸汽循环中，可以加设再热器。
在省煤器中锅炉的给水完成预热的任务，使给水温度升高到接近饱和温度的水平；在蒸发器中给水相变成为饱和蒸汽；在过热器中饱和蒸汽被加热升温成为过热蒸汽；在再热器中再热蒸汽被加热升温到所设定的再热温度.过热器的作用是将蒸汽从饱和温度加热到一定的过热温度。
它位于温度最高的烟气区，而管内工质为蒸汽，受热面的冷却条件较差，从而在余热锅炉各部件中最高的金属管壁温度。
省煤器的作用是利用尾部低温烟气的热量来加热余热锅炉给水，从而降低排气温度，提高余热锅炉以及联合循环的效率，节约燃料消耗量。
常规锅炉的省煤器分为沸腾式和非沸腾式两种，前者允许产生蒸汽而后者不允许。
通常不希望联合循环中的余热锅炉在省煤器中产生蒸汽，因为蒸汽可能导致水击或局部过热，在机组刚起动以及低负荷时，省煤器管内工质流动速度很低，此时较容易产生蒸汽。
采用省煤器再循环壁可以增加省煤器中水的质量流量，从而解决这个问题。
还有些用户布置烟气旁路系统，在部分负荷时将部分省煤器退出运行，这样也可以增加省煤器的工质流速在蒸发器内，水吸热产生蒸汽。
通常情况下只有部分水变成蒸汽，所以管内流动的是汽水混合物。
汽水混合物在蒸发器中向上流动，进入对应压力的汽包。
在自然循环和强制循环的余热锅炉中，汽包是必不可少的重要部件。
汽包除了汇集省煤器给水和汇集从蒸发器来的汽、水混合物外，还要提供合格的饱和蒸汽进入过热器或供给用户。
汽包内装有汽水分离设备，来自蒸发器的汽水混合物进行分离，水回到汽包的水空间与省煤器的来水混合后从新进入蒸发器，而蒸汽从汽包顶部引出。
汽包的尺寸要大到足以容纳必需的汽水分离器装置，并能适应锅炉符合变化时所发生的水位变化，因此是很大的储水容器，从而具有较大的水容量和较多热惯性，对负荷变化不敏感。
汽包通常不受热，因为在接近饱和温度下运行时抗拉和屈服强度是关键的。
蒸发过程安全操作——蒸发过程及危险性分析
蒸发过程安全操作——蒸发过程及风险分析在化工、医药和食品加工等工业生产中，通常需要用固体溶质浓缩稀溶液，以得到高浓度溶液或析出固体产品，此时应采用蒸发操作。
蒸发是通过加热蒸发并去除稀释溶液中的部分溶剂，从而使溶液浓度提高的一种单元操作，其目的是为了得到高浓度的溶液。
例如：在化工生产中，用电解法制得的烧碱(NaOH溶液)的质量浓度一般只在10％左右，要得到42％满足工艺要求的左右浓缩碱液需要蒸发。
由于稀碱液中的溶质NaOH不具有挥发性，而溶剂水具有挥发性，因此生产上可将稀碱液加热至沸腾状态，使其中大量的水分发生汽化并除去，这样原碱液中的溶质Na0H的浓度就得到了提高。
又如：食品工业中利用蒸发操作将一些果汁加热，使一部分水分汽化并除去，以得到浓缩的果汁产品。
除此之外，蒸发通常也用于先蒸发原液中的溶剂，然后加以冷却以得到固体产品，如食糖的生产、医药工业中固体药物的生产等都属此类。
在工业生产中应用蒸发操作时，需认识蒸发如下几方面的特点。
①蒸发的目的是为了使溶剂汽化，因此，蒸发溶液应由挥发性溶剂和非挥发性溶质组成，这一点与蒸馏操作中的溶液是不同的。
整个蒸发过程中溶质数量不变，这是本章物料衡算的基本依据。
②溶剂的汽化可分别在沸点以下和沸点处进行。
在低于沸点时进行，称为自然蒸发。
如海水制盐用太阳晒，此时溶剂的汽化只能在溶液的表面进行，蒸发速率缓慢，生产效率较低，故该法在其他工业生产中较少采用。
若溶剂的汽化在沸点温度下进行，则称为沸腾蒸发，溶剂不仅在溶液的表面汽化，而且在溶液内部的各个部分同时汽化，蒸发速率大大提高。
本章只讨论工业生产中普遍采用的沸点汽化。
③蒸发操作是一个传热和传质同时进行的过程，蒸发速率取决于过程中较慢步骤的速率，即热量传递速率，因此工程上通常把它归类为传热过程。
④由于溶液中溶质的存在，在溶剂蒸发过程中，溶质容易在受热面上沉淀并形成污垢，影响传热效果。
当该溶质为热敏性物质时，还有可能因此而分解变质。
锅炉主要受热面
对于中压锅炉，也采用纯对流过热器，布置在炉膛出口 的水平烟道中。过热器分成两级，蒸汽的低温级布置在低 温部分，采用碳钢作为材料，常用逆流布置；蒸汽的高温 级布置在烟气的高温部分，部分或全部应用低合金钢作为 材料，常用顺流或混流布置，使蒸汽的最高温度处布置在 烟温比较适中的地方。在两级过热器之间用中间集箱连接， 使蒸汽混合，并作左右交叉。 在高压和超高压以上的锅炉中，广泛采用屏式过热器， 也有用辐射过热器，组成辐射—对流过热器系统。为减轻 热偏差的影响，常需把过热器分成更多的级数。 在大型锅炉中，一般均采用一次再热的系统，再热器的 布置与采用的保护方式有关。如果不设旁路保护，再热器 一般布置在过热器之后其烟温应低于850℃，在启动及汽轮 机甩负荷时，允许再热器短时间干烧。如设旁路时，再热 器一般与过热器交叉布置。
因此在炉膛出口还需要布置这样的对流受热面。通常在管束中 用耐火砖把烟道隔成几个流程，同时各流程的烟气流通截面随 烟气温度降低而逐渐缩小，以保持足够高的烟气流速。一般采 用Φ51*3的管子作锅炉管束，节距S1=100mm，S2=95mm，弯 管半径R=160mm。
凝渣管是布置在炉膛出口的对流管束。这个管束在结构上 横向和纵向节距都设计得很大，因此它本身不容易结渣，即使 在锅炉燃烧不正常时在凝渣管上结了一些渣也不容易把烟气通 道堵塞。同时烟气流过这个管束时，它的温度会降低几十度， 烟气中携带的飞灰就会因此而凝固，不致粘接在受热面上。凝 渣管可以保护后面密集的过热受热面不结渣堵塞，因此有时它 也称为防渣管束。一般锅炉中的凝渣管常由后墙水冷壁上部拉 稀组成。一般采用Φ60*3.5和Φ60*5的管子，节距S1/d=3-5， S2/d=3-5。现代高压锅炉及超高压锅炉一般不采用凝渣管的结 构，而以在炉膛出口的屏式过热器来代替，同时炉顶也布置顶 棚过热器。
第五章 蒸发受热面
• 汽包的作用
– 作为给水加热、蒸发和蒸汽过热受热面的连接点；也是循环系统的 重要部件；实现汽水分离。保证循环回路的正常循环和获得优良品 质的蒸汽。 – 汽包容积大，储水多，有一定的蓄热能力，在锅炉负荷变动时具有 一定的缓冲能力，在运行调节中起重要作用。厚壁金属，影响启动 速度。 – 汽包内装有多级汽水分离设备，对来自水冷壁的汽水混合物进行分 离。 – 对循环的锅炉水进行适当的化学处理；进行连续排污。 （定期排污）
能源与环境学院 Energy & Environment
3
第二节 汽包锅炉蒸发受热面系统
二、控制循环锅炉
中国 南京
• 蒸发受热面系统的特点（与自然循环锅炉的差异）
– 下降管下端设置了锅炉水的循环泵。循环倍率一般在K＝ 2～5之间，有的还低于2。 – 循环系统回路简单。但加装节流圈。 – 循环泵的设置可使整个循环回路的设计有更多选择的余 地。 • 示例：600MW控制循环锅炉蒸发受热面系统简图
图5-1 自然循环锅炉水和蒸发系统 1－省煤器；2－前墙水冷壁；3－右墙水冷壁；4－后墙水冷壁；5-汽包；6－供 水管分配器； 7－左墙水冷壁；8－省煤器再循环管；9－后墙悬吊管；10－集中 能源与环境学院 12 －汽水混合物引出管。 下降管；11－供水管；12 Energy & Environment
汽包锅炉蒸发受热面系统组成：汽包－下降管（或下降管加循 环泵）－水冷壁下联箱－水冷壁(上升管) －水冷壁上联箱－ 汽水引出管－汽包汽水分离器。
能源与环境学院 Energy & Environment
4
第三节 汽包锅炉水冷壁
一、水冷壁的作用
中国 南京
作为蒸发受热面，用于吸收炉内高温火焰的辐射 热，使进入管内的工质（水）产生蒸汽。 二、水冷壁的结构形式
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进口水有欠焓时，受热管中工质参数的变化
G
二、平置蒸发管的水动力特性分析
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Q
当管子均匀受热时，每米管长的热负荷为：
一）、水动力特性曲线分析
1.当(ρw)< (ρw)q 时 管内实际已经不存在热水段和蒸
发段，全部行程均为过热段； （极端情况之一）当工质流量相 对于热负荷极小的情况下才会发 生； 2.当(ρw)q <(ρw)< (ρw)s 时 处在对值性的阶段,水动力特性 不稳定； 3. (ρw)>(ρw)s时 管内全部为热水段.(极端情况之 一）当工质流量相对于热负荷极 大的情况下才会发生；
一、蒸发系统的流动阻力
1、水动力特性 1）各工况下，锅炉管内工质的流量分配； 2）蒸发受热面系统内，当热负荷一定时，工质流量与
压降的关系，即 △P=f(ρw) A 单值性 压降△P 与质量流速(ρw) 一一对应；锅炉
管两端的压降决定了质量流速，两端的压降（阻力） 相同，流量相同。单相流体的流动特性是单值性的。 B 多值性 蒸发受热面中，两相流动，在一定的条件 下：同样的压降△P 、受热条件下，对应多个流量 (ρw)的情况；且流量值差别很大的情况。
典型工作过程图
四、蒸发系统的设计特点
汽包炉
水循环、垂直管屏、汽包的作用 汽包水位、储热、工质能力强 正常的水循环和循环倍率保证安全
直流炉
水冷壁设计自由、三种主要形式 大的质量流速、小流通面积、小管径 靠给水泵克服流动阻力、（1.96MPA)
自然循环
Ф60
参考数据
强制循环
直流锅炉
Ф44.5
B 2dL 1ri 1
C
L2q d2r
1
水动力特性的曲线说明
1.水动力特性曲线是压差ΔP与质 量流速(ρw)的关系曲线； 2.由于是一三次方程,最一般的情 况是有三个根,即同一个压差对应 三个质量流速的情形; 3.同一个压差对应多个质量流速 的特性,称为水动力特性的多值性 或者水动力特性的多值性; 4.影响:同一根管中的流量忽大忽 小;并列管中压差相同的情况下, 流量不同,而且差别很大,造成蒸发 受热面的流量偏差及热偏差。
二）、水动力特性多值性的原因分析
当管子吸热量不变的情况下，随着质 量流速的减少，加热区段的流速降低， 热水段的动压头减少；与此同时，蒸 发段的长度和汽水混合物的流速却急 剧增加，蒸发段的动压头却急剧增加； 两者之和呈增加的趋势。
后来，随着汽水混合物平均密度的减 少，趋于平稳。
当质量流速减少到一定的程度时，总 的动压头随着质量流速的减少而逐渐 减少。
Ф38、 Ф22、 Ф25 （600MW）（300MW）
五、炉内燃烧对蒸发系统工作的影响
汽包炉
直流炉
汽包水位控制、给水量 燃料量、蒸发量（出力）
最低给水量 30%MCR 燃料量、给水量、出力 燃料量、汽温
结渣现象
出力不足
汽温不足
第二节 直流锅炉蒸发受热面的水动力特性
一、蒸发系统的流动阻力 二、平直蒸发管中水动力特性的多值性 三、立直蒸发管中水动力特性的多值性 四、蒸发受热面中流体的脉动
水动力特性示意图
2、蒸发受热面内的阻力计算
蒸发受热面内的阻力（压降）主要有以下几项： △P= △Plz+ △Pjs+ △Pzw △Plz= △Pm+ △Pjb △Plz:流动阻力损失； △Pm：摩擦阻力损失（沿程阻力损失）； △Pjb ：局部阻力损失； △Pjs ：加速度压力损失； △Pzw ：重位压头；
二 蒸发受热面工作原理
1、自然循环锅炉的工作原理
运动压头 自平衡状态
2、压力参数的变化对锅炉的影响 3、超临界机组必须采用直流锅炉 4、直流锅炉带来的新问题
水动力特性多值性、管子结垢、控制要求高、储水不 足容易干锅、参数变化快等
三、蒸发受热面的工作过程
1、水蒸汽状态参数的概念及其状态参数T、S的意义 2、T-S图上饱和线的意义 3、火电厂生产过程线及循环效率 4、压力参数对过程线的影响 5、超临界的意义及其在不同工况下所处的状态线及其特点 6、说明饱和过程线与水冷壁的联系、蒸发段变化的根源 7、直流锅炉区段变化的概念及工作过程
ql
热水段长度可求出为：
lrsiG Ql
i(w)f
ql
l
i ：欠焓
f ：管子流通面积 G：单位时间内工质流量
x 2 q l/[w ( )d ] i/2
将 、l zf 、l rs 、 rs 、 zf x 代入上式得到：
二、平置蒸发管的水动力特性分析
P A 3 B 2 C
A8 qi 1 2r i 1蒸系统及蒸发受热面第一节 概述 第二节 直流锅炉蒸发受热面的水动力特性 第三节 姚电600MW超临界锅炉蒸发系统 第四节 蒸发受热面工作的安全性
一、蒸发系统的组成及工作特点
2.工作特点 1) 蒸发受热面与水冷壁的关系 A 30%MCR以下 B 30%MCR以上 2)蒸发受热面的工作特点 A 传热特点 B 工质流动特点
根本原因：热水段与蒸发段共存。
热水段阻力与蒸发段阻力
三）、水动力特性多值性的影响因素
1、入口水温（入口水欠焓） 2、压力 3、热负荷、4、热水段阻力 入口欠焓越小 （进口水温越高） 水动力特性越稳定
入口水温（入口水欠焓 ）对水动力特性的影响
三）、水动力特性多值性的影响因素
1、入口水温（入口水欠焓） 2、压力 3、热负荷、4、热水段阻力
二、平置蒸发管的水动力特性分析
工质的进口水温对蒸发管中的流动特性起决定性的影响， 当工质有欠焓时，蒸发管分为热水段和蒸发段；各段的长度 取决于热负荷水流量的比值。当热负荷一定时，增大水流量， 热水段加长，蒸发段缩短，蒸发管内的产汽量减少。蒸发管 内的流动阻力也由两部分组成：
△P= △Plz+ △Pjs+ △Pzw= 对于平置蒸发管△Pzw==0， △Pjs=0 ， △Pm» △Pjb △P= △Pmrs+ △Pmzf