第三章 锅炉本体

第三章锅炉本体3.1 省煤器3.1.1 概述在锅炉尾部烟道的最后，烟气温度仍有400℃左右，为了最大限度地利用烟气热量，大型锅炉在尾部烟道都布置一些低温受热面，通常包括省煤器和空预器。

省煤器的作用就是让给水在进入锅炉前，利用烟气的热量对之进行加热，同时降低排烟温度，提高锅炉效率，节约燃料耗量。

省煤器的另一作用在于给水流入蒸发受热面前，先被省煤器加热，这样就降低了炉膛内传热的不可逆热损失，提高了经济性，同时减少了水在蒸发受热面的吸热量。

因此采用省煤器可以取代部分蒸发受热面。

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。

因此，省煤器的作用不仅是省煤，实际上已成为现代锅炉中不可缺少的一个组成部件。

省煤器按布置方式可分为错列布置和顺列布置。

错列布置结构紧凑，传热系数较大，但加大了管子的磨损。

顺列布置则可以减轻省煤器磨损，且易于清灰。

大型锅炉一般采用纵向鳍片管、螺旋型鳍片管和整焊膜式受热面制造省煤器，以增大烟气侧的换热面积，节约金属耗量，降低管组高度和减小烟气侧阻力，并可减轻省煤器磨损。

3.1.2 结构特点本厂锅炉省煤器布置于后烟井前后烟道的下部，顺列布置，以逆流方式与烟气进行换热。

省煤器管束采用φ44.5×6mm、材料为SA-210C的光管，外加H型鳍片（如图3-1）。

省煤器鳍片管的采用可以增大烟气侧的换热面积，提高换热效果，使得大管径和顺列布置的采用得以实现，对减轻省煤器的磨损有较好的效果。

给水经省煤器的入口汇集集箱分别供至前后的省煤器入口集箱。

省煤器向上形成共2排吊挂管，用于悬挂前后竖井中所有对流受热面，悬挂管材质为SA210C，省煤器入口集箱为φ356×65，材质为SA106C；省煤器中间集箱为φ219×40，材质为SA106C；省煤器出口集箱置于锅炉顶棚之上，采用φ406×65的规格，材质为SA106C。

由省煤器出口集箱引出2根φ457×65的连接管将省图3-1 鳍片管省煤器煤器出口水向下引到水冷壁入口集箱上方两只混合器，再用连接管分别将工质送入各水冷壁的入口集箱。

省煤器入口有取样点，并有其相应的接管座及一次门。

省煤器进口联箱上装有疏水，并带有相应的阀门。

省煤器在最高点设置排放空气的接管座和阀门。

3.1.3 省煤器积灰与磨损3.1.3.1 省煤器积灰进入省煤器区域的烟气已没有熔化的飞灰，碱金属（钠、钾）氧化物蒸汽的凝结也已结束，所以省煤器的积灰，容易用吹灰方法消除。

进入省煤器区域的飞灰，具有不同的颗粒尺寸，属于宽筛分组成，一般都小于200μm，大多数为10～20μm。

当携带飞灰的烟气横向冲刷蛇形管时，在管子的背风面形成涡流区，较大颗粒飞灰由于惯性大不易被卷进去，而小于30μm的小颗粒跟随气流卷入涡流区，在管壁上沉积下来，形成楔形积灰。

省煤器受热面积灰后，使传热恶化，排烟温度升高，降低锅炉效率，积灰可能使烟道堵塞，轻则使流动阻力增加、降低出力，严重时可能被迫停炉清灰。

锅炉运行时，为防止或减轻积灰的影响，除保证烟气速度不能过低外，至关重要的是及时合理地进行吹灰，这是防止积灰行之有效的方法。

确定合理的吹灰间隔时间和一次吹灰的持续时间尤为重要。

3.1.3.2 省煤器磨损进入尾部烟道已硬化的大量飞灰，随烟气冲击受热面时，会对管壁表面产生磨损作用，管子变薄，强度下降，造成管子损坏。

特别是省煤器，灰粒较硬，更易发生磨损。

这种由于飞灰磨损而造成的省煤器管排损坏，最主要的表现特征就是省煤器的爆管。

含有硬粒飞灰的烟气相对于管壁流动，对管壁产生磨损称为冲击磨损，亦称冲蚀。

冲蚀有撞击磨损和冲击磨损两种。

撞击磨损是指灰粒相对于管壁表面的冲击角较大，或接近于垂直，以一定的流动速度撞击管壁表面，使管壁表面产生微小的塑性变形或显微裂纹。

在大量灰粒长期反复的撞击下，逐渐使塑性变形层整片脱落而形成磨损。

冲刷磨损是灰粒相对管壁表面的冲击角较小，甚至接近平行。

如果管壁经受不起灰粒锲入冲击和表面磨擦的综合切削作用，就会使金属颗粒脱离母体而流失。

在大量飞灰长期反复作用下，管壁表面将产生磨损。

省煤器磨损，一般都是撞击磨损和冲刷磨损综合作用的结果。

显然，烟气的流速越高，灰粒的质量越大，灰粒的硬度越大，灰粒的锐角越多，飞灰浓度越大，对受热面管子的磨损作用越强烈。

在省煤器中局部烟气流速和飞灰浓度偏高的情况下，这种磨损是难以避免的。

本锅炉采用较大节距顺列布置对减轻磨损是有利的。

同时加装了烟气阻流板和防磨套管，以避免或减轻磨损的影响。

3.1.4 省煤器图（如图3-2）图3-2 省煤器系统图3.2 炉膛与水冷壁3.2.1 概述炉膛是锅炉中组织燃料燃烧的空间，也称燃烧室。

是锅炉燃烧设备的重要组成部分。

炉膛除了要把燃料的化学能转变成燃烧产物的热能外，还承担着组织炉膛换热的任务，因此它的结构应能保证燃料燃尽，并使烟气在炉膛出口处已被冷却到使其后面的对流受热面安全工作所允许的温度。

水冷壁是敷设在炉膛四周由多根并联管组成的蒸发受热面。

其主要作用是：吸收炉膛中高温火焰及炉烟的辐射热量，使水冷壁内的水汽化，产生饱和水蒸汽；降低高温对炉墙的破坏作用，保护炉墙；强化传热，减少锅炉受热面面积，节省金属耗量；有效防止炉壁结渣；悬吊炉墙。

直流锅炉水冷壁中工质的流动为强制流动，管屏的布置较为自由，最基本的有螺旋管圈、垂直上升管屏和回带管屏三种型式。

3.2.2 炉膛几何特性炉膛几何特性主要指的是炉膛的宽度、深度、高度和几何形状，它们都与炉膛的主要热力特性有关。

炉膛几何特性是影响炉膛能否满足设计要求的重要因素之一。

本锅炉炉膛宽度19.268 m，深度19.230 m。

锅炉顶棚管中心线标高60.829 m，炉膛截面积37.052 m2，炉膛容积20542 m3。

在炉膛底部标高6.33 m处前后墙向炉内倾斜55℃角形成冷灰斗。

本锅炉折焰角位于后墙标高44.429m处。

折焰角的作用：一是延长烟气流程，改善烟气的充满度，加强烟气的扰动与混合；二是减轻炉膛出口处受热面的冲刷；三是增加了水平烟道的长度，有利于过热器和再热器的布置和运行。

3.2.3 炉膛热负荷炉膛的主要热力特性就是燃料每小时输入炉膛的平均热量，或称炉膛热功率。

按计算方法，炉膛热负荷可分为以下几种，它们都是锅炉设计、运行中必须注意的主要热力参数。

1）炉膛容积热负荷单位时间送入单位炉膛容积中的热量称为炉膛容积热负荷，用q v表示，单位为KW/m3或MW/m3。

q v值与烟气在炉内停留时间的倒数有关，q v的大小应既能保证燃料的燃烧完全，又要满足烟气的冷却条件，即使烟气在炉膛内冷却到不使炉膛出口后的受热面结渣的程度。

对于大容量锅炉应以烟气冷却条件来选用q v，使烟气能充分冷却到合适的炉膛出口烟温。

2）炉膛截面热负荷单位时间送入单位炉膛截面中的热量称为炉膛截面热负荷，用q a表示，单位为KW/m2或MW/m2。

q a是炉膛的重要计算特性，它反应了燃烧器区域的温度水平。

如果q a过高，说明炉膛截面过小，在燃烧器区域燃料燃烧放出的大量热量没有足够的水冷壁受热面来吸收，就会使燃烧器区域的局部温度过高，引起燃烧器区域的结渣。

还有可能使水冷壁发生膜态沸腾，使水冷壁管过热烧坏。

3）燃烧器区域壁面热负荷按照燃烧器区域炉膛单位炉壁面积折算，单位时间送入炉膛的热量称为燃烧器区域壁面热负荷，用q r表示，单位为KW/m2或MW/m2。

q r与炉膛截面热负荷q a一样，反映了燃烧器区域的温度水平。

但q r还能反映火焰的分散和集中情况。

q r愈大，说明火焰愈集中，燃烧器区域的温度水平就愈高，这对燃料的稳定着火有利，但却容易造成燃烧区域的壁面结渣。

4）炉膛辐射受热面热负荷炉膛单位辐射受热面在单位时间吸收的热量称为炉膛辐射受热面热负荷，也称辐射受热面热流密度，用q f表示，单位为KW/m2或MW/m2。

q f愈高，表明单位辐射受热面所吸收的热量愈大，说明炉内烟气温度水平愈高。

q f如果过大，就会造成水冷壁结渣。

此外，q f的数值也是判断膜态沸腾是否会发生的主要指标之一。

3.2.4 本厂锅炉炉膛和水冷壁设计数据炉膛断面（炉宽⨯炉深）19268⨯19230 mm炉膛容积20542 m3炉膛水冷壁面积4619 m2上排一次风中心线到屏底距离19.453 m炉膛容积热负荷77.17 kW/m3炉膛截面热负荷 4.273 MW/m2燃烧器区域壁面热负荷 1.414 MW/m2炉膛有效投影辐射受热面热负荷159 kW/m2炉膛出口烟气温度963 ︒C屏式过热器底部烟气温度1313 ︒C注：1）炉膛出口断面的定义：沿烟气行程遇到的管间净距离平均≤457mm的受热面第一排管子中心线构成的断面，由于本工程锅炉上炉膛的屏式过热器和末级过热器的节距均大于457mm，故将后水冷壁吊挂管中心线定义为炉膛出口断面。

2）炉膛容积的定义：以冷灰斗底部有效容积上半部高度到炉膛出口断面的容积。

3）热负荷值根据炉膛净输入热量计算。

炉膛净输入热量是锅炉在相应负荷下的计算燃煤量（即考虑q4损失后的燃煤量）与燃料低位发热量的乘积。

4）燃烧器区域的选取为：燃烧器上下煤粉喷口中心线之间的垂直距离外加3m所包围的炉墙壁面积。

3.2.5 水冷壁系统图（如图3-3）图3-3 水冷壁系统图3.2.6 内螺纹管垂直水冷壁的特点1）由于内螺纹管具有破坏膜态沸腾生成的能力，且增强了从管壁向管内工质的传热能力，因此即使一旦出现传热恶化，即膜态沸腾（DNB）和干涸（DRO）现象，管壁温度的升高也远远低于光管，MHI在大型二相流热态试验台的试验结果表明，对一般燃煤的超临界锅炉在亚临界区直流运行时，当管内质量流速达到1500kg/m2s，已有足够的裕量来防止处于低干度局部高热负荷区的燃烧器区域管子产生膜态沸腾，而在炉膛上部的高干度低热负荷区出现干涸现象（DRO）时能有效控制管子壁温的升高，而且在锅炉的启动阶段（≤最小直流负荷），水冷壁的质量流速也远高于此运行阶段的临界质量流速，因此可以保证水冷壁管不会超温和出现水动力不稳定性。

2）由于内螺纹管垂直水冷壁的质量流速只有螺旋管圈水冷壁的1/2左右，而且水冷壁管总长度只有螺旋管圈展开长度的2/3左右，因此水冷壁的阻力较低，同样炉膛尺寸，内螺纹管垂直水冷壁的阻力也只有螺纹管圈光管水冷壁的2/3左右，节省了给水泵的电耗。

3）与螺旋管圈相比，垂直管圈具有管子长度短，质量流速低的特点。

故垂直水冷壁和普通的自然循环锅炉一样，由于摩擦阻力在系统总阻力中所占的比例相对较小，因此具有保持正向流动的特性，即个别管子吸热量骤增时，管内流量也会自动增加，具有部分自补偿的能力，不仅能保持水动力的稳定性，而且也增加了水冷壁管运行的可靠性。

4）由于垂直水冷壁管安装焊缝对接时只需在轴向调整，且水冷壁垂直荷载靠水冷壁管本身承受，不需要螺旋管圈水冷壁那样较复杂的荷载传递结构，也不需要在螺旋管圈与上炉膛垂直管屏之间焊上形状复杂的张力板，因此水冷壁管之间以及管子与承力焊件之间的温差很小，无论是正常运行或负荷震荡期间的热应力均较小，因此延长了使用寿命。