直流锅炉的结构特点及其工作原理

1直流锅炉的结构特点及其工作原理1.0引言随着电力行业的发展,大机组、大容量、大电网的电力系统已经逐渐取戴了过去的小机组、小电网的电力生产朝流，而直流锅炉作为现代电力生产的主力设备，承载着为社会节约资源、为电力充分发挥作用的重大责任。因此我们作为一名电厂热工人员就应该全面的去了解直流锅炉的结构特点及其工作原理，为今后的工作打下基础。1.1直流锅炉的结构特点直流锅炉一般是按通常称为蒸发受热面的水冷壁的结构和布置方式的不同来分类的，目前国内外直流锅炉主要分为三个类型，如图1—1所示。1)水平围绕管图型(拉姆辛型)上海锅炉厂生产的220t/h高压直流锅炉和400吨／时超高压直流锅炉都属于水平围绕管圈型直流锅炉。它的水冷壁是内许多根平行并联的管子组成的管圈自下往上盘绕而成，为了稳定流动特性和减少各管的热偏差，在所有管子的入口处装有节流孔板。水平围绕管圈型直流锅炉的水冷壁无下降管及小间联箱，金属消耗量少，疏水排气方便。同时，因管圈四壁围绕，且宽度较狭，能使受热不均匀性减少。只有在锅炉容量增加较大而管圈变宽时．才会造成沿高度方向较大的热偏差。这种形式的直流锅炉，由于各排管子结构不同，难以将水冷壁预先组合。同时，水冷壁管多方向膨胀，因而不能应用简便的敷管式炉墙．采用框架炉墙则金属消耗量增加。此外，为防止水平管子发生汽水分离，采用了较高的重量流速，加上管子又长，因此整体如阻力较大。2)垂直多次上升管屏型(本生型)这种直流锅炉的水冷壁由许多垂直管屏组成，每一管屏都有进出口联箱，各屏间用不受热的下降管联结。垂直多次上升管屏型直流锅炉，管系简单，管屏能以组件出厂。水冷壁采用膜式结构，可应用敷管炉墙。水冷壁垂直向下膨胀，能采用悬吊结构。出于有较多的小间联箱，能起平衡各管因吸热不均而造成的热偏差和平衡产生管间脉动时压力峰的作用，因此这种型式的直流锅炉的水动力特性较其它型式稳定，但可能发生类似自然循环锅炉的停滞利例流现象．应引起足够的注意。这种型式的直流锅炉需炉外下降管，联箱数量也多，所以金届消耗最大。由于各管屏在炉内所处的位置不同，辐射传热的差界引起热偏差较大。此外联箱小双相流体的均匀分配问题也较为重要。3)多弯道垂直升降型或多弯道水平弯曲管带型(苏尔寿型)这种直流锅炉的水冷壁是有许多根平行并列的管子组成管带围绕炉膛连续而成，一般在单相工质区是水平管带，在双相工质区为交直管带。这种型式的直流锅炉不用中间混合联箱和炉外下降管，金属消耗量较少。其缺点处：因无小间联箱，使最后出口热偏差较大。上升下降管带，流水排气不方便，特别是间于它的交叉管子在低负荷时因流速低，可能造成蒸汽停滞现象，使管子过热烧坏。此外，管子的受热膨胀也较复杂。目前这种型式的直流锅炉的应用并不广泛。4)本生型直流锅炉的发展随着生产实践和科学研究工作的深入发展，直流锅炉的型式还在不断地增加和变化。目前，国内外除水平围绕管圈型电流锅炉仍在继续制造和采用外，单纯的垂直多次上升管屏型直流锅炉和多弯道垂直升降型或多弯道水平弯曲管带型直流锅炉的生产和使用已经为数不多了。其中后者弯道升降管如N型、U型和Ⅱ型等多种型式代替。前者发展为一次上升或两次上升管屏型式，国外常称的“UF锅炉”即通用压力锅炉，就是指这种一次或二次上升的管屏型直流锅炉。这种锅炉结构上的主要特点是：采用小管径膜式水冷壁垂直管屏，悬吊结构．燃烧器布置在炉膛四角或前后墙，采用烟气再循环等。1.2直流锅炉的工作原理直流锅炉没有汽包,整个锅炉是由许多管子并联,并用联箱连接而成的.在给水泵压头的作用下,给水顺序一次通过加热、蒸发、过热各个受热面，即工质沿锅炉汽水管道流过，依次完成水加热、汽化和蒸汽过热全过程，最后蒸汽过热到所给定的温度，由于工质的运动是靠给水泵的压头来推动的，所以在直流锅炉的所有受热面中工质都是强制流动的。在高压自然循环汽包锅炉的蒸发受热面中，循环一次大约只有10%左右的水被汽化为蒸汽。但在下流锅炉的蒸发受热面中，由于工质仅一次通过，因此水将一次全部（100%）蒸蒸发完毕，成为于包和蒸汽。所以，按照循环倍率的定义，直流锅炉的循环倍率Ｋ＝１，即在稳定流动时给水量应等于蒸发量。在低度于临界压力的直流锅炉中，工质的状态和参数变化大致如图1－2所示。由于流动阻力，沿受热管子长度工质的焓逐渐降低；由于工质不断吸热，工质的焓逐渐增大、比容在逐渐增大、温度在加热段和过热段也逐渐升高。只有在蒸发段，工质的温度等于该处压力下的饱和温度但由于压力是逐渐降低的，所以和温度在这个区段略有下降。1.3直流锅炉的工作特点在直流锅炉中，由于取消了汽包且工质一次性通过各受热面，因此其工作过程具有如下特点：(1)由于没有汽包，也就是蒸发受热面和过热器之间没有中间分离容器隔断，因此直流锅炉水的加热、蒸发和蒸汽过热的受热面并没有固定的界限。如锅炉吸热和其他条件都不变时，若减小给水量，则只需吸收较少热量就可使水达到沸点，故开始沸腾点前移，即加热水段(省煤器)的长度缩小,蒸发段长度也会缩小.但锅炉受热管的总长度是不变的,所以过热段的长度势必增大时,过热蒸汽温度将下降.(2)由于没有汽包,直流锅炉的水容量及相应的蓄热能力大为降低,一般约为同参数汽包锅炉的1/2～1/4.因此,当负荷发生变化时,直流锅炉压力变化速度也比较快,这就要求直流锅炉具有更灵敏的调节控制技术.(3)由于没有汽包和汽水分离装置,直流锅炉不能连续排污,给水带来入锅炉的盐类除了蒸汽带走一部分外,其余的部分都不能将沉积在锅炉的受热面中.因此,直流锅炉对给水品质的要求很高.1)直流锅炉的蒸发受热面中,工质的流动有时会出现一些如流动不稳定、脉动等问题。这些直流锅炉所特有的流动现象牙塔直接影响到锅炉的安全运行。2)汽包锅炉中由于循环倍率高，蒸发受热面出口的蒸汽含量是很低度的，蒸发受热面管内的换热大多属于泡状沸腾（或称核态沸腾），出现膜态沸腾传热恶化的可能性较小，因而受热面的管壁温度只略高于工质温度。在直流锅炉的蒸发受热面中，给水从开始沸腾一直到完全蒸发，在高热负荷、高含汽率条件下，就必定出现传热恶化而处于膜态沸腾状态，这时受热面的壁温会急剧升高，甚至超温烧坏，工作不安全。因此，防止传热恶化是直流锅炉设计和运行中必须注意的问题。3)在直流锅炉中，蒸发受热面的进口和出口并不像汽包锅炉中那样是汇合在一个压力下，而是存在着压差，其数值为蒸发受热面中工质的流动压降，因此直流锅炉要有较高的给水泵压头。在一般电厂汽包锅炉中汽水侧阻力约为1～2MPa，直流锅炉中则约为3～5MPa。4)启动时自然循环锅炉的蒸发受热面是靠锅炉水的自然循环而得到冷却保护的。在直流锅炉中则应有专门的系统，以便在启动时有足够的水量通过蒸发受热面，保护受热面管壁不致被烧坏。5)在直流锅炉中蒸发受热面不构成循环，无汽水分离问题。因此，当压力增高，汽水密度差减小，以致于超临界压力时，直流锅炉仍能可靠地工作。对汽包锅炉来说，自然循环锅炉的压力不宜超过16MPa。即使是控制循环汽包锅炉也不应超过19MPa。1.4直流锅炉的优点与汽包锅炉相比，直流锅炉具有一系列的优缺点，其主要优点为：(1)适用于任何压力的锅炉直流锅炉原则上适用于任何压力的锅炉，但在超高压以上的锅炉更能显示出其优越性，而且在锅炉压力接近或超过临界压力（22.1MPa）时，由于汽水密度差很小或完全无差别，则不能产生自然循环，只能采用直流锅炉。(2)金属耗量少直流锅炉无沉重的汽包，又不采用或少用下降管，受热面全部由管每根为25～50ＭＭ的管子构成，而且也可采用轻型的构架。所以，与汽包锅炉相比，同容量同参数的直流锅炉一般可节约20%～25%的钢材。压力愈高，节约的金属愈多。(3)制造、安装及运输方便由于直流锅炉没有汽包，给制造、运输和安装带来了极大的方便。如一台配600MW机组的1815t/h自然循环汽包锅炉的汽包长约40m、直径1.9m、壁厚115mm，重约235t。这样大的汽包不仅制造工艺复杂，而且运输和安装都有较困难，汽包分数段出厂，到安装工地后再行焊接。(4)热面可自由布置由于直流锅炉各受热面内工质的流动全部是强制流动，因而蒸发受热面可以较自由布置，不必受自然循环所必须的上升管、下降管直立布置的限制，因而容易满足炉膛结构的要求。(5)启、停速度快由于直流锅炉没有厚壁的汽包，在启动和停炉的过程中，锅炉各部分的加热和冷却都容易达到均匀，所以启动和停炉快。冷却点火约40～45min即可供给额定温度和压力的蒸汽；停炉时间约需25min左右。一般汽包锅炉的启动需要2～5h；停炉则需18～24.1.5直流锅炉也存在下列缺点(1)对给水品质要求高直流锅炉无法像汽包锅炉那样进行连续排污，因此给水中的盐分不是沉积在锅炉受热面内就是被蒸汽带入汽轮机中，影响锅炉及汽轮机的经济和安全运行。目前化学除盐水的品质已超过了一般凝结水的质量，保证直流锅炉所要求的给水品质已不成问题，但水处理系统的投资和运行费用仍较高。(2)给水泵功率消耗大由于直流锅炉内的工质完全是依靠给水泵压头的作用来流经所有受热面的，并且具有较大的质量流速，所以给水泵压头高、消耗功率大。如SG－400/140－555/555型直流锅炉本体汽水阻力为3.3Mpa，而同参数汽包锅炉本体汽水阻力为1.6Mpa，多消耗给水泵功率310kw。(3)对自动调节及控制系统要求高因直流锅炉没有汽包，水的预热段、蒸发段和蒸汽的过热段彼此之间无一固定界限，若燃料、给水等比例失调时，锅炉就不能保证供给合格的蒸汽。由于没有汽包，直流锅炉的储水蓄热能力较小，对外界负荷变化较敏感。因此直流锅炉对自动调节及控制系统要求较高。