锅炉基础知识(教材)

锅炉基础知识及水泥余热发电锅炉性能及结构特点
第一章锅炉基础知识
一、基本知识
1、热传递的三种基本方式：传导、对流、辐射
传导：热量从高温物体传递到低温物体或者从物体的高温部分传递到低温部分。

对流：温度不同的各部分物体之间发生宏观相对运动而引起的热量传递过程称为热对流。

辐射：热量的传递是通过电磁波的方式进行，物体之间不直接接触。

传热基本方程：Q=KFΔt W
式中: K——传热系数
F——传热面积 m2
Δt——冷热物体表面温度之差℃
2、换热器的类型
通常将换热器分为表面式和混合式两种。

表面式：冷热两种流体不直接接触，通过金属壁面来实现换热。

如电厂中的凝汽器、高、低压加热器等。

按照冷热两种流体的流向，表面式换热器又分为：顺流式、逆流式和混合式三种。

顺流式是指热流体的流动方向与冷流体的流动方向自进至出方向相同；方向相反时则为逆流式；而部分方向相同，部分方向相反的称为混合式。

在顺流式热交换器中，首先是较高温度的热流体与较低温度的冷流体直接进
行热交换，因此管壁温度较低，在热流体温度较高时不容易烧坏。

但由于热流体的温度逐渐降低，冷流体的温度逐渐升高，两者之间的温差越来越小，故传热效率较逆流式要低。

在一定温度下，要使两种型式的表面换热器达到同样的目的，则顺流式要比逆流式的面积要大。

混合式兼有两者的优点。

混合式：冷热两种流体直接接触，互相混合来实现换热。

这种换热器效率最高，但两种流体不容易分离。

如电厂中的冷却塔、热力除氧器等。

二、锅炉及其分类
锅炉也称蒸汽发生器，是利用燃料或工业生产中余热的热能，将工质加热到一定温度和压力的换热设备。

锅炉用途广泛，型式众多，一般可按下列方法分类：
1、按用途分类
电站锅炉：大多为大容量、高参数锅炉，火室燃烧，热效率高，出口工质为过热蒸汽。

工业锅炉：用于工业生产和采暖，大多为低压、低温、小容量锅炉，火床燃烧居多，热效率较低；出口工质为蒸汽的称为蒸汽工业锅炉，出口工质为热水的称为热水锅炉。

船用锅炉：用作船舶动力，一般采用低、中参数，大多燃油。

锅炉体积小，重量轻。

机车锅炉：用作机车动力，一般为小容量、低参数，火床燃烧，以燃煤为主，锅炉结构紧凑，现已少用。

注汽锅炉：用于油田对稠油的注汽热采，出口工质一般为高压湿蒸汽。

2、按结构分类
火管锅炉：烟气在火管内流过，可以制成小容量，低参数锅炉，热效率较低，但结构简单，水质要求低，运行维修方便。

水管锅炉：汽水在管内流过，可以制成小容量，低参数锅炉，也可制成大容量、高参数锅炉。

电站锅炉均为水管锅炉，热效率较高，但对水质和运行水平的要求也较高。

3、按循环方式分类
自然循环锅筒锅炉：具有锅筒，利用下降管和上升管中工质密度差产生工质循环，只能在临界压力以下应用。

多次强制循环锅筒锅炉：也称辅助循环锅筒锅炉。

具有锅筒和循环泵，利用循环回路中的工质密度差和循环泵压力建立工质循环。

只能在临界压力以下应用。

低倍率循环锅炉：具有汽水分离器和循环泵，主要靠循环泵建立工质循环，可应用于亚临界压力和超临界压力，循环倍率低，一般为1.25～2.0。

直流锅炉：无锅筒，给水靠水泵压力，一次通过受热面产生蒸汽，适用于高压和超临界压力锅炉。

复合循环锅炉：具有再循环泵。

锅炉负荷低时按再循环方式运行，负荷高时按直流方式运行，可应用于亚临界压力和超临界压力。

4、按锅炉出口工质压力分类
低压锅炉一般压力小于 1.275MPa (13kgf/cm2 ) 中压锅炉一般压力为 3.825MPa (39 kgf/cm2)
高压锅炉一般压力为 9.8MPa (100 kgf/cm2 )
超高压锅炉一般压力为 13.73MPa (140 kgf/cm2 ) 亚临界压力锅炉一般压力为16.67MPa (170kgf/cm2 )
超临界压力锅炉压力大于 22.13MPa (225.65 kgf/cm2 )
5、按燃烧方式分类
火床燃烧锅炉：主要用于工业锅炉，其中包括固定炉排炉、倒转炉排抛煤机炉、振动炉排炉；下饲式炉排炉和往复推饲炉排炉等。

燃料主要在炉排上燃烧。

火室燃烧锅炉：主要用于电站锅炉，燃用液体燃料、气体燃料和煤粉的锅炉均为火室燃烧锅炉。

火室燃烧时，燃料主要在炉膛空间悬浮燃烧。

旋风（沸腾）炉：送入炉排的空气流速较高，使大粒燃煤在炉排上面的沸腾床中翻腾燃烧，小粒燃煤随空气上升并燃烧。

用于燃用劣质燃料。

多为工业锅炉，大型循环沸腾燃烧锅炉可用作电站锅炉。

6、按所用燃料或能源分类
固体燃料锅炉燃用煤等固体燃料。

液体燃料锅炉燃用重油等液体燃料。

气体燃料锅炉燃用天然气等气体燃料。

余热锅炉利用冶金、石油化工等工业的余热作热源。

原子能锅炉利用核反应堆所释放热能作为热源的蒸汽
发生器。

废料锅炉利用垃圾、树皮、废液等作为废料的锅炉。

其他能源锅炉利用地热、太阳能等能源的蒸汽发生器或热水器。

7、按排渣方式分类
固态排渣锅炉：燃料燃烧后生成的灰渣呈固态排出，是燃煤锅炉的主要排渣方式。

液态排渣锅炉：燃料燃烧后生成的灰渣呈液态从渣口流出，在裂化箱的冷却水中裂化成小颗粒后排入水沟。

8、按炉膛烟气压力分类
负压锅炉炉膛压力保持负压，有送、引风机，是燃煤锅炉主要型式。

微正压锅炉炉膛压力大于为2～5 kPa ，不需引风机，宜于低氧燃烧。

增压锅炉炉膛压力大于0.3 MPa ，用于蒸汽——燃气联合循环。

三、锅炉的参数与技术经济指标
㈠锅炉参数
锅炉参数一般指锅炉容量、蒸汽压力、蒸汽温度和给水温度。

工业蒸汽锅炉的容量用额定蒸发量表示。

额定蒸发量表明锅炉在额定蒸汽压力、蒸汽温度、规定的锅炉效率和给水温度下，连续运行时所必须保证的最大蒸发量，常以每小时能产生以吨计的蒸汽量来表
示，单位t / h 。

热水锅炉的容量用额定供量表示，单位为 kW ( kcal /h ) 。

电站锅炉的容量也用额定蒸发量表示，单位为 t / h 。

锅炉蒸汽压力和温度是指过热器主汽阀出口处的过热蒸汽压力和过热蒸汽温度，对于无过热器的锅炉，用主汽阀出口处的饱和蒸汽压力和温度表示。

压力的单位为 MPa ( kgf /cm2 )，温度的单位为℃。

锅炉给水温度是指进省煤器的给水温度，对无省煤器的锅炉指进锅炉锅筒的水温，单位为℃。

工业蒸汽锅炉的给水温度为20℃、60℃、105℃三档。

电站锅炉的给水温度为（中压）150℃、170℃、（高压）215℃、（亚临界）260℃。

㈡锅炉技术经济指标
锅炉的技术经济指标通常用锅炉热效率、锅炉成本及锅炉可靠性3项来表示。

优质锅炉应保证热效率高，成本低及运行可靠。

1、锅炉热效率
锅炉热效率是指送入锅炉的全部热量中被有效利用的百分数。

现代电站锅炉的热效率都在90%以上。

工业锅炉的热效率（包括热水锅炉）55%～87%。

2、锅炉成本
锅炉成本一般用成本中的一个重要经济指标钢材消耗率表示。

钢材消耗率的定义为锅炉单位蒸发量所用的钢材重量，单位为 t / h 。

锅炉参数、循环方式、燃料种类及锅炉部件结构对钢材消耗率均有影
响。

锅炉蒸汽参数高、容量小、燃煤、采用自然循环、采用管式空气预热器及钢柱构架可使钢材消耗率增大；参数低、容量大、采用直流锅炉、燃油或燃气、采用回转式空气预热器及钢筋混凝土构架可使钢材消耗率减小。

工业锅炉的钢材消耗率在5～6吨钢材·t / h 左右；电站锅炉的钢材消耗率一般在2.5～5吨钢材·h / t 范围内。

在保证锅炉安全、可靠、经济运行的基础上应合理降低钢材消耗率，尤其是耐热合金钢材的消耗率。

3、锅炉可靠性
锅炉可靠性常用下列3种指标来衡量。

（1）连续运行时间=两次检修之间的运行时间（用小时表示）。

事故停用时间
（2）事故率 = ————————————× 100%
运行总时间+事故停用时间
运行总时间+备用总时间
（3）可用率 = ————————————× 100%
统计时间总时间
四、锅炉型号
1、工业锅炉型号
工业锅炉产品型号由三部分组成，各部分短横线相连。

第一部分分三段，分别表示锅炉型号（用汉语拼音字母代号）、燃烧方式（用汉语拼音字母代号）和蒸发量（用阿拉伯数字表示，单位为 t / h ；热水火炉为供热量，单位为 MW；余热锅炉以受热面表示，单位为m2）。

工业锅炉型号
锅炉型式代号锅炉型式代号
立式水管 LS 单锅筒纵置式 DZ
立式火管 LH 单锅筒横置式 DH
卧式内燃 WN 双锅筒横置式 SH
单锅筒立式 DL 双锅筒纵置式 SZ
燃烧方式代号
燃烧方式代号燃烧方式代号
固定炉排 G （固）振动炉排 Z （振）
活动首摇炉排 H （活）下饲炉排 A （下）
链条炉排 L （链）往复推饲炉排W（往）
抛煤机 P （抛）
快装式水管锅炉在型号第一部分用 K（快）代替锅筒数量代号。

快装纵横锅筒式锅炉用 KZ （快，纵）代号；快装强制循环锅炉用 KQ （快，强）代号。

第二部分表示工质参数，对工业蒸汽锅炉，分额定蒸汽压力和额定蒸汽温度两段，中间以斜线相隔，常用单位分别为 MPa和℃、蒸汽温度为饱和温度时，型号第二部分无斜线和第二段。

对热水锅炉，第二部分由三段组成，分别为额定压力、出水温度和进水温度，段与段之间用斜线隔开。

第三部分表示燃料种类及设计次序，共两段：第一段表示燃料种
类（用汉语拼音字母代号），第二段表示设计次序（用阿拉伯数字表示），原型设计无第二段。

2、电站锅炉型号
电站锅炉型号也由三部分组成。

第一部分表示锅炉制造厂代号；第二部分表示锅炉参数；第三部分表示设计燃料代号及设计次序。

第二章水泥余热发电用锅炉
在大型干法水泥生产线（2000t/d以上）上，通过设置在窑头的AQC锅炉和窑尾的PH锅炉来回收篦冷机与预热器出口废气的余热进行发电是水泥纯低温余热发电的主要方式。

现就宁国一线中的这两类川崎型锅炉的设计参数、结构型式及特点等加以说明。

一、锅炉设计参数
二、锅炉结构特点
㈠PH锅炉
该炉结构型式为卧式强制循环汽包炉，2台强制循环泵（1台备用）。

PH锅炉采用卧式布置的优点一是可以减少受热面积灰，二是可以减少振打装置的数量，系统漏风量少。

锅炉受热面包括：一组过热器和四组蒸发器，全部为蛇形悬吊光管。

受热面中过热器和第二、第四组蒸发器为逆流式，第一、第三组蒸发器为顺流式，其中第一、二组蒸发器共用一个出口联箱，第三、四组蒸发器共用一个出口联箱。

在受热面中，蒸发器换热面积5702m2,传热管共104×4根，规格φ31.8×t2.9；过热器换热面积1314m2，传热管共80根，规格φ38.1×t3.2。

为增强换热效果，管与管之间采用错列布置。

为减少受热面的积灰，保证受热面的换热效果，在受热面传热管下端焊接有振打杆，通过振打装置（410A、B）锤头连续地振打，使粘附在传热管表面的生料粉尘在振打力的作用下落入下部
灰斗，灰斗中的粉尘通过锅炉底部的粉尘输送装置（包括：411拉链机、412回转阀、413、414、415拉链机）送入窑喂料斗提0417。

锅炉入口废气管道上设有入口挡板490，废气管道上设有旁路挡板491，出口废气管道上未设挡板。

为满足水泥熟料系统中原料磨烘干的需要，该炉出口废气温度设计在250℃，故而没有省煤器，当雨季原料中水分较大时，还可以通过调节491挡板的开度来提高入磨风温，以保证原料磨的产能。

㈡AQC锅炉
该炉结构型式为立式自然循环汽包炉，受热面自上而下依次为一组过热器、一组蒸发器和两组省煤器，均为逆流式布置。

其中，过热器出、入口各一个联箱，换热面积2539m2,传热管共80根；蒸发器出、入口各六个联箱，换热面积6524m2,传热管上下九层，共298根；省煤器出、入口各一个联箱，换热面积20252m2,传热管共80根。

因受热面传热管全部采用鳍片管，故虽然受热面换热面积较大，但炉体结构尺寸却较PH炉要小。

因该炉利用的废气中所含粉尘为熟料颗粒，不具有粘附性，而熟料颗粒硬度较大，为减少入炉粉尘含量，降低熟料颗粒对锅炉受热面传热管的磨损，在锅炉入口前段风管设有沉降室，沉降后的熟料颗粒经311回转阀、312拉链机送入0701裙板机。

锅炉的取风口取自篦冷机四室，以保证有较高的入炉温度，同时又能满足工艺生产线的需求。

在锅炉沉降室前的入口废气管
道上设有入口挡板390，废气管道上设有旁路挡板391，出口废气管道上未设挡板。

另外在原篦冷机直接入0537电收尘的余风出口设有挡板392。

鉴于该炉入炉风温时常超温的实际运行情况，2000年在沉降室上增设一冷风挡板，较好地起到了调节入炉风温的作用。

三、锅炉的控制与联锁
1、负荷控制
余热发电系统中锅炉负荷的控制主要靠调节锅炉入口挡板与旁路挡板的开度来实现。

锅炉负荷与汽包水位、冷却水泵的运行状态等联锁，运行中：①当某台锅炉汽包水位中控测量值低于该炉汽包水位最低设定值时，会自动甩炉：锅炉入口挡板自动全开，旁路挡板自动全闭；②当中控出现两台冷却水泵都为停止信号时，汽轮发电机保护跳停，同时两锅炉自动甩炉；③当PH炉循环水流量低于最低流量（90t/h）时，PH炉自动甩炉。

另外，为保证水泥窑系统废气畅通，两锅炉入口挡板还与旁路挡板互锁，即：只有当入口挡板全开（100%）时，才可以进行旁路挡板的操作，反之亦然。

2、压力、温度控制
锅炉汽包压力及过热器压力主要通过调节锅炉负荷来实现，在汽包上及过热器出口管道上设有安全阀，当压力超过安全阀动作值时，安全阀打开泄压，直至压力降至回复值。

两锅炉原设计未设温度调节装置，但实际运行中因AQC锅炉入炉风温波动较
大，且经常超温严重，为减少超温给锅炉造成的不利影响，后在沉降室上装设一冷风挡板，较好地解决了锅炉超温严重的问题。

3、汽包水位调节
锅炉汽包水位的调节采用三冲量自动给水调节系统，利用主蒸汽流量、给水量和汽包水位三个信号，通过PID调节，来控制给水调节阀321V（421V）的开度及速度，达到自动调节的目的。

三冲量调节系统的基本原理如图所示，汽包水位是主信号，也是校正信号，任何扰动使水位的升高或降低，经水位变送器转换成电信号传送到调节器，调节器发出的调节信号，经执行机构关小或开大给水自动调节阀门，使水位得到调整。

这是一个闭合回路，是一般的反馈调节系统。

如果只根据一个水位信号来进行调节就无法克服“虚假水位”和给水压力波动产生的内扰。

蒸汽流量信号为前馈信号。

当蒸汽流量突然增大时，虚假水位现象要使调节器发出关小调节阀门的信号，与此同时，外扰信号——蒸汽流量D作为前馈信号加到调节器，使调节器发出开大给水阀门的信号，这两个信号相互制约，减少或抵消了虚假水位的影响，从而改善了调节品质。

但仅有水位信号和蒸汽流量信号还是不够的，只有增加了给水流量信号后才能达到比较满意的调节效果。

给水流量信号经变送器转换后送到调节器，信号极性为“-”，这表示信号按负极性送入调节器。

当给水流量增加时，调节器的输出减小，即发出关小调节阀的信号，反之亦然。

蒸汽流量信号
极性为“+”，信号按正极性送入调节器，即说明当蒸汽流量信号增加时，调节器输出信号增加，开大给水调节阀门。

汽包水位信号也为“+”，这并不说明汽包水位增加时要开大给水调节阀门，而是当水位升高时，由于水位信号是用差压方式测量的，经变送器送到调节器的信号减小，使给水阀关小，这也正达到了水位升高阀门应关小的要求。

所以变送器输入调节器的信号减小时，要求调节器的输出也要减小；反之，输入调节器的信号增加时，要求调节器的输出也增加，所以水位信号应按“+”极性接入。

四、锅炉的水循环及汽水分离
在蒸汽锅炉中，给水进入汽包后就按一定的循环路线流动不已。

在流动过程中，水通过蒸发受热面被加热、汽化、产生蒸汽；而受热面——金属壁则靠水循环及时将高温烟气传给的热量带走，使壁温保持在金属的允许工作范围内，从而保证蒸发受热面能长期可靠的工作。

但是，如果水循环组织不好，循环流动不良，即便是热水锅炉也会造成种种事故。

例如，当内壁正常的冷却水膜被破坏而直接与蒸汽相接触时，会因管壁到蒸汽的对流放热系数很低，使壁温显著升高，金属强度大为下降，甚至会发生爆管事故。

由各蒸发受热面汇集于汽包的汽水混合物，在汽包的蒸汽空间内借助重力或机械分离后，蒸汽引出。

如果汽水分离效果不佳，蒸汽将严重带水，导致蒸汽过热器内壁沉积盐垢，恶化传热以至过热器被烧损，还会对汽轮机的运行造成危害。

可见，锅炉水循环组织的好坏，汽水分离装置性能的优劣都直接关系着锅炉工作的可靠性。

1、锅炉的水循环
水和汽水混合物在锅炉蒸发受热面回路中的循环流动，称为锅炉的水循环。

由于水的密度比汽水混合物的大，利用这种密度差所产生的水和汽水混合物的循环流动叫做自然循环，借助水泵的压头使工质流动的循环叫强制循环。

水循环的可靠性指标有：1）循环流速。

锅炉水循环的可靠性是要求所有受热的传热管都得到足够的冷却，就是说，必须保证传热管内有连续的水磨冲刷管壁，并保持一定的循环流素，以防止管壁结盐或超温。

循环流速通常是指循环回路中水进入上升管时的流速。

它的大小直接反映管内流动的水将管外传入的热量和管内产生的蒸汽泡带走的能力。

循环流速越大，工质放热系数越大，带走的热量越多，也即管壁的冷却条件越好，金属就不会超温。

2）循环倍率。

为了保证在上升管中有足够的水来冷却管壁，在每一循环回路中由下降管进入上升管的水流量通常是几倍，甚至上百倍的大于同一时间内在上升管中产生的蒸发量。

两者之比，称为循环回路的循环倍率。

循环倍率的物理意义是单位质量的水在此循环回路中全部变为蒸汽，需经循环流动的次数。

另外循环倍率得倒数即为上升管的含汽率，或汽水混合物的干度，所以循环倍率越大，蒸汽干度越小，它表示上升管出口处汽水混合物中水的份额越大，冷却条件越好，水循环越安全。

锅炉的水循环故障常见的有：1）循环的停滞和倒流。

在同一循环回路中，如果个别上升管的受热情况非常不良，则会因受热微弱产
生的有效运动压头不足以克服公共下降管的阻力，以至该上升管的循环流素趋近于零，这种现象称为循环停滞。

如果接入汽包水空间的某根上升管受热极差，其有效运动压头小于公共下降管的阻力时，就会发生循环倒流现象。

发生循环停滞或循环倒流时，上升管的循环倍率接近于1，它的某一段仅有蒸汽在缓缓流动，其冷却效果很差，易引起管壁过热而烧坏。

2）汽水分层。

当汽水混合物在水平或微倾斜的管子内流动时，由于汽水密度的不同，水在下面流，汽在上面流。

汽水之间会出现一个清晰的分界面，这种现象叫做汽水分层。

在垂直管道内不会出现汽水分层现象。

对水平或倾斜度小的管子，如果其中汽水混合物的流速很高，扰动作用大于重力作用时，汽和水混合的较好，也不会出现汽水分层现象。

只有当汽水混合物的流速较小，汽和水的重力作用大于扰动作用时，就会出现汽水分层现象。

出现汽水分层时，上壁接触的蒸汽温度较高，下壁接触的是水，温度较低，上下壁之间产生温差应力。

同时在汽和水的交界面处，由于水的起伏波动产生交变热应力。

另外，上壁全部是蒸汽，连续的水膜被破坏，更容易使管壁温度超过其允许温度，发生传热恶化，使管壁遭到损坏。

3）下降管带汽。

自然循环锅炉的下降管内工质如果含汽，会使下降管内工质的平均密度减小，重位压差减小，同时由于下降管内蒸汽的存在，平均容积流量要增加，下降管的流速就要增加，因而流动阻力也增加。

因此，下降管含汽会使总压差减小，对水循环不利。

它的后果将使水循环流速降低，增大了出现循环停滞、倒流，自由水面等不正常流动的可能。

下降管带汽的原因有：下降管进口处由于流动阻力和水的加
速而造成的自汽化现象。

下降管进口截面上部形成漩涡斗，使蒸汽被吸入下降管，汽包水空间含汽被带入下降管等。

2、蒸汽品质及汽水分离
锅炉产生的蒸汽必须符合一定的压力和温度，同时其中的杂质含量也不能超过一定的限度。

蒸汽品质就是指蒸汽所含杂质的多少，也称蒸汽的洁净程度。

蒸汽中杂质包括气体杂质和非气体杂质两部分。

前者主要有氧、氮、二氧化碳和氨气等，它们将对锅炉金属产生腐蚀作用；后者为蒸汽中的盐分——主要来源于蒸汽带水，高压蒸汽也能直接溶解盐类，当它们超过一定量时，会严重影响用汽设备（如汽轮机）的安全。

饱和蒸汽的盐分会在蒸汽过热器中沉积，将影响蒸汽流动，恶化传热效果，致使过热汽管壁超温而烧损；过热蒸汽的盐分灰沉积在输汽管道、阀门和汽轮机叶片上，使流动阻力增大，阀门动作失灵，汽轮机通流面积缩小，叶片线型改变等，以至酿成重大事故。

蒸汽带水的原因及其影响因素。

由汽包引出的蒸汽中含有微细水滴的现象，称为蒸汽带水。

我们知道，由上升管进入汽包的汽水混合物，有的被引入水空间，有的则被引入蒸汽空间。

它们在进入时一般都具有较高的流速。

蒸汽带水的微细水滴的来源包括以下几个方面：当上升管引入汽包水空间时，蒸汽泡上升逸出水面，破裂并形成飞溅的水滴；当上升管引入汽包汽空间时，向汽包中心汇集的汽水流冲击水面或几股平行的汽水流相互撞击而形成的水滴；汽包水位波动、振荡也会激起水滴。

这些水滴如果颗粒较大，由于自身重力的作用而重新下落到锅水之中，那些细小水滴则被具有一定流速的引出蒸汽带。