水管锅炉的结构Word下载.docx
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（3）蒸发受热面
在锅炉中直接受热产生饱和蒸汽的受热面称为蒸发受热面。
水冷壁管及靠近炉膛的前三排对流管束（即防渣管），烟气通过辐射传热的方式，将热量传递给管中的锅水，因而称为辐射受热面。
其余的蒸发管束，通过对流换热的方式，接收烟气传递的热量，因而称之为对流受热面。
（4）炉膛
炉膛是燃油雾化、燃烧的场所。
它的作用是提供足够的空间，使燃油得以充分的燃烧同时使燃烧发出的热量不要散失到锅炉外面。
炉膛由耐火砖墙和水冷壁组成。
水冷壁就是铺设在炉膛内壁上的蒸发受热面管子，由于它吸收高温火焰和烟气的辐射热量，因此可以保护耐火砖不致于过热而烧坏，有冷却炉墙的作用；
同时能提高锅炉的蒸发率；
通过在炉膛不同部位布置不同数量的水冷壁受热面；
来控制炉膛中烟气的温度和温度场分布，保证炉膛内良好的燃烧；
它是整个锅炉蒸发受热面的重要组成部分。
水冷壁吸收的辐射热，约占锅炉整个受热面吸热量的1／3左右，使烟气由理论燃烧温度（约2000K）下降到炉膛出口温度（1500～1750K），烟气离开炉膛后，流到蒸发管束中去。
（5）燃烧器
燃油锅炉的燃烧器是由雾化器或喷油嘴和配风器组成。
喷油器将送入炉膛内的燃油雾化成油雾，配风器将助燃空气合理地导入炉膛，使之能与雾化的燃油进行及时充分的混合。
2．锅炉附加设备
（1）蒸汽过热器
当要求锅炉供应过热蒸汽时，在锅炉中加装蒸汽过热器。
根据对过热蒸汽温度要求的高低，蒸汽过热器可放置在对流管束中间或对流管束后面。
它接收从上锅筒中来的饱和蒸汽，在其中加热成过热蒸汽再向外界供汽。
（2）省煤器
省煤器用于加热进入锅炉的给水。
由于它安装在锅炉本体的后面，可吸收流出本体后的烟气中的余热，因而能起到节省燃料的作用。
（3）空气预热器
空气预热器是利用烟气进入烟囱以前的余热来加热助燃的空气，既达到了回收热量的目的，又改善了燃油的燃烧条件。
通常空气预热器安装在省煤器的后面。
省煤器和空气预热器都装在锅炉本体的后面，统称为尾部受热面。
尾部受热面也不是所有锅炉都必须装设的；
有的锅炉只装设其中的一个。
对于小型锅炉，为了简化管理和减小锅炉的外形尺寸，多不装设尾部受热面。
3．D型锅炉的系统及锅炉附件
（1）燃油系统
燃油系统中的油泵将燃油从油罐中抽出送到日用油箱，再用燃油泵从日用油箱中抽出，经过加压、加温和过滤最后送到喷油器进行雾化。
这个系统通常以日用油箱为界限又分成供油系统和燃油工作系统。
（2）给水、凝水、蒸汽系统
给水系统是由包括锅炉给水的输送管道、给水加热器、给水泵和给水调节阀等所组成。
凝水系统包括从除氧器等设备的管路及管路上的设备和阀门。
蒸汽系统包括蒸汽管路及管路上的各种阀门。
（3）通风系统
通风系统的作用是将外界空气送人炉膛供燃油燃烧使用，并将燃烧产物（烟气）排出锅炉送到大气中去。
由于在空气和烟气的流动过程中，会产生各种流动阻力，若利用烟囱产生的自然通风力去克服这些流动阻力，称为自然通风。
显然，这种通风方式产生的风力很小，用增加烟囱高度的方法来提高自然通风力。
利用风机来克服各种流动阻力的通风系统，称为机械通风。
机械通风又分为：
正压通风、负压通风和平衡通风。
用送风机将空气送人锅炉，并把烟气从锅炉压出到大气中，称为正压通风。
用引风机将锅炉中烟气排人大气，并把空气吸人炉膛，称为负压通风。
同时用鼓风机和引风机进行通风，称为平衡通风。
（4）锅炉附件和监测仪表
锅炉附件和监测仪表是保证锅炉安全而经济地工作所必需的装置，包括有：
a）作为保证锅炉安全工作的附件：
水位表、安全阀和指示蒸汽参数的压力表和温度表；
b）作为监督燃烧的附件：
风压计、CO2指示仪、氧量计、观烟镜等。
（5）锅炉自动化系统
在自动化锅炉中，自动化系统包括：
给水过程自动调节系统；
燃烧过程自动调节系统；
过热蒸汽温度自动调节系统及各种安全保护系统。
二、D型锅炉的结构特点
下面以一种比较典型的D型锅炉为例（如图4—2），介绍锅炉的结构特点。
锅炉的蒸发量为13t/h，蒸汽参数压力为3.2MPa，温度为400℃，锅炉右方为炉膛，在炉膛右侧炉墙内侧布置有水冷壁辐射受热面，它一直沿伸至炉顶。
右方为上、下锅筒和将两者连接在一起的对流管束，对流管束与垂线约成30°
的倾角，这样就能得到较好的烟气扫刷性。
三个燃烧器以“品”字形布置在炉膛的前墙上。
燃油雾化燃烧后，高温火焰和烟气与炉膛水冷壁受热面和防渣管进行强烈的辐射热交换，接着烟气流向对流换热烟道。
在进入过热器之前，烟气先穿过三排防渣管以适当降温，可使过热器免受炉膛高温火焰的直接照射，这样既可避免过热器管壁温度过高又可使其具有对流和辐射两种传热工况，因而提高了过热器工作的可靠性和稳定性。
对流管束布置得具有一定倾角，这样可增加烟气对管束冲刷的均匀性。
水冷壁、防渣管、对流蒸发管束中的水吸热蒸发而上行，对流管束的后两排管束和设置在烟道外直径较大的不受热下降管从上锅筒引锅水下行，形成了锅炉的自然水循环回路。
水上行的管子称为上升管，水下行的管子称为下降管。
图4—2典型的D型锅炉
1—上锅筒2—下锅筒3—防渣管4—对流管束5—水冷壁
6—水冷壁7—对流管束8—燃烧器9—过热器10—省煤器
烟气流出对流蒸发管束时的温度尚有300℃以上，为提高锅炉效率和简化烟囱的绝热问题，有的锅炉在本体后面装设尾部受热面，进一步回收其热量和降低排烟温度。
有的锅炉装设有省煤器，及空气预热器。
或者两者皆装，或者两者皆不装，这主要取决于蒸汽参数、给水温度、燃油品种以及其他特殊要求等因素。
一般来说，蒸汽参数较低的系统，给水温度较低，当给水系统装有除氧器时，多装设省煤器。
在燃用渣油，要求助燃空气温度较高时，则装设空气预热器。
对高压高温的系统，给水温度较高，为更有效地降低排烟温度，故两者皆装。
当排烟温度降至160～170℃时，锅炉效率大约为88％。
综上所述，归纳起来，D型锅炉具有下述特点：
（1）D型锅炉在其本体受热面的布置上，可以很方便地增减尺度和数量，易于组成不同蒸发量的锅炉。
（2）D型锅炉的对流管束位于炉膛旁侧。
不是架设在炉膛的上方，因而随着锅炉蒸发量的增加，锅炉高度不会显著增加。
（3）当锅炉蒸发量增大时，如果锅炉体积缩小，必须适当提高炉膛容积热负荷，以减小单位蒸发量的锅炉体积和重量。
随着燃烧技术的发展，使燃料在炉膛中能完善地燃烧，而炉膛温度却会因燃烧强度的增加而升高，耐火砖墙难于适应这种工作环境。
尤其在燃烧劣质渣油时，对耐火砖墙还有侵蚀作用。
为此，现在D型锅炉在炉墙上普遍设置水冷壁受热面，从而减少高温火焰对炉墙的直接辐射和燃烧劣质燃油对炉墙的侵蚀，这不仅对炉墙起到冷却保护作用，而且由于水冷壁受热面的蒸发率很高，还能提高整个锅炉受热面的蒸发率，同时也抑制了炉膛出口烟气温度过分升高。
（4）由于掌握了水冷壁的应用技术，对于不同蒸发量的锅炉，在不同炉膛容积热负荷的条件下，通过增减布置水冷壁受热面积来控制炉膛的出口烟气温度，从而使炉膛具有一定的温度水平，既能保证良好的燃烧，又能保护炉墙，而且在炉膛出口处，不会因燃用劣质渣油引起对流管束发生结焦及腐蚀等不良现象。
1．炉墙
锅炉的各种受热面均须由炉墙来包围所形成炉膛和烟道等烟气的流动通道，对于不同部位或不同工作条件的炉墙，在性能以至结构上的要求也应当是不同的。
通常对于烟气温度在900℃以上的炉膛和高温对流烟道等部位的炉墙要求较高。
炉墙长期与高温烟气接触，因此要求具有耐高温的能力和抵抗灰渣侵蚀的特性，并要有很好的绝热性能，以免向外散失大量热量：
为了防止外界空气漏入炉膛内或正压燃烧时烟气漏至炉外，还得保持炉墙的气密性。
所以，炉墙一般由耐火层、绝热层和密封层叠加而成，如图4—3（b）所示。
面火的耐火层常用烧粘土耐火砖，绝热层可用硅藻土砖或石棉板。
在现在的锅炉中，正逐步推广只装设一层兼有耐火和绝热性能的纤维成型板，其主要成分为氧化铝和氧化硅。
它的耐温特性随氧化铝含量百分比的升高而改善，这样不仅使炉墙重量减轻，而且施工简单。
最外侧的密封层为薄钢板，图中所示的各层厚度，可视炉墙具体工况而灵活增减，一般应使炉墙外表面温度不超过60℃，以免烫伤工作人员，同时也可避免散热损失过大。
对于风口等处不规则造型部位，可采用耐火塑料或异形耐火砖砌成。
前者对温度的波动适用性较好，但抗灰渣浸蚀能力不及耐火砖。
图4—3（a）和（c）示出了前墙风口和炉底结构，炉底的耐火层厚度可以减半，但因灰渣侵蚀严重，所以一般均由耐火砖砌成。
风口和炉底也可用高铝纤维砖，穿墙管密封处用耐火纤维构成耐火层。
图4—3锅炉炉墙结构组成图
a）前墙b）侧墙c）炉底
1—耐火砖2—硅藻土砖
3—石棉板4—薄钢板 5—高铝纤维砖
在对流管束以后的低温烟道外，则仅由绝热层和密封层组成其外壳，可以不用耐火层。
密封层由约3mm厚的薄钢板制成，在其内侧铺设一层绝热材料，通常为耐热纤维板或矿渣棉制品、硅藻土砖和石棉板等。
绝热层材料的密度通常小于1000kg／m3，导热系数在20℃时小于0．29W／（m·
℃）。
为了提高炉膛耐火层工作的可靠性，要求使用A等1级和2级耐火砖而烟道可采用B等1级耐火砖。
我国的烧粘土耐火砖分为A、B、C三等，每等又分成3级或2级。
A等的耐火度不低于1730℃，B等不低于1670℃，C等不低于1580℃。
其胀缩率各等中的1级最小，其余较大。
在锅炉工作中，要保证耐火砖受热膨胀而不损坏，砌砖时应留有膨胀缝。
一般在膨胀缝间塞以石锦绳及其制品。
砌砖的质量标准按膨胀缝大小分为三级。
特精密级，砖缝不大于1mm；
精密级，砖缝不大于2mm；
普通级，砖缝不大于3mm。
绝热层的膨胀缝中，用二或三股石棉绳及其制品充填。
在较新式的水管锅炉中，不管是炉膛还是对流烟道部位，在炉墙耐火绝热层的外面，采用一种称为双层罩壳的炉墙结构。
双层罩壳炉墙与单层不同，它具有内外两层壳板，中间通以送往燃烧器去的助燃空气。
由于助燃空气必须克服燃烧器流动阻力进入炉膛，所以，其压力肯定比炉膛内的烟气压力要大。
从而保证了只有空气漏到炉膛，消除了烟气漏入炉外的可能。
另一方面，空气带走一部分外散的热量返回炉膛中，因而在减少锅炉散热损失的同时、既提高了助燃空气的温度，又降低了内壳板尤其是外壳板的温度，因此绝热层可以减薄。
2．水冷壁
水冷壁管子为锅炉无缝钢管，管径一般为51mm。
水冷壁垂直布置在炉膛的内壁面上，它构成了水冷壁水循环回路的上升管，是锅炉的主要辐射受热面。
火焰辐射传热与热力学温度四次方成比例，炉膛内火焰温度很高，故水冷壁辐射吸热很强烈。
同时它还能保护炉墙，减少熔渣和高温对炉墙的破坏作用。
装设水冷壁后，炉墙内壁温度大大降低，使炉墙厚度减少，重量减轻。
为了防止在侧水冷壁管子延伸至炉顶的部分（顶棚管）管子中发生汽水分层现象，水冷壁不得水平布置，其水平倾角应大于30°
，最小不得小于15°
。
水冷壁在锅筒或上联箱处吊挂，使其具有自由膨胀的可能。
水冷壁的结构型式有三种：
光管水冷壁、膜式水冷壁和棘形水冷壁。
（1）光管水冷壁：
水冷壁可减轻耐火砖的负担，并延长炉墙的使用寿命，这种功效的大小，取决于管子排列的密集程度。
水冷壁管子中心线之间的距离称为节距，以符号s表示，节距s与管径d之比称为节距比。
s／d=2～2．5的疏排水冷壁能使炉膛耐火砖层的表面温度降低400—500℃，s／d=1．1的密排水冷壁，可使其后耐火砖层的表面温度近于水冷壁管壁的表面温度。
当然，s／d大小的选择还应从要求布置的辐射受热面多少和节约水冷壁管子金属等方面来考虑。
图4—4为光管水冷壁疏排和密排的结构。
图4—4 光管疏排和密排水冷壁
a）疏排水冷壁 b）密排水冷壁
（2）膜式水冷壁：
由于现代锅炉炉膛中的燃烧温度不断提高，具有水冷壁的炉墙工作条件进一步恶化并缩短了使用寿命，采用密排水冷壁结构可以提高炉膛容积热负荷，增加单位炉膛壁面积的辐射受热面，因而可以控制炉膛出口温度，但炉膛中的烟气温度仍然较高，耐火层虽可以减薄但不能取消。
因此没有彻底摆脱锅炉在炉墙维护工作上的麻烦和困难，同时在配合微正压（或负压）的低过量空气高效燃烧时，炉墙还显得不能保证良好的严密性，于是便使用了一种称为膜式水冷壁的炉膛壁面结构。
所谓膜式水冷壁，就是在炉膛中做成一个连续无缝的金属炉墙。
它有两种型式，一种是把钢管两边挤压出两个鳍片后，再将这种异形钢管拼焊起来；
另一种则是用普通光管和狭钢条间隔拼焊而成。
这两种结构分别见图4—5（a）（b）中。
图4—5膜式水冷壁
a）鳍片管拼焊式b）光管和狭钢条拼焊式
膜式水冷壁的管子节距比s／d约在1．15～1．2之间。
由于炉膛高温烟气辐射热不能穿透到这种水冷壁的背后，经过实践证明，在正常工况下，这种水冷壁管壁的温度不会比锅水温度高出60℃，所以可以取消炉墙的耐火层，而且绝热层也可大为简化，一般仅安装50mm左右厚的玻璃棉等绝热材料，外层再复以薄钢板即可。
膜式水冷壁具有严密性好，可以配合微正压或负压的低过量空气燃烧；
炉膛气密性好，可降低排烟热损失，提高热效率。
简化了炉墙的维护工作；
炉墙较薄，蓄热量小，有利于停炉检修；
可分片组装出厂，便于安装；
适用于两边接触高温火焰的双面水冷壁等优点。
但是焊制的膜式水冷壁也有不足之处：
由于单位面积的辐射受热面积的吸热率很高，若管内结有水垢，则管壁温度会迅速升高，甚至会导致管子损坏，所以对水质处理的要求十分严格。
另外，一旦管子损坏，检修工作十分麻烦，因为必须将它切割下来，换新后重新焊接，临时抢修时，可把损坏的水冷壁管子堵掉，被堵管子仍可由二侧鳍片通过相邻管子散失热量，但不大有效，一旦管子烧穿，就破坏了气密性，可能被迫停炉。
所以，一般在被堵后的管子上再涂上耐火材料，以暂时应付。
（3）棘形水冷壁：
棘形水冷壁是在管子表面面向炉膛的一侧焊上许多棘钉，将耐火材料涂在其上，可以使其吸热率降低，从而满足炉膛不同部位的不同吸热要求。
图4—6示出棘形水冷壁部分和全部涂上耐火材料的情况。
涂在水冷壁上的耐火材料为一种铬矿砂材料，其主要成分为氧化铬和氧化铁的化合物，涂上以后表层坚硬，能耐高温和具有抗灰渣侵蚀的能力，并具有一定的导热性。
图4—6棘形水冷壁
a）部分涂耐火材料 b）全部涂耐火材料
三、锅炉的尾部受热面
在锅炉本体后面的烟道中，根据需要通常安装着省煤器和空气预热器。
由于它们能回收锅炉排烟的余热，减少排烟所带定的热量，因而使锅炉效率得以提高，达到节省燃油的目的。
（一）省煤器
1．省煤器的工作特点
省煤器里流动的是不等温的给水。
在自然循环锅炉中，省煤器出口的水温一般都低于饱和温度。
因此，放在同一烟气温度地区，省煤器比蒸发受热面的传热温差要大；
在吸收同样的热量时，其受热面积可以小一些。
同时省煤器内的给水是强迫流动，故受热面的管径也可选用小一些的，其结构布置更为紧凑。
当布置同样多的受热面积时，其占据的空间就更小，布置的位置也不受限制。
省煤器的结构比较简单，造价也便宜。
另外，给水经过省煤器加热后再送人锅筒，可减少因水温低而使锅筒产生的热应力，使锅筒的工作条件得以改善。
所以，省煤器吸热既有效，结构又简单，已与锅炉本体密切结合在一起，成为其重要的组成部分。
尤其是大型高效率锅炉更是这样。
但由于设置了省煤器也带来了如下一些问题：
1）烟气侧的通风阻力增加；
2）当锅炉负荷变化较大和较长时间在低负荷下运行时，在结构上和管理上要对省煤器给予特别的考虑；
3）省煤器工作在给水由低温转变成高温过程中，在省煤器的末端将析出一部分溶解在水中的空气，造成金属的腐蚀，所以在带有省煤器的锅炉中，对给水中含氧量限制很严格，它只能设置在有除氧器的动力装置中。
省煤器分为沸腾式和非沸腾式两种。
沸腾式省煤器能将给水加热至饱和温度，并把部分水进一步加热成蒸汽，由省煤器出来汽水混合物的含汽量在10～15％以上。
这样，它将起到代替一部分蒸发受热面的作用。
沸腾式省煤器多用于压力较低，水的汽化潜热较大且蒸发受热面因受到限制而不能布置较多的场合。
在沸腾式省煤器中，水是自下而上流动，水流速度在最低负荷时也不应小于1m／s，以利于排除管中的汽泡，避免形成汽塞。
非沸腾式省煤器出口的水是未饱和水，此时为了增加传热温差，改进传热效果，将烟气温度降得更低些，可以让水流方向与烟气流动方向相反，即水从上往下流动。
但要求在低负荷时（一般为25％负荷），水经过省煤器的压头损失必须大于水静压头的增加。
即在下部出口联箱中的压力必须小于上部进口联箱中的压力；
否则在省煤器中会发生再循环流动，影响其正常工作。
给水在省煤器中加热、升温，一部分溶解在水中的气体会析出，并且在并列的各根管子中由于存在水力不均匀，而使个别管子内因流量太小而发生蒸发。
这些气体和汽泡，聚集在管壁上，将造成管壁的腐蚀和过热；
尤其对逆流式省煤器更为不利。
所以要求水流速度在低负荷时仍应大于0．5m／s，以便使水流能随时将停留在管壁上的气泡和汽泡冲掉。
一般为了防止个别管内因水力不均匀而产生部分汽化，造成汽塞，要求非沸腾式省煤器出口水温应该比该压力下的饱和温度低35～40℃。
为了防止低温腐蚀，省煤器进口水温应高于烟气露点15～20℃，以防止省煤器管壁结酸露。
沸腾式与非沸腾式省煤器在结构上没有什么区别，仅在管路连接和系统上有些不同，如图4—7所示。
图4—7省煤器的管路连接系统
1—省煤器进口阀2—止回阀3—省煤器出口阀
4—旁通给水管5—旁通给水阀6—省煤器给水阀
7—再循环管8—再循环阀9—省煤器
10—省煤器进口联箱11—省煤器出口联箱
12—锅筒13—安全阀
沸腾式省煤器出口与锅简之间不设任何阀门，以便顺利地将省煤器中产生的汽水混合物导入锅筒，只是在省煤器前装置截止阀和止回阀。
当锅炉在低负荷下运行或处在点火升汽阶段时，应当注意省煤器的保护。
如果排烟温度低及省煤器为逆流传热时，可设置旁通烟道。
在点火时，如果省煤器位于高温烟气区域时，因为水静止不动发生汽化使受热面过热。
这时，锅筒与省煤器下部联箱的循环管打开，使省煤器与锅筒之间能进行自然循环。
如果没设循环管，可在锅筒产汽后（压力为0．1～0．2MPa）逐渐地给省煤器加入少量水；
如锅筒水位太高。
可将水放出一些，以保证正常水位。
2．省煤器的结构与型式
油炉上用的省煤器由无缝钢管做成，按受热面管子的形状分为光管式、套环式和鳍片式三种。
管子弯成蛇形管式，管子两端分别接到进口和出口联箱上。
也有管子做成U形管式的，此时要求设有转向小联箱。
采用光管式省煤器时，管子外径在28～32mm之间，管壁厚为3.5～4mm，管子采用叉排布置，节距比为s1／d=2～3，s2／d=1～1．5。
如果排列过密则会造成积灰或堵塞。
为了提高省煤器受热面的传热系数，缩小省煤器尺寸，采用在钢管外加铝合金套环或鳍片的方法，也有采用铸铁套环和鳍片，但重量较大。
图4—8所示为一种带有套环的U形管式省煤器。
图4—8带有套环的U形管式省煤器
1—铝质垫环2—后管板3—铝合金套环4—中间支承板
5—转向小联箱6—前管板7—铝质环8—省煤器管
9—箍紧钢环10—端环11—转向小联箱12—手孔门
除套环式以外，还可用各种形状的肋板作为省煤器的附加受热面。
（二）空气预热器
1．空气预热器的工作特点
空气预热器位于省煤器之后，它将进入炉膛参加燃烧的空气预先加热，使其温度升高，同时也进一步降低排烟温度，提高锅炉效率。
另一方面，由于空气温度提高，炉膛温度上升，为采用低过量空气燃烧提供了有利条件；
并且使在炉膛内大量铺设水冷壁成为可能。
但是由于空气对管壁的对流放热系数很小，空气预热器又处于低温烟气区，因此所需的受热面面积很大。
例如，一台蒸发量为12t／h，蒸汽压力为2．5MPa的锅炉，当其预热空气温度为135℃时，空气预热器的受热面积与蒸发受热面一样多，因而使锅炉的重量和外形尺寸都大大增加。
2．空气预热器的结构与型式
空气预热器有管式和回转式两大类。
（1）管式空气预热器由管径为38～51mm的薄壁焊接直管做成，管于是圆形或其他形状。
管子两端固定在厚约8～12mm的管板上。
空气预热器可以用隔板分成几层，以增加空气在预热器中的流经次数，提高空气流速，改善传热效果。
但是流经次数越多，空气流速越高，通风阻力也越大。
管式烟气空气预热器结构如图4—9所示。
图4—9管式烟气空气预热器
a）双流程立式空气预热器b）各种型式管群c）卧式空气预热器
1—四管2—蛋形管3—扁豆形管4—菱形管5—空气旁通挡板6—挡板
按照管子的放置方向，管式烟气空气预热器又可分为立式和卧式两种，其构造大致相同，只是管子立放和横放而已。
在卧式空气预热器中，空气在管内流动，烟气由管间通过，烟气阻力较立式的大，而且在管子
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