第四章省煤器水冷壁

1、给水预热与蒸发系统第四章本章内容省煤器水冷壁结构及系统水冷壁管壁温度直流锅炉水动力不稳定性脉动热偏差传热恶化两相流的特性参数质量流速 单位时间流经单位流通截面的工质质量含汽率容积含汽率 蒸汽容积流量与汽水混合物容积流量之比质量含汽率X 汽水混合物中蒸汽的质量流量与汽水混合物总质量流量之比 截面含汽率 蒸汽所占截面与管子总截面之比第一节省煤器省煤器的作用省煤器的作用：利用锅炉尾部烟气的热量加热锅炉给水省煤器对锅炉的作用 节省燃料，提高锅炉热效率 改善汽包的工作条件 降低锅炉造价省煤器设计与运行中的主要问题烟气的灰颗粒变硬省煤器受热面金属的磨损和积灰，省煤器的种类按材料分：钢管、铸铁按出口参数分：

2、沸腾、非沸腾按结构形式分：光管、鳍片、膜式、螺旋肋片按排列方式分：顺列、错列钢管式优点：强度高，能承受高压，工作可靠，传热性能好，重量轻，体积小，价格低廉缺点：耐腐蚀性差参 数总焓增 吸热量分配比例汽压汽温（）给水温度（）加 热蒸 发过 热1.33001052596.214.875.69.63.94501502697.917.662.619.89.85402152551.420.449.530.113.7540/5402402822.7*/430.421.333.829.8/15.2*16.8540/5402702651.1*/434.623.523.736.4/16.4*蒸汽参数与工质吸热量

3、的分配比例（a）轧制鳍片管；（b）焊接鳍片管；（c）膜片管；（d）螺旋肋片管（a）轧制鳍片管；（b）焊接鳍片管；（c）膜片管；（d）螺旋肋片管省煤器的工作原理逆流错列布置水自上而下流动烟气自下而上流动省煤器的参数工质流速的选择：水阻力，腐蚀烟气流速的选择 传热、磨损和积灰、运行费用结构参数的选择第二节 水冷壁结构及系统 水冷壁一般布置与炉膛四周，紧贴炉膛周壁，接受炉内火焰和高温烟气的辐射热。作用1、吸收炉膛辐射热量，使水 蒸汽。2、保护炉墙，简化炉墙结构。3、节省金属，降低锅炉造价。4、防止炉墙和受热面结渣，提高锅炉运行的安全和可靠性。水冷壁的结构水冷壁分光管壁、膜式壁两种 水冷壁的结构膜式水

4、冷壁优点（1）全部炉墙被膜式水冷壁覆盖，能充分的保护炉墙。（2）采用膜式水冷壁可构成敷管炉墙，大大简化了炉墙结构，减轻了炉墙重量。（3）气密性好（4）成片吊装，大大减少了安装工作量。（5）能承受较大侧向力，增加了抗炉膛爆炸的能力水冷壁的结构缺点：（1）制造、检修工作量大且工艺要求高（2）运行中要求相邻管间温差小（3）设计时需有足够的膨胀自由水冷壁的结构内螺纹管水冷壁 工质在管内流动时产生强烈的扰动。把液体压向壁面，强迫汽泡脱离管壁被水带走，破坏膜态汽层。可有效防止膜态沸腾产生，避免管壁超温。用于炉内高热负荷区域的膜式水冷壁，确保水冷壁安全可靠。 销钉式水冷壁是在光管水冷壁的外侧焊接上很多圆柱形

5、长度为2025mm、直径为612mm的销钉，并在有销钉的水冷壁上覆盖一层铬矿砂耐火材料，形成卫燃带。 水冷壁的结构刚性梁 锅炉的刚性梁沿炉膛高度每2.53m布置一层，它固定在水冷壁上，如图所示。HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH 使炉墙能承受炉膛爆燃产生的压力及炉内压力的波动，防止水冷壁和炉墙产生过大的结构变形或损坏，大容量锅炉都采用刚性梁来加固水冷壁和炉墙。 水冷壁布置型式 水平围绕管圈型（拉姆辛型）直流锅炉三种水冷壁型式 垂直多管屏型（本生型） 回带管圈型（苏尔寿型） （a）水平围绕管圈型；（b）垂直多管屏型；（c）、（d）、（e）、（f）回带

6、管圈型水冷壁布置型式现代直流锅炉的水冷壁形式，主要有螺旋管圈型和垂直管屏型两类。螺旋管圈的倾斜角与炉膛周界并联管数之间有如下关系式中 炉膛横断面周界长度， m; 螺旋管圈管子中心节距,m水冷壁布置型式 =90，时sin =1 1430，sin =0.2420.5在相同的炉膛周界与管子中心节距的情况下，螺旋管圈并联管子数可减小13倍，即工质质量流速提高13倍水冷壁布置型式 性能优越、成熟可靠的水冷壁自由选择管子尺寸和数量：布置与选择管径灵活，易于获得足够的质量流速 螺旋管圈水冷壁所需管子根数和管径，可通过改变管子水平倾斜角度来调整，使之获得合理的设计值，以确保锅炉安全运行与水冷壁自身的刚性。 管

7、子根数大大减少，而且这种减少水冷壁管子根数的办法不加大管子之间的节距，使管子和肋片的金属壁温在任何工况下都安全。 螺旋管圈围绕炉膛圈数决定于螺旋管圈水冷壁的高度与管子的倾角，可由下式计算：一般情况 Z=1.251.5圈水冷壁布置型式 在炉膛高热负荷区采用螺旋管圈型水冷壁，以减小炉内热偏差 在炉膛上部采用垂直上升管，炉膛上部热负荷较低水冷壁布置型式 对于超临界变压运行锅炉，螺旋管圈水冷壁是首先应用于超临界变压运行锅炉的水冷壁型式。 炉膛水冷壁采用螺旋管圈垂直管圈方式【即下部炉膛的水冷壁采用螺旋管圈（内螺纹管），上部炉膛的水冷壁为垂直】，保证质量流速符合要求。 水冷壁采用全焊接的膜式水冷壁 水冷壁

8、采用一次中间混合联箱来实现螺旋管至垂直水冷壁管的过渡 内螺纹管结构 螺旋管圈+内螺纹管漩涡效果 重力作用管子内表面充满了液体 下部螺旋水冷壁管屏带弯头出厂现场水冷壁的布置图冷灰斗螺旋管圈水冷壁 螺旋管圈水冷壁: 管间吸热偏差小，适应变压运行燃烧器燃烧器燃烧器燃烧器水冷壁出口介质温度垂直管布置水冷壁螺旋上升式水冷壁热负荷前墙侧墙后墙侧墙前墙侧墙后墙侧墙流向流向流向流向螺旋管在盘旋上升的过程中，每根管子都经过炉膛下部高热负荷区域的整个周界，途经宽度方向不同热负荷分布的区域。因此，螺旋管的每个管子，以整个长度而言，热偏差很小 （a）联箱连接方式；（b）分叉管连接方式中间过渡水冷壁螺旋水冷壁垂直水冷壁

9、混合集箱垂直水冷壁入口集箱半炉膛混合，减少吸热偏差小，适应变压运行过渡段水冷壁厂内组装过渡段水冷壁安装后减少热应力销杆连接 (不需要焊接)螺旋管圈水冷壁水冷壁的支撑结构垂直膜式水冷壁螺旋水冷壁出口集箱垂直水冷壁进口集箱螺旋水冷壁出口集箱垂直水冷壁进口集箱垂直搭接板垂直刚性梁水平刚性梁螺旋膜式水冷壁上部垂直水冷壁螺旋管圈支吊方式UP型垂直上升管屏水冷壁UP型垂直上升管屏包括一次上升和上升-上升（a）（b）上升-上升型（b） 炉膛下部高热负荷区域布置两个串联回路，用于提高管内工质质量流速以避免流动异常和传热恶化一次上升型（a） 给水一次流经全部四面墙水冷壁管屏，没有下降管，管屏沿高度分为上、中和下

10、部三个辐射区，各区段之间设有混合器，用以消除平行管子间的热偏差 特点：系统简单，流动阻力小；相邻管屏外侧管间壁温差较小；可采用全悬吊结构；水力特性较为稳定；但对锅炉负荷适应性较差，金属耗量大FW型垂直上升管屏水冷壁 多次垂直上升管屏 炉膛下部高热负荷区域减小管屏的宽度，炉外加设下降管，形成多次垂直上升；在上部较低热负荷区，仍采用一次垂直上升管屏 既可保证高热负荷区有较高的质量流速，达到充分冷却的目的；又可减少高负荷下水冷壁的流动阻力；同时可避免采用刚度差的小直径管 有不受热的下降管，工质流程长，系统阻力较大； 相邻两屏内工质的含汽率不同，管间壁温差大，使各屏热膨胀不同。应尽量减少管屏串联的次数

11、 多次垂直上升管屏的特点蒸发受热面安全工作条件：管壁温度小于材料允许温度相邻管壁温度差小于50第三节 直流锅炉的水动力特性超超临界压力汽水的特性：未饱和水干饱和蒸汽过热蒸汽汽水两相流沿两相流体的流程各处含汽率和流速不同，组成的流型也不同，产生了不同的流动阻力和传热方式蒸发管内汽液两相流型及传热汽液两相流的流型泡状流弹状流环状流雾状流汽液两相流型泡状流：在连续的液相中,分散散存在着小汽泡。弹状流：泡状流中，汽泡浓度增大时，受趋中效应的作用，小汽泡聚合成大汽泡，直径逐渐增大。汽泡直径接近于管子内径时，形成弹状流。环状流：由于汽弹的内压力增大，当汽弹的内压力大于汽泡的表面张力时，汽泡破裂，液相沿管壁

12、流动，形成一层液膜；汽相在管子中心流动，夹带着小液滴。雾状流：管子壁面上的水膜完全蒸干时，蒸干点的质量含汽率x =0.8，即蒸汽中仍然夹带着小液滴，形成雾状流。 自然循环锅炉的蒸发管中，因为限制x0.4，所以一般不会出现雾状流。 汽水混合物在水平管中流动在浮力作用下，形成管子上部蒸汽偏多的不对称流动结构。随着流速减小，流动结构的不对称性增加。当流速小到一定程度时，形成分层流动。管子上部与蒸汽接触，管壁温度升高，可能过热损坏；在汽水分层的交界面处，由于汽水波动，可能产生疲劳损坏直流锅炉的水动力特性的不稳定性1.水动力特性 在一定的热负荷条件下，直流锅炉蒸发受热面中，工质流量G与流动阻力 之间的关

13、系 并列管子组成的管系，如果对应于一个压降可能有23个流量则表现为水动力不稳定性。 由于出现了水动力特性的多值性，就可能使并列工作的蒸发管中产生流量偏差及热偏差，严重时，使管子烧坏。强制流动水动力特性的函数关系式：2.水平蒸发受热面中的水动力特性：水动力不稳定的根本原因：汽、水比容的差异影响水动力多值性的主要因素欠焓的影响进口欠焓越小，水动力越稳定；影响水动力多值性的主要因素压力的影响 多值性出现的主要原因是由于汽和水的比容不同，随压力的升高，比容的差值减小（），流动趋于稳定。影响水动力多值性的主要因素质量流速的影响 质量流速越低，工质流量分配越不均匀，越容易发生水动力多值性。热负荷q的影响

14、热负荷越低，越容易发生水动力多值性。 锅炉负荷的影响 锅炉负荷越低，越容易发生水动力多值性。3.垂直面置蒸发受热面中的水动力特性 垂直一次上升管屏的水动力特性一般是稳定的。但各管受热总是不均匀的，受热弱的管子中工质平均含汽率x必然较小，则该管内工质的平均比容就要小于管屏中的其他各管的平均比容。也会出现停滞甚至倒流现象。1)上升管重位压头有利于流动特性趋于稳定，改善阻力特性，一般情况下不出现多值性。2)下降管重位压头的存在恶化阻力特性，因此，一次下降流动时，工质流量不稳定。4.消除或减小水动力不稳定性的措施（1）提高工作压力。（2）适当减小蒸发区段进口水的欠焓。（3）增加加热区段阻力。（4）加装

15、呼吸联箱（5）提高质量流速节流圈对水动力特性的影响 呼吸联箱装置示意图 第四节直流锅炉蒸发受热面中流体的脉动（一）脉动现象和种类 脉动：当锅炉工况变动时，在并联工作的管圈间，某些管子的进口水流量周期性忽高忽低于各管的平均水量，当一部分管圈的水流量增大时，另一部分管圈的水流量则减小。 与水动力不稳定的区别：前者是周期性的波动，而后者是非周期的波动。 脉动现象有全炉脉动、管屏间脉动和管间脉动三种。（二）产生脉动的原因 试验研究表明，管间脉动的主要影响因素之一是：热水段与蒸发水段阻力之比。 越大，脉动的幅度越小 外因：某些管子在蒸发开始段受到外界热负荷变动的扰动； 内因：该区段工质及金属蓄热量发生周

16、期性变化。（三）.脉动的危害 使管壁温度发生周期性变化，引起疲劳破坏。 汽温不易控制，易导致管壁超温。 造成管屏的机械振动，引起机械应力破坏。（四）减小及防止脉动产生的措施提高质量流量增大加热段与蒸发段的阻力比值提高工作压力锅炉启停和运行方面的措施锅炉设计主面的措施第五节热偏差一、热偏差的概念并列管组中各管，由于结构、热负荷和工质流量大小不完全一致，工质焓增也就不同，这种现象称为热偏差。热偏差系数的定义h0 管组平均焓增；hp 偏差管焓增； q、F、G 分别为管外壁单位面积的吸热率、受热面积及工质流量；q 、F 和G 分别为吸热、结构和流量不均匀系数。 热偏差的危害 虽然管组出口蒸汽平均温度满

17、足设计要求，但个别受热面管子（偏差管）吸热偏多，引起该受热面管金属超温，造成高温蠕变损坏。二、影响热偏差的因素热力不均系数（正比）结构不均系数（正比）流量不均系数（反比）1、热力不均系数的影响因素受热面污染炉内温度场和速度场不均（ 引起辐射换热不均和对流换热不均） 风速不均、煤粉浓度不均、火焰中心偏斜将引起炉内温度场和速度场不均；2、流量不均系数的影响因素流动阻力 吸热多的管子，由于管内工质比体积大、流速高，以致阻力大，因而管内工质流量减少，流量减少促使焓增增大，比体积更大，热偏差更严重重位压力降影响 垂直上升管，重位压力降有助于减小流量偏差 （垂直上升蒸发管屏中，当个别管热负荷偏高，流量减少

18、，同时重位压力降低，促使流量回升。） 三、减少热偏差的措施 1.加装节流圈2.减小管屏或管带宽度3.装设中间联箱和混合器4.采用较高的工质流速5.合理组织炉内燃烧工况第六节 传热恶化一、蒸发受热面的沸腾传热恶化二、沸腾传热恶化的推迟及防止措施沸腾传热恶化第一类传热恶化管外局部热负荷太高，管内壁汽化核心急剧增加，汽泡形成速度大于汽泡脱离壁面的速度，形成连续的汽膜，对流放热系数2 急剧下降，管壁得不到液体冷却超温破坏。特性参数为临界热负荷。沸腾传热恶化第二类传热恶化热负荷不太高、但含汽率很高时（出现液雾状），汽流将水膜撕破或因蒸发使水膜部分或全部消失，管壁直接与蒸汽接触而得不到液体的足够冷却，对流放热系数2 急剧下降，金属壁温tb 急剧增加造成管子过热而烧坏，特性参数是工质的临界含汽率第二类传热恶化1.第二类传热恶化时的管壁超温的飞升速度没有第一类严重，但它发生的热负荷比第一类恶化时低得多，