锅炉基本知识分析

作者:皇冠app 发布时间:2020-10-22 18:30

  锅炉基本知识 ? 锅炉及参数的概念 锅炉就是利用燃料燃烧释放出的热能或用其他 形式的热能将工质(水或其它流体)加热到一定参数 (压力、温度)的设备。它由锅和炉两大部分组成。 锅是指吸收热量并传给工质的受热面系统,炉是将燃 料的化学能转变为热能的燃烧设备。 锅炉的功能是通过热能转换以输出具有规定特性 的蒸汽或热水。而表征蒸汽或热水的物理特性或状态 的物理量就称为状态参数,一般称为参数。热力状态 参数共有六个,常用的就是压力和温度。 ? 额定蒸汽压力 是指在规定的给水压力和负荷范围内长期连续运行所必须保 证的锅炉出口的蒸汽压力,也就是锅炉铭牌上标明的压力。单位 为MPa。我国工业锅炉参数系列规定有6个压力级别,即0.4,0.7, 1.0,1.25,1.6和2.5MPa(表压)。 ? 额定出水压力 热水锅炉在额定循环水量的条件下,由循环泵在锅炉出口所 维持的压力。单位亦为 MPa 。我国的热水锅炉参数规定的出水压 力级别与蒸汽锅炉相同。 一些进口的锅炉,其压力单位为巴( bar )或磅力平方英寸 ,即1bf/in2,亦即PSi。其换算关系是: 1bar=0.1MPa 1bf/in2(PSi)=0.00689476MPa ? 额定蒸汽温度 蒸汽锅炉在规定的负荷范围、额定蒸汽压力和额定给水温度下 连续运行必须保证的锅炉出口的蒸汽温度。单位为℃。对于有过热 器的锅炉,就是过热器出口的蒸汽温度;对没有过热器的锅炉,就 是其相应额定压力下的饱和温度。工业锅炉的出口蒸汽温度参数系 列,除饱和蒸汽温度外,还有250,350,400℃三个过热温度。 ? 额定出水温度 热水锅炉在额定回水温度、额定回水压力和额定循环水量的条 件下,长期连续运行时应保证的出口热水温度。单位也是℃。热水 锅炉标准参数系列有5个出水温度,即95,115,130,150和180℃。 ? 额定蒸发量 蒸汽锅炉在额定参数(压力、温度)、额定给水温度、使用设 计燃料并保证锅炉效率、连续运行时的最大蒸发量。其单位为吨/ 时(t/h)或公斤/时(kg/h)工业锅炉标准参数系列有0.1,0.2, 0.5,1,2,4,6,8,10,15,20, 35和65t/h,共13个蒸发量级 别。 ? 额定热功率 热水锅炉在额定回水温度、额定回水压力和额定循环水量的 情况下,长期连续运行时应保证的最大供热量。其单位为兆瓦, 即MW。热水锅炉标准参数系列有0.1,0.2,0.35,0.7,1.4,2.8, 4.2,7.0,10.5,14.0,29.0,46.0,58.0和116.0MW,共14个热 功率级别。 一些进口锅炉的出力不是采用以上单位,而是用“马力”即 “HP”;锅炉蒸发量单位也用t/h或kg/h,但常标有“at 212℉”字样;输出热量为英热单位,即“Btu”或“kW”。 1HP=0.7457kW=0.00075MW 蒸发量后面标有“at 212℉”,国内一般称其为“相当蒸发 量”。因为英国的锅炉蒸发量是这样规定的:“从212℉的水蒸 发为212℉的蒸汽量”(212℉=100℃)。 英热单位“Btu”是指将1磅水的温度升高华氏1度所需热量 。按热功率,其换算关系为: 1Btu/秒=1.055kW ? 额定给水温度 是指蒸汽锅炉在规定负荷范围内应当保证的给水温度。工业锅 炉的给水温度为20℃,60℃和105℃。 ? 锅炉效率 即锅炉热效率。是指锅炉输出的蒸汽或热水的有效利用热量 Q 与同一时间进入锅炉的燃料完全燃烧放出的热量Qr的百分比,通常 用符号“η ”表示。即 η =Q/Qr×100% 燃油燃气锅炉产品的热效率,机械工业部的行业标准有规定, 燃油锅炉应保证80%-85%,燃气锅炉应保证82%-87%。对容量 大的锅炉要求效率高。 ? 锅炉型式的定义 ? 锅筒 水管锅炉中用以组成水循环回路,进行汽水分离和储存水汽的 筒型压力容器,由封头和筒体组成。是水管锅炉的一个重要部件。 ? 锅壳 锅壳式锅炉中容纳汽和水及加热受热面的筒型压力容器,由管 板(封头)和筒体组成。 ? 炉膛 又称燃烧室。锅炉中使燃料和空气混合,燃烧,高温火焰和烟 气对其受热面进行传热的空间。 ? 炉胆 又称火胆。锅壳锅炉中的炉膛或燃烧室。 ? 受热面 锅炉用来传递热量的金属壁面。 ? 辐射受热面 主要以辐射换热方式从放热介质吸收热量并传递给吸热介质的 受热面。如水管锅炉的炉膛水冷壁,锅壳锅炉的炉胆等等。 ? 对流受热面 主要以对流换热方式从烟气中吸收热量并传递给吸热介质的受 热面。如水管锅炉的对流管束,锅壳锅炉的烟管等。 ? 烟水管 主要指汽水在管内流动,烟气在管外流动的水管锅炉受热面 的管子。 ? 烟管 又称火管。主要指烟气在管内流动,置于锅水之中的锅壳锅 炉的对流受热面管子。 ? 微正压燃烧 炉膛中烟气压力高于大气压又不大于5kPa压力的燃烧方式 。 ? 锅壳式锅炉 按锅炉安装后锅壳的纵向轴线与地面的位置关系分为: 1、轴线与地面垂直,称为立式,用汉语拼音字母“L”表示。 2、轴线与地面平行,称为卧式,以汉语拼音字母“W”表示。 按燃烧室(炉膛)与锅壳的位置关系分为: 1、燃烧室在锅壳之外,称为外燃,以汉语拼音字母“W”表示 。 2、燃烧室在锅壳之内,称为内燃,以汉语拼音字母“N”表示 。 按主要受热面分为水管(S)和火(烟)管(H)。 ? 水管式锅炉 按水循环方式分为: 1、自然循环锅炉。如果锅炉只有一个锅筒,则称单锅筒,以 “D”表示;如果锅炉有二个锅筒,则称双锅筒,以“S”表 示; 2、强制循环锅炉。如果锅炉无锅筒,则锅炉为强制循环锅炉, 以“QX”表示; 按锅筒纵向轴线与燃烧火焰及烟气的流向位置关系分为: 1、 锅筒与烟气流向平行,称纵置式,以“Z” 表示。 2、 锅筒与烟气流向垂直,则称横置式,以“H” 表示。 锅炉主要部件的组合形式,就称之为锅炉的“总体型式”。为 便于设计制造与用户选用, 原机械工业部以JB/T1626标准规定了工业锅炉的“总体型式代 号”,如下表所示: 锅壳锅炉总体型式代号 总体类型 立式水管 立式火管 卧式外燃 卧式内燃 代号 LS(立水) LH(立火) WW(卧外) WN(卧内) 水管锅炉总体型式代号 总体类型 单锅筒立式 单锅筒纵置式 单锅筒横置式 双锅筒纵置式 双锅筒横置式 强制循环式 代号 DL(单立) DZ(单纵) DH(单横) SZ(双纵) SH(双横) QX(强循) ? 锅炉的型号 锅炉的型号就是将总体型式代号和参数等,按规定的方式进 行组合,以表示锅炉产品的型式和主要性能及规格。 JB/T1626规定的工业锅炉产品型号编制方法是: x x 锅炉 型式 代号 燃烧 方式 代号 额定蒸发量 (t/h) 或额定热功率 (MW) x x x x 燃料种 类代号 (过热)蒸汽温度或出水 温度 / 进水温度 额定蒸汽或额定出水压力(MPa) 全部型号分三部分,中间用短横线相连。各部分中“△”为汉 语拼音字母代号,“X”为阿拉伯数字表示的参数。 燃料种类代号,JB/T1626的规定是: 柴油-Yc 重油-Yz 焦炉煤气-Qj 液化石油气-Qy 天然气-Qt 燃料种类代号为YQ,表示油气通用。 当锅炉输出的介质是饱和蒸汽时,第二部分的“过热蒸汽温 度”省略;对热水锅炉,此处就是两个温度,即“出水温度 /进 水温度”。 常压锅炉在型号前加“ C”表示常压锅炉,表示压力段省略 。 电热锅炉表示为“WDR”,其余段意义相同。 ? 锅炉本体的基本构造 锅炉分为锅壳式和水管式两大类,实际上就是其本体结构的 区别。 ? 立式锅壳式锅炉 立式锅壳式锅炉的锅壳纵向轴线与地面垂直,所以锅炉整体 是竖立的,具有占天不占地的优势,锅炉本体结构也较简单。 1、套筒式结构 如图3-1所示。 内筒是炉胆,外筒是锅壳。为 强化传热,锅壳外侧焊有许多肋片。 套间就是汽水容积,上部是汽空间, 下部是水空间。燃烧器安装在锅炉 上端。火焰自上旋流而下,烟气从 炉胆底部回转向上排出锅炉,因此 有“二回程锅炉”之称。锅炉外部 是保温层和外壳。锅炉结构简单。 若使用水质或排污不当,容易在套 筒底部形成水垢或堆积杂质,影响 传热,甚至会产生该处过烧,裂纹。 2、埋头封头式结构 如图3-2所示。 锅炉本体由短而粗的炉胆(燃烧 室),上下管板,埋头烟室,烟管和 锅壳等主要零部件组成。为强化低温 区的传热,烟管上半段内装有增加烟 气扰动的扰流片。锅炉结构简单,燃 烧室密封性能好,埋头烟室的管板浸 没在水空间(图中正常水位线以下), 使管板能得到较好的冷却。燃烧室和 埋头烟室的空间较大,便于管板的检 修。但如果管板水侧结垢,清理不够 方便。另外,烟管中的烟气容易形成 偏流,受热面利用率低。 3、立式直水管锅炉图3-3所示。 该锅炉虽然有直水管束, 但其燃烧室在锅壳之内,管束 布置在上下锅筒之间,也可视 为在锅壳之内,因此将其列入 锅壳锅炉之列。锅炉本体由封 头、上下锅筒、上下管板、炉 胆、U型下脚圈、中心大直径 下降管和上升管束等组成。燃 油(气)在燃烧室产生的高温 烟气经喉管进入管束,绕中心 大直径下降管回转360°(外 围是烟箱)散热后,至烟箱 排出。由于烟气横向冲刷管束,所以它比埋头封头式锅炉的烟管 传热效果好。因上下筒壳均有人孔,对检查清理管板比较方便。 这种锅炉的工作压力一般不超过1.0MPa,出力不超过2000kg/h。 以上三种型式锅炉,其蒸汽空间小,这是立式锅壳式锅炉容 量不可能大的主要原因。根据工业锅炉的蒸汽容积负荷(单位时 间从单位蒸汽空间流出的蒸汽体积,即m3/m3h)特性,如果容积 负荷太大,就会造成输出的蒸汽大量带水,恶化蒸汽品质,严重 时还会导致汽水共腾,影响锅炉正常运行。 随着工作压力的提高,锅壳和炉胆的壁厚相应增加,这不仅 要增大制造成本,还会使炉胆产生过大的热应力,对炉胆的安全 工作不利,因此,立式锅壳锅炉的压力不可能设计得太高。 ? 卧式锅壳式锅炉 这种锅炉与同等容量的水管锅炉相比,结构简单容易形成快 装形式。锅炉本体主要由炉胆、转烟室、烟管和锅壳组成。在锅 壳和管板间根据强度需要布置斜拉杆,管板与管板间布置有直拉 杆,炉胆可为波纹形、直管形、或波纹直管混合形。最常用的是 中心回燃式结构和三回程结构。 卧式内燃锅炉的烟气流程是:燃料在炉胆中燃烧,产生的高 温烟气经辐射换热后进入烟管对流放热,最后排出锅炉。因此烟 气必须经过回转才能进入烟管。通常将烟气由炉胆至第二回程烟 管的回转部位称为转烟室。而由第二回程至第三回程的转弯部位 则称为前烟箱(室)。 1、炉胆布置的多种方式 作为卧式内燃锅壳式锅炉,其炉胆(燃烧室及辐射受热面) 是布置在卧式锅壳之内的。当锅炉的炉胆布置在锅壳的正中心偏 下时,称为下偏置结构。其上方及左右均有烟管管束。当炉胆在 左下方或右下方时,称左偏置或右偏置结构,同时烟管管束布置 在另一侧。偏置结构形式可使整台锅炉受热面布置紧凑,锅炉体 积小。中小型热水锅炉一般将炉胆布置在锅壳的中心位置,即炉 胆和锅壳是同一中心线,炉胆周围布置烟管。随着锅炉设计出力 的增加,燃烧室直径的增大又受到技术上的限制(炉胆最大壁厚 限制),因此出现了一个锅壳中布置两个炉胆的结构,即双炉胆 结构,工业锅炉的炉胆布置方式基本是这四种结构(船用锅炉还 有三炉胆,以及四炉胆的结构)。 ? 2、关于“干背”与“湿背” ? 干背 初期的燃油燃气锅炉的转烟室置于后烟箱内,是由耐火砖或耐 火混凝土砌筑、在其外面再加一层隔热材料和钢制护板制成的,如 图3-4。这种结构是从燃煤锅炉的转烟室沿袭而来的。但实践证明, 这种结构很难适应燃油燃气锅炉。因为在燃煤锅炉上,煤的燃烧热 强度较低,烟气进入转烟室的温度一般都在 800℃以下,而且燃煤 锅炉都是负压燃烧。燃油燃气锅炉则不同,他们基本上都是微正压 燃烧,热强度也高,烟气进入转烟室的温度一般在 900℃以上。因 此,砖制结构的转烟室不仅外表面温度高,而且常常被烧坏。又由 于其密封性差,高温烟气外漏,往往使外部钢制护板严重过热变形, 影响锅炉正常运行。这种结构的转烟室,由于后面没有水的冷却, 所以称“干背”。 ? 半湿背、半干背 为了保护砖衬不被烧坏,于是在转烟室出现了仿效水管锅 炉炉膛的水冷壁结构。即在正对炉胆出口的耐火层里面(或中 间)加装水冷管,以减低耐火层温度。这就是所谓的“半湿背 ”或“半干背”,如图3-5所示。 ? 湿背 将转烟室用钢板或膜式水冷壁制成并移入锅壳内部的水空间, 称“湿背”结构,如图3-6所示。这种结构既能适应高温,密封性 又好,减小锅炉体积,提高锅炉效率,因而得到广泛的运用。但这 种湿背结构的制造比较困难,成本比较高。 实践证明,湿背式结构提高了锅炉的可靠性,经济性和安全性, 是卧式内燃三回程锅炉发展的大势所趋。 3、关于中心回燃 针对三回程湿背转烟室结构锅炉难制造及成本高的情况,70 年代末出现了所谓“反转燃烧”或“中心回流(回燃)”的结构。 如图3-7。 这种使烟气在炉胆 内回流的结构,试验证 明,可以起到降低炉胆 出口烟气温度的作用, 改善转烟室的工况。但 由于受炉胆尺寸的限制, 仅适用于中小型锅炉, 大型锅炉大都采用湿背 式三回程结构。 4、烟管 在卧式内燃锅炉的改进中,烟管也得到不断改进。初期的烟 管都是光管。后来,为强化对流传热,在低烟温区的烟管内放置 了“扰流片”(图3-2),近年来又发展为螺纹烟管,如图3-8。 螺纹烟管比光管的传热效果能提高30%左右,也就是同样的传热 量,可节省30%左右的烟管,不仅节约了钢材,而且由于管数减 少,就可缩小布置烟管的管板直径,也就缩小了锅壳直径,减小 了锅炉的体积。但使用螺纹烟管或内置扰流片时会使烟气阻力有 所增加,所以运用螺纹烟管及内置扰流片的结构还有待优化。 d-直径 s-槽距 e-槽深槽 β -管轴线、锅炉容量和压力限制 卧式内燃锅炉的锅壳和炉胆都是圆筒形元件,为保证运行安 全,他们都必须有足够的强度和钢度。由于圆筒形元件的壁厚与筒 体直径和压力的乘积成正比,即: S∝D×P S-壁厚 D-筒体直径 P-工作压力 所以,无论是锅壳还是炉胆,直径的增大和压力的提高,都 意味着壁厚的增加。通过技术经济比较,若锅壳直径太大,其制造 成本会超过同等容量和压力的水管锅炉,是不经济的;对于炉胆, 若壁厚超过22mm,则将导致热应力过大,危及锅炉运行安全。因此 ,燃油燃气卧式内燃锅炉的工作压力一般不超过 15t/h,双炉胆一 般不超过 30t/h。这就是卧式内燃燃油燃气锅炉在出力和工作压力 上所受到的技术限制。 ? 水管锅炉 与锅壳式锅炉相比,水管锅炉的容量和压力都不受限制,而 且便于布置成各种形式。水循环也比较好。但对给水品质要求比 较高。 燃油燃气锅炉一般都采用微正压燃烧和通风方式。所以要求 炉墙的强度和密封性要好。一般炉膛水冷壁都布置成密闭性结构, 炉墙可采用一层或两层金属护板。 1、小型立式水管锅炉 小型立式水管锅炉的本体一般就由水管、上下集箱组成(直流 锅炉则无集箱)。 图 3 - 9 是立式直水管锅炉示意图。 锅炉没有锅筒。由上下两个环形集箱和 两圈水管组成锅炉本体。中间是燃烧室。 内外两圈水管之间构成对流烟道。 这种锅炉的水容积很小,蒸气从分 离器上部引出,分离出来的水从下部重 新回到锅炉中。由于水容积小,锅炉启 动快。但对负荷变化的自动控制要求较 高,必须有可靠的水位连锁保护,否则 极易造成上部管子过热。 图3-9 立式直水管锅炉 图3-10是一种立式螺旋管圈(盘管)式 直流水管锅炉。这种锅炉是给水进入锅炉后, “一次性”流经受热面而完成预热和蒸发过 程,生成的蒸气从管圈末端输出(有时还可 以加热为过热蒸气)。因工质只从受热面直 接流过,所以称“直流锅炉”。这种锅炉启 动很快,但对水质要求很高,因此一般只在 有自制蒸镏水的船舰和海上石油钻井平台上 使用。 小型立式水管锅炉有体积小、占地少和 图3-10直流式水管锅炉 水容积小、启动快的优点,但对水质和自控 1.外壳 2.内壳 3.燃烧器 4.观察孔 要求高,而且内部检查清理比较困难。因此 5.耐火砌体 6.水冷管 ,一般只用在锅炉装设场地狭小或有特殊用 7.空气通道 8.加热盘管 途的场所。 2、常见(自然循环)水管锅炉 水管锅炉的本体由锅筒、集箱和水管等主要零部件构成。 常见的燃油燃气锅炉本体有“D”、“A”、“O”型三种 ,其中又以“D”形最为普遍。 1)图3-11是一种典型的“D”形(也有反“D”型)锅炉。 锅炉是双锅筒纵置式。右侧是水冷炉膛,左侧上下锅筒间是 对流管束。锅炉本体四周除前墙未布置水冷壁外,其余均为密闭 性结构。即右水冷壁是用扁钢将管子焊接连成片的所谓膜式(鳍 片管)水冷壁。其它部分则是管子与管子外壁相切的所谓切向管 水冷结构。这两种结构,不仅有利于炉墙的密封,而且降低了炉 墙向火(烟)面的温度,使炉墙可筑成轻型结构。 “D”形锅炉结构比较简单,炉膛容积大,易于制成快装结 构和形成系列化产品。 我国D型快装锅炉只有6,10,20t/h的蒸汽锅炉和相应热功 率的热水锅炉。 J.鳍片管结构 K.顺列管束 P.清检孔 1.炉膛 3.上锅筒 5.下降管 S.窥视孔 2.对流管束 4.燃烧器口 图3-11 D型锅炉 2)图3-12是一种“O”型锅炉。 锅炉也是双锅筒纵置式。上锅筒长,下锅筒短,前部是“O” 形炉膛,后部上下锅筒间是对流管束。前部炉膛两侧的水冷壁管 在下部弯向对方并与其下集箱相连。燃烧器布置在前墙。烟气在 对流管束的流动可根据需要布置其流程。 这种 O型锅炉的外形近似铁路的客车车箱,重心也在锅炉纵 向中心平面内。所以便于铁路运输。 图3-12 1、上锅筒 2、下锅筒 O型锅炉 3、炉膛 4、对流管束 3)图3-13是一种“A”型锅炉。 锅炉是单锅筒纵置式。炉膛和对流管束均由上锅筒和两侧下集 箱之间的管子构成。前墙布置燃烧器,本锅炉尾部设有过热器。 A型锅炉与O型锅炉外形基本相同,锅炉左右是对称结构,便于 运输。 图3-13 A型锅炉 图3-13 A型锅炉 1、燃烧机 2、过热器 3、烟道锅筒 ? 可以看出: 1 、由于锅炉的受压元件:锅筒、集箱和水管都是承受内压 的园筒形元件,因此它们的工作压力在结构上不受限制 。同时,锅炉的受热面布置比较灵活,数量也不受布置 上的限制。因此,水管锅炉的容量也不受限制。 2、上述三种典型锅炉的本体,除O型侧墙有两根下降管外, 其余炉型和水管由受热较弱的管束进行的。这种由受热 强弱而形成的循环回路是一种最简单的自然循环,即靠 下降和上升介质的密度差所产生的压头形成流动(循环 )系统,对锅炉的水循环安全是有利的。 3、显然,水管锅炉的本体结构比锅壳式锅炉要复杂。尤 其是燃油燃气锅炉的通风(燃烧)方式基本上都是微 正压通风(燃烧),所以对炉墙的强度和密封性要求 都很高。这在技术上是可以实现的,但其结构就比锅 壳式锅炉复杂得多。当然,水管锅炉对锅炉的给水和 锅水品质的要求比锅壳锅炉更高。 4、因此,对锅炉本体结构的优缺点不能一概而论。就燃 油燃气锅炉而言,西欧各国对工作压力不大于1.6MPa、 蒸发量(热功率)在30t/h(21MW)以下的锅炉,大 多采用锅壳式结构;而美国则多采用水管式结构。


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