锅炉原理-第4章-过热器

第4章过热器与再热器
4.1 过热器与再热器的结构型式
过热器的作用是将蒸汽从饱和温度加热到额定的过热温度。

在锅炉负荷或其它工况变动时，应保证过热温度的波动处在允许的范围之内。

在现代电站锅炉中，蒸汽过热器是锅炉的一个必备的重要部件，在很大程度上影响着锅炉的经济性和运行安全性。

在工业锅炉中，一般采用饱和蒸汽，常把过热器看作为辅助受热面，过热汽温不超过400℃，通常布置在对流管束中间的烟温小于700～800℃的区域中，工作是可靠的。

在电站锅炉中，提高过热蒸汽的参数是提高火力发电站热经济性的重要途径。

过热蒸汽参数的提高受到金属材料的限制。

过热器的设计必须确保受热面管子的外壁温度低于钢材的抗氧化允许温度并保证其机械强度。

随着锅炉用金属材料的发展，我国电站锅炉已普遍采用了高压高温（9.8MPa，540℃）和超高压参数（13.7MPa，540和555℃），并已发展亚临界压力参数（16.7MPa，540和555℃），国外已有不少锅炉采用超临界压力（24.5MPa，540～570℃）参数，也有个别机组采用更高的压力和温度参数。

随着蒸汽压力的提高，为了减少汽轮机尾部的蒸汽湿度以及进一步提高电站的热经济性，在高参数电站中普通采用中间再热系统，即将汽轮机高压缸的排汽再回到锅炉中加热到高温，然后再送到汽轮机的中压缸及低压缸中膨胀作功。

这个再加热的部件称为再热器。

通常把高压过热器中加热的蒸汽称为（一次）过热蒸汽，再热器中加热的蒸汽称为再热蒸汽（二次过热蒸汽）。

再热蒸汽的参数与热力循环的经济性有关。

一般，再热蒸汽的压力大致为过热蒸汽压力的五分之一左右，温度与一次过热汽温相近。

例如我国125MW，400t/h锅炉中，过热蒸汽的参数为13.7MPa，555℃；再热蒸汽的进出口压力为2.5／2.35MPa，温度也为555℃。

200MW，670t/h锅炉中，过热蒸汽的参数为13.7MPa，540℃；再热蒸汽进出口压力为2.7／2.5MPa，温度也为540℃。

300MW，600MW亚临界压力控制循环锅炉，过热蒸汽参数为18.27MPa，540℃；再热蒸汽进出口压力为3.83/3.63MPa，温度也为540℃。

应用蒸汽再热系统可使电站的热经济性提高约（4～5）％，我国125MW以上机组都采用一次中间再热系统，国外有些更高参数
的机组有的采用二次中间再热系统。

在现代锅炉中，过热器和再热器的吸热量将占工质总吸热量的50％以上，因此，过热器和再热器受热面在锅炉总受热面中占了很大的比例，必须布置在更高的烟温区域，其工作条件是锅炉受热面中最为恶劣的，受热面管壁温度接近于钢材的极限允许温度，因此过热器和再热器受热面的合理布置和设计对整台锅炉的经济性和可靠性有很大的影响。

在设计时，应在保证过热器和再热器安全可靠工作的基础上力求节省金属，特别是节省合金钢材的消耗量。

按照传热方式，过热器可分为对流、辐射及半辐射三种型式。

现代大型电站锅炉均采用复杂的辐射－对流多级布置的过热器系统，过热器管则根据管内工质温度和热负荷大小分别采用不同的材质和壁厚。

再热器实际上是一种中压过热器，其工作原理与过热器是相同的，但是由于中压蒸汽的放热系数较低，比热较小，其管壁温度更为严重，因此，再热器通常仅采用对流式，而且布置在烟温稍低的区域。

1. 对流过热器
对流过热器布置在锅炉的对流烟道中，主要依靠对流传热从烟气中吸收热量。

在中小型锅炉中，一般采用纯对流式过热器；在大型锅炉中，采用复杂的过热器系统，
然而对流过热器仍是其中主要的部分。

对流过热器有垂直布置和水平布置的两种型式。

工业锅炉中过热器的型式如图2-15所示。

垂直式过热器用于立式水管锅炉，水平式过热器用于卧式水管锅炉。

图2-15 工业锅炉过热器型式
a)垂直式 b)水平式
图2-16 中压130t/h 锅炉垂直式对流过热器简图
在电站锅炉中，垂直式过热器（多用于П型）通常布置在炉膛出口的水平烟道中，图2-16所示为一中压130t/h 锅炉的过热器简图。

其优点是结构简单，吊挂方便，结灰渣较少，得到了广泛的应用。

其主要缺点是停炉后管内积水难以排除，长期停炉将引起管子腐蚀。

在升炉时，由于管内积存部分水，在工质流量不大时，可能形成气塞而将管子烧坏，因此在升炉时应控制过热器的热负荷，在空气没有完全排除以前，热负荷不应过大。

布置在尾部竖井中的对流过热器以及
塔式和箱式锅炉的过热器采用水平布置方
式。

水平式过热器的优点是易于疏水排气，
但支吊比较困难，在高温烟区通常采用管
子吊挂的方式，以节省高合金钢的耗量。

对流过热器由大量平行并列的蛇形管
所组成,其进出口与集箱相连,蛇形管外径
通常采用φ32, φ38, φ42mm 的无缝钢
管，壁厚3～7mm ，由强度计算确定。

过
热器所用的材料取决于工作温度。

过热蒸
汽温度低于425℃的小容量锅炉，过热器
管可全部采用碳素钢管；对于450℃的中压锅炉，通常低温段采用碳素钢管，高温段采用低合金钢管；对于高压锅炉的过热器通常采用优质合金钢管。

但是对于奥氏体高合金钢，则由于其冶炼复杂，价格昂贵，应尽可能不用或少用。

过热器的布置按蒸汽
与烟气的流动方向可分为
顺流、逆流、双逆流或混
流布置，如图2-17所示。

逆流布置的温压最大，但
工作条件最差，顺流布置
的温压最小，耗用金属最
多。

—般在低烟温区采用
逆流，在高烟温区采用混流布置。

图2-17 过热器中蒸汽与烟气流动方向布置图
图2-18 过热器管圈型式 a)单管圈 b)双管圈 c)三管圈
为保证过热器中工质流速，过热器蛇形管可以布置成单管圈或多管圈，如图2-18所示。

这样就可以在烟道截面不变的条件下，使蒸汽通道截面增加一倍或几倍，亦即在烟气流速不变的条件下，可使蒸汽流速降低一半或更多。

在现代大型锅炉中，常采用多管圈的型式。

相反，在小型锅炉中，由于烟道宽度相对过大，为提高蒸汽流速，可在集箱内装置隔板，将过热器受热面沿烟道宽度方向分成几组，串连成二段或三段，如图2-19所示。

过热器受热面一般总是布置在烟
气温度较高的区域。

为减轻灰渣的粘
接，为吹灰的方便以及支吊的简便，多
采用顺列布置，其横向节距s 1/d ＝2.0～
3.5，纵向节距取决于管子的弯曲半径
及管圈的结构。

如过热器入口烟温较
高，为防止过热器结渣，常把过热器前
几排拉稀，亦即把管束中的一排拉成二
排而成为错列布置，如图2-20所示，
这样可使管束前几排的横向节距增加
一倍。

为了防止在管子间形成渣桥而堵
塞烟道，拉稀管束的节距与管径之比应
为：横向节距与管径之比s 1/d ≥4.5，
纵向节距与管束之比s 2/d ≥3.5。

2. 半辐射屏式过热器
在现代高参数大容量锅炉中，蒸汽
过热所需的吸热量增大，必然地把过热
器布置在更高的烟温区域，以减少过热
器的金属消耗量，但对于燃烧固体燃料的锅炉，对流过热器前的烟气温度受到结渣条件的限制，不能过于提高，因此，在炉膛出口处进入对流烟道之前布置几排稀疏的管屏，既吸收烟气流过时的对流热，又吸收炉膛中的辐射热及屏间烟气的气空辐射热，称为半辐射屏式过热器，应用得非常普遍。

其主要优点为：
（1）利用屏式受热面吸收一部分炉膛和高温烟气的热量，能有效地降低进入对流受热面的烟气温度，防止密集对流受热面的结渣，并且减轻了大型锅炉炉膛壁面积相
图2-19 过热器受热面沿烟道宽度串联布
图2-20 对流过热器前排管束的拉稀
对较小，不能布置辐射受热面的困难，因而扩大了煤种的适用范围。

（2）装置屏式过热器后，使过热器受热画布置在更高的烟温区域，因而减少了过热器受热面的金属消耗量。

（3）由于屏式过热器吸收炉膛辐射热，以
及由于它布置在更高的烟温区域，并且有较大
的气体辐射层厚度，气室辐射热量增加，使过
热器辐射吸热的比例增大，改善了过热汽温的
调节特性。

实践证明，屏式过热器能在1000～1300℃
烟温区域可靠地工作，并具有稳定的汽温特性。

屏式过热器的结构见图2-21。

其管屏由外
径为32～42mm 的无缝钢管组成，屏与屏间的
节距s 1＝500～900mm ，屏中管数由蒸汽流速确
定一般为15～30根，各根管子之间的相对节距
s 2/d ＝1.1～1.25。

屏悬挂在炉顶的构架梁上，受
热后能自由地向下膨胀。

为了增加屏的
刚性，保持各屏之间的节距，可将相邻
两屏中的任一管子互相夹持在一起，而
各屏本身的管子也用管子夹紧，使其中
的各根管子不能从屏的平面中凸出。

屏式过热器的各种布置见图2-22。

其中前屏主要吸收炉膛辐射热，烟气冲
刷不好，对流传热所占份额较小，其它
各屏则同时吸收辐射热与对流热，为半
辐射式。

垂直布置与水平布置的优缺点
与对流过热器相同，即垂直布置时的结
构比较简单，支承方便；而水平布置的优点是在停炉时容易疏水。

对于露天或半露天布置的锅炉，也有采用可以疏水的垂直
布置的屏。

图2-21 屏式过热器结构简图 1-相邻管屏间的定位扎紧管 2-屏本身的扎紧管
图2-22 屏式过热器的布置 a)后屏 b)大屏 c)半大屏d)前屏
屏式过热器受炉膛火焰直接辐射，热负荷比较高，而屏中各管圈的结构和受热条件的差别又较大，因而屏式过热器的热偏差较大，特别是外围管子，直接受到炉膛的高温辐射，工质行程又最长，因而流阻大，流量小，其工质焓增常比平均焓增大40～60％，容易超温烧坏。

为了平衡各管圈的吸热偏差防止外圈管子超温，有许多改进的结构，见图2-23。

如将每片屏
的外圈管子采用较短的长度
或用较大的管径，或将外圈管
子交换到内圈里去等，也可将
外圈管子采用更好的材料以
提高其工作可靠性。

3. 辐射过热器（墙式过热器）
布置在炉膛壁面上的过
热器直接吸收炉膛辐射热，称为辐射过热器，或称墙式过热器。

在高参数大容量锅炉中，尤其是在有再热器的锅炉
中，蒸汽过热及再热的吸热量占的比例很大，而蒸发吸热所占的比例减少，因此，为了在炉膛中布置足够的受热面，就需要布置辐射过热器。

在大型锅炉中，布置辐射过热器对改善汽温调节特性和节省金属消耗是有利的，在国外已有一定的发展，特别是美国福斯特惠勒公司应用甚广。

但是由于炉膛热负荷很高，辐射过热器管子的工作条件较差，因此对其安全性应特别注意，尤其在启动和低负荷运行时，问题更为突出。

图2-23 屏式过热器防止外圈管子超温的改进措施
a)外圈两圈管子截短 b)外圈一圈管子短路
辐射过热器的布置方式很多，
在自然循环锅炉中，通常是垂直地
布置在炉膛壁面上，这样与水冷壁
的配合比较方便。

辐射过热器的管
子可以布置在炉膛四壁的任一面墙
上；它可以仅布置在炉膛上部，也
可以沿炉膛全高度布置；它可以集
中布置在某一区域，也可以与水冷
壁管子间隔排列。

把辐射过热器管
子仅布置于炉膛上部的优点是可以
使管子避开热负荷最大的火焰中心，但是这种布置使水冷壁的高度降低，对水循环的安全性不利。

如沿炉膛全高布置，则处于火焰中心区的过热器管子的工作条件很差，在设计时应加以特别注意。

根据已有的运行经验，在正常工作条件下，辐射过热器中最大的管壁温度可能比管内工质温度高出约100～120℃，因此辐射过热器常作为过热器的低温段，在采用15CrMo 钢作为管子材料时，其出口工质温度不宜超过400℃，在用12Cr1MoV 钢时，不宜超过450℃，并应采用较高的质量流速。

为了提高辐射过热器管内的工质流速，必须减少并联管子的数目，因此常把过热器管分组，增加过热蒸汽的流动次数，如图2-24所示。

这样还可使同一管组的宽度较窄，减轻炉膛热负荷分布不均匀的影响。

已有的运行经验表明，在正常工作条件下，辐射过热器的工作是安全可靠的，重要的问题是如何保证启动时管子的冷
却。

因为在此期间，炉膛热负荷已很高，
而管内工质流量很小，因此容易将管子
烧坏。

在启动时，辐射过热器的冷却方
式有以下三种：（1）用水冷却。

由于
此种冷却方式的系统和操作均较复杂，
也不能保证工作的可靠性，因此已不大
采用。

（2）用外来蒸汽冷却。

采用这
种冷却方式虽然比较简单，但必须有其
图2-24 辐射过热器连接系统简图 a)单流系统 b)双流系统 c)对称布置的双流系统
它锅炉供汽。

对于大容量锅炉，消耗的蒸汽量相当可观，一般需额定蒸发量的10％左右。

（3）自生蒸汽冷却。

这种方法比较简单，仅需加装两个启动用的重油喷嘴，其位置应使火焰中心远离辐射过热器，而靠近蒸发受热面管子，这样既可避免烧坏过热器管子，又可加快蒸汽的产生。

我国生产的高压和超高压自然循环锅炉中，仅采用布置在炉顶的辐射过热器，而未采用布置在四周炉壁的辐射过热器，这显然是从安全可靠的角度里考虑的，但是随着锅炉的发展，辐射过热器必然要得到更多的采用。

4. 包墙管过热器
在现代大型锅炉中，为了采用悬吊结构和敷管式炉墙，在水平烟道和后部竖井的内壁，象水冷壁那样布置过热器管，称为包墙管过热器。

这样可将水平烟道和后部竖井的炉墙直接敷设在包墙管上，形成敷管炉墙，从而可以减轻炉墙的重量，简化炉墙的结构。

包墙管悬吊于炉顶，采用比较简单的全悬吊锅炉构架。

包墙管的管径与过热器相同。

管间节距，由光管组成时，s/d ＝1.1～1.2；采用膜式结构时，s/d ＝2～3。

膜式包墙管在管与管间焊上扁钢，可以保证锅炉的严密性，减少漏风，并可节省钢管耗量。

包墙管紧靠炉墙，仅受烟气单面冲刷，而且烟速较低，因此传热效果较差。

4.2 过热器的热偏差
烟气在离开炉膛时，由于炉内传热的规律，离水冷壁较近的烟气温度较低，而中间的烟气温度较高，同时左右侧烟气温度也常不相同，有偏差。

受热不均匀就会使受热面中工质产生热偏差，有时还会使受热面超温。

例如，某锅炉的最后一级过热器应将蒸汽过热到540℃，虽然通过汽温调节，得到了540℃的蒸汽，但是在存在热偏差的情况下，这540℃的蒸汽是混合后的数值，在混合前有一部分蒸汽已超过540℃，另一部分却不到540℃。

对温度高于540
℃的蒸汽来说，它的受热面的温度也比较高，有时
图2-25 64kg/s(230t/h)高压锅炉过热器流程及汽温
会超过允许的温度而烧坏。

因此，在锅炉设计中应尽量减小热偏差。

在过热器工作过程中，由于烟气侧和工质侧各种因素的影响，各平行管中工质的吸热量是不同的，这种平行管列工质焓增不均匀的现象称为热偏差。

为了对这种现象有一个数量上的估计，常把平行管子中偏差管内工质的焓增p i ∆和整个管组工质的平均焓增pj i ∆之比ρ称为热偏差系数，或简称热偏差：
pj p i i ∆∆=ρ 上述热偏差的定义对管组中任何一根管子都可用，但最应关心的是焓增最大的那些管子，因此通常说某个管组的热偏差是指该管组中焓增最大的那些管子，并把这些管子称为偏差管。

工质焓增量的大小决定于管子的热负荷q 、受热面A 和通过管子的工质质量流量G ，由于i G qA ∆=，所以G qA i =
∆，即 偏差管：p p
p p G A q i =∆，平均管：pj pj pj pj G A q i =
∆，所以
pj
p
pj p pj p G G A A q q ⋅=ρ 式中，rl pj p q q η=称为热力不均匀系数，jg pj p A A η=称为结构不均匀系数，sl pj p G G η=称为水力不均匀系数。

则可得出：sl
jg rl ηηηρ=。

由此可见，过热器的热偏差决定于管子的
热力特性，水力特性和结构特性。

由于过热器是锅炉各受热面中工作条件最差、受热面金属工作温度最高的部件，其管壁温度已经接近于管子金属的允许温度，因此在设计布置过热器时，必须综合考虑各方面的因素，使各平行管的工作温度尽可能均匀一致，以防止某些管子工作温度过高，超出允许温度，造成过热器损坏。

在现代大型锅炉的设计中，主要是根据热负荷分布规律，使通过各管子的工质流量与各管子的热负荷相适应，即在热负荷高的管中能有较多的流量，而在热负荷低的管中则通过较少的流量。

对于结构不均只对屏式过热器而言，但影响较小。

对于水力不均如图2-30，2-31，2-32所示。

在过热器入口、出口联箱采用Z 型布置方案（见图2-30）时，显然左侧管圈的压差较小而右侧较大。

这当然是个不好的方案。

在联箱的连接方案采用П型布置方案（见图2-31）时，则各管圈入口、出口间的压差基本上相同，是较好的方案，也是在过热器上常常采用的方案。

图2-32中的方案的联箱由几根管引入、引出，联箱中工质纵向流速较低，因此静压的变化较小，各管圈的压差较均匀，也是在过热器中常用的方
案。

此外，还可在端部引出的汇集集箱的两
端并联一根较粗的管子（如φ159mm ），见
图2-33，称为分流管，分流掉部分蒸汽流量，
使主集箱内的流量减少，可以减小沿集箱长
度方向的静压差而使偏差减小，取得了较好
的效果。

对于热力不均：锅炉炉膛中烟气的温度场和速度场的分布不均匀是造成过热器热力不均匀的主要原因。

在一般运行条件下，由于炉膛四壁布满水冷壁，因而靠炉膛的烟气温度远比中间温度低，同时，中间部分烟气流速较快，使对流传热加强。

一般在炉膛出口的对流过热器中，沿宽度的热力不均匀约为（20～30）％；炉膛受热面（辐射过热器）沿宽度的热力不均匀约为（30～
40）％。

此外，在炉膛中，如果火焰充满情况不好，各个燃烧器负荷不一致，煤粉和空气送入不均匀，在炉膛上部或过热器区域的局部地区发生煤粉再燃烧或炉膛中部分水冷壁严重结渣等因素，均将加剧过热器的热偏差，应尽量避免。

图2-33 用分流管减小过热器偏差
在对流过热器中，如果在管束中形成烟气走廊，即在个别蛇形管之间具有较大的烟气流通截面，则在该处由于烟气流动阻力
较小而使烟气流速加快，因而对流传热加强；如
果烟气走廊的宽度较大，则该处由于具有较大的
烟气辐射层厚度又使辐射吸热量增加，热力不均
匀性更加增大。

形成烟气走廊的原因很多，可能
是由于结构不合理，例如在过热器管之间穿插蒸
发受热面管子，见图2-34；也可能是由于安装不
严格，没有保证过热器管之间的节距；有时可
能是由于在运行中发现过热器受热面太多而将一些排数的蛇形管割除；也可能是在运行中个别蛇形管爆管损坏而将它割除等，均将引起管间节距不均匀而形成烟气走廊，故应尽量避免。

在屏式过热器中，由于最外一圈管子直接受火焰辐射，吸热量最多，热力不均匀性更要大些。

由于烟气侧热力不均匀性的影响，使某些管中的工质焓增量超过平均值，而在受热强的管中，由于工质温度较高，比容较大，流动阻力增加，更使工质流量减小，即水力不均匀性增大，更加加大了管子的热偏差。

减轻热偏差的方法：由于过热器工质侧水力不均匀性和烟气侧热力不均匀性的影响，使过热器各平行管列中各蛇形管的焓增不同而造成热偏差，尽管在运行中或结构上采取了各项措施，但是由于实际工作的复杂性，要完全消除是不可能的。

为了减小过热器的热偏差，可以：（1）合理设计受热面结构；（2）减轻热力不均，使温度场、速度场均匀，消除烟气走廊，均匀混合，
增大炉膛中火焰的充满度，避免污染和二
次燃烧；（3）“交叉”的办法是消除烟道
左右侧温度不均的有效方法，如图2-35。

如果左侧烟气温度高，左侧受热面吸热强，
则可以在蒸汽离开第一级过热器时使之左
右交叉，原吸热较强的蒸汽流到吸热较弱
的右侧，原来吸热较弱的右侧的蒸汽流到吸热较强的左侧。

在两极焓增相差不多时，即可将热偏差抵消。

图2-34 形成烟气走廊的过热器结构 图2-35 过热器中蒸汽流动“交叉”
4.3 过热器的系统布置
蒸汽压力MPa 给水温
度℃
过热蒸
汽温
度℃
再热蒸
汽温
度℃
加热热% 蒸发热% 过热热% 再热热%
1.37 50 23.9 76.1
1.67 100 375 16.1 69.5 14.4
3.9 172 450 13.6 66 20.4
9.9 215 540 18.8 51.7 29.5
13.8 240 555 555 17.9 36.7 28.6 16.8 18.4 275.5 540 540 21.8 24.4 34.6 19.2
图2-25～2-27给出了高压
锅炉过热器系统图布置图，以加
强同学们的记忆，系统认识整个
过热器系统。

对于低压小容量锅
炉，过热汽温不高，比较简单，
一般采用纯对流过热器，布置在
对流管束之间烟气温度不超过
700～800℃的烟道内，采用逆流
图2-27 64kg/s(230t/h)高压锅炉过热器蒸汽
系统
布置。

对于中压锅炉，也采用纯对流过热器，布置在炉膛出口的水平烟道中。

过热器分成两级，蒸汽的低温级布置在烟气的低温部分，采用碳钢作为材料，常用逆流布置；蒸汽的高温级布置在烟气的高温部分，部分或全部应用低合金钢作为材料，常用混流布置，使蒸汽的最高温度处布置在烟温比较适中的地方。

在高压和超高压以上锅炉中，广泛采用屏式过热器，也有用辐射式过热器，组成辐射－对流式过热器系统，如图2-28所示。

屏式过热器的布置原则与辐射过热器相同，其与对流过热器的连接系统如图2-29所示。

1、下面我们来看屏出入口集箱的连接方式：
首先提出问题和解决方式：
我们前面学过热偏差的三个原因：结构不均、热力不均和水力不均。

在屏式过热器里，这三种不均都存在。

屏的最外圈管子最长且热负荷最大，为了减少热偏差，我们应该尽量使最外圈管的静压差最大，流动的动力最强，尽量增加最外圈管的流量。

下面我们来看这四种连接方式：第一种连接方式，最外圈管在入口集箱处，流量最大，静压最小；而最外圈管在出口集箱处，流量最小，静压最大，所以，最外圈管的静压差最小，这种连接方式不好。

第二种连接方式：最外圈管在入口集箱处，流量最大，静压最小；而最外圈管在出口集箱处，流量最大，静压最小，所以，最外圈管的静压差和其他管的静压差差不多，这种方式不太好。

第三种连接方式：，最外圈管在入口集箱处，流量最小，静压最大；而最外圈管在出口集箱处，流量最大，静压最小，所以，最外圈管的静压差最大，这种连接方式较好。

为什么较好，因为我们来看，蒸汽从右侧流向左侧，为逆流，我们在讲过热器的流动方式讲过，逆流温压最大，但壁温也要增加。

第四种方式，静压差最大，且用顺流方式，连接方式最好。