电站锅炉原理(精华)

第一章概述第一节锅炉设备的构成及工作概况锅炉的作用是使燃料燃烧放热，并将热量传给工质，以产生一定压力和温度的蒸汽。在电厂里，锅炉产生的蒸汽被引入汽轮机膨胀作功，推动汽轮机的转子旋转，进而带动发电机发出电能。图1-1为一台锅炉及其主要辅助设备的简要示意，以下将按该图示例分两个系统来说明其构成和工作概况。一、燃料、空气和烟气系统目前我国电厂锅炉所用燃料主要是煤，而送入炉膛燃烧的燃料一般为煤粉，把原煤制成煤粉的设备称为制粉设备或制粉系统。如图1-1所示，从煤仓下落的煤经过经煤机11运入磨煤机12磨碎。煤在磨碎过程中还必须同时进行干燥，常用的干燥介质是热空气。送风机14将冷空气送入锅炉尾部的空气预热器5，空气流经它时吸收烟气的热量成为热空气。此热空气一部分进入磨煤机内，对煤加热和干燥，并把已磨碎的煤粉带出磨煤机，所以这部分热空气既有干燥作用，又有输粉作用。在本示例中，为提高干燥介质压头而装的排粉机13布置在磨煤机之前，从磨煤机排出的气粉混合物经煤粉管道直接引向燃烧器8，并由此进入炉膛。由图看出，从空气预热器出来的另一部分热空气是直接通过燃烧器进入炉膛的，它在炉膛内与已经着火的气粉混合物混合，并参与燃烧反应。煤粉在炉膛空间内悬浮燃烧。炉膛的横截面一般呈矩形，炉壁内侧通常都布置着密集排列的管子，管内有水和蒸汽流过，这就是图中所示的水冷壁1，它既作为工质的辐射受热面，双能保护炉墙，使其不致烧毁。煤粉在炉内燃烧时，虽然向水冷壁辐射放热，但在燃烧反应最剧烈的火焰中心，温度仍可达1500~1800度，故燃料中的灰分将被熔化。有些较大的灰粒不能随烟气上升而逐渐沉降，并逐渐冷却和凝固，最后落进炉子下部的排渣装置9时，已呈固态，这种炉子称为固态排渣煤粉煤。大量较细的灰粒则随烟气上升，在上升过程中也逐渐冷却，到达炉膛出口时已经凝固或者成为不太粘的灰粒，这些随烟气流动的细灰称为飞灰。炉膛出口处烟气的温度还是很高的，通常总在1000度以上。因此，在锅炉本体的烟道内还布置着由很多管子组成的受热面，管内有水或蒸汽流过。当烟气流经这些受热面时就以对流传热的方式将热量传给工质，这些受热面统称为对流受热面，布置这些受热面的烟道称为对流烟道。在现代锅炉的烟气出口端都装有空气预热器，由此出来的烟气即锅炉排烟，其温度已相当低，通常约在100~150度之间。如前所述，煤粉炉的烟气携带着大量飞灰。为了防止环境污染，锅炉的排烟首先要经过除尘器16，使绝大部分的飞灰被捕捉下下，再由引风机15将比较清洁的烟气通过烟囱排入大气。二、锅炉的汽水系统从蒸气动力厂的回热循环来看，工质在锅炉内要经历三个加热阶段，来自高压加热器的锅炉给水加热到饱和水；饱和水蒸发为饱和蒸汽；由饱和蒸汽加热到一定温度的过热蒸汽。在锅炉内，前两个阶段基本上由省煤器和蒸发受热面来完成；后一个分阶段则由过热器完成。这些受热面一般都由很多并联的管子组成，它们的两端分别与进出口联箱相连。省煤器通常布置在对流烟道的较低烟温区，如图1-1之4。过热器内的工质温度比省煤器和蒸发受热面里的都高，而蒸汽冷却管壁金属的作用比水和汽水混合物都差，所以为了安全起见，一般不把它作为辐射受热面，而是布置在温度较高的对流烟道内，即在炉膛出口附近。然而对于压力较高（例如压力10Mpa）的锅炉，工质在过热阶段要吸收更多的热量，因此，通常部分蒸汽温度较低的过热器移至炉膛上部，作为半辐射（和半对流）传热的受热面，而将蒸汽温度最高的过热器仍布置在烟温较高的对流烟道内（图1-1之2）。有的锅炉，还把部分过热器布置在炉膛内作为辐射式过热器。如前所述，水冷壁是布置在炉膛四周的辐射受热面，当锅炉容量很大时，炉膛截面也很大，故在炉膛中央也布置水冷壁，把整个炉膛分成左右两个。这个位于炉膛中间的水冷壁，能从两边吸收辐射热，故称为双面（曝光）水冷壁。现代锅炉的饱和蒸汽全部或大部分是在水冷壁内蒸发出来的，所以水冷壁是锅炉的主要蒸发受热面。从热力循环来看，新汽的压力和温度愈高，则循环效率愈高，但由于金属材料性能的限制，锅炉的压力虽然可以提得很高，而过热蒸汽的温度一般只能在500~600度之间。当锅炉压力超过大约14Mpa时，这样温度的蒸汽如在汽轮机内一次膨胀作功降低到冷凝器压力，则在汽轮机的后部，蒸汽湿度将过大，从而影响汽轮机的安全工作。为了提高安全性和循环效率，常采用再热循环，也就是新汽在汽轮机的高压缸内作功后，再回到锅炉的再热器内吸热升温，然后又进入汽轮机，在中低压缸内继续作功。在少数机组的热力循环中，甚至采用两次回热。在图1-1示例中，再热器3布置在过热器之后的对流烟道内。根据图1-1所示和上述说明可知，锅炉的汽水系统是由各种受热面、汽包、联箱和若干连接管道所组成。它们都要承受一定的压力和温度，尤其是受热面，它们所承受的温度还要比它们内部工质的温度高些。因此，作为汽水系统的部件或管子，其材料既要具有一定的强度，又要有耐热的性能。工作温度低于500度的部件可用优质低碳钢，当工作温度更高时，则要根据不同的温度，选用不同的耐热合金钢，其中常含有少量铬、钼等元素，有时还含有钒、锰、镍、钛等元素。第二节锅炉的主要类型锅炉可根据其工作条件、工作方式和结构型式不同，分为许多种类型，现简单说明如下。一、容量和参数锅炉的容量或额定蒸发量是指锅炉的最大长期连续蒸发量，常以每小时供应蒸汽的吨数来表示；锅炉的参数主要是指锅炉出口蒸汽的压力和温度，一般说来，设计时规定的和运行时要求的出口蒸汽压力和温度就称为锅炉的额定汽压和额定汽温。对于具有再热器的锅炉，蒸汽参数中还包括出口再热汽温。按照容量的大小，锅炉有小型、中型和大型之分，但它们之间没有固定的分界。由于锅炉工业的发展，锅炉的容量日益增大，若干年前大型锅炉目前只能算中型了。按照压力的高低，锅炉可分为低压，中压，高压，超高压，亚临界和超临界压力等类型。从五十年代开始，我国逐步建立和发展了自己的锅炉制造工业，生产了各种类型的锅炉。在七十年找初，我国投运了第一台国产1000T/H以上的亚临界压力或超临界压力锅炉，最大的容量在4000T/H以上，配1300MW的汽轮发电机组。表1-1主要国产锅炉的容量和参数压力类别蒸汽压力Mpa蒸汽温度℃给水温度℃额定蒸发量T/H配套机组容量MW中压3.8450150,17235,65,1306,12,25高压9.8510,540215220,41050,100超高压13.7555/655240400,670125,200亚临界16.7555/570260935,1000300注1：蒸气压力的兆帕均为约数2：在以分数形式表示蒸汽温度时，分子为过热汽温度，分母为再热汽温。二、锅炉常用的燃料电厂锅炉常用的固态燃料是煤；液态燃料是油，一般是炼油厂的残余物，即渣油或重油；气态燃料主要是天然气和少量高炉煤气与焦炉煤气。相应于各种燃料，锅炉可分为燃油炉、燃气炉和燃煤炉。我国电厂历来以燃煤为主，近年来由于国际市场油价的高涨，有的燃油炉也已改为燃煤。在某些过去以燃油为主的国家里，例如日本和美国，亦有增加燃煤和减少燃油的趋势。三、燃烧和排渣的方式按照燃料燃烧和排出灰渣的方式，锅炉可分为很多类型，现择主要的几种说明如下。1、层燃炉层燃炉都有炉篦，通常又称篦炉，燃料主要在炉篦上的燃料层内燃烧；只有在燃料加热和燃烧反应时放也的可燃气体和极少量的微细颗粒在炉篦以上的炉膛空间内燃烧。这种燃烧方式主要用于工业锅炉，也就是低参数、小容量的锅炉。2、室燃炉室燃炉简称室炉，没有炉篦（极少数例外），燃料全部或主要在炉膛空间内悬浮燃烧。这是电厂锅炉的主要燃烧方式，液体和气体燃料的燃烧都用这种方式，燃烧煤粉一般也用这种方式。燃烧煤粉的室炉常称为煤粉炉。按照排渣的方式，它又可分为固态排渣和液态排渣炉两种。固态排渣炉已如前述，不需再作说明。至于液态排渣煤粉炉，则与它不同。在液态排渣煤粉炉内，火焰中心位置较低，部分水冷壁上有耐火保温的涂料，所以炉膛下部的温度很高，落到炉底的灰渣呈液态。炉底稍微化斜或为水平，正常运行时，炉底积有一层液态的灰渣，它可通过出渣孔不断地流到炉外，故称为液态排渣。这种炉子适用于灰分熔化温度较低的燃料，目前国内用得较少。3、旋风炉旋风炉一般是指以圆柱形旋风筒作为主要燃烧室的炉子，旋风筒同蒸发管绕成，内壁敷以耐火涂料。旋风筒有立式和卧式两种，可以燃用粗煤粉或煤屑，燃料和空气进入旋风筒的位置和方式有好几种，原则上要使气流在旋风筒内产生高速的旋转运动，微粒燃料在旋风筒中央悬浮燃烧；较大的煤粒则贴在筒壁上燃烧。由于筒壁上敷有耐火涂料，同时燃烧又十分强烈，所以筒内温度很高，筒壁上附有液态渣膜。旋风筒最低处设有渣孔，以供液态排渣。卧式旋风筒的烟气出口设在筒的端面上；立式的，设在下部筒壁上。视锅炉容量的大小，一台锅炉可以带有一个或数个旋风筒。还有一种立式旋风炉，它的烟气是由顶端出去的。旋风炉在国内用得很少，而在美国和西德则用得较多。4、火炬-层燃炉用空气吹送或用机械播撒把煤块和煤粒抛入炉膛空间，然后落在炉篦上的燃烧方式称为火炬-层燃。实际上，有些微小的煤屑完全在窨内进行燃烧；较大的颗粒可能在窨内着火再落到炉篦上；更大的煤粒则落在炉篦上才着火燃烧。这种炉子往往配以链条炉篦，使煤层一面燃烧，一面随炉篦移动，灰渣在炉篦末端自动落进渣斗。1960年前后，我国生产过一批这种小型锅炉，在一些老电厂内，有的至今仍在运行。5、沸腾炉沸腾炉也有炉篦，而空气通过炉篦时的速度较高，能使煤粒在炉篦以上的一段距离内上下翻腾，并进行燃烧，而较小颗粒的燃料则可能随空气一路上升，一路燃烧。这种炉子的优点是可以燃用劣质燃料，故对国民经济有重大的意义，国内已有一些制造和运行的经验，目前只用于少量的中小型锅炉。四、工质在锅炉内的流动方式锅炉的受热面通常都是一面吸收烟气的放热，另一面则受到工质的冷却。为保证受热面金属不致超温或燃坏，工质在受热面（管）内必须维持一定的流速。在所有锅炉的省煤器的过热器内，工质都是一次通过，并由它们进口和出口之间的压力差来克服工质的流动阻力，这属于强制流动。工质在蒸发受热面中的流动则有多种不同的方式，并可按此将锅炉分为以下几种类型：1、自然循环锅炉如图1-1所示，位于锅炉上的汽包6可通过下降管7不断地向水冷壁进口联箱10供水冷壁内的水吸热后产生蒸汽，成为汽水混合物，然后上升进入汽包。在汽包内，借助于分离装置的作用，使汽与水分开，故汽包的上部为汽下部为水。上部的饱和蒸汽被引至过热器继续加热，下部的水（包括经省煤器进入汽包的给水）则由下降管再进入水冷壁内加热，水冷壁出口汽水混合物的含汽率（按重量）大致在5~25%范围内（低参数、小容量的锅炉较小；高参数、大容量的锅炉大些）。由此可知，对于一定量的水，必须在汽包、下降管和水冷壁等所组成的回路内循环的重量压差，因此，以这种方式工作的锅炉称为自然循环锅炉。由于它具有横卧着的汽包作为贮水和汽水分离的容器，故通常又称之为汽包锅炉。自然循环汽包锅炉在国内外应用得极为普遍。2、多次强强制循环汽包锅炉在自然循环锅炉的蒸发受热面中，推动工质流动的是工质柱重的压差。为减小流动阻力，蒸发管的形状必须简单，尤其是水冷壁管，必须基本直立。即使如此，水冷壁管有时仍有超温的危险。如在下降管与水冷壁进口联箱之间装设循环水泵，则可进一步提高水冷壁管工作的安全性，同时，水冷壁的布置方式也可以比较自由。在这种锅炉中，水冷壁出口工质的含汽量可达20~30%以上。显然，定量的水仍需在汽包、下降管和水冷壁内循环多次，才能完全蒸发，故称之为多次强制循环汽包锅炉。它在英、法等国用得很普遍。我国最近也装了这种从国外引进的锅炉。3、直流锅炉与自然循环锅炉成鲜明对比的是（纯）直流锅炉。它不用汽包，给水进入锅炉后，顺序地一次通过加热、蒸发和过热受热面，工质在锅炉内部不进行循环。直流锅炉的蒸发受热面仍然是水冷壁，其进口通常是水，出口通常为蒸汽。工质流过直流锅炉蒸发受热面的推力，同工质流过省煤器和过热器时一样，也是给水泵的动力，故亦属强制流动。直流锅炉的水冷壁管可以是直立、螺旋上升，甚至是上下曲折的。无论是自然循环或多次强制循环汽包锅炉都只能用于临界压力以下，而直