锅炉的水循环回路及蒸发受热面
锅炉原理 自然循环
简单循环回路和复杂循环回路
• 简单循环回路：由一根下降管（或一组结 构基本相同的下降管）与一个管屏（或一 组结构、位置、流动方向和热负荷基本相 同的管屏）连接而成的回路
• 区分独立循环回路。 • 具体计算回路的划分。受热最弱或阻力最
大、受热最强的上升管个别进行计算
上升管区段的划分
• 1。热水段要分开计算，下联箱到沸腾点是 热水段，采用单相流动计算公式
– 燃烧产生的腐蚀性气体对管壁的高温腐 蚀；
– 结渣和积灰导致的对管壁的侵蚀； – 煤粉气流或含灰气流对管壁的磨损。
• 管内的影响因素一般导致管子金属内壁 面上的连续水膜被破坏，出现传热恶化， 引起管壁工作温度超过金属材料的允许 温度。超温严重时管子强度下降，承压 能力下降。这时由于管内的工质压力的 作用，可导致管子局部“鼓包”、裂口， 以致发生爆管事故。
此时，管壁温度迅速上升，多数情况下管 壁过热而烧坏。 开始发生核态沸腾偏离时的热负荷称临界热负荷。
影响临界热负荷的因素分析：
（1）质量流速
质量流速对临界热负荷的 影响有两重性。质量含 汽率不变时，质量流速↑， 汽量↑，临界热负荷↓。 另一方面，质量流速↑， 携带蒸汽的速度↑，临界 热负荷↑。
高压时后者起主要作用。
• 2。热后段是否分出，热后段长度大于上升 管总长度10%，要分开进行计算
原因：汽水混 合物中含汽率 太高所致。
临界含汽率的影响因素：
（1）热负荷
热负荷与临界含汽率关系不大,但临界热 负荷↑，管壁温度↑。
（2）工质压力
工质压力较小时，压力↑，临界含汽率↑； 反之则相反。
（3）质量流速 质量流速，临界含汽率。 （4）管径 管径， 临界含汽率。
※对于超高压及以下的自然循环锅炉，在 循环正常时，由于热负荷和工质含汽率都较低， 不会发生传热恶化。
§4-5锅炉受热面讲解
下降管侧 Yxj p2 p1 H xj g pxj 上升管侧 Yss p2 p1 H hu g pss
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
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）
直径：1.7m左右
作用：
1与下降管、水冷壁构成水循环系统；
2接受省煤器来的给水，向过热器输送饱和蒸 汽；
2．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；
3．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；
4．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
水冷壁
水冷壁的作用
a. 吸收火 焰辐射 热 ，使 水蒸发 汽化； （介绍3种导热方式）
b. 保护炉墙； c. 将炉膛出口烟气温度冷却到要求的允
许值； d. 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
a，光管水冷壁；漏风，强度低， b，膜式水冷壁；密封性好，减少漏风，炉墙很薄，
循环流速w0及循环倍率K。
1．循环流速w0：工质流量下按管子截面计 算的饱和水速。
w0
G
'F
m/s
可理解为上升管的入口水速。
锅炉各受热面的结构及布置形式
锅炉各受热面的结构及布置形式一、省煤器省煤器在锅炉中的主要作用是：①吸收低温烟气的热负以降低排烟温度，提高锅炉效率，节省燃料。
②由于给水在进入蒸发受热而之前先在省煤器内加热，这样就减少了水在蒸发受热面内的吸热量，因此可用省煤器替代部分造价较高的蒸发受热面。
也就是以管径较小、管壁较薄、传热温差较大、价格较低的省煤器来代替部分造价较高的蒸发受热面。
③提高了进入汽包的给水温度，减少于给水与汽包壁之间的温差，从而使汽包热应力降低。
基于这些原因，省煤器已成为现代锅炉必不可少的部件。
按照省煤器出口工质的状态省煤器可分为沸腾式和非沸腾式两种。
如出口水温低于饱和温度，叫做非沸腾式省煤器，如果水被加热到饱和温度并产生部分蒸汽，就叫做沸腾式省煤器。
省煤器按所用材质又可分为铸铁式和钢管式，铸铁式耐磨损和耐腐蚀但不能承受高压。
钢管省煤器应用于大型锅炉，它是由许多并列（平行)的管径为28～42mm 的蛇形管组成。
蛇形管可以顺列也可错列。
为使省煤器受热面结构紧凑，一般总是力求减小管间节距。
管子多数为错列布置。
错列布置省煤器的结构如图6—3所示。
蛇形管的两端分别与进口联箱和出口联箱相连，联箱一般布置在烟道外。
省煤器的管子固定在支架上，支架支承在横梁上而横粱则与锅炉钢架相连接。
省煤器管子一般为光管，为了强化烟气侧热交换和使省煤器结构更紧凑可采用鳍片管、肋片管和膜式受热面，它们的结构如图6—4所示。
焊接鳍片管省煤器所占据的空间比光管式大约少20％～25％，轧制鳍片管省煤器可使外形尺寸减少40％一50％。
鳍片管和膜式省煤器还能减轻磨损。
这主要是因为它比光管省煤器占有空间小，因此在烟道截面不变的情况下，可采用较大的横向节距。
从而使烟气流通截面增大，烟气流速下降磨损减轻。
肋片式省煤器主要特点是热交换面积明显增大，这对缩小省煤器的体积、减少材料消耗很有意义。
主要缺点是积灰比较严重。
省煤器蛇形管通常均取水平放置，以利于停炉时排水。
而且尽可能保持管内的水自下而上流动以利于强制流动的水动力特性和便于排除水被加热后所释放的空气，避免引起管内空气停滞产生内壁局部的氧腐蚀。
热水锅炉水循环流程
热水锅炉水循环流程
锅炉水循环指水和汽水混合物在锅炉蒸发受热面中的循环流动，分为自然循环和强制循环两种。
自然循环指依靠水和汽水混合物的密度差维持的循环；强制循环指依靠回路中水泵的压头维持的循环。
正常的水循环可以保证锅炉蒸发受热面及时可靠的冷却，是锅炉安全运行的基本条件之一。
热水锅炉的水循环流程通常包括以下几个步骤：
1.锅炉给水和系统回水首先进入锅筒，然后通过锅筒的冷水区。
冷水区中的水
被炉膛加热后，通过第一出水口进入自然循环换热器的受热面。
2.冷水区中的水流通过第二出水口进入强制循环换热器的受热面，被加热后流
入锅筒的热水区。
3.在热水区，水流通过出水口进入省煤器，吸收烟气余热。
4.省煤器中的水再通过出水口进入锅筒，形成循环。
5.锅筒内的水流通过集水仓向左侧设置的引射水管冲向左侧第二束对流管
束，然后上升到锅筒，经出水管送到分水器。
6.这个过程确保了锅炉内的水持续被加热，并通过循环流动维持适宜的温度。
锅炉原理知识点总结
一．名词解释1.自然循环锅炉：蒸发受热面内的工质，依靠下降管中的水与上升管中的汽水混合物之间的密度差所产生的压力差进行循环的锅炉。
2.直流锅炉：给水靠给水泵的压头，一次通过锅炉各受热面产生蒸汽的锅炉。
3.强制循环锅炉：蒸发受热面内的工质，除了依靠水与汽水混合物的密度差以外，主要依靠锅水循环泵的压头进行循环的锅炉。
4.控制循环锅炉：在水冷壁上升管的入口处加装了节流圈的强制循环锅炉。
5.层燃炉：燃料在锅炉中的三种燃烧方式为层状燃烧、沸腾式燃烧、悬浮式燃烧。
层状燃烧就是将燃料置于固定或移动的炉排上，形成均匀的、有一定厚度的燃料层，空气从炉排底部通入，通过燃料层进行燃烧反应，采用层状燃烧的锅炉叫层燃炉。
6.流化床锅炉：流化床燃烧方式就是燃料颗粒在大于临界风速（由固定床转化为流化床的风速）的空气流速作用下，在流化床上呈流化状态的燃烧方式。
采用流化床燃烧方式的锅炉称为流化床锅炉。
7.煤粉炉：将煤磨制成煤粉，然后送入锅炉炉膛中燃烧，这种锅炉便是煤粉炉。
8.锅炉效率：锅炉效率是指锅炉有效利用热与单位时间内所消耗燃料的输入热量的百分比。
9.锅炉净效率：指扣除了锅炉机组运行时的自用能耗（热耗和电耗）以后的锅炉效率。
10.余热锅炉：指利用各种工业过程中的废气、废料或废液中的余热及其可燃物质燃烧后产生的热量把水加热到一定工质的锅炉。
11.火管锅炉：火管锅炉就是燃料燃烧后产生的烟气在火筒或烟管中流过，对火筒或烟管外水、汽或汽水混合物加热。
火管锅炉又称锅壳式锅炉。
12.水管锅炉：所谓水管锅炉就是水、汽或汽水混合物在管内流动，而火焰或烟气在管外燃烧和流动的锅炉。
13.温室气体：温室气体指的是大气中能吸收地面反射的太阳辐射，并重新发射辐射的一些气体，如水蒸气、二氧化碳、大部分制冷剂等。
它们的作用是使地球表面变得更暖，类似于温室截留太阳辐射，并加热温室内空气。
14.省煤器：是为了是给水在进入汽包先在尾部烟道吸收烟气热量，以降低排烟温度，提高锅炉效率，节约燃煤量，所以称为省煤器。
第七章 锅炉水循环和汽水分离
危害
当这一管段受热时，会引起上下温差应力以及汽水界 面的交变应力；在上部会结盐垢使壁温升高甚至过热
预防措施
• 一般情况下，随着蒸汽压力的增加，发生汽水分层的可 能性增加。因此要保证循环流速不低于0.6～0.8m/s、 倾角不小于15度、尽量避免流动死角等。
3.下降管带汽
• 正常情况下，下降管入口水流纯粹靠静压进入， 不会汽化；但是如果入口处阻力过高，将产生压 降，则锅筒内的饱和水在进入下降管的时候因压 力降低而汽化产生汽泡，造成下降管带汽，从而 使阻力增加，对水循环不利。 • 另一个原因是下降管管口距离锅筒水面太近，由 于上方水面形成的漩涡而将蒸汽吸入下降管；因 此下降管要尽量连接在锅筒底部或保证入口上方 有一定水位。 • 下降管受热强烈、下降管出口与上升管入口距离 太近并且没有良好的隔离装置也可能造成下降管 带汽。
• 锅炉水循环组织得好坏，汽水分离装置性能的 优劣都直接关系着锅炉工作的可靠性。
• 给水在锅炉内部按照一定的循环路线流动不已。在 流动过程中，水通过蒸发受热面被加热、汽化、产 生蒸汽；而受热面则依靠水循环将高温烟气传递的 热量带走，并使壁面温度保持在金属能够承受的工 作温度范围内，以保证长期稳定的工作。 • 如果水循环组织不良，管内侧的冷却水膜被破坏并 直接与高温蒸气接触，将使换热系数显著降低，壁 面温度大幅度提高，将造成受热面局部过热甚至烧 蚀、严重的时候发生爆管事故。 • 锅筒内是汽水混合物，借助重力与机械分离装置将 蒸汽里面的小水滴分离出来；如果分离效果不佳， 将造成蒸汽带水，这一方面将导致蒸汽过热器内壁 结垢甚至过热烧毁；对于电站锅炉，蒸汽带水将影 响汽轮机的工作，以及蒸汽管网的水击与腐蚀。
– 循环回路的高度越高，产生的动力压头越大，对水循环越有利 – 循环管道的结构特性，即各部分的阻力系数，阻力越小，流动 越好
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。
锅炉的水循环资料
4. 汽水分层：当汽水温合物在水平或倾斜度小的管中流 动时，受汽水重度差的作用，蒸汽倾向于在管内上部流 动，炉水倾向于在管内下部流动。当循环速度很低时， 会产生清晰的分界面，这个现象叫汽水分层(图2-7)。
西 安 交 通 大 学 锅 炉 研 究 所
在垂直管里一般不会发生汽水分层。当汽水混合物流速较 大时，即使在倾斜管段上，由于汽水相互搅动的作用，也 不致产生汽水分层。 当管内出现汽水分层时，由于处在分界面上部的蒸汽导热 系数很小，管璧得不到冷却，有可能过热烧坏。处在分界 面下部的管壁，由于炉水的冷却，不致烧坏。处在汽水分 界面的管壁，由于受到汽水交替接触，易使金属发生疲劳 而造成损坏。
表2-4 自然循环锅炉的循环倍率
10.2 常见的水循环故障
1．循环停滞：当某根上升管由于管壁结渣而受热较弱，这时管内的汽 水混合物不流动，或流动很慢(图2-5)，此时管内只有汽泡上升，而炉 水停滞不动，管内上部，几乎没有水，使管壁没有足够的水膜来冷却， 导致管壁烧坏。当发生循环停滞时，管内产生的蒸汽量等于进入管内 的水量，循环倍率为1。如果上升管从锅筒水面下接入时，管内随时充 满水，发生循环停滞，甚至倒转，也不致发生水管过热烧坏。当上升 管从锅筒水面上接入又发生循环停滞时，水管上部几乎无水，水管极 易过热烧坏。
西 安 交 通 大 学 锅 炉 研 究 所
• 10.3 自然循环回路的水动力基本方程 • 1. 循环回路 • 循环回路一般由下降管、上升管、锅筒、 集箱及其他部件所组成。 • 循环回路通常可分为简单回路和复杂回路。
1. 循环回路
并联的一组（根）下降管， 一组（根）几何结构尺寸及 吸热相同的上升管，及其他 部件所组成的独立循环系统 由一系列回路所组成，各 回路之间相互有联系，共 用其中的某一环节(如上升 管，下降管，锅筒)
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第二章锅炉的汽水流程
第一节锅炉的水循环回路及蒸发受热面锅炉炉膛为矩形，宽14442mm，深12430mm。
四周布置膜式水冷壁结构，以保证炉膛严密性。
在炉膛的高热负荷区使用了抑制膜态沸腾性能优异的内螺纹管，内螺纹管为单螺纹,高度约为1mm,宽度约为4mm,升角约为24°，节距约32mm 。
炉膛后墙布置有折焰角。
锅炉水循环的设计采用了控制循环锅炉技术，三台炉水循环泵由日本TORISHIMA（酉岛）公司采用KSB技术制造，泵的流量2050 m3/h，两台泵运行可带100％BMCR。
水循环系统采用集中供水，分散引入、引出方式。
蒸发受热面采用无缝钢管和内螺纹管，炉膛四壁的管子外径均为φ45.0mm。
水包代替全部下联箱，前后水冷壁下部组成内80度的V型炉底。
水冷壁上联箱由40根φ168.3mm的导汽管与汽包相联，4根φ406.4mm的集中下降管,在14米处汇集于φ508mm的炉水泵入口联箱。
三台炉水泵并列布置,正常运行时2台运行1台备用。
炉水在泵内提高压头后进入炉底环形水冷壁下联箱(水包)。
为了控制每根水冷壁管的流量以及相应的出口含汽率和膜态沸腾的裕度，确保水冷壁的安全，炉水经过下联箱管座附近设置的节流孔圈到达各水冷壁管中，节流圈孔径从10mm到16.5mm不等。
在水冷壁上开有燃烧器孔、窥视孔、人孔及吹灰孔等。
汽包筒体长15.84m，总长度18.04m，上半部分内径为1669mm，下半部内径为1675mm。
由于采用炉水泵后循环系统各部分允许有较高的阻力，汽包采用内夹层结构,便于快速启动停止变负荷。
66只汽水分离装置，第一级是旋风分离器，第二级为顶部波纹板分离器。
汽包上部没有布置均汽或洗汽多孔板。
汽包整个筒体的直筒部分由三段六块钢板卷制后焊接。
由于上筒体壁厚173mm下筒体壁厚167mm, 因此纵缝无法错缝焊接。
汽包设计压力为20.1MPa,上部设有4个DRESSER公司生产的弹簧全启式安全阀。
汽包正常水位为中心线下110mm,端部引出有连排管与事故放水管。
汽包水位显示控制有就地光学双色云母水位计、电接点水位计以及远传差压式水位计。
就地光学双色云母水位计水侧连接管下部有热补偿平衡管路与下降管连接，使得测量筒内液位接近真实水位。
汽包用U型吊杆悬吊, 吊杆上部垫片角度与热膨胀方向一致，筒体下部有外伸导柱插入导向框架内引导膨胀。
炉水由4根下降管引到炉水循环泵，炉水升压后进入水冷壁下水包，经过890根水冷壁管加热成汽水混合物进入水冷壁上集箱，再由40根引出管导入汽包内外壁夹层并分配到每个旋风分离器。
第二节过热器的汽水流程
过热器依蒸汽流程可以分为: 包覆过热器、一级过热器、“分割屏”二级过热器、“后屏”三级过热器。
炉顶及尾部烟道敷设了轻型炉墙，采用悬吊结构，设置了包覆过热器，所有包覆过热器均采用了膜式结构，以提高锅炉密封性能。
一级过热器为顺列逆流布置, 布置于尾部转弯烟室，设计采用了三种材料SA210-C,T1,T12。
均流板以及防磨瓦的设计与省煤器相同。
二级过热器为6片布置于炉膛上部的分割屏,为了节约制造成本,设计采用了五种材料T1，T12，TP347H，CASE2199，T91与多种规格Φ54*5.7（5.8，6.3，8.7，*8.9），Φ50.8*5.3（5.4,5.8,5.9,9.0）。
外圈管Φ54通流面积较大,管内有较多流量流过冷却以吸收由于位置不同而承受的较大热流密度。
多种管材要求安装中采用多种手段避免错用焊材,检修换管时必须多加注意防止错用管材焊材。
三级过热器为26片后屏布置于炉膛折焰角上部,蒸汽流向为顺流。
采用了四种材料T12，TP347H，CASE2199，T91与多种规格规格Φ54* 6.4，（6.5，7.4，9.3）；Φ48.6*5.9（6.7，7.4，7.9）,安装和检修中同样须多加注意。
二级过热器每片屏有两根缠绕管从二级过热器入口联箱引出,至三级过热器出口联箱,缠绕交叉两次夹紧6片二级过热器管屏与6片三级过热器管屏。
规格为Φ63.5*6.2（7,7.2,7.3,9.4），材质为T1，T12，TP347H，CASE2199（变厚度，变材质，存在异种钢接头；同样需要检修中认真区分）。
过热器的流程为：汽包→顶棚过入口联箱→164根顶棚管（前部）→110根顶棚管（后部）→110根尾部烟道后包覆管→尾部烟道后墙出口联箱→尾部烟道左、右墙、前墙包覆入口联箱→162根尾部烟道侧包覆管、55根尾部烟道前墙悬吊管、110根尾部烟道前包覆管→尾部烟道出口联箱→2根一级过入口联络管→一级过入口联箱→440根一级过管道→一级过出口联箱→二级过入口联箱→440根二级过管道→二级过出口联箱→三级过入口联箱→468根三级过热器管→三级过出口联箱→主蒸汽管道。
过热器设有两级减温器,每级两个。
一级减温器布置在一二级过热器之间蒸汽连接管上，两根连接管左右交叉布置以减少沿炉膛宽度的吸热不均。
二级减温器布置在二三级过热器之间蒸汽连接管。
主蒸汽温度（汽轮机MSV入口）在50%～100%BMCR范围内，主汽温度应保持 538±5℃。
一级减温器用于调节二级过出口汽温（控制在480℃），二级减温器做为细调主要调节主汽温度。
过热器喷水总量约为80t/h。
第三节再热器的汽水流程
再热器依蒸汽流程可以分为:炉内辐射式一级再热器,布置于炉膛水平烟道的二级过热器与三级过热器。
一级再热器布置在40m—55m炉膛前墙以及左右墙前部，以减少蒸发受热面吸收的辐射热。
再热器管排与水冷壁之间距离仅有75mm。
二级,三级再热器的特点是没有中间联箱避免了蒸汽流经联箱阻力,连接管为320根小径(等外径)连接管。
二级为40片(8管圈),三级再热器为64片(5管圈)。
设计要求降低流动阻力因此没有蒸汽左右交叉或混合手段,左右两侧出口汽温偏差略大于合同规定值10度。
二级,三级再热器采用的钢材类似二,三级过热器。
再热器的流程为：高压缸排汽→一级再热器入口联箱→439根一级再热器管道→一级再热器出口联箱→2根二级再热器入口联络管→二级再热器入口联箱→320根二、三级再热器管道→三级再热器出口联箱→再热主蒸汽管。
再热汽温（中压联合汽门前）在60%～100%BMCR范围内，再热蒸汽温度应保持538±5℃。
再热器采用改变燃烧器摆角来实现正常再热汽温的调节，当负荷大于140MW时，燃烧器摆角可自动调节。
再热器喷水减温用于紧急情况，且喷水量不得大于2%ECR。
第四节省煤器的汽水流程
省煤器为顺列逆流非沸腾式，位于尾部竖井烟道,一级过热器下部，空气预热器上部。
省煤器分为上下两段，下段为水平蛇形管省煤器,顺列逆流布置。
除了最上部一根管是光管外其余全部是外螺旋鳍片管。
蛇形管采用φ45mm的螺旋鳍片管共330根，悬吊管采用165根φ57.1mm和165根φ50.8mm的钢管。
采用扩展受热表面使得水平蛇形管管排数量减少,烟气流面积增加，烟气流动速度降低减轻了磨损。
省煤器首排管不装设防磨瓦,在尾部烟道四周设计有方环形宽度约400mm的不锈钢均流板。
在均流板上部设计有与各侧墙包墙管之间耐火浇注材料,防止形成烟气走廊(此项为三菱重工专利)。
仅有在均流板附近管排才布置有不锈钢防磨瓦,保护管子避免过度磨损。
省煤器上段为垂直悬吊管,承受低温水平蛇形管省煤器以及省煤器上方布置的一级过热器的重量载荷。
所有受热面采用顺列布置，为防止结渣和积灰，前后屏过热器分别采用了2088mm和522mm的特宽节距，烟气温度较高的二、三级再热器和过热器也采用了较宽的节距。
整个对流受热面还布置了20台吹灰器。