余热锅炉系统Word下载.docx

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汽水混合物离开蒸发器进入汽包上部。

在汽包内装有汽水分离设备，可以把汽和水分开，水落到汽包内水空间，而蒸汽从汽包顶部出来到过热器。

在过热器内吸收热量，使饱和蒸汽变成过热蒸汽。

根据产汽过程有三个阶段，对应的应该要有三个受热面，即省煤器、蒸发器和过热器。

如果不需要过热蒸汽，只需要饱和蒸汽，可以不装过热器。

（二）余热锅炉的型式

1、强制循环余热锅炉

图19－1所示的余热锅炉就是强制循环余热锅炉。

从汽包下部出来的水经一台循环泵后，进入蒸发器，是靠循环泵产生的动力使水循环的，称为“强制循环余热锅炉”。

其特点是；

各受热面组件的管子是水平的，受热面之间是沿高度方向布置，可节省地面的面积，并使出口处的烟囱高度缩短。

但在运行中需要循环泵，使运行复杂，增加维修费用。

目前油田进口的余热锅炉，多数采用此种型式。

2．自然循环余热锅炉

图19－2是一自然循环余热锅炉，全部受热面组件的管子是垂直的。

给水进入省煤器吸热后，进入汽包。

汽包有下降管与蒸发部的下联箱相连，下降管位于烟道外面，不吸收烟气的热量。

汽包还与蒸发器的上联箱相连。

直立管簇吸收烟气的热量。

当水吸收烟气热量就有部份水变成蒸汽，由于蒸汽的密度比水的密度要小得多，所以直立管内汽和水混合物的平均密度要小于下降管中水的密度，两者密度差形成了水的循环。

也就是说：

不吸热的下降管内的水比较重，向下流动。

直立管内的汽水混合物向上流动，形成连续产汽过程。

此时进入蒸发器的水不是靠循环泵的动力，而是靠流体的密度差而流动，这种余热锅炉称为“自然循环余热锅炉”。

其特点是：

省去循环泵，使运行和维修简单。

但各受热面是沿水平方向布置，占地面积大，在排烟处所需烟囱的高度要高。

图2 

自然循环余热锅炉

本文主要介绍“强制循环余热锅炉”。

（注：

一般来说，余热锅炉的循环方式有5种：

单压，双压无再热，双压再热，三压无再热，三压再热。

（三）余热锅炉的布置

图19－3是强制循环余热锅炉的布置图，包括余热锅炉本体受热面及烟道系统，其特点如下：

图19－3余热锅炉布置图

1．烟气系统

转弯接头与余热锅炉相连，这个转弯接头是经制造厂试验研究后确定的，其形状尺寸必须要保证转弯后的气流分布均匀，均匀的气流能够使得烟气放热也均匀，管内水或汽的吸热也均匀，否则会使一些管子吸热多而另一些管子吸热少，这对余热锅炉的安全运行是不利的。

从燃气轮机出来的高温烟气有两路出口，一路进人余热锅炉，从主烟囱排人大气，另一路进入旁路烟囱排人大气。

每路烟道上都装有挡板，共有三个挡板，主烟道上的挡板称“主挡板”，旁路烟道上的档板称“旁路档板”，主烟囱处的档板称“烟囱挡板”，各挡板是配合使用的。

燃气轮机工作而余热锅炉不工作，要开启旁路挡板，关闭主挡板。

燃气轮机与余热锅炉同时工作，要关闭旁路挡板，开启主挡板。

另一方面为调节余热锅炉的产汽量，主挡板和旁路挡板可以部份开启或部份关闭，挡板调节的内容见后。

余热锅炉工作时，应该开启烟囱挡板。

当余热锅炉短时间停炉，可以关闭烟囱挡板，以防止余热锅炉内的热量损失。

因为余热锅炉内温度比较高，周围冷空气可以进入余热锅炉，形成自然对流将热量带走，关闭烟囱挡板就能防止外界气流进入余热锅炉，以保存热量，准备随时起动余热锅炉。

如果余热锅炉要停炉检修，希望冷却速度快些，可以开启烟囱挡板。

水平烟道经过一个90

主烟道和旁路烟道都装有膨胀节，这是由于烟道受热后要伸长，会对烟道的支架产生热应力。

采用膨胀节能吸收烟道的伸长量，可以减小热应力。

2．汽包

汽包是用悬吊的方式来固定，悬吊在伸出的悬臂框架上，悬臂框架与省煤器的框架相接。

采用悬吊方式可以使汽包有足够的挠性，因汽包下部有下降管，上部有省煤器进水管、蒸发器的汽水混合物引入管以及饱和蒸汽引出管等，当这些连接管受热膨胀时，都会对设备产生附加应力，现在汽包用挠性支架，能减少对设备产生附加应力。

3．组件的装配

转弯段，支承框架，汽包，烟道，挡板，烟囱缩口，过热器，蒸发器I和II，省煤器，旁路烟道及其挡板和膨胀节等。

整个余热锅炉分成几个大组件，每个大组件在制造厂组装好后装运。

在现场直接安装，这样大大缩短安装工期。

这些增加有：

烟囱，膨胀节，90

有热烟气流过的组件均装有管箱板，管箱板上有法兰。

图19－4示出了上下拉杆组件管箱板的连接方式。

考虑到减少散热损失，保证运行人员安全，管箱板由金属板与保温层组成。

与高温烟气接触的内壁采用耐热合金钢板，外壁采用碳钢板。

两金属那边之间是矿物纤维保温层，外壁和内壁用螺栓连接，螺栓预先焊在外壁钢板的内侧，在内壁相应位置处预先冲孔眼，孔的直径要比螺栓直径大，多余的孔隙量可以允许内壁和外壁有相对移动。

这是因为内壁和外壁的温度不同，材料不同，受热后的膨胀伸长量也不同，所以两壁之间会有相对移动。

外壁上焊有加强框架，可保证管箱板的强度和刚度，外壁的两端焊有法兰，可以用来连接组件。

图19－4

烟气在余热锅炉中自下而上流动，烟温逐渐降低，所以管箱板的保温层厚度也可减薄，省煤器出口的烟气温度不超过200℃，可以直接用碳钢的钢板制造烟道，来代替管箱板。

（四）受热面组件的特点

受热面组件指的是省煤器、蒸发器和过热器，分别组成四个组件，其结构型式基本上是相同的。

只有管子直径及有关尺寸略有不问，各组件由管组、联箱、管箱板和支吊架组成，现分别叙述之。

1．管组

图5受热面组件装配

A准备管子，锉坡口 

B焊接弯头及连接直管 

C装支吊架 

D支吊架装顶板和底板

每个受热面组件的管组包括几十根管子，管子是带肋片的，组成水平蛇行管，见图19－5。

肋片管是用一定厚度（1mm）和一定宽度（12－20mm）的薄钢带绕在光管外壁上，绕的型式采用螺旋线。

薄钢带是用电阻焊与光管外壁相接的，使钢带与管外壁紧密结合，保证传热效果好。

弯头连接，连接方式采用焊接，最后组成一根水平蛇行管，几十根并联的蛇行管可以组成一个管组。

图19－5表示了整个受热面组件的装配过程，二根直的助片管用一个180

2．支吊架

采用“蜂窝状”吊架，用两块凸凹板可以组成一个“蜂窝状”吊架，凸凹的形状是一个等六边形，像蜂窝的形状，所以称“蜂窝状”吊架。

图19－5C中表示出一根水平蛇行管的吊架，如果管子沿水平方向很长，需要多装吊架，大约每隔一米需一个吊架。

如果并联的管子数目是30根，在同一距离上就有30个吊架，采用吊架顶板和底板可以将此30个吊架组合起来，最后如图19－5D中表示的一个大的坚固的管组。

顶板用13～19mm厚的碳钢钢板制造，能够承受管组的重量。

管子的肋片部份和支架板接触，肋片外形是圆的，而支架板形状是六角形，除了接触点以外，两者之间有足够的空隙，吊架本身又有挠性，可以微微移动。

所以当管子受热而膨胀时，不易被吊架卡住，同时管壁不会被磨损。

这种型式的吊架对于联箱也是有好处的，因为管组的进口联箱和出口联箱都是固定不动的，采用这种吊架，管子膨胀伸长是自由的，能减少膨胀热应力作用到联箱上。

3．联箱

在整个管组和吊架装配后，最后安装联箱，省煤器和过热器的进出口联箱型式是相同的。

而蒸发器的联箱的型式常常是不同的。

进口联箱的直径要小于出口联箱的直径，这是因为蒸发器入口是水而出口是汽水混合物。

4．特点

组成的水平蛇行管的两端可以自由伸长。

从图19－1中可以看到全部弯头都在高温烟道以外，表明焊缝不和高温烟气接触。

这种受热面结构对快速起动有利。

所以余热锅炉能够随着燃气轮机快速起动。

受热面的管子采用肋片管，可以增加传热量，反过来说，在传热量相同的情况下，可以减小受热面，使余热锅炉体积小，布置紧凑。

所以目前不论是水平蛇行管或直立式管都趋向于采用肋片管。

例如：

省煤器中每公斤水需吸收热量314KJ。

如果采用光管，需0.497米长的管子，如果采用同管径的肋片管。

只需0.05米的管子；

显然后者可以缩小尺寸。

从传热的观点来分析，要提高传热量，就要减小传热的总热阻。

余热锅炉管子外面流的是烟气，管内流的是水或汽或汽水混合物，前者的热阻远远大于后者，相差几十倍～几百倍，所以就要从管外侧想办法来改善传热，最有效的措施就是增加管外侧表面积，也就是采用管外加肋片的肋片管。

2受热面的设计计算

余热锅炉的产汽过程是通过省煤器、蒸发器及过热器来实现的。

也就是通过管子把管外烟气的热量传给管内的流体（水或汽）。

在运行中，如果省煤器和蒸发器传过的热量少，那么蒸汽产量少，蒸汽压力低。

如果过热器传过热量少，“就使蒸汽出口温度低。

另外，受热面处在高温烟气下工作，管内流体的流动情况会影响管子金属温度，也就是影响管子强度，由此可见，这三个受热面直接影响余热锅炉运行的安全性和经济性。

从事锅炉运行的人员要了解产汽过程特点及传热的基本知识，才能分析运行中出现的事故以及蒸汽参数调节的问题。

本节重点介绍传热及汽水两相流问题。

一、热量计算公式

每个受热面有三个热量计算公式，一个是烟气放出的热量、一个是管内流体吸收的热量，一个是传过去的热量。

这三个热量是相等的，人们用热平衡方程式来表示前二个热量，用传热方程式来表示后一个热量，现分别叙述之。

（一）热平衡方程式

烟气经过某受热面所放出的热量，扣除散到周围的散热量，就是烟气的有效放热量，公式如下：

QpV（I’－I’’） 

J/s或W 

= 

（1）

式中：

Qp一烟气有效放热量；

一保热系数，考虑散热量的影响，通常取0．98～0．99；

V一烟气流量kg／s；

I’一烟气进口焓，J／kg；

I’’一烟气出口焓，J／kg。

管内流体在某受热面所吸收的热量，用下式表示：

Qw＝G（i’’一i’） 

J／s或W 

（2）

Qw一管内流体吸热量；

G一管内流体流量kg／s；

i’’一流体出口焓，J／kg；

i’一流体进口焓，J／kg。

热平衡方程式就是：

Qp＝Qw

V（I’－I’’）=G（i’’一i’） 

通常写成 

（3）

分析（3）式，可以看到烟气侧改变任何一个物理量的大小，都影响管内流体的吸热量，也就是影响管内流体的物理量的大小。

燃气轮机降负荷，烟气量V减少，如果烟气的进口和出口焓不变，整个烟气放热量减少。

此时管内流体吸热量要减少，如果流体的流量G不变，进口流体焓i’不变，那么流体的出口焓i’’就要减小。

同样的理由，改变烟气焓也会影响流体的出口焓。

对于省煤器和过热器来看，管内水或汽的流量G不随烟气放热量而变，只改变水或汽的出口焓，也就是改变流体的出口温度，而对蒸发器则不同，烟气放热量的变化会使蒸汽产量发生变化以及蒸汽压力发生变化，这些都是运行中需要重视的参数。

公式（3）中，烟气流量是随燃气轮机负荷而改变，烟气进口焓也与燃气轮机负荷有关，烟气的出口焓则与传热量大小有关，所以只有热平衡方程式还不能确定烟气放热量，还需要通过传热方程式来计算传热量，最后确定烟气放热量。

上面已提到，放热量和吸热量和传热量三者是相等的，如果传的热量少，烟气的放热量和流体吸热量都会随之减少，这说明传热量是很重要的，计算传热量采用传热方程式。

图6 

肋片管的尺寸符号 

图7 

受热面的温度分布（a）逆流 

（b）顺流

（二）传热方程式。

从“传热学”中知道传热方程式的基本形式是：

t•A 

Q＝K• 

（4）

Q一传热量；

℃）；

K一传热系数，W/（m2

t一平均温差，℃；

A一管子的传热面积，m2。

传热系数K的计算复杂，见（四）节内容介绍。

1．肋片管子的传热面积计算

肋片管子的尺寸符号见图6。

管外壁的总传热面积包括肋片的表面积和无肋片区的管外壁面积。

令Af为肋片表面积，AWb为无肋片区的管外壁面积，每米管长的总面积A0＝Af＋AWb，m2/m。

（5）

（6）

n一每米长度上肋片的数目。

假定肋片端部绝热。

t的计算2．平均温差

受热面都是由多排的水平管圈组成，沿着管子长度各点的流体温度是逐渐变化的，同时对应的各点的烟气温度也是逐渐变化的，因此只能求出整个受热面的平均温差。

图7表示三种受热面烟气和管内流体的温度分布情况。

进入受热面的烟气温度为T1，经过放热后的烟气温度降到T2。

进入受热面的水（或汽）的温度为t1，吸热后温度升高，离开受热面时温度为t2。

图7中表示出（a）、（b）、（c）三种情形。

（a）表示热流体（烟气）与冷流体（水或汽）的流动方向是相反的，称为“逆流”。

两种流体的高温段位于受热面同一侧，低温段也位于受热面的另一侧。

从（a）上可以看到，被加热的冷流体的出口温度t2可以高于热流体的出口温度T2，此时，沿受热面的各处温度差（T—t）比较一致，其数值比较大。

这就是“逆流”布置的一个优点。

现在余热锅炉的省煤器和过热器是采用“逆流”布置，热烟气自下而上流动，水（或汽）自上而下流动。

（b）表示热流体与冷流体的流动方向是相同的，称为“顺流”，可以看到，冷流体的出口温度t2不能与热流体的出口温度T2相同，至少要保持一个差值即（T2－t2）＞0。

同时沿受热面的温差（T－t）的变化大，开始温差大，后逐渐减小，整个受热面的温差的平均值比较小。

（c）表示冷流体温度没有变化，这种受热面就是蒸发器。

因为当水变成蒸汽的过程中，饱和温度是不变的。

不论采用“逆流”布置或“顺流”布置，其温差的数值是相同的。

所以余热锅炉的蒸发器可采用”“顺流”布置。

管子的平均温差用下列公式计算

（7）

td一热、冷流体温差的最大值；

tx一热、冷流体温差的最小值。

上述符号的意义表示在图7上。

t。

公式（7）称为“对数平均温差”，是根据理想条件下推导出的。

理想条件包括：

单管、流体比热不变、对流换热系数不变。

而实际受热面是多管的，流体比热随温度而变化，对流换热系数也是在变化的，所以实际使用时，用修正系数进行修正，得到实际受热面的对数平均温差是

接近1。

余热锅炉各受热面的蛇行管的弯曲数都超过四流程，所以修正系数

例题1：

已知省煤器进口水温是110℃，出口水温是180℃，烟气进口温度是230℃，出口温度降到185℃，试计算逆流及顺流布置时的对数平均温差。

tx＝185－180＝5td＝230－110＝120，解：

顺流布置时，

于是，

tx＝230－180＝50，逆流布置时，td＝185－110＝75

例题一的答案表明，顺流布置时，对数平均温差要小。

如果传过同样的热量，从公式（4）可以看出，需要的受热面的面积大，需增大72％左右，所以余热锅炉中采用逆流布置。

（三）肋片管的传热过程

1．清洁管壁面的传热过程

图8表示了肋片管的传热，假定金属壁面是清洁的，没有污垢层，可以认为传热有三个阶段，现分别叙述如下：

图8 

肋片管的传热

图9 

肋片效率Ef

（1）第一个阶段：

烟气对金属壁的传热。

烟气的温度是T，分别与肋片壁与管外壁接触，管外壁的温度是twb，肋片壁的温度是tx。

可以根据公式（4）的形式，分别写出传热量公式，Q1是传给助片壁的热量，Q2是传给管外壁的热量。

（8）

（9）

烟气总传热量

（10）

上式中的肋片壁温tx是一个平均温度值，距离管外壁近的肋片根部的温度接近管外壁温twb，而在肋片顶端处的温度要比管外壁温twb高，所以采用平均值。

tx的数值与以下物理量有关：

管外壁温度、管子尺寸、肋片尺寸、金属壁的导热系数、烟气的换热系数等。

经数字推导并加整理，得到助片效率Ef和系数B。

（11）

（12）

两者的关系Ef=f（B）示于图9中。

b—金属壁的导热系数，W/（m•℃）式中：

1—烟气对壁的换热系数W／（m2•℃）。

其余符号见图6及图8所示。

肋片效率Ef的物理意义表明金属本身的热阻的影响。

从公式（11）中可以看到，当金属有热阻时，tx大于twb，Ef是一个小于1的数值。

在理想情况下，金属没有热阻，tx等于twb，肋片效率Ef=1。

将（11）公式中的（T—tx）代人公式（10）中，得到第一阶段传热量为：

（13）

（2）第二个阶段：

从管外壁到管内壁的传热量为：

（14）

b—管壁厚度，m；

tnb—管内壁温度，℃；

Ab——用平均直径计算的管子平均面积，m2。

（3）第三个阶段：

从管内壁到管内流体的传热量为：

（15）

2式中：

—管内流体的换热系数，W/（m2•℃）；

Anb－管内壁面积，m2

t——管内流体的平均温度，℃。

在稳定传热过程中，上述的三个阶段的传热量是相等的，得到Q＝QI＝QI＝QIII，将各Q值代入后，加以整理，得到

根据

得到

（16）

可以写成公式（4）的通用形式，

（17）

A0—肋片、管外壁总面积，A0＝Af＋Awb；

t—对数平均温差，℃

K—总传热系数，W/（m2•℃）。

其计算见（四）节内容

2．壁面有污垢的传热过程

图（10）表示有污垢时的传热，由于污垢层的热阻大，使管外壁温twb降低，依此类推，最终使冷流体的温度降低，达不到预定的加热温度。

当余热锅炉受热面存有污垢时，就有此现象产生，污垢厚度越厚，此现象越严重。

污垢层的传热量可按照公式（14）的形式

rn。

rw；

Rn表示内壁的污垢系数，Rn＝brn/工程上直接用污垢系数来表示污垢层的热阻。

Rw表示外壁