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1、中国特种设备检测研究中心,李林录 2004年10月,锅炉原理 第一章：概述,锅炉，从字面上来讲，就是由“锅”和“炉”两个部分所组成的热力设备。锅炉中燃烧燃 料的部分就是“炉”，它的作用是提供燃料燃烧条件和空间，使燃料（例如煤）在其中燃烧。 “炉”内燃烧产生的热量由“锅”来吸收，“锅”是锅炉中盛水和汽的部分，它吸收“炉”放出的 热量后，使水被加热到所需温度（热水锅炉）或者转变为工作压力下的蒸汽（蒸汽锅炉）。 但是，在现代锅炉中，“锅”和“炉”已经是一个统一的整体，是燃料化学能转换为热能输出的统一体。,第一章：概述,电站锅炉 主要提供高温高压蒸汽推动汽轮机，汽轮机带动发电机发电。,第一章：概述,中
2、国电力工业基本概况 : 2000年底，我国发电装机达到3.19亿千瓦，发电量约1.37万亿千瓦时，均居世界第二位。 2003年底，火电装机容量2.9亿千瓦，发电量15790亿千瓦时，分别占全国发电装机总容量和发电量的74.1%和82.9%。,第一章：概述,2002年底5000千瓦及以上火力发电机组分部,锅炉分类 1、按燃料分为： 燃油炉(蒸汽雾化、空气雾化、机械雾化)、燃气炉、燃煤炉 2、按燃烧方式分为： 层燃炉、沸腾炉（流化床炉）、室燃炉(燃油、燃气、煤粉（旋流、直流（四角切园、w型等） 3、按排渣方式分为： 液态排渣炉、固态排渣炉 4、按循环方式分为：,第一章：概述,第一章：概述,自然循环
3、锅炉 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。 多次强制循环锅炉 也称辅助循环锅炉。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头建立工质循环。只能在临界压力以下应用。,第一章：概述,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1.252.0。 直流锅炉 无锅筒，给水靠水泵压头一次通过受热面产生蒸汽，适用于高压、超高压、亚临界压力、超临界压力锅炉。,第一章：概述,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
4、力,第一章：概述,6、按出口蒸汽压力分为: 中压锅炉,一般压力为:3.82MPa(39KG/cm2）。 高压锅炉,一般压力为:9.8MPa(100KGc/m2）。 超高压锅炉,一般压力为:13.7MPa(140KG/cm2）。 亚临界压力锅炉,一般压力为:16.67MPa(170KG/cm2）。 超临界压力锅炉,压力大于22.13MPa(225KG/cm2）。,第一章：概述,7、按锅筒布置分类 单锅筒、双锅筒（最大220T/H）,第二章：电站锅炉参数及典型锅炉实例,第二章：电站锅炉参数及典型锅炉实例,其,第二章：电站锅炉参数及典型锅炉实例,我,第三章：热量传递的方式,1、导热 热量从物体中温度
5、较高的部分传递到温度较低的部分。或从温度较高的物体传递到与其接触的温度较低的物体。 Qx=-F t/,第三章：热量传递的方式,2、对流换热 对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅能发生在流体中，且必然伴随着导热现象。 工程上将流体流过另一物体表面时所发生的热交换过程称为对流换热。 Qx= F t,第三章：热量传递的方式,3、辐射 物体通过电磁波来传递能量的过程称为辐射。辐射换热区别与导热及对流：（1）可在真空中传播（2）不仅伴随着能量的转移，而且伴随着能量形式的转化。 Q= F 0 T4（物体向外辐射的热量） Qx= F t,第三章：热量传递的方式,4、传热系数 传热
6、过程中所传递的热量与冷热流体间温差及传热面积成正比。 Qx=K F t,第三章：热量传递的方式,5、热阻 热量传递路径上的阻力称为热阻。 1/K 一个传热过程的总热阻等于组成该过程各串联环节的热阻之和。 1/K / 1 / 1 / ,第四章：锅炉热平衡,Qr=Q1 + Q2 + Q3 + Q4+ Q5 + Q6 Qr送入锅炉的热量 Q1 锅炉有效利用的热量 Q2 排烟热损失 Q3 化学不完全热损失 Q4 机械不完全热损失 Q5锅炉的散热损失 Q6 锅炉灰渣的物理热损失,第四章：锅炉热平衡,Qr = Qd w i r Qwr Qwh Qd w燃料的低位发热量 i r 燃料的物理热 Qwr 外用热
7、源加热空气时带入的热量 Qwh 雾化燃油所用蒸汽带入的热量,第四章：锅炉热平衡,Q1 锅炉有效利用的热量 将水加热变为蒸汽的焓变。,第四章：锅炉热平衡,Q2 排烟热损失 排出锅炉时烟气的焓值高于进入锅炉时空气的焓而造成的损失。 进入锅炉时空气温度为环境温度 排烟温度110 180,第四章：锅炉热平衡,Q3 化学不完全热损失 由于CO、H2 、 CH4等可燃气体未燃烧就直接排入大气引起的热损失。,第四章：锅炉热平衡,Q4 机械不完全燃烧热损失 电站炉主要包括飞灰、灰渣未完全燃烧引起的热损失,第四章：锅炉热平衡,Q5锅炉的散热损失 锅炉炉墙、锅筒、集箱、汽水管道、烟风管道等部件的温度高于周围大气而
8、向四周环境所散失的热量。,第四章：锅炉热平衡,Q6 锅炉灰渣的物理热损失 灰渣排除炉外时带走的热量。 对液态排渣炉、沸腾炉此热损失较大。,第四章：锅炉热平衡,锅炉热效率测定 正平衡法：直接测量锅炉的有效利用热及送入锅炉的热量按下式计算： Q1/Qr 100 反平衡法：测定锅炉的各项热损失及送入锅炉的热量按下式计算： 100（ Q2 + Q3 + Q4+ Q5 + Q6 ）/Qr 100,第五章：水蒸汽,1、定压加热下水的发生过程 （1）三个阶段：液体加热阶段、汽化阶段、过热阶段。 （2）五种状态：未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽。,第五章：水蒸汽,2、压力比容图,P,3,3,
9、2,2,1,1,V,c,第五章：水蒸汽,3、温度熵图,第五章：水蒸汽,4、临界点c： 压力:22.115MPa 温度：374.12 焓：2095.2 KJ/Kg 熵：4.4237 KJ/(Kg K ) 比容：0.003147 m3/Kg,第五章：水蒸汽,5、水蒸汽图表： 温度、压力、焓、熵、比容之间的关系图标。 （ 1 ）已知任意状态下的二个独立参数，查出其余参数。 （2）分析和计算水、蒸汽、水蒸汽的热力过程。 （3）饱和状态下可压力、温度互查。,第六章：蒸汽动力循环,蒸汽动力循环主要包括四个过程： 加压过程水泵来完成 吸热过程锅炉来完成 做功过程汽轮机来完成 放热过程冷凝器来完成,第六章：蒸
10、汽动力循环,1、蒸汽卡诺循环,第六章：蒸汽动力循环,（1）效率并非最高，温度上线374。 （2）汽机工作条件不利。 （3）压缩过程难于实现。 无法采用!,第六章：蒸汽动力循环,2、朗肯循环,第六章：蒸汽动力循环,朗肯循环温熵图,第六章：蒸汽动力循环,朗肯循环的效率 Q燃料 Q冷凝 W 汽机 W 泵 （W 汽机 W 泵） / Q燃料 （1T平均放热/ T平均吸热） 100 （可逆循环）,第六章：蒸汽动力循环,朗肯循环 在小型发电机组采用朗肯循环，其效率不高。 大中型电站锅炉均是在朗肯循环的基础上改进的。,第六章：蒸汽动力循环,3、蒸汽参数与循环效率的影响 （1）蒸汽初压压力的影响,第六章：蒸汽动
11、力循环,蒸汽参数与循环效率的影响 a、蒸汽初压在9 MP一下时压力的提高循环效率有显著的增加，在9 MP一上时压力的提高循环效率提高甚少，这主要是饱和温度比饱和压力的提高要慢。 B 、 提高蒸汽初压压力汽轮机膨胀终了乏汽干度降低，蒸汽含水率高危机汽轮机的安全。,第六章：蒸汽动力循环,（2）蒸汽初温温度的影响,第六章：蒸汽动力循环,蒸汽初温温度的影响 A.提高蒸汽初温温度循环效率提高 B.提高蒸汽初温温度汽轮机膨胀终了乏汽干度提高，蒸汽含水率降低，对汽轮机的安全有利。 温度提高要求锅炉、汽轮机采用昂贵的金属材料。,第六章：蒸汽动力循环,（3）蒸汽终参数的影响,第六章：蒸汽动力循环,蒸汽终参数的影
12、响 降低背压，降低了放热平均温度，循环效率提高明显。 降低背压，饱和温度也降低，因此其受环境温度的限制。,第六章：蒸汽动力循环,4、 蒸汽再热循环,第六章：蒸汽动力循环,蒸汽再热循环（温熵图）,第六章：蒸汽动力循环,蒸汽再热循环 主要解决乏汽干度，改进汽轮机工作条件。 提高循环的效率23.5%,第六章：蒸汽动力循环,5、蒸汽回热循环（抽汽）,第六章：蒸汽动力循环,蒸汽回热循环（温熵图）,第六章：蒸汽动力循环,提高循环热效率（由于吸热温度提高） 汽机高压端蒸汽流量大，低压端流量小，有利于汽轮机结构的改进。 冷凝器的换热面积减少。,第七章：锅筒及锅炉蒸发受热面,一、锅筒 (1)作用： 汽水分离、提
13、高蒸汽品质、提高锅炉过热器受热面及汽轮机的安全性。 作为循环回路的闭合件将锅炉各部分的受热面如：水冷壁、省煤器、过热器、对流管束连接起来。 内部装有汽水分离器。,第七章：锅筒及锅炉蒸发受热面,(2)、锅筒结构要求： 适当的尺寸，使其具有足够的蒸汽容积和水容积。 正确选择汽水分离系统及锅筒内部装置，使其满足蒸汽品质，及水循环可靠性要求。 合理布置锅筒内各种管道，如给水引入管、饱和蒸汽引出管、汽水混合物引入管、下降管、排污管、及加药管等。,第七章：锅筒及锅炉蒸发受热面,第七章：锅筒及锅炉蒸发受热面,蒸发受热面主要完成水的蒸发过程 分为炉膛水冷壁、对流管束、凝渣管束。,第七章：锅筒及锅炉蒸发受热面,
14、二、蒸发受热面 （1）炉膛水冷壁 为辐射受热面。 光管水冷壁、膜式水冷壁（鳍片管焊接而成、光管与鳍片焊接而成）,第七章：锅筒及锅炉蒸发受热面,膜式水冷壁,第七章：锅筒及锅炉蒸发受热面,水冷壁作用：蒸发受热面、保护炉墙 膜式水冷壁：良好的炉膛气密封，提高锅炉效率。炉墙不用耐火材料，而用绝缘材料，减少炉墙重量，减少钢架地基成本，便于悬吊。,第七章：锅筒及锅炉蒸发受热面,（2）对流管束 为对流受热面。 中压锅炉由于汽化热所占比例较大仅炉膛水冷壁的吸热量不能满足汽化的需要需布置对流管束。布置在双锅筒的锅炉中。 对流管束一般布置在上下锅筒之间。,第七章：锅筒及锅炉蒸发受热面,对流管束,第七章：锅筒及锅炉
15、蒸发受热面,（3）凝渣管束 主要为对流受热面。 布置在炉膛出口的对流管束。 凝渣管束节距较大，不易结渣，可保护过热受热面不结渣堵灰。,第七章：锅筒及锅炉蒸发受热面,凝渣管束,第八章：锅炉过热器与再热器,（1）过热器 包墙过热器（顶棚、尾部烟道）， 半辐射过热器， 对流过热器。,第八章：锅炉过热器与再热器,包墙过热器（顶棚、水平烟道、尾部烟道）： 结构形式与膜式水冷壁相同（节距梢大）， 大型电站锅炉为了采用悬吊结构和敷管式炉墙，减轻炉墙重量，简化炉墙结构。 饱和蒸汽先流过包墙过热器。,第八章：锅炉过热器与再热器,包墙过热器（尾部烟道）,第八章：锅炉过热器与再热器,半辐射过热器： 大型机组才布置半
16、辐射过热器， 为屏式结构，屏间间距很大。 可吸收炉膛内的高温辐射热，也可吸收炉膛出口处烟气流过时的对流热。辐射热占的比例较大。 一般作为二级过热器（中温过热器）,第八章：锅炉过热器与再热器,半辐射过热器,第八章：锅炉过热器与再热器,半辐射过热器,第八章：锅炉过热器与再热器,对流过热器/再热器 ： 吸收对流热。 结构形式为蛇形管束。 中小型电站锅炉作为低温过热器/低温再热器或高温过热器/高温再热器布置在水平烟道，垂直布置，有顺流/逆流布置。 大型电站锅炉作为低温过热器/低温再热器布置在尾部烟道，水平布置为主，逆流布置；作为高温过热器/高温再热器布置在水平烟道，垂直布置，有顺流/逆流布置。,第八章
17、：锅炉过热器与再热器,低温过热器（尾部烟道）,第八章：锅炉过热器与再热器,低温过热器（尾部烟道）,第八章：锅炉过热器与再热器,高温过热器 （垂直布置）,第九章：省煤器,降低排烟温度、提高锅炉效率 主要结构： 铸铁式省煤器、钢管式省煤器（蛇行管结构），电站锅炉一般采用钢管式省煤器，有时为了提高传热效率采用鳍片管。 省煤器布置在锅炉尾部，水平逆流布置。,第九章：省煤器,钢管式省煤器,第十章：空气预热器,（1）作用： 利用锅炉尾部烟气加热燃烧用空气。 降低排烟温度，提高锅炉效率。 改善燃料着火和燃烧过程，强化炉膛辐射换热。,第十章：空气预热器,（2）主要结构： A、管式空气预热器（间壁式）： 直接布
18、置在尾部烟道中（省煤器后），有时布置二级，与省煤器混合布置。 用于中小型锅炉。 B、回转式空气预热器（再生式）： 烟气和空气交替地进行放热和吸热。 一般一级布置在炉外，有垂直和水平布置二种型式，垂直布置中有受热面旋转和风罩旋转二种。,第十一章：锅炉水循环,1、自然循环锅炉（单锅筒）循环回路汽水流程： 锅筒下降管下集箱水冷壁上集箱锅筒 2、水循环动力： 汽水混合物与水的密度差产生。 3、水循环阻力： 水循环回路流动阻力、循环回路结构变化而产生的局部阻力。,第十一章：锅炉水循环,4、影响因素： 热负荷均匀性、工作压力、结构不连续、运行工况。 5、水循环故障： 停滞、倒流、自由水面。 6、对策：循环
19、泵、节流装置等,第十二章：锅炉汽水流程,1、过热系统汽水流程： （1）自然循环锅炉 省煤器锅筒下降管水冷壁锅筒包墙过热器低温过热器过热减温器中温过热器过热减温器高温过热器。 （2）直流锅炉 省煤器水冷壁外置汽水分离器包墙过热器低温过热器过热减温器中温过热器过热减温器高温过热器。,第十二章：锅炉汽水流程,2、再热系统汽水流程： 低温再热器再热减温器高温再热器。,第十三章：减温器,减温器的作用： 蒸汽温度调节、保持温度恒定。 从结构上分为：喷水减温器、面式减温器。,第十三章：减温器,喷水减温器 调节速度快、水质要求高。 面式减温器 调节速度慢、水质要求较喷水减温器低。,第十四章：典型锅炉实例,其,