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－1－第4章过热器与再热器4.1过热器与再热器的结构型式过热器的作用是将蒸汽从饱和温度加热到额定的过热温度。在锅炉负荷或其它工况变动时，应保证过热温度的波动处在允许的范围之内。在现代电站锅炉中，蒸汽过热器是锅炉的一个必备的重要部件，在很大程度上影响着锅炉的经济性和运行安全性。在工业锅炉中，一般采用饱和蒸汽，常把过热器看作为辅助受热面，过热汽温不超过400℃，通常布置在对流管束中间的烟温小于700～800℃的区域中，工作是可靠的。在电站锅炉中，提高过热蒸汽的参数是提高火力发电站热经济性的重要途径。过热蒸汽参数的提高受到金属材料的限制。过热器的设计必须确保受热面管子的外壁温度低于钢材的抗氧化允许温度并保证其机械强度。随着锅炉用金属材料的发展，我国电站锅炉已普遍采用了高压高温（9.8MPa，540℃）和超高压参数（13.7MPa，540和555℃），并已发展亚临界压力参数（16.7MPa，540和555℃），国外已有不少锅炉采用超临界压力（24.5MPa，540～570℃）参数，也有个别机组采用更高的压力和温度参数。随着蒸汽压力的提高，为了减少汽轮机尾部的蒸汽湿度以及进一步提高电站的热经济性，在高参数电站中普通采用中间再热系统，即将汽轮机高压缸的排汽再回到锅炉中加热到高温，然后再送到汽轮机的中压缸及低压缸中膨胀作功。这个再加热的部件称为再热器。通常把高压过热器中加热的蒸汽称为（一次）过热蒸汽，再热器中加热的蒸汽称为再热蒸汽（二次过热蒸汽）。再热蒸汽的参数与热力循环的经济性有关。一般，再热蒸汽的压力大致为过热蒸汽压力的五分之一左右，温度与一次过热汽温相近。例如我国125MW，400t/h锅炉中，过热蒸汽的参数为13.7MPa，555℃；再热蒸汽的进出口压力为2.5／2.35MPa，温度也为555℃。200MW，670t/h锅炉中，过热蒸汽的参数为13.7MPa，540℃；再热蒸汽进出口压力为2.7／2.5MPa，温度也为540℃。300MW，600MW亚临界压力控制循环锅炉，过热蒸汽参数为18.27MPa，540℃；再热蒸汽进出口压力为3.83/3.63MPa，温度也为540℃。应用蒸汽再热系统可使电站的热经济性提高约（4～5）％，我国125MW以上机组都采用一次中间再热系统，国外有些更高参数－2－的机组有的采用二次中间再热系统。在现代锅炉中，过热器和再热器的吸热量将占工质总吸热量的50％以上，因此，过热器和再热器受热面在锅炉总受热面中占了很大的比例，必须布置在更高的烟温区域，其工作条件是锅炉受热面中最为恶劣的，受热面管壁温度接近于钢材的极限允许温度，因此过热器和再热器受热面的合理布置和设计对整台锅炉的经济性和可靠性有很大的影响。在设计时，应在保证过热器和再热器安全可靠工作的基础上力求节省金属，特别是节省合金钢材的消耗量。按照传热方式，过热器可分为对流、辐射及半辐射三种型式。现代大型电站锅炉均采用复杂的辐射－对流多级布置的过热器系统，过热器管则根据管内工质温度和热负荷大小分别采用不同的材质和壁厚。再热器实际上是一种中压过热器，其工作原理与过热器是相同的，但是由于中压蒸汽的放热系数较低，比热较小，其管壁温度更为严重，因此，再热器通常仅采用对流式，而且布置在烟温稍低的区域。1.对流过热器对流过热器布置在锅炉的对流烟道中，主要依靠对流传热从烟气中吸收热量。在中小型锅炉中，一般采用纯对流式过热器；在大型锅炉中，采用复杂的过热器系统，然而对流过热器仍是其中主要的部分。对流过热器有垂直布置和水平布置的两种型式。工业锅炉中过热器的型式如图2-15所示。垂直式过热器用于立式水管锅炉，水平式过热器用于卧式水管锅炉。图2-15工业锅炉过热器型式a)垂直式b)水平式图2-16中压130t/h锅炉垂直式对流过热器简图1-锅筒2，3-对流过热器4-中间集箱5-面式减温器6-过热器出口集箱7-交叉管－3－在电站锅炉中，垂直式过热器（多用于П型）通常布置在炉膛出口的水平烟道中，图2-16所示为一中压130t/h锅炉的过热器简图。其优点是结构简单，吊挂方便，结灰渣较少，得到了广泛的应用。其主要缺点是停炉后管内积水难以排除，长期停炉将引起管子腐蚀。在升炉时，由于管内积存部分水，在工质流量不大时，可能形成气塞而将管子烧坏，因此在升炉时应控制过热器的热负荷，在空气没有完全排除以前，热负荷不应过大。布置在尾部竖井中的对流过热器以及塔式和箱式锅炉的过热器采用水平布置方式。水平式过热器的优点是易于疏水排气，但支吊比较困难，在高温烟区通常采用管子吊挂的方式，以节省高合金钢的耗量。对流过热器由大量平行并列的蛇形管所组成,其进出口与集箱相连,蛇形管外径通常采用φ32,φ38,φ42mm的无缝钢管，壁厚3～7mm，由强度计算确定。过热器所用的材料取决于工作温度。过热蒸汽温度低于425℃的小容量锅炉，过热器管可全部采用碳素钢管；对于450℃的中压锅炉，通常低温段采用碳素钢管，高温段采用低合金钢管；对于高压锅炉的过热器通常采用优质合金钢管。但是对于奥氏体高合金钢，则由于其冶炼复杂，价格昂贵，应尽可能不用或少用。过热器的布置按蒸汽与烟气的流动方向可分为顺流、逆流、双逆流或混流布置，如图2-17所示。逆流布置的温压最大，但工作条件最差，顺流布置的温压最小，耗用金属最多。—般在低烟温区采用逆流，在高烟温区采用混流布置。图2-17过热器中蒸汽与烟气流动方向布置图a)顺流b)逆流c)双逆流d)混流图2-18过热器管圈型式a)单管圈b)双管圈c)三管圈－4－为保证过热器中工质流速，过热器蛇形管可以布置成单管圈或多管圈，如图2-18所示。这样就可以在烟道截面不变的条件下，使蒸汽通道截面增加一倍或几倍，亦即在烟气流速不变的条件下，可使蒸汽流速降低一半或更多。在现代大型锅炉中，常采用多管圈的型式。相反，在小型锅炉中，由于烟道宽度相对过大，为提高蒸汽流速，可在集箱内装置隔板，将过热器受热面沿烟道宽度方向分成几组，串连成二段或三段，如图2-19所示。过热器受热面一般总是布置在烟气温度较高的区域。为减轻灰渣的粘接，为吹灰的方便以及支吊的简便，多采用顺列布置，其横向节距s1/d＝2.0～3.5，纵向节距取决于管子的弯曲半径及管圈的结构。如过热器入口烟温较高，为防止过热器结渣，常把过热器前几排拉稀，亦即把管束中的一排拉成二排而成为错列布置，如图2-20所示，这样可使管束前几排的横向节距增加一倍。为了防止在管子间形成渣桥而堵塞烟道，拉稀管束的节距与管径之比应为：横向节距与管径之比s1/d≥4.5，纵向节距与管束之比s2/d≥3.5。2.半辐射屏式过热器在现代高参数大容量锅炉中，蒸汽过热所需的吸热量增大，必然地把过热器布置在更高的烟温区域，以减少过热器的金属消耗量，但对于燃烧固体燃料的锅炉，对流过热器前的烟气温度受到结渣条件的限制，不能过于提高，因此，在炉膛出口处进入对流烟道之前布置几排稀疏的管屏，既吸收烟气流过时的对流热，又吸收炉膛中的辐射热及屏间烟气的气空辐射热，称为半辐射屏式过热器，应用得非常普遍。其主要优点为：（1）利用屏式受热面吸收一部分炉膛和高温烟气的热量，能有效地降低进入对流受热面的烟气温度，防止密集对流受热面的结渣，并且减轻了大型锅炉炉膛壁面积相图2-19过热器受热面沿烟道宽度串联布置简图图2-20对流过热器前排管束的拉稀结构－5－对较小，不能布置辐射受热面的困难，因而扩大了煤种的适用范围。（2）装置屏式过热器后，使过热器受热画布置在更高的烟温区域，因而减少了过热器受热面的金属消耗量。（3）由于屏式过热器吸收炉膛辐射热，以及由于它布置在更高的烟温区域，并且有较大的气体辐射层厚度，气室辐射热量增加，使过热器辐射吸热的比例增大，改善了过热汽温的调节特性。实践证明，屏式过热器能在1000～1300℃烟温区域可靠地工作，并具有稳定的汽温特性。屏式过热器的结构见图2-21。其管屏由外径为32～42mm的无缝钢管组成，屏与屏间的节距s1＝500～900mm，屏中管数由蒸汽流速确定一般为15～30根，各根管子之间的相对节距s2/d＝1.1～1.25。屏悬挂在炉顶的构架梁上，受热后能自由地向下膨胀。为了增加屏的刚性，保持各屏之间的节距，可将相邻两屏中的任一管子互相夹持在一起，而各屏本身的管子也用管子夹紧，使其中的各根管子不能从屏的平面中凸出。屏式过热器的各种布置见图2-22。其中前屏主要吸收炉膛辐射热，烟气冲刷不好，对流传热所占份额较小，其它各屏则同时吸收辐射热与对流热，为半辐射式。垂直布置与水平布置的优缺点与对流过热器相同，即垂直布置时的结构比较简单，支承方便；而水平布置的优点是在停炉时容易疏水。对于露天或半露天布置的锅炉，也有采用可以疏水的垂直布置的屏。图2-21屏式过热器结构简图1-相邻管屏间的定位扎紧管2-屏本身的扎紧管图2-22屏式过热器的布置a)后屏b)大屏c)半大屏d)前屏e)能疏水的屏f)水平布置的屏－6－屏式过热器受炉膛火焰直接辐射，热负荷比较高，而屏中各管圈的结构和受热条件的差别又较大，因而屏式过热器的热偏差较大，特别是外围管子，直接受到炉膛的高温辐射，工质行程又最长，因而流阻大，流量小，其工质焓增常比平均焓增大40～60％，容易超温烧坏。为了平衡各管圈的吸热偏差防止外圈管子超温，有许多改进的结构，见图2-23。如将每片屏的外圈管子采用较短的长度或用较大的管径，或将外圈管子交换到内圈里去等，也可将外圈管子采用更好的材料以提高其工作可靠性。3.辐射过热器（墙式过热器）布置在炉膛壁面上的过热器直接吸收炉膛辐射热，称为辐射过热器，或称墙式过热器。在高参数大容量锅炉中，尤其是在有再热器的锅炉中，蒸汽过热及再热的吸热量占的比例很大，而蒸发吸热所占的比例减少，因此，为了在炉膛中布置足够的受热面，就需要布置辐射过热器。在大型锅炉中，布置辐射过热器对改善汽温调节特性和节省金属消耗是有利的，在国外已有一定的发展，特别是美国福斯特惠勒公司应用甚广。但是由于炉膛热负荷很高，辐射过热器管子的工作条件较差，因此对其安全性应特别注意，尤其在启动和低负荷运行时，问题更为突出。图2-23屏式过热器防止外圈管子超温的改进措施a)外圈两圈管子截短b)外圈一圈管子短路c)内外圈管子交叉d)外圈管子短路，内外管屏交叉－7－辐射过热器的布置方式很多，在自然循环锅炉中，通常是垂直地布置在炉膛壁面上，这样与水冷壁的配合比较方便。辐射过热器的管子可以布置在炉膛四壁的任一面墙上；它可以仅布置在炉膛上部，也可以沿炉膛全高度布置；它可以集中布置在某一区域，也可以与水冷壁管子间隔排列。把辐射过热器管子仅布置于炉膛上部的优点是可以使管子避开热负荷最大的火焰中心，但是这种布置使水冷壁的高度降低，对水循环的安全性不利。如沿炉膛全高布置，则处于火焰中心区的过热器管子的工作条件很差，在设计时应加以特别注意。根据已有的运行经验，在正常工作条件下，辐射过热器中最大的管壁温度可能比管内工质温度高出约100～120℃，因此辐射过热器常作为过热器的低温段，在采用15CrMo钢作为管子材料时，其出口工质温度不宜超过400℃，在用12Cr1MoV钢时，不宜超过450℃，并应采用较高的质量流速。为了提高辐射过热器管内的工质流速，必须减少并联管子的数目，因此常把过热器管分组，增加过热蒸汽的流动次数，如图2-24所示。这样还可使同一管组的宽度较窄，减轻炉膛热负荷分布不均匀的影响。已有的运行经验表明，在正常工作条件下，辐射过热器的工作是安全可靠的，重要的问题是如何保证启动时管子的冷却。因为在此期间，炉膛热负荷已很高，而管内工质流量很小，因此容易将管子烧坏。在启动时，辐射过热器的冷却方式有以下三种：（1）用水冷却。由于此种冷却方式的系统和操作均较复杂，也不能保证工作的可靠性，因此已不大采用。（2）用外来蒸汽冷却。采用这种冷却方式虽然比较简单，但必须有其图2-24辐射过热器连接系统简图a)单流系统b)双流系统c)对称布置的双流系统1-进口集箱2-中间集箱3-出口集箱4-过热器管图2-2664kg/s(230t/h)高压锅炉过热器布置－8－它锅炉供汽。对于大容量锅炉，消耗的蒸