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锅炉运行讲座蔡军林一、锅炉基本概念锅炉是将燃料产生的热能用来加热工质，使之达到一定参数的设备。锅炉最广泛的用途是将净化的水加热转变为蒸汽，故在英文资料中也称为蒸汽发生装置。在火力发电厂中，锅炉产生高温高压蒸汽，推动汽轮机、带动发电机发出电能，实现将一次能源转化为二次能源的能量转化过程。所以，锅炉、汽轮机、发电机是火力发电厂的三大主要设备。锅炉设备包括锅炉本体和辅助设备两个部分。锅炉本体由“锅”和“炉”两大部分组成。“锅”就是锅炉的汽水系统管子，由省煤器、汽包下降管、水冷壁、过热器和再热器等设备组成；“炉”就是锅炉的燃烧系统和构架，由炉膛、风道、烟道、燃烧器和锅炉钢架等组成。锅炉辅助设备是指锅炉本体以外但必不可少的设备，包括输煤、制粉、通风、排烟、给水、除尘、除灰、热工仪器仪表和水处理设备等。2、锅炉分类锅炉按用途可分为电站锅炉、工业锅炉、船用锅炉和生活锅炉等；按燃料可分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉和垃圾锅炉等；按容量可分为大型锅炉、中型锅炉、小型锅炉等；按蒸汽压力可分为低压锅炉（p≤2.45Mpa）、中压锅炉（p=2.94~4.90Mpa）、高压锅炉（p=7.84~10.8Mpa）、超高压锅炉（p=11.8~14.7Mpa）、亚临界锅炉（p=15.7~19.6Mpa）、超临界锅炉（p＞22.12Mpa）、超超临界锅炉（p＞30Mpa）；按排渣方式可分为固态排渣锅炉和液态排渣锅炉。3、锅炉参数和加热过程锅炉参数是指锅炉的容量、锅炉出口蒸汽压力、蒸汽温度和进口给水温度。锅炉的容量用额定蒸发量来表示，是指锅炉在额定的出口蒸汽参数和进口给水温度以及在保证效率的条件下，连续运行时所必须保证的蒸发量，其单位为t/h。锅炉出口蒸汽压力和温度是指锅炉主蒸汽阀出口处（或过热器出口集箱）的过热蒸汽压力和温度。进口给水温度是指省煤器进口集箱处的给水温度。锅炉给水转变为过热蒸汽的汽化过程要经过预热、汽化、过热三个阶段。为了提高蒸汽动力循环的效率，现代电站锅炉水的汽化，还有第四个阶段——再热阶段，这就是：锅炉产生的过热蒸汽送到汽轮机高压缸膨胀做功后，蒸汽的压力和温度都降低了，再将这些蒸汽送回到锅炉中加热，即再热，然后又送到汽轮机的中、低压缸去继续做功。二、锅炉本体锅炉本体的布置型式是指锅炉膛与炉膛中的辐射受热面及对流烟道与其中的各种对流受热面之间的相互关系及相对位置。锅炉本体的布置型式既与锅炉的容量、参数有关，又与锅炉所用的燃料性质以及钢材、地皮价格有关。由于具体条件不同，会有许多不同的布置型式。二、锅炉本体(一)锅炉本体布置∏形布置的主要优点是：（1）锅炉的排烟口在下部，因此，转动机械和笨重设备，如送风机，引风机及除尘器都可布置在地面上，可以减轻厂房和锅炉构架的负载。（2）锅炉及厂房的高度较低。（3）在水平烟道中可以采用支吊方式比较简单的悬吊式受热面。（4）在尾部垂直下降烟道中，受热面易布置成逆流传热方式，强化对流传热。（5）下降烟道中，气流向下流动，吹灰容易并有自吹灰作用。（6）尾部受热面检修方便。（7）锅炉本身以及锅炉和汽轮机之间的连接管道都不太长。但这种型式也有缺点，主要有：（1）占地面积大。（2）由于有水平烟道，使锅炉构架复杂，而且不能充分利用其所有空间来布置受热面。（3）由于有水平烟道，烟气在炉内流动要经两次转弯，造成烟气在炉内的速度场、温度场和飞灰浓度场不均匀，影响传热效果，并导致对流受热面局部飞灰磨损严重。（4）由于锅炉高度低，又要求下降烟道与锅炉高度基本相近，因而在大容量锅炉中，在尾部烟道中要布置足够的尾部受热面便有困难，特别是在燃用低发热值的劣质煤时更显得突出。(二)锅炉型式及特点锅炉型式按工质在蒸发受热面中的流动特点，可分为自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉和复合循环锅炉四种。（二）锅炉型式及特点1、自然循环锅炉自然循环锅炉蒸发受热面中的工质是靠水和蒸汽的密度差产生的压头而循环流动的。锅炉的工作压力越高，密度差越小，压头就越小，故高压以上的锅炉在设计布置水冷壁回路时要根据炉内热负荷分布规律适当分成独立回路，以保证循环可靠。自然循环锅炉有以下特点：（1）水冷壁靠自然循环的工质来冷却；（2）锅筒成为蒸发受热面与过热器之间的固定分界点；（3）铜筒有较大的蓄热能力，可允许在给水、燃料和蒸发量之间存在一定的不协调，自动控制要求相对低些；（4）给水带入的盐分要在锅筒中浓缩，以排污的方式除去；（5）由于厚壁锅筒的加热与冷却不易均匀，筒壁温差限制了锅炉的启停速度。（6）汽包锅炉的金属消耗量较大，成本较高。（二）锅炉型式及特点2、强制循环锅炉强制循环锅炉又称控制循环锅炉，它是在自然循环锅炉基础上发展起来的。因此，在结构和运行特性等许多方面都与自然循环锅炉有相似之处。强制循环锅炉也有汽包，其主要差别是：自然循环主要依靠汽水密度差使蒸发受热面内工质自然循环，随着工作压力的提高，水汽密度差减少，自然循环的可靠性降低；但强制循环锅炉，由于主要依靠锅水循环泵使工质在水冷壁中作强迫流动，不受锅炉工作压力的影响，既能增大流动压头，又能控制各个回路中的工质流量。强制循环锅炉虽然比自然循环锅炉只多用了几个锅水循环泵，但用了循环泵，可以给锅炉的结构和运行带来一系列重大的变化。在结构上，蒸发受热面就不一定采用垂直上升的型式；运行上由于在低负荷或启动时可以利用水的强制流动，使各承压部件得到均匀加热，因此可以大大提高启动及升、降负荷时的速度。（二）锅炉型式及特点3、直流锅炉给水靠给水泵压头在受热面中一次通过，产生蒸汽的锅炉称为直流锅炉。直流锅炉的特点是没有汽包，整台锅炉由许多管子并联，然后用集箱串联连结而成。在给水泵压头的作用下，工质一次顺序通过加热、蒸发和过热受热面，进口工质为水，出口工质为过热蒸汽。由于工质的运动是靠给水泵的压头来推动的，所以在直流锅炉中，一切受热面中工质都是强制流动的。（二）锅炉型式及特点4、复合循环锅炉复合循环锅炉是美国燃烧工程公司（CE）在苏尔寿公司的协助下，在亚临界参数强制循环锅炉取得经验的基础上，发明了超临界压力锅炉在低负荷时炉膛水冷壁系统工质进行再循环，而到高负荷时自动切换成直流锅炉这样一种新运行方式的锅炉。复合循环锅炉的优点是：（1）水冷壁质量流速可按循环泵切除时的负荷选取，故可选用较低的数值，以减少流动阻力；（2）启动流量低，启动系统的容量可按循环泵的起始工作点考虑，锅炉的最低负荷也可降到10%额定负荷；（3）水冷壁工况改善，由于工质流量变化小，温度变化小，相应地减小了温度应力，有利于低负荷下运行；（4）由于质量流速可由循环泵容量来保证，可避免采用过小的水冷壁管径；（5）简化了启动旁路系统，便于滑压运行。（三）国产600MW直流锅炉技术特点1、超临界的概念与机组效率水的临界状态点的参数是22.115MPa，374.15℃。在此状态下，水的汽化是在一瞬间完成的，即在临界点时，在饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的二相区存在，二者的参数不再有区别。（随着压力的升高，CP值减小）与同容量亚临界机组相比，采用超临界参数可提高效率2~2.5%，采用超超临界参数（P≥30MPa）可提高效率4~5%。目前，世界上先进的超临界机组效率已达到47~49%。（三）国产600MW直流锅炉技术特点2、超临界机组的运行灵活性和可靠性大容量超临界机组具有良好的启动、运行和调峰性能，能够满足电网负荷的调峰要求，并可在较大的负荷范围（30~90%额定负荷）内变压运行，变负荷率多为5%min。超临界机组运行可靠性指标可达90%以上，不亚于亚临界机组。（三）国产600MW直流锅炉技术特点3、超临界机组投资造价一般认为超临界比亚临界机组造价略高出3~10%。由于电厂运行成本主要取决于燃料成本，因超临界效率高，故一般专家认为，当煤介超过30美元/吨时，就应当采用超临界机组。（三）国产600MW直流锅炉技术特点直流锅炉结构和运行特点：1、无汽包，无固定的水汽分界点，大大降低金属耗量；2、当压力达到临界点时，水汽无密度差，故只能采用直流炉；3、由于直流炉水冷壁管内流动为强制流动，故可采用小直径管；大大减小了水冷壁管的截面积，提高了管内水汽混合物的流速，因此保证了水冷壁管的安全；4、给水的品质要求高，要求凝结水进行100％除盐处理；5、自动控制系统要求高、变工况时，锅炉蓄热小，汽压汽温变化大，因此直流锅炉对燃料量和给水量的控制系统要求高；6、直流锅炉由于没有汽包，启停速度可快些，机组启停时间得以大大缩短。三、燃料及其主要特性(一）煤的元素分析成分煤的元素分析成分包括：碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）。其中碳、氢、硫是可燃的，其余都是不可燃的。这些成分并不是机械的混合物，而且呈复杂化合物存在于煤中。煤中各种成分的性质如下：（1）碳：碳是煤中最主要的可燃元素，也是煤中最基本的成分。地质年代越久远，其含碳量越高。其含量约占40%~85%。每千克碳完全燃烧时可放出32700KJ的热量。碳是煤的发热量的主要来源。煤中一部分碳与氢、氮、硫等结合成挥发性有机化合物，其余部分则呈单质状态，称为固定碳。固定碳要在较高的温度下才能着火燃烧。煤中固定碳的含量愈高，就愈难燃烧。（2）氢：氢是煤中单位发热量最高的元素，含量大多在3%~6%。氢的发热量很高，每公斤氢可放出约120×103KJ的热量(当燃烧产物为水蒸汽时)。但是氢燃烧生成的物质还要吸收一部分热量蒸发为水蒸汽。所以煤中的氢燃料实际放出的热量要比上述数值低。煤中的氢，一部分与氧结合成稳定的化合物，不能燃烧；另一部分则存在于有机物中，在加热时发挥出氢气或各种碳氢化合物。这些挥发性气体较易着火燃烧。（3）氧：氧是煤中的杂质，不能产生热量。由于氧的存在，就使煤中的可燃元素含量相对减少。煤的氧有两部分，一部分是游离氧，它能助燃；另一部分以化合物状态存在，不能燃烧。（4）氮：氮也是煤中的杂质，其含量约占0.5%~1.5%，对锅炉工作影响不大。氮在燃烧时会或多或少地转化为氧化氮（NOx），造成大气污染。（5）硫：煤中硫由有机硫、黄铁矿中的硫和硫酸盐中的硫三部分组成。前两种硫可以燃烧而构成所谓的挥发分或可燃硫SR，后一种不能燃烧而算入灰分之内。每千克硫完全燃烧时可放出热量9040KJ。三、燃料及其主要特性（二）煤的工业分析成分各种元素在煤的燃烧过程中，大都不是单质燃烧，而是可燃元素与其他元素组成复杂的高分子化合物参与燃烧。在煤的着火和燃烧过程中，煤中各种物质的变化是：首先水分被蒸发出来，接着煤中氢、氮、硫及部分碳组成的有机化合物便进行热分解，变成气体挥发出来，这些气体称为挥发分。挥发分析出后，剩下的便是焦炭。焦炭就是固定碳和灰分的组成物。三、燃料及其主要特性1、挥发分的影响挥发分是由各种碳氢化合物、一氧化碳、硫化氢等可燃气体，及少量的氧、二氧化碳和氮等不可燃气体所组成。固体燃料的挥发分含量与燃料的地质年代有密切关系。地质年代越短，即燃料的碳化程度越浅，挥发分含量便越高。这是因为煤中所含各种气体本身就有挥发性，埋藏时间越短，它受大自然干馏挥发得少，所以含量便大。而且不同地质年代燃料开始析出挥发分的温度是不同的。地质年代较短的燃料，不但挥发分含量多，而且在较低温度（200℃）下就迅速析出，例如褐煤。而地质年代长，挥发分含量少的无烟煤则要到400℃左右开始析出挥发分。挥发分含量越多的煤，越容易着火，燃烧也易于完全。这是因为：挥发分是气体可燃物，其着火温度较低，挥发分越多，其着火温度越低，使煤易于着火；挥发分多，相对未来煤中难燃的焦炭便少；大量挥发分析出，着火燃烧可以放出大量热量，造成炉内高温，在助于焦炭的迅速着火和燃烧，因而挥发分多的煤也较易于燃尽；挥发分是从固体燃料内部析出，它析出后使固体燃料具有孔隙性，挥发分越多，燃料颗粒的孔隙性越多，越大，使燃料与空气接触面增大，便于燃烧完全。挥发分对锅炉不投油最低稳燃负荷起着决定性的作用。一般应为：（1）无烟煤锅炉为60~70%额定蒸发量；（2）