清华大学热能工程教学课件-第3章-锅炉蒸发受热面资料讲解

清华大学热能工程教学课件-第3章-锅炉蒸发受热面受热面高温介质和低温介质进行换热的表面，对于锅炉而言就是把烟气中的热量传给锅内低温工质的表面。受热面的作用

a:传递热量

b:隔离加热介质和被加热介质，是两种介质的分界面。3.1受热面受热面的分类

根据受热面的主要传热方式的不同分为辐射受热面和对流受热面。辐射受热面是以辐射换热为主要换热方式的受热面。其特点是传递热量的多少主要取决于辐射换热的强弱。虽然也有对流换热，但换热的影响基本上可忽略。传热的热流密度与加热介质和被加热介质绝对温度的四次方差成正比。主要包括板式辐射受热面：如炉胆管式辐射受热面：如水冷壁对流受热面传热过程以对流换热为主的受热面。锅炉的对流受热面主要包括指凝渣管束、锅炉管束、对流过热器和再热器、省煤器及空气预热器等受热面。尽管这些受热面的作用、构造、布置以及工质和烟气的热工数据有很大的不同，但其传热过程都是以对流换热为主。3.2自然循环锅炉水冷壁水冷壁的由来水冷壁的作用水冷壁分类光管水冷壁膜式水冷壁水冷壁是指布置在炉膛四周、炉墙内壁面附近的平行并列管，是一种管式辐射受热面。管子内有工质流动和冷却。是一般水管锅炉必须具备的受热面。

在近代动力锅炉中，炉墙上均敷设了水冷壁。中压锅炉的水冷壁是蒸发受热面。高压和超高压锅炉的水冷壁主要是蒸发受热面，但炉膛顶部常布置辐射过热器。在直流锅炉中，一部分水冷壁用作加热受热面和过热受热面，但水冷壁仍然主要是蒸发受热面。在超临界压力直流锅炉中，水冷壁是用作加热水和过热蒸汽。因此在低于临界压力的各种动力锅炉中，我们讨论蒸发受热面一般即指炉膛水冷壁，这是一种辐射蒸发受热面。它的传热方式主要是辐射换热。早期锅炉水管锅炉燃烧区距受热面近，火焰直接加热受热面，火焰温度降低，影响燃烧，未燃尽就随烟气排出锅炉，影响效率。而且未燃尽燃料附着在受热面上，增加了传热热阻，降低了传热系数，传热减少。为了克服这些问题，设计锅炉时，采用较大的炉膛，让燃烧区远离受热面，这样，提高了燃烧区温度，减少了未完全燃烧损失，锅炉效率提高。但燃烧区温度提高后，炉墙易烧坏，为保护炉墙，在炉墙四周布置管子，用工质冷却，形成了水冷壁。今天水冷壁已成为大型锅炉中必不可少的主要受热面。

水冷壁的由来

水冷壁的作用

水冷壁一般作为蒸发受热面，是自然循环锅炉构成水循环回路的重要部件，其作用主要包括：对炉墙的作用保护炉墙免受高温作用，使灰渣不易粘在炉墙上，防止炉墙被冲刷磨损、过烧而损坏。装设水冷壁后，炉墙的内壁温度大大降低，因此炉墙的厚度可以减小，重量减轻。吸热火焰对水冷壁的辐射传热已成为锅炉传热重要方式。由于炉内温度较高，且烟速很低，这种吸热主要通过辐射方式。在炉膛出口处将烟气的温度冷却到足够低的程度。

固定炉墙对于敷在水冷壁管子上的炉墙，即敷管炉墙或管承炉墙，水冷壁也起了悬吊的作用。

主要分为分为光管式水冷壁和膜式水冷壁。光管式水冷壁就是通过锅筒及集箱连接起来的一排布置在炉墙内侧的光管。所谓膜式水冷壁就是各光管之间用鳍片或扁钢焊接成的一管屏。

水冷壁分类图2-2煤粉炉水冷壁1-水冷壁2-锅筒3-防渣管4-炉墙5-下降管6-集箱7-炉墙8-水冷壁管9-燃烧室

光管水冷壁在中小容量锅炉上用得比较广泛的是光管水冷壁。光管水冷壁一般贴近炉膛四壁，互相平行地垂直布置，上部与锅筒或上集箱连接，下部与下集箱相连。

图2-3整排水冷壁结构

光管水冷壁的结构水冷壁一般贴近炉墙布置的平行并列管，上部与锅筒或上集箱连接，下部与下集箱相连。水冷壁通常是以外径d＝51（工业锅炉）～60（大锅炉）mm的无缝钢管组成，材料为20A。管壁壁厚δ视工作压力而定，一般为3~5mm。如：中压锅炉管子尺寸为φ60×3，高压锅炉为φ60×5。节距S：相邻两管中心线之间的距离。管墙距e：管子中心线与炉墙之间的距离。工业锅炉S/d=2~2.5e/d=0.5~0.8

电站锅炉S/d=1.2~1.6e/d=0.5~1.0光管式水冷壁优点：制造、安装简单。缺点：保护炉墙的作用小，炉膛漏风严重。

光管水冷壁的优缺点

水冷壁布置的紧密程度S/d来表示。当S/d增大时，即布置较稀时，管子背面受到炉墙反射的热量较多，金属的利用率较高，但对炉墙的保护较差，从保护炉墙的角度。S/d不宜过小。

光管水冷壁S/d的选择式中：Asj一实际的水冷壁管子面积;

Al一炉膛有效辐射受热面积

x一有效辐射系数，

n一管子数;

l一管子长度在大容量锅炉中，较多的采用了膜式水冷壁，它将炉墙全部遮蔽。

膜式水冷壁

目前，膜式水冷壁大多是由光管和鳍片（扁钢条）焊接而成。

不用扁钢，而用埋弧焊接法将管子一起焊成管排。膜式水冷壁的几种制作方式采用在钢厂轧制和挤压的鳍片管而制成的膜式水冷壁（图2-6），只在大批量生产时才比较经济。图2-6轧制鳍片管的焊接

膜式水冷壁管节距的选择从经济的角度看，最好采用尽可能大的管间节距，即采用尽可能宽的鳍片。可减少金属耗量，并可降低贵重金属的耗量。从安全性来说，鳍片也不能过宽，否则在同样向火面热负荷下，鳍端的金属温度就增高，可能产生过烧。膜式水冷壁的s/d一般选为1.3~1.35。目前国内各锅炉制造厂对自然循环锅炉的膜式水冷壁采用节距s=80mm，管径d=60mm,管壁厚3、5、6mm。

膜式水冷壁管鳍片的要求鳍片宽度不能过大，国内一般选取b=10mm；鳍片根部厚度δg不能过小，否则容易使得管子过烧；鳍片根部厚度δg不能过大，过厚会使它的向火面与背火面的温差太大引起过大的热应力。鳍片厚度一般选为9mm。鳍片端部厚度也不能太小（考虑焊接），一般为6mm

炉膛密封性好，漏风量少，炉膛可采用微正压燃烧。可降低锅炉的排烟热损失，从而提高锅炉的热效率。对炉墙保护好，炉墙温度大大降低，可使其厚度减薄，减轻重量和简化炉膛结构。可缩短起动和停炉时间。

膜式水冷壁的优点钢管加扁钢工艺制造的膜式水冷壁使挥发份低的难着火燃料能迅速着火和稳定燃烧；在旋风炉及液态排渣炉中获得较高的温度以使渣顺利排出炉外。为了使局部地区形成高温，常常需要把一部分水冷壁管表面遮盖起来，以减少该部位吸热量，这部分水冷壁表面称作卫燃带。

采用卫燃带原因

通常是在水冷壁管上焊有较多φ6～12mm，长20～25mm的销钉（或称抓钉），外涂铬矿砂耐火塑料（97％铬矿砂和3％耐火粘土，再加上6％～7％的水玻璃）图2-7卫燃带的构造1-水冷壁管2-销钉3-铬矿砂耐火塑料

卫燃带的敷设

固定耐火材料；将耐火材料上的热量传给水冷壁，使耐火涂料得到冷却，延长使用期限。

卫燃带上销钉的作用

折焰角对高压锅炉及超高压锅炉，广泛采用平炉顶结构，炉顶由过热器顶棚管组成。在平炉顶结构中，后水冷壁上部常做成一个折焰角（或简称鼻子）与上集箱相连，炉膛出口处不装凝渣管束。DG670/140型锅炉增加了水平连接烟道的长度，并空出了凝渣管束的位置，可以在不增加锅炉深度（指左右方向）的情况下布置更多的过热器受热面，通常这个部位用以布置屏式过热器。增加炉膛充满度，改善烟气流冲刷屏式过热器的空气动力特性，增加横向冲刷的作用，增加烟气流程，加强烟气混合，使烟气流沿着烟道高度分布趋于均匀。

折焰角的作用折焰角的突出部分一般为为炉膛深度的30％左右。一般取图2-8折焰角结构a)HG-230/100-6型锅炉b)HG-410/100-1型锅炉1-上升管2-集箱3-连接管4-三叉管5-节流小孔6-刚性管

折焰角的结构水冷壁的热膨胀问题：图2-10水冷壁管的吊拉件示意图a)安装时的位置b)运行时的位置1-水冷壁管2-拉钩3-膨胀间隙4-支架5-张力构件3.3锅炉管束型受热面3.3.1锅炉管束3.3.2凝渣管束

采取锅炉管束的原因在低压小型锅炉中，由于锅炉的工作压力低，水在汽化过程中所吸收的热量—汽化热所占比例较大，仅靠炉膛水冷壁吸热量不能满足蒸发吸热的要求，因此在炉膛出口后面还要装设较多的蒸发受热面即锅炉管束。

3.3.1锅炉管束锅炉管束是一种蒸发受热面，设置在锅炉炉膛出口。通常采用上下双锅筒结构，管子两端胀接或焊接在上下锅筒上。由于工作压力低，锅筒壁不太厚，制造容易，采用双锅筒结构是比较经济的。为简化制造工艺，在设计时通常使管子形状尽量标准化，如选用相同的弯管半径。

图2-11小型锅炉蒸发管束简图

锅炉管束的结构锅炉管束可以错列布置（用于小型水管锅炉中机械通风时），其优点是传热效果好，节约钢材。也可顺列布置（小型水管锅炉中自然通风时），以便于吹灰与清灰，减少烟气流动阻力我国小型锅炉一般采用Ф51×2.5mm的管子作锅炉管束，节距S1=100mm，S2=95mm，管子弯曲半径R=160mm。

采用管束结构可实现烟气对受热面的横向冲刷，在管束中用耐火砖把烟道隔成几个流程，随烟气温度的降低，各流程通道截面积应逐渐减小，以保证各流程的烟气速度相近。图2-12锅炉管束流程布置图3.3.2凝渣管束

锅炉采用п型布置时，后墙水冷壁要通过水平烟道，通常节距S较小，易结渣。为此，需把后墙水冷壁通过水平烟道的管子节距拉大，拉稀，形成凝渣管束，以防渣。

采用凝渣管束的原因凝渣管束的作用图2-13国产120t/h中压煤粉锅炉凝渣管束防止后部受热面结渣（也称防渣管束）；可均匀炉膛出口处的烟气速度场和温度场，减轻后不受热面热偏差。可吸收蒸发热量；由后墙水冷壁拉稀而成。采用大节距，所用的横向、纵向相对节距多在以下范围内：凝渣管束的结构锅炉炉膛出口管束布置简图图2-14锅炉炉膛出口管束布置简图a)中压锅炉带凝渣管束的布置b)高压锅炉带屏式过热器的布置1-凝渣管束2-过热器3-后水冷壁吊挂管4-屏式过热器3.4.1水平围绕上升管带型3.4.2多次垂直上升管屏型3.4.3多弯道立式或水平式管带型3.4.4直流锅炉水冷壁的应用与发展

3.4直流锅炉的水冷壁

直流锅炉工质在各受热面一次性强制流过。给水由给水泵进入省煤器，经炉膛蒸发受热面、对流过渡区、过热器，然后送往汽轮机。各部分流动水阻力全由水泵来克服。直流锅炉和自然循环锅炉在结构上的差异除了无锅筒之外，主要在于炉膛部分的水冷壁。

结构形式

水冷壁由许多根平行的管子组成管带，然后是水平或微倾斜地自下向上沿炉膛四周内壁盘旋上升。为了盘旋上升，至少有一个墙上的水冷壁是微倾斜布置。

应用

苏联最早采用这种水冷壁，称兰姆辛型。国内SG-220-100型和SG-400-140型直流锅炉水冷壁都采用这种型式。

3.4.1水平围绕上升管带型水冷壁

水平围绕上升管带型优缺点

优点

主要优点是不用中间集箱，从而没有不受热的下降管道，因而可节约金属，便于滑压运行。由于相邻管带外侧两根管子间的壁温差较小，适宜于整焊膜式结构。

缺点

不足之处是安装组合率低，现场焊接工作量大，制造整焊膜式壁时，制造工艺要求较高。管内工质的汽水分层问题。试验指出，倾斜角为5o以上时，由汽水分层而造成的管子上下壁温差已较小，若倾斜角达9~11o时，汽水分层就不再发生。结构布置上的问题。角度太大，又将造成结构布置上的困难。国内的设计约9~15o之间。但是对于汽水分层问题，还可以用选择较高的质量流速来避免，所以即使是水平布置部分，只要管子中工质具有足够的质量流速，亦不致发生严重的汽水分层。

上升管带倾斜角度的选择

与锅炉的容量有关。为了使流动阻力不致太大，每根管圈内的流速在保证水动力稳定及不发生汽水分层等的前提下不宜过高。对于容量大的锅炉，辐射受热面平行联接的管子数目就要多些。如果用单回路管带，则管带宽度太宽，管子之间的热偏差较大，为此，容量较大的锅炉宜用双回路管带，或四回路管带。

管带数的选择

水冷壁的管径一般为Ф25~50rnm。管径的选择主要考虑金属的经济性及工作可靠性。从经济性角度来看，采用小管径是合理的。但在保证了质量流速在一定范围后，如采用过小的管径，将使管带宽度增加，对减少热偏差是不利的。

管径的选择

3.4.2多次垂直上升管屏

结构形式

水冷壁由若干个垂直管屏组成，每个管屏又由几十根并联的上升管及两端的集箱组成，每个管屏宽约1.2~2m。各管屏之间用2~3根不受热的下降管连接，使它们串联起来。

应用

最早是西德本生型直流锅炉采用这种结构，国内杨柳青及南市电厂直流锅沪也属于这一种类型。

多次垂直上升管屏优缺点

优点

便于在制造厂做成组件，简化工地安装工作，简化支吊结构。

缺点

由于有中间集箱和不受热的下降连接管道，金属耗量大，也不适应滑压运行的要求，由于相邻管屏外侧两根相邻管子间的管壁温差大，不适应膜式壁的要求。

多次垂直上升管屏的改进

适应膜式壁的要求，现时往往只在炉膛下部做成2~3次串联管屏，以减少相邻管屏外侧两根相邻管子间的壁温差，而在炉膛上部则做成一次垂直上升管屏，这时因已为过热蒸汽，比容大，可保证足够的工质流速，同时炉膛上部的热负荷己较低。3.4.3多弯道立式或水平式管带型

应用

瑞士苏尔寿直流锅炉采用这种型式。目前这种型式已很少采用。

多弯道立式或水平式管带型优缺点

优点

优点是减少甚至不用中间集箱，节约金属耗量，并能适应复杂的妒膛形状。

缺点

缺点是两集箱之间管子特别长，热偏差大，不利于管子的自由膨胀，管带每一弯道的两个行程之间的相邻管子内工质