锅炉设备及运行

-1-第二篇锅炉设备及运行第一章锅炉的结构第一节锅炉的结构循环流化床锅炉的结构及布置循环流化床锅炉的组成大致可分为两个部分。第一部分由炉膛(流化床燃烧室)、气固体分离设备(分离器)、固体物料再循环设备(返料装置)等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为尾部对流烟道，它布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等。燃料和脱硫剂由炉膛下部进入锅炉，燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入，燃料的燃烧主要在炉膛中完成。炉膛四周布置有水冷壁，用于吸收燃烧所产生的部分热量。由气流带出炉膛的固体物料在分离器内被分离和收集，通过返料装置送入炉膛，烟气则进入尾部烟道。循环流化床锅炉燃烧系统如图2-1-1所示。1.炉膛-2-炉膛燃烧以二次风入口为界分为两个区，二次风入口以下为大粒子还原气氛燃烧区，以上为小粒子氧化气氛燃烧区。燃料的燃烧、炉内脱硫、氮氧化物的生成及分解过程主要在燃烧室内完成。燃烧室内布置有受热面，它完成大约50%燃料释热量的传递过程。流化床锅炉燃烧室既是一个燃烧设备，也是一个热交换器，它集流化、燃烧传热与脱硫、脱硝反应于一体。2.分离器循环流化床锅炉分离器是循环流化床锅炉燃烧系统的关键部件之一，它的形式决定了燃烧系统和锅炉整体布置的形式和紧凑性，它的性能对燃烧室的空气动力特性、传热特性、物料循环、燃烧效率、锅炉出力、负荷调节能力、锅炉启动时间等均有重要影响。3.返料装置返料器的作用是将分离器分离下来的高温灰，从分离器下部的低压侧(负压侧)输送到燃烧室下部的高压侧(正压侧)，锅炉返料装置常见的有U型阀和J型阀，它是循环流化床锅炉的重要部件之一。它的正常运行对燃烧过程的可控性，锅炉负荷的调节性能起决定性的作用，它的主要功能是将分离器分离后，收集下来的物料返回流化床上循环燃烧;并保证流化床内的高温烟气，不经过返料装置短路流入分离器。它既是一个物料回送器，也是一个锁气器，如果两个作用失控，物料循环过程就建-3-立不起来，使得锅炉燃烧效率大为降低，燃烧工况变差。第二节汽水系统一、汽水系统的构成和各部件的作用合格的给水进入锅炉后，在特定的受热面中不断吸收燃料燃烧所放出的热量而被加热到所处压力下的饱和温度时，称为饱和水。继续吸收热量，使之蒸发为饱和蒸汽。在变成饱和蒸汽的过程中，如果水在一个流程中全部变成汽而再无剩余则称此炉为直流锅炉，如果在一个流程中，水只有一部分变成汽，而其余的水与新加入的水一起再重复过去的流程进行蒸发的锅炉，我们称为循环锅炉。循环锅炉又因循环动力不同可分为强制循环锅炉和自然循环锅炉两种。汽水系统由汽包、水冷壁、下降管、联箱、给水管道阀门构成。(一)汽包1.汽包的作用(1)汽包与省煤器、过热器、水冷壁、下降管直接连接相通，既是一个平衡容器，来保持水冷壁中汽水混合物流动时所需的压头;同时也是加热、蒸发、过热三个过程的中心枢纽。-4-(2)由于汽包本身质量很大，内部又蓄有很多汽水，因而它蓄有很多的热量。当锅炉工况变化时，它能起缓冲、稳定、调节的作用。(3)汽包可以把给水中的杂质浓缩，沉淀后给予排出，保证炉水的品质符合一定要求。(4)由于汽包容积大，可利用自然分离或在汽包内装设专门的设备来净化蒸汽，保证饱和蒸汽具有合格的品质，不使过热器及汽轮机受到损害。2.汽包的结构汽包是一个汇集炉水和饱和蒸汽的圆筒形容器，能起储存水汽的作用，以适应负荷的骤然变化.在汽包内部还包括着许多复杂的装置，如给水、加药、排污、分段蒸发和蒸汽净化装置等。此外，汽包上还装有压力表，水位计和安全门等附件。汽包的两端盖叫做封头，一般用钢板冲压制成，焊在汽包筒体上。封头为了保证有足够的强度，常做成弧形过渡部分的结构，或采用半球形的结构。半球形封头上的应力分布很均匀，.只要厚度不小于筒体的厚度，强度就是足够的。为了便于进入汽包进行设备的安装和检修工作，在汽包一端或两端的封头上开有人孔。人孔一般为椭圆形，常用尺寸为420mmX325mm，最小尺寸为400mmX300mm。人孔上的孔盖俗称倒门，是用拉力螺丝由里向外拉紧的。人孔所以做成椭圆形是为了使人孔盖得以放入汽包。运行中汽包内的压力可进一步将孔盖压紧。为保证严密，在人孔盖和汽包的接合面应补有石棉纸和紫铜垫片。-5-现代锅炉的汽包都装在烟道外面而不与烟气接触，下降管也布置在炉墙外而且加绝热层。在运行中汽包由于温度不均或膨胀受阻，会产生巨大的应力，以致发生变形，导致事故。为了测知汽包的变形情况，在汽包上装设膨胀指示器。汽包壁温上下最大相差不应超过40℃，以免金属内产生很大的弯曲应力，造成汽包弯曲。在锅炉启动时，必须控制适当的升压速度，以防汽包受热不均而产生过大的热应力。3.汽包内部装置(1)给水装置。给水由省煤器进入汽包时须注意以下问题:消除给水的动能，防止水位波动，以免产生蒸汽大量带水等不良现象。为了改善蒸汽品质，高压锅炉中常采取用给水清洗蒸汽的措施。给水进入汽包后通过清洗装置也可以消除自身动能，减少冲击作用，而均匀地流入容水空间。防止给水直接与汽包壁接触，以免产生过大的温差应力。省煤器出水温度可能低于汽包内部的温度(饱和温度)，在省煤器引出管与汽包的连接处就可能产生局部的温差应力。当运行中温度波动时，应力也跟着变化，会导致金属疲劳，甚至使焊口发生放射性的裂缝。为此，通常在给水进入汽包处加装保护套管，使汽包壁管孔的金属不与进水管直接接触，而在其间夹着一层蒸汽作为过渡介质。(2)加药装置。锅炉受热面如果结了水垢，不但会恶化传热，降低效率，还会因金属过热而导致烧穿爆破等恶性事故。-6-为了防止产生水垢，要求供给品质合格的给水。但因锅炉内水蒸发得很快，如果补充水质稍差或者汽轮机的凝结器稍有泄漏，都可能造成结垢。作为预防性的措施，广泛采用向汽包中加入特种药剂的锅内处理法防止受热面结垢。常用的药剂是磷酸三钠，它能使炉水的钙离子与磷酸根化合，在炉水保持一定碱度的情况下，这种化合物能形成难溶而不易粘附在受热面上的水渣，很易随排污管排出，从而防止水垢的生成。(3)排污装置。锅炉排污分定期排污和连续排污两种。由于锅炉给水常有微量的盐分，以及炉水腐蚀锅炉表层产生一定的腐蚀产物。又因炉水不断蒸发、浓缩，结果是炉水中可溶性的含盐浓度不断增加，不溶解的水渣也越来越多，以致影响蒸汽品质和运行安全，因此必须把一部分炉水排掉以便带走部分盐分和水渣，使炉水质量符合标准。定期排污的主要任务是排出沉积在锅炉内的水渣，所以定期排污点应选在水渣浓度最大的部位，即锅炉的最低部位。定期排污量的多少，主要取决于给水质量，一般每隔24h进行一次。连续排污的主要作用是排出炉水中的可溶性盐分，使炉水的含盐量和其他控制指标维持在规定范围内。所以，连续排污应从含盐量最大的部位引出。连续排污也可排出一些细粒水渣，但粗粒水渣沉积下部还要通过定期排污管排除。4.汽包在运行中的特点由于汽包体积大，壁又厚，因此在遇到温度发生变化(例如上水过程、点火升压过程、停炉冷却过程)时，汽包的各部分就会出现温度不均衡，因而产生内应力。这个因为温度不均产生的应力常常是很大的，如不注意超过一定-7-范围时，就会对汽包造成破坏，后果是难以设想的。汽包的上下壁温、内外壁温、膨胀情况都是十分必要的监视项目。这些监视都是为了防止汽包产生过大的温度应力。还有汽包的保温一定要完善，如果有损坏的地方一定要及时修复补好，特别是靠炉顶侧，如果保温脱落而直接受热，一定得立即停炉检修。这方面有关规程有详细的介绍规定，运行中注意认真执行。(二)水冷壁燃料以煤粉或流化床方式燃烧，燃烧室内温度可高达1500℃以上，需要对炉墙室采用可靠的保护措施，并为防止燃烧室结渣，要求加强燃烧室内的冷却作用，使出口烟温降至灰熔点以下50-100℃或更多。所以在燃烧室内出现了水冷壁的布置，即在炉墙的一部分或全部表面上敷设水管，以吸收热量，降低炉墙表面温度和燃烧室出口的烟气温度。除这些防护作用外，从传热的观点来看，水冷壁是锅炉最好的受热面，水冷壁处于燃烧室的高温辐射传热区，传热主要依靠高效率的辐射作用。对于不宜着火的燃料，要使燃料迅速着火和稳定燃烧，或在旋风燃烧室及排渣燃烧室中，为了获得较高的温度，常常需要把一部分水冷壁遮盖起来，以减少该部位的吸热量，这些被遮盖的表面常称为燃烧带或卫热带。(三)下降管在自然循环锅炉中，都设有下降管，而且在直流锅炉中，根据水冷壁的布置，也有采用下降管的。通常下降管都是布置在炉墙外面。下降管不仅不应受到火焰和热烟气的冲刷，同时还要严密保温，不让有较多的热量散失而去。-8-下降管的作用主要是将汽包内的水送入下联箱，供给上升管的需要。下降管的结构、管子截面的大小和降水的情况等，直接影响到锅炉运行的安全可靠性。下降管的形状应简单，不应采用不同直径的管段对接组成，不宜用中间联箱，不允许有水平管段与锐角弯头。下降管从汽包下部最低位置引出，为使流动通畅，在入口处最好做成带有圆角或锥形的平滑线型，而且在下降管的进口处应装设十字板或栅格等装置，或采用喇叭口管作为引流管。这样做的目的是为了防十在下降管入口处产生旋涡漏斗，将蒸汽带入下降管，破坏水循环的安全。每个循环回路的下降管数目应尽可能少，但为了给水分配均匀和防止偶然堵塞，最好每一个水冷壁回路中的下降管不少于两根(如果是集中大下降管则指的是大下降管到各水冷壁回路的供水管数目)。下降管接入下联箱时，应尽可能使它与上升管之间有一接近90°的夹角，必须避免它们的轴线相重合。(四)联箱汽包式锅炉和直流锅炉中，水冷壁管均用一些大圆管连起来，分成若干组，该大圆管习惯上称为联箱。其主要作用是将工质分配到水冷壁管中(下联箱)或将水冷壁管中的工质汇集起来，加以混合再分配出去(上联箱或中间联箱等)。联箱的长度由所连接的管排来决定，联箱的内径由其中的工质流速要求来决定。其壁厚是由工作压力、内径大小、使用的材质来决定的。在水冷壁的下联箱通常装设有定期排污装置、膨胀指示装置、点火通汽预热装置等。-9-二、水循环的机理与类型锅炉中水的循环与蒸发是同时进行、不可分割的复杂过程。水在锅炉中的循环方式可分为自然循环和强制循环两大类。强制循环是借助循环泵的压力来实现循环的;自然循环则是无其他动力设备的，仅靠自身重度差产生的压头来实现循环的。由于汽水重度筹是随着压力的升高而琢渐减小的，因此压力等级不同的锅炉，水循环的特性也有差异。高参数锅炉与中、低参数的锅炉相比，水循环的困难大，安全难保证，这就需要从设计制造到运行采取一系列的措施，来保证其工作的可靠性。(一)自然循环1.自然循环的原理水和汽水混合物在锅炉蒸发受热面的回路中不断流动，叫做锅炉的水循环。在锅炉的循环回路中，汽水混合物比水轻，利用这种重度差而造成的水和汽水混合物的循环流动称为锅炉的自然循环。图2-1-17是锅炉水循环的示意图。图中的循环回路由汽包、下降管和上升管(即水冷壁)组成，形成一个联通器。当上升管内汽水混合物的重度较不受热的下降管内水的重度为小，就产生了一个流动压头，促使管内介质活动。这时上升管中的汽水混合物上升进入汽包，-10-蒸汽从汽包上部的出口管排出;汽包内的炉水经下降管向下流入下联箱，补充上升管内向上流出的水量，从而维持循环流量。如果下降管也受热，可能在管中产生蒸汽，蒸汽泡有向上流动的趋向，产生的浮力对流动压头起着抵消作用;当下降管内蒸汽发生量很大时，会破坏水循环。所以，锅炉的下降管一般是不受热的。造成循环流动的动力是下降管与上升管内介质重度差形成的流动压头。当回路高度为一定时，流动压头决定于水和汽水混合物的重度差。锅炉压力越高水汽重度愈接近，流动压头就要降低。当上升管内含汽率增高时，汽水混合物的重度降低，可使流动压头增加。当锅炉蒸汽负荷升高，燃烧室热负荷增加时，上升管吸热量增多，使管内蒸汽含量增加，这时流动压头增加，循环回路工作就越加稳定。流动压头能造成多大的水循环流速，取决于循环回路的阻力特性。在均衡流动时，流动压头与循环回路的总阻力平衡，而总阻力就等于上升管阻力与下降管阻力之和。循环回路的阻力越小，产生的循环流速越高，循环回路的工作越可靠，在设计中要尽量减少下降管的阻力，以增加上升管内的流速，使上升管的管