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。减温器通常位于过热器或再热器出口管组的进口处，比如一、二级过热器之间 。 减温水 一般来自锅炉给水泵 ， 为了能够正常的工作，它的压力要比蒸汽压力高 2.76Mpa 左右。减温 水通过喷口雾化后喷入湍流强烈的蒸汽中 ， 蒸汽的速度和雾化的水滴尺寸是确定减温效果的 两个最重要因素 。 一个好的过热器或再热器设计 ， 在额定负荷稳定运行时需要很少的喷水量。余 热 锅 炉 主要 特 性 参 数NG-901FA-R 型余热锅炉设计参数如下所示：余 热 锅 炉 主要 特 性 参 数11 . 高压部分最大连续蒸发量 额定蒸汽出口压力 额定蒸汽出口温度276.7 t/h 10.22 MPa（ g） 540 2 . 再热部分最大连续蒸发 量额定蒸汽出 口压力额定蒸汽出 口温度冷再热蒸汽 流量冷再热蒸汽 压力冷再热蒸汽 温度307.4 t/h 3.34 MPa（ g） 568.0 265.2 t/h 3.52 MPa（ g） 395.9 3 . 低压部分最大连续蒸发量 额定蒸汽出口压力 额定蒸汽出口温度48.9 t/h 0.37 MPa（ g） 248 4 . 中压部分最大连续蒸发量 额定蒸汽出口压力 额定蒸汽出口温度41.7 t/h 3.48 MPa（ g） 276.2 5 . 其他部分参数凝结水温度 低压省煤器 1 入口温度 低压省煤器 1 再循环量39.9 60 254.3 t/h1 . 热端温差热端温差 Ts 是指换热过程中过热器入口烟气与过热器出口过热蒸汽之间的温差 。 降低热端温差，可以得到较高的过热度，从而提高过热蒸汽品质。但降低热端温差，同时也会使过热器的对数平均温差降低，也就是增大了过热器的传热面积，加大了金属耗量 。 大量计算 表明，当热端温差选择在 30 60 范围内，是比较合适的。2节点温差节点温差 T p 也叫窄点 温差，是换热过 程中蒸发器出口烟 气与被加热的饱 和水汽之间的最小温差 ，当节点温差减小时，余热锅炉的排气温度会下降，烟气余热回收量会增大 ， 蒸汽产量和汽轮机输出功都随之增加 ， 即对应着高的余热锅炉热效率 ， 但平均传热温差也随之减小，这 必将增大余热锅 炉的换热面积。显 然， T p 是不允许 等于零的，否则 ，余热锅炉的换热面积将为无穷大 ， 这是不现实的 。 此外 ， 随着余热锅炉换热面积的增大 ， 燃气侧的流 阻损失也将增大 ， 有可能使燃气轮机的功率有所减小 ， 导致联合循环的热效率有下降的趋势。3接近点温差2接近点温差 Ta 是指余热锅炉省煤器出口压力下饱和水温度和出口水温之间的温差。余热 锅炉的分 类及型号燃气一蒸汽联合循环的余热锅炉的型式通常可以按照以下几种方法分类。 按余热锅炉烟气侧热源分类1无补燃的余热锅炉这种余热锅炉单纯回收燃气轮机排气的热量，产生一定压力和温度的蒸汽。2有补燃的余热锅炉由于燃气轮机排气中含有 14 18的氧，可在余热锅炉的恰当位置安装补燃燃烧器 ， 充天然气和燃油等燃料进行燃烧，提高烟气温度，还可保持蒸汽参数和负荷稳定 ， 以相应提 高蒸汽参数和产量，改善联合循环的变工况特性。一般来说，采用无补燃的余热锅炉的联合循环效率相对较高。目前，大型联合循环大多 采用无补燃的余热锅炉。按余热锅炉产生的蒸汽的压力等级分类目前余热锅炉采用有单压、双压、双压再热、三压、三压再热等五大类的汽水系统。1单压级余热锅炉余热锅炉只生产一种压力的蒸汽供给汽轮机。2双压或多压级余热锅炉 余热锅炉能生产两种不同压力或多种不同压力的蒸汽供给汽轮机。 按受热面布置方式分类1卧式布置余热锅炉3图 110所示的余热锅炉是卧式布置，各级受热面部件的管子是垂直的，烟气横向流过各 级受热面。2立式布置余热锅炉图 1-11 所示的余 热锅炉是立式布置 ，各级受热面部 件的管子是水平的 ，各级受热面部 件是沿高度方向布置，烟气自下而上流过各级受热面。按工质在蒸发受热面中的流动特点 (工作原理 )分类1自然循环余热锅炉图 111 中给出了自然循环方式的余热锅炉的模块式结构示意图， 它是卧式布置的 。 通 常，自然循环余热锅炉中蒸发受热面中的传热管束为垂直布置 ， 而烟气是水平方向地流过垂 直方向安装的管簇的。下降管向蒸发器管簇供水 ， 其中一部分水将在蒸发器管簇中吸收烟气 热量而转变成为饱和蒸汽。水与蒸汽的混合物经上升管进入汽包 。 管簇中的水汽混合物与下 降管中冷水的密度差，是维持蒸发器中汽水混合物自然循环的动力。也就是说 ， 下降管内的 水比较重，向下流动，直立管束内的汽水混合物比较轻，向上流动，形成连续产汽过程。自然循环余热锅炉制造商主要有美国 DELTAK 公司、 荷兰 STANDARD 公司 、 日本川畸重工 等。本锅炉采用的是卧式自然循环锅炉，由杭州锅炉集团有限公司制造。2强制循环余热锅炉强制循环 余热锅炉是在自然 循环锅炉基础上 发展起来的。图 1-10 中给出了 强制循环方 式的余热锅炉的模块式结构示例 ，它是立式布置的。传热管束为水平布置，吊装在钢架上 ，4汽包直接吊装在锅炉上 。 强制循环余热锅炉中的烟气通常总是垂直地流过水平方向布置的管 簇的。从汽包下部引出的水借助于强制循环泵压人蒸发器的管簇 ， 水在蒸发器内吸收烟气热 量，部分水变成蒸汽，然后蒸发器内的汽水混合物经导管流人汽包 。 强制循环余热锅炉通过 循环泵来保证蒸发器内循环流量的恒定。国外强制循环余热锅炉的制造商主要有比利时 CMl 公司、法国 ALSTOM 公司、英国 JBE 公司等。卧式与立式燃机余热锅炉对比项目 水循环 启 动时间占 地 面积结构 操作运行 厂用电 燃 料适 应性初投资立式 强制 短 小 较复杂 较复杂 较多 强 较高卧式 自然 较长 较大 简单 简单 少 较弱 低自然循环 强制循环传热面积 相同 相同可用率 99.95 97.5燃 机 运 行 范 围 的实用性广 窄水循环平衡性 有 有限循环泵的设置 无 有外部耗功 无 循环泵功耗占地面积 较多 较少钢结构和管道 轻而多 重而少基础及撑脚 轻而多 重而少安装所需要设备 轻 重运行维护 较简单 较难3直流余热锅炉直流余热锅炉靠给水泵的压头将给水一次通过各受热面变成过热蒸汽。由于没有汽包 ， 在蒸发和过热受热面之间无固定分界点。在蒸发受热面中 ， 工质的流动不像自然循环那样靠 密度差来推动，而 是由给水泵压头来实现，可以认为 循环倍率为 1，即是一次经过的 强制流动。5余 热 锅 炉 的结构通常 ， 大型余热锅炉采用模块结构 ， 这种经过工厂试验的各模块 ， 便于装运 ， 可缩短安 装工期，降低建造费用。NG-901FA-R 型余热锅炉为三压、 再热、卧式、无补 燃、自然循环燃 机余热锅炉，主要 由进口烟道、锅炉本体（本体受热面和钢架护板 ） 、出口烟道、主烟囱、高中低压锅筒、管 道、平台 扶梯等部件以及 给水泵、排污扩容 器等辅机组成。 锅炉本体受热面采 用 N/E 标准 设计模块结构 ， 由垂直布置的顺列螺旋鳍片管和进出口集箱组成 ， 以获得最佳的传热效果和 最低的烟气压降。燃机排出的烟气通过进口烟道进入锅炉本体 ， 依次水平横向冲刷各受热面模块 ， 再经出 口烟道由主烟囱排出 。 沿锅炉宽度方向各受热面模块均分成三个单元 ， 各受热面模块内的热 面组成见下表 4-1：锅炉从入 口法兰至尾部总 长为 50.6 m，宽度约 为 18m（包括平 台宽度） ，高压锅 筒中 心标高为 28.1 m，中压锅 筒中心标高为 27.71 m，低压锅 筒中心标高为 28.275 m，烟囱顶 部标高为 80m。蒸发设备及水循环锅炉受 热面中用以 吸收炉内高 温火焰或烟 气的热量来 加热水产生 饱和蒸汽的 受热面称 为蒸发受热面 。 蒸发受热面及与它直接相配合工作的设备称为蒸发设备 ， 蒸发设备组成了锅 炉的蒸发系统。蒸发设备的作用及组成蒸发设备是锅炉的重要组成部分 ， 其作用就是吸收燃料燃烧放出的热量 ， 使水受热汽化 变成饱和蒸汽。自然循环 锅炉的蒸发设备 是由汽包、下降管 、水冷壁、联箱 及一些连接管道所 组成。 这些部件在锅炉中的相互位置及连接情况如图 41 所示。由省煤器来的给水进入汽包，从 汽包下部引出的管子是下降管 ， 它将汽包中的水引至锅炉下部 ， 经分配支管送入水冷壁各下联箱，下降管及各分配支管布置在炉外不受热。水冷壁管布置在炉膛内的四周，紧贴炉墙 。6从下联箱引入水冷壁的水，吸收炉内高温火焰的辐射热并部分汽化 ， 变成密度比水小的汽 水混合物向上流动 (故水冷壁管也叫上 升管 )，引入上 联箱 ，再 通过汽 水混 合物引 出管 引入汽 包或 者不经 上联 箱直接 引入 汽 包 。 汽水混合物在汽包内进行汽、水分离 ， 蒸汽流入汽空间并经饱和蒸 汽引出管送出 ； 分离出的水流入水空间并与不断送入汽包的给水一道再 流入下降管送至水冷壁下联箱 ， 继续循环。这样 ， 水从汽包 下降管 下联箱水冷壁 （ 变 成 汽 水 混 合 物 ） 上联箱 再回到汽包 ， 就形成了一个闭合的流动回路 ， 称为锅炉蒸发设备的水循环回路 。 一台锅炉的蒸发系统是由若干个独立的水循环回路所组成 ， 每个回路均由自己的下降管及 其分配支管、下联 箱、水冷壁 (为整个炉膛水冷壁 的一部分 )、上联箱所 构成，所有回路的汽水混合物最后都引入汽包。汽包汽包是锅炉蒸发设备中的主要部件，是一个汇集锅水和饱和蒸汽的圆筒形容器。1汽包的作用(1) 汽包与下降管 、 联箱 、 水冷壁管等共同组成锅炉的水循环回路 ： 它接受省煤器来的 给水 ， 并向过热器输送饱和蒸汽 。 所以 ， 汽包是生产过热蒸汽的过程中加热 、 蒸发 、 过热这三个阶段的连接枢纽或大致分界点。(2) 汽包中储存有一定的汽量 、 水量 ， 因而汽包具有一定的储热能力 。 在运行工况变化 时，可以减缓汽压变化的速度，对锅炉运行调节有利。(3) 汽包中装有各种装置 ， 能进行汽水分离 ， 清洗蒸汽中的溶盐，排污 ， 以及进行锅内 水处理等，从而可以改善蒸汽品质。2汽包的结构汽包本体是一个圆筒形的钢质受压容器 ， 由筒身 (圆筒部分 )和两端的封头组成 。 筒身由 钢板卷制焊接而成，凸形封头用钢板冲压而成，然后两者焊接成一体。 封头上开有人孔 ， 以 便进行安装和检修 ， 同时起通风作用 。 人孔盖一般由汽包里面向外关紧 ， 封头为了保证其强 度，常制成椭球形的结构，或制成半球形的结构。汽包外面有许多管座，用以连接各种管道，如给水管、下降管、汽水混合物引入管 、 蒸 汽引出管 、 连续排污管 、 事故放水管 、 加药管 、 连接仪表和自动装置的管道等。 (称为管座 )，安装时只需将管子对焊在管座上即可。7汽包内部装有各种提高蒸汽品质的装置 ， 如汽水分离装置 、 蒸汽清洗装置 、 连续排污装 置、加药装置、分段蒸发装置，还有给水分配装置、事故放水管等。图 44 超高压 400t/h 锅炉的汽包结构1汽包筒身； 2汽包封头；入孔口8由于现代锅炉普遍采用悬吊式构架 ， 故汽包的支吊方式都是悬吊式 ， 即用吊箍将其悬吊 在炉顶钢梁上 ， 以保证运行中汽包能自由膨胀 。 在中小型锅炉上一般是用滚柱支座将汽包支 承在钢架上。下降管 下降管 的作用是将 汽包中的水 或将直接引 入下降管的 给水连续不 断地送至下 联箱并供给水冷壁，以维持正常的水循环。 下降管的一端与汽包连接 ， 另一端直接或通过分配支管与下联箱连接 。 为了保证水循环的可靠性，下降管自汽包引出后都 布置在炉外，不受热 ，并加以保温以减少散热损失。 为了减小 阻力，加强水循 环，节约钢材，简 化布置，现在生 产的高压以上大容 量锅炉都采用大 直径集中下降管根 数较少( 一般为 46 根) 的大直径下 降管，其下部 是通过分配支 管与水冷壁各下联箱连接，以达到配水均匀之目的。联箱除蒸发设备外，过热器、再热器、省煤器等设备上也有联箱。 现代锅炉 都采用圆形联箱 ，实际上是直径较 大、两端封闭的 圆管，可用来连接 两部分相同或不同管数和管径的管子，起汇集、混合和分配工质的作用 。 联箱一般布置在炉外不受热，其材料常用 20 号碳钢。其长度由所需连接的管数决定。联箱与管子的连接现在都采用焊接。 水冷壁下 联箱，通常都装 有定期排污装置和 膨胀指示器，有 的还装有锅炉启动 时加强水循环用的蒸汽加热装置即循环推动器。 水冷壁水冷壁是 由许多根并列的 上升管组成的。它 一般垂直的布置 在炉膛内壁四周或 部分布 置在炉膛中间 。水冷壁是 现代锅炉的蒸发 受热面。采用水冷 壁作为蒸发受热 面可以节省金属， 水冷壁 可以保护炉墙、可以简化炉墙结构。NG-901FA-R 型余热锅炉蒸发器的选择蒸发器作为受热面组件之一 ， 使蒸发器中给水相变成为饱和蒸汽 。 自然循环余热锅炉的 蒸发器传热管束通常是 2 3 排一组并联焊接在上下的混合联箱上，上联箱由汽水导出管与汽包连接 ， 汽水混合物在汽包中进行汽水分离 ， 水经下降管返回下联箱 ， 蒸汽进入过热器过9热 。 强制循环的蒸发器依靠循环水泵建立汽水的循环流动 ， 通常采用较小直径的管子 ， 因而 结构紧凑 ， 同时也减少了锅炉的水容积和运行热惯性 ， 有利与实现快速启动和符合迅速变动 的要求。NG-901FA-R 型余热锅炉的蒸发器分为高压、中压、低压三级，各有不同的特点。1 高压蒸发器及下降管、上升管高压蒸发器布置 在模块 3，横向排数为 108 排，纵向 16 排，纵向管屏数 为 5 个，受热 面均为 50.8 开齿螺旋鳍螺片管 。 高压蒸发器管子材料为 SA-210C， 鳍片材料为碳钢 。 炉水 通过两根集中下降管进入分配集箱， 由连接短管引至蒸发器各管屏下集箱。 工质在管屏内被 烟气加热， 产生的汽水混合物经管屏上集箱由连接管引入锅筒。 高压蒸发器整个回路采用自 然循环形式， 在变负荷工况时， 能保