第九章、省煤器和空气预热器.ppt

第九章省煤器与空气预热器主要内容 1 尾部受热面布置 2 省煤器作用 种类 特点 3 空气预热器作用 种类 特点 4 尾部受热面积灰 腐蚀 磨损的机理 危害及防护措施 尾部受热面概述 尾部受热面 省煤器和空气预热器省煤器作用 1降低排烟温度 提高锅炉效率 节省燃料2取代部分蒸发受热面3提高进入汽包的给水温度 减少给水与汽包壁之间的温差 降低汽包的热应力空气预热器作用 1降低排烟温度 提高锅炉效率2改善着火条件 强化燃烧过程 减少不完全燃烧热损失3提高炉膛温度 强化炉膛辐射换热 减少水冷壁受热面4给制粉系统提供干燥剂问题 低温腐蚀 飞灰磨损 积灰 尾部受热面的作用和工作特点一 尾部受热面 低温受热面 省煤器和空气预热器布置在锅炉对流烟道的最后 进入这些受热面的烟气温度已经很低 故称为尾部受热面 低温受热面 二 省煤器作用1 吸收低温烟气的热量降低排烟温度 提高锅炉效率 节省燃料 2 给水提前预热 减少水在水冷壁内的吸热量 3 提高温度 减少给水和汽包壁之间的温差 降低热应力 省煤器一 省煤器的类型及结构特点 一 省煤器的种类1 按照材料分类 钢管 强度高 能承受冲击力 工作可靠 传热性能好 重量轻 体积小 价格低廉 耐腐蚀性差 但是现代锅炉给水品质好 腐蚀问题解决 铸铁 耐腐蚀性能好 强度低 2 按照出口参数 沸腾式 化量10 15 中压锅炉 非沸腾式 低于沸点20 25 高压以上锅炉 3 按照结构分四类 光管式 鳍片式 膜式 螺旋肋片管4 按照管子排列方式分类错列 顺列 错列特点 传热效果好 结构紧凑 减少积灰 磨损比顺列严重 吹灰困难 顺列 吹灰容易 磨损轻 积灰严重 二 省煤器的结构省煤器 加热锅炉的给水 水平管圈 三 省煤器的布置 尾部烟气流通截面为矩形 水平布置 水自下而上 有利于排除水中气体 烟气自上而下 逆流 综合考虑蛇型管圈中的水速及管外侧的磨损程度分为 1 蛇型管垂直于前墙布置 管数多 水速小 烟道深度小 支吊简单 全部管子都要穿过尾部烟道的后墙 每根管都会受到磨损 2 蛇型管平行于前墙布置 管数少 水速高 流阻大 仅磨损几根管子 支吊不方便3 蛇型管平行于前墙 双侧进水布置 水速适中 支吊方便 只有靠近后墙的几根管子磨损比较严重 布置位置 后竖井前后烟道内水平过热器后布置特点 H型肋片管顺列 逆流换热防磨措施 防磨盖板烟气阻流板 省煤器 1 支承 只用于小型锅炉 支撑式 D 670t h 管子固定在支架上 支架支承在横梁上 横梁与锅炉钢架相连 横梁在烟道内 为避免过热 需冷却 2 悬吊 集箱在烟道中 减少穿墙管的数目 以出水引出管为悬吊管 有利于热膨胀 大型电站锅炉普遍采用 既可悬吊省煤器 又可悬吊过热器和再热器 支吊方式 省煤器的主要参数和启动保护 一 省煤器中的水速不低于1 0m s二 省煤器的启动保护再循环管三 省煤器出口水温的选择一般有不同的欠温四 锅炉给水系统 一 水流速度 水流速度大小影响 管子温度工况和管内腐蚀 过低 管子吸热会产生气泡 含有空气 气泡会和管子内壁发生反应 0 5m s 过高 会消耗动能 耗电能 若为沸腾式 过低容易发生汽水分层 在汽水分界面附近的金属 由于水面上下波动 容易引起疲劳破坏 1m s 二 启动保护 1 启动时 锅炉上水为间断上水 是不连续的 当停止上水时 省煤器中的水不流动 省煤器金属可能发生超温爆管 需采取措施 保证省煤器中的水流动 2 自然循环锅炉 在锅炉下降管和省煤器进水管之间装设一个再循环管 由 锅筒 下降管 再循环管 省煤器受热 锅筒之间 利用密度差 形成自然循环回路 3 控制循环锅炉 由 锅筒 下降管 再循环泵 水冷壁下联箱 省煤器 锅筒之间形成再循环回路 三 出口水温 高压以上锅炉 省煤器均采用沸腾式 出口有一定欠焓 目的 保证流量分配均匀 提高水循环的安全性 控制循环锅炉 要求出口水温欠温60 保证循环泵不发生汽蚀 直流锅炉 要求约380kJ kg的欠焓 但欠焓大会引起水动力的不稳定性 四 锅炉给水系统 现代大容量火电厂 均采用单元制给水系统 除氧器 前置泵 给水泵 1 2台汽泵 1台电泵备用 止回阀 减负荷阀 高压加热器 主闸阀 沿两路进入省煤器 汽包 随着锅炉参数的提高 进入省煤器的给水温度也越高 如亚临界机组 入口温度达280 左右 因此 单纯应用省煤器已无法将烟气冷却到合乎经济要求的温度 这样 引入空预器 第二节空气预热器的型式 空气预热器一般是利用烟气的热量来加热燃烧所需空气的热交换设备 由于它工作于烟气温度最低的区域 回收了烟气的热量 降低了排烟温度 因而提高了锅炉效率 同时也由于空气被预热 提高了燃料与空气的初始温度 强化了燃料的着火和燃烧过程 减少了燃料不完全燃烧损失 进一步提高了锅炉效率 此外 空气预热还能提高炉膛内烟气温度 强化炉内辐射换热 因此 空气预热器已成为现代锅炉的一个重要组成部分 空气预热器的作用 1 利用尾部烟气余热加热空气 gl 2 热空气使着火热Qzh 对燃烧有利 强化了着火与燃烧 减少了不完全热损失 3 提高炉膛内烟气温度 强化炉内辐射换热 不同燃料和燃烧方式对预热空气温度的要求 完成低温烟气与空气间的热交换气体间的换热方式1 间壁式换热 通过壁面的导热 冷热流体不接触2 再生式换热 冷热流体轮流接触受热面的蓄热元件 也称为蓄热式3 直接混合式 冷热流体直接混合交换热量 电站用空气预热器的分类 一 管式空气预热器一 结构1 直径为40 51mm 壁厚为1 25 1 5mm的普通薄壁钢管 密集排列 错列布置 组成立方体型的管箱 数个管箱排列在尾部烟道中 2 下管板通过支架支撑在钢架上 3 立式 煤 为减轻积灰 烟气在管内 空气在管外 卧室 油 为提高壁面温度 减轻腐蚀 烟气在管外 空气在管内 一 结构 4 交叉传热 图8 7 在管箱中加管板 采用多次交叉 交叉大于5次为佳 接近逆流 若小于5次应修正 5 采用多通道双面或多面进风 图8 7 进风面积增大 阻力减少 6 烟速 适当提高 wy hc 有较强的自吹灰 一般取10 14m s7 最小间隙 过大 管箱体积增大过小 流阻增大 不小于10mm 8 膨胀补偿 管子温度 外壳温度 钢架温度 三者膨胀量不同 在上管板与钢架间用膨胀补偿器联结 补偿两者相对位移 防止空预器漏风 二 主要特点 体积大 数倍于回转式空气预热器 金属耗量大 易受腐蚀 损坏 不易更换 清灰困难 管板易发生变形 漏风较小 运行方便 应用较少 三 布置方式1 垂直布置烟气在管内纵向流动 空气从管间横向流过管子 由于烟气是在管内纵向流动 所以飞灰对管子的磨损较小 一般可采用10 14m s的流速 为提高空气温度 利用加装中间管板 使空气作多次交叉流动 空预器的传热系数 既取决于烟气侧的放热系数 又取决于空气侧的吸热系数 从经济性考虑 两个系数应该相等 因此 推导有 为宜 中小型锅炉普遍采用管式空预器 对大型电站锅炉 如为双级布置 一般应用在第一级 2 水平布置烟气在管外 空气在管内 可以提高壁温 减轻金属腐蚀 采用较少 锅炉容量增大 管式空气预热器体积增加 锅炉尾部布置困难 二 回转式空气预热器大型电站锅炉均采用回转式空气预热器工作原理 再生式 烟气和空气交替地流过受热面 蓄热元件 放热和吸热 两种结构 受热面旋转式 用的较多 风罩旋转式 优点 尺寸小 重量轻 便于布置 烟气侧腐蚀小 受热面温度高 允许有较大磨损量和腐蚀量 检修方便 缺点 存在漏风 结构复杂 制造 维护等水平要求高 耗电大 一 受热面回转式1 结构1 可转动的圆筒型转子 内置蓄热元件 2 固定的圆筒型外壳 扇形顶板和底板将转子流通截面分为两部分 分别与固定的烟气及空气通道相连接 3 转子截面分三个区 烟气流通部分约50 空气流通部分 约为30 密封区 其余部分 2 工作过程每分钟旋转1 4周 转子受热面顺序通过烟气侧 吸热升温 通过空气侧放热降温 旋转一周完成一个热交换过程 受热面回转式空气预热器主要组成部件包括 外壳转子 内装传热元件的圆筒体 外壳动静部件间的密封装置 主轴 上下部风烟管口 上下横梁 上下端板 传动机构 吹灰及冲洗装置等 VN型空气预热器是一种比较典型的旋转再生式空气预热器 V表示竖直布置 vertical N表示不可调密封 空预器的型式 二分仓空预器 空气和烟气分别通过二个不同的流通区域 三分仓空预器 每个空预器分为三个分仓 烟气 一次风和二次风 四分仓空预器 每个空预器分为四个分仓 分别为烟气 一次风和二个二次风 同心式空预器 也称为中心环套空预器 内环为一次风 烟气的二分仓空预器 外环为二次风 烟气的环装二分仓空预器 空气预热器选型的考虑 每种空预器的设计形式均有其特点 对空预器形式的选择一般在锅炉设计的初级阶段进行 根据对设备整体的性能 结构及其经济性能的对比作出一个完善的选择 选型主要考虑的因素有漏风率性能 空预器尺寸和布置的空间等等 对空预器选型的考虑还应至少考虑下列主要因素 投资额 风机功率 漏风率 一次风出口温度和整体布置 从初期投资额来看 二分仓空预器是造价最低的 对三分仓空气预热器 由于需要额外的转子面积来弥补所增加的扇形板面积 其成本有所增加 由于复杂的转子结构 使同心式空预器的造价最高 二 风罩回转式传热元件不旋转 上下风罩旋转 转一周换热两次 转速稍慢一些 已经用的较少 三 烟气再热器湿法烟气脱硫技术的系统采用 烟气被冷却到水蒸气的饱和温度 约为45 55 视烟气入口温度和湿度而定 一般大型燃烧设备烟囱的出口最低温度大约在72 左右 以保证烟气能充分扩散 并防止烟雾下沉 回转式烟气再热器 第四节回转式空气预热器的漏风和热变形一 携带漏风和密封漏风1 漏风来源转动和固定部分间存在一定的间隙 空气与烟气间存在一定的压差 转动部分带入风量 本身的容积 2 漏风危害 送风量增大 引风也增加 排烟损失增加 3 漏风量 先进水平5 8 一般为10 左右 最高可达40 4 要求有良好的密封装置 在运行中吹灰 二 空气预热器的密封装置轴向 径向 环向密封径向密封是防止空气从空气通道穿过转子与扇形板之间的密封区而漏入烟道 径向密封的方法 一般是在每块转子径向隔板的上端和下端沿隔板长度方向装设密封片 密封片与扇形板间在热态时保持尽可能小的间隙 任一径向隔板在转动过程中经过扇形板时 密封片即与扇形板形成密封 环向密封包括外缘环向密封和内缘环向密封 外缘环向密封是阻止空气穿过转子外围通过转子与外壳间的空隙经轴向密封板而漏入烟气侧 内缘环向密封是阻止空气通过转子中心筒上下空隙漏入烟气侧 轴向密封条沿整个转子高度装设在转子每一径向隔板的最外侧 其作用是阻止空气通过转子上下外缘角钢与环向密封条的间隙漏入烟气侧 三 回转式空气预热器的热变形蘑菇状变形冷 热端 尾部省煤器与空气预热器的布置方式分为单级和双级布置1 单级布置管式预热器的热空气温度低于280 时采用 大型锅炉采用单级回转式空气预热器的布置2 双级布置管式预热器为了获得较高的热空气温度 采用双级的原因 烟气热容量大于空气热容量 空气温度上升速度比烟气温度下降得快 为保证上级空气预热器上管板的安全 必须在空气预热器之间夹一级省煤器 省煤器也为双级布置 省煤器结构复杂 尾部受热面的磨损 积灰和腐蚀 尾部受热面设计与运行中的主要问题1 省煤器受热面金属的磨损和积灰 尾部烟道中烟气的灰颗粒变硬 2 空气预热器的腐蚀 积灰和堵灰 回转空气预热器的漏风等 一 省煤器的磨损1 飞灰磨损的机理飞灰对金属的磨损量与烟气流速成三次方的关系 200MW的燃煤锅炉 灰分30 飞灰80 每年流经对流受热面管束的飞灰量为16 5万吨 设计寿命为10年 流过165万吨 省煤器的磨损最严重 2 影响磨损的主要因素速度浓度排列方式流动方向材料烟气成分烟气走廊 3 减轻和防止磨损的措施合理的烟气流速采用防磨装置扩展受热面其他如除尘等 二 省煤器的积灰1 积灰形成的原因 1 熔渣 结渣原因 飞灰呈熔融状的黏性颗粒黏附在管壁上 位置 炉膛受热面及高温对流受热面的入口处 2 高温黏结灰原因 钠 钾 钙 硅等氧化金属在高温环境中发生氧化物的升华 氧化金属呈分子状态冷凝在受热面上 与烟气中SO3形成硫酸盐 有黏性 大量捕捉飞灰 位置 炉膛受热面及高温对流受热面 3 低温黏结灰原因 飞灰与冷凝在受热面上的硫酸溶液形成水泥状物质 呈硬结状 堵死 并加重低温腐蚀 位置 空气预热器受热面4 松散积灰原因 飞灰中10 20微米颗粒 冲刷管束时 背风区产生旋涡 进入旋涡区的灰颗粒分子吸附力大于其质量 在静电力 表面粗糙度作用下 积灰最后达到平衡状态 易清除 与烟气流速有关 位置 省煤器受热面 灰垢对锅炉传热设计的影响锅炉的设计中 往往出现对灰垢热阻估计不准确造成设计与运行的差距 受热面过多或不足 锅炉运行中 燃烧煤种发生较大的变化造成锅炉出力不足或超温 目前主要依靠经验积累数据 2 防止和减轻积灰的主要措施合理烟气流速吹灰装置合理结构布置 三 空气预热器的低温腐蚀及对策1 影响低温腐蚀的主要因素SO3在200 以下与烟气中的水蒸汽结合形成H2SO4蒸汽 硫酸蒸汽在受热面上凝结 造成腐蚀 硫酸蒸汽凝结取决于烟气露点温度及烟气中硫酸蒸汽得以凝结的受热面温度 烟气露点烟气中存在两个露点温度 硫酸蒸汽对应于酸露点温度 水蒸汽对应于水露点温度 酸露点温度比水露点温度高得多 取决于SO3和水蒸汽的含量 一般可达120 140 极少量的硫酸蒸汽就会对酸露点影响很大 酸露点估计依靠经验关联式确定可以由仪器直接测定 水露点温度取决于水蒸汽在烟气中的分压力 烟气中水蒸汽分压力很低 水露点温度一般为45 55 空气中的水蒸汽分压力更低 水露点温度一般为10 20 一般不会出现由于水蒸汽凝结造成锅炉腐蚀 受热面发生腐蚀的条件能否发生腐蚀决定于腐蚀介质 介质的量 浓度 得以凝结的受热面温度 SO3的形成可燃硫分燃烧生成SO2 进一步转化成SO3的很少 烟气中SO3含量仅为SO2的3 5 烟气中SO3只占到几十万分之几 腐蚀过程1 烟气中SO3与烟气中水蒸气结合成硫酸蒸汽 2 烟气中硫酸蒸汽在 冷 受热面上凝结发生在沿烟气流程一段范围 凝结的硫酸浓度逐渐降低3 开始烟气中硫酸浓度大 可在较高温度的壁面上凝结下来 随着浓度降低 露点下降 可以在较低温度的壁面上凝结 4 凝结的硫酸浓度对受热面腐蚀的速度影响很大 浓硫酸几乎不腐蚀 稀硫酸腐蚀 40 50 很强 2 减轻和防止低温腐蚀的措施1 提高金属管壁温a 提高空气预热器入口空气温度 暖风器 热风再循环等 b 预热器水平布置 c 新型换热器等采用等 2 采用防腐材料 3 采用低氧燃烧 4 添加剂 5 燃烧脱硫 6 选用回转式空气预热器 空气预热器的堵灰及对策 积灰堵塞通道提高受热面温度回转式空预器一般采用蒸汽吹灰及水冲洗设备 配置的吹灰器包括蒸汽吹灰和水冲洗两个吹管 兼有吹灰和水冲洗两种功能 每台空预器按需求配置一或二台上述装置 一台布置在烟气的入口 一台布置在烟气的出口侧 在工作时 电机驱动清洗装置沿转子的径向运行 并且清洗装置的运行使得在转子旋转时 喷嘴可覆盖整个转子 如堵灰不能通过正常吹灰被清洗 可通过布置在清洗装置上另外的水冲洗喷嘴进行水冲洗 每台空预器在烟气侧配置上 下二套吹灰器 使得空预器的阻力性能可以在长期运行中得到保证 在空预器中配置二台吹灰器在多数装置中是必要的 其清洗效果比配一台吹灰器要优异许多 空预器火警报警系统由一系列 K 型热电偶组成 置于空气出口侧 每一换热元件上方各配有一个热电偶 以便对每一换热元件的温升值和温升梯度进行监测 当温度绝对值和温升梯度超过设定值时 就地控制柜以电接点形式输出报警信号 提醒运行操作人员尽快采取措施 当确认空预器有火灾发生时 用户开启消防水门 消防装置的易爆盘自动爆裂 消防水通过消防装置的若干喷嘴沿转子整个表面喷洒 以达到消防灭火的目的 典型的VN火警报警系统布置如下图所示 由于空气预热器本身是钢结构件 因此在正常的运行情况下是不会发生火灾的 空气预热器的火灾发生是首先由粘附在空气预热器转子传热元件表面的其他物质或由于空气预热器安装 大 小修后的清理不妥而遗留的其他物品着火后引起的 空预器火灾发生的机理和过程 干净的空预器不会着火 即使空预器传热元件表面不干净 如果空预器是在稳定的MCR工况下 空预器也不太会着火 在空预器运行在低负荷或在燃烧不充分的条件下运行时 特别是在使用油作燃料时 如锅炉在启动阶段 空预器比较容易发生着火 在这种情况下 沉积在传热元件表面的细小的碳颗粒 只要温度稍高于其沉积温度就可能着火 着火时 并不是传热元件表面各处的沉积碳粒同时着火 而是传热元件表面上的某一点首先着火 然后从该点向外扩展 使火势越来越大 在大多数情况下 沉积物会自行燃尽 并不影响金属传热元件 但如果沉积层达到一定的厚度 其燃烧所导致的温度升高会点燃金属传热元件 并使金属传热元件开始燃烧 从初始着火到火焰扩展直至点燃金属传热元件有一定的时间延迟 由于流经燃烧面的烟气和空气气流会将热量带走 沉积物火焰扩展到整个传热元件盒至少需要60 90分钟 而要影响金属传热元件并扩展到邻近传热元件盒则需要更长的时间 约3 4小时 由于转子的旋转 着火的传热元件盒为一环型 离开该传热元件和受到火焰的额外加热变成过热空气 也表现为一围绕转子的圆环 如上所述 对于空气预热器的火警报警系统的要求应至少包括 报警系统 或报警探头 能较为迅速地为系统提供一报警信号 报警系统所提供的报警信号能使电厂的操作人员进行进一步的就地分析 以确定火灾的是否发生 火灾发生的大小 火灾是否有蔓延的趋势 报警系统本身可靠 以排除由于系统的故障或不可靠因素而产生的漏报警 报警系统本身应能自报警 即当报警系统本身发生故障时 能提供报警信号 使电厂操作人员能及时排除故障 报警系统应能有较高的可维护性 当系统的报警探头发生故障时 能进行就地更换 现在较为流行的空气预热器火警报警系统基本上可分为二种设计 即火警探头采用红外探头或热电偶探头 热电偶探头的设计思想是 将一系列静止的热电偶探头沿转子径向布置而又不接触转子 这些探头测量离开空预器传热元件的气流温度 系统本身提供下列几种报警 绝对温度高报警 温度梯度变化大报警 系统中若发生断路报警 换句话说 系统不可能会在空预器发生火情时不报警 红外探头火警报警系统主要由红外探头 红外探头扫描执行机构 就地控制柜组成 其典型的布置方式为 每台空气预热器冷端布置一套红外测温系统 每套布置二个探头扫描机构 每个红外探头随跑车在轨道上来回运动 向上扫描空气预热器转子 轨道铺设在冷端连接板二次风道中 红外探头所采集到的稳定信号传输到就地控制柜 然后向锅炉主控室发出报警信号 由于红外探头本身的限制 红外探头需采用气冷或水冷系统