鍋爐原理-第4章-過熱器

2023年12月27日發(作者：習慣決定)

第4章 過熱器與再熱器

4.1 過熱器與再熱器的結構型式

過熱器的作用是將蒸汽從飽和溫度加熱到額定的過熱溫度。在鍋爐負荷或其它工況變動時，應保證過熱溫度的波動處在允許的范圍之內。在現代電站鍋爐中，蒸汽過熱器是鍋爐的一個必備的重要部件，在很大程度上影響著鍋爐的經濟性和運行安全性。

在工業鍋爐中，一般采用飽和蒸汽，常把過熱器看作為輔助受熱面，過熱汽溫不超過400℃，通常布置在對流管束中間的煙溫小于700～800℃的區域中，工作是可靠的。

在電站鍋爐中，提高過熱蒸汽的參數是提高火力發電站熱經濟性的重要途徑。過熱蒸汽參數的提高受到金屬材料的限制。過熱器的設計必須確保受熱面管子的外壁溫度低于鋼材的抗氧化允許溫度并保證其機械強度。隨著鍋爐用金屬材料的發展，我國電站鍋爐已普遍采用了高壓高溫（9.8MPa，540℃）和超高壓參數（13.7MPa，540和555℃），并已發展亞臨界壓力參數（16.7MPa，540和555℃），國外已有不少鍋爐采用超臨界壓力（24.5MPa，540～570℃）參數，也有個別機組采用更高的壓力和溫度參數。

隨著蒸汽壓力的提高，為了減少汽輪機尾部的蒸汽濕度以及進一步提高電站的熱經濟性，在高參數電站中普通采用中間再熱系統，即將汽輪機高壓缸的排汽再回到鍋爐中加熱到高溫，然后再送到汽輪機的中壓缸及低壓缸中膨脹作功。這個再加熱的部件稱為再熱器。

通常把高壓過熱器中加熱的蒸汽稱為（一次）過熱蒸汽，再熱器中加熱的蒸汽稱為再熱蒸汽（二次過熱蒸汽）。再熱蒸汽的參數與熱力循環的經濟性有關。一般，再熱蒸汽的壓力大致為過熱蒸汽壓力的五分之一左右，溫度與一次過熱汽溫相近。例如我國125MW，400t/h鍋爐中，過熱蒸汽的參數為13.7MPa，555℃；再熱蒸汽的進出口壓力為2.5／2.35MPa，溫度也為555℃。200MW，670t/h鍋爐中，過熱蒸汽的參數為13.7MPa，540℃；再熱蒸汽進出口壓力為2.7／2.5MPa，溫度也為540℃。300MW，600MW亞臨界壓力控制循環鍋爐，過熱蒸汽參數為18.27MPa，540℃；再熱蒸汽進出口壓力為3.83/3.63MPa，溫度也為540℃。應用蒸汽再熱系統可使電站的熱經濟性提高約（4～5）％，我國125MW以上機組都采用一次中間再熱系統，國外有些更高參數

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的機組有的采用二次中間再熱系統。

在現代鍋爐中，過熱器和再熱器的吸熱量將占工質總吸熱量的50％以上，因此，過熱器和再熱器受熱面在鍋爐總受熱面中占了很大的比例，必須布置在更高的煙溫區域，其工作條件是鍋爐受熱面中最為惡劣的，受熱面管壁溫度接近于鋼材的極限允許溫度，因此過熱器和再熱器受熱面的合理布置和設計對整臺鍋爐的經濟性和可靠性有很大的影響。在設計時，應在保證過熱器和再熱器安全可靠工作的基礎上力求節省金屬，特別是節省合金鋼材的消耗量。

按照傳熱方式，過熱器可分為對流、輻射及半輻射三種型式。現代大型電站鍋爐均采用復雜的輻射－對流多級布置的過熱器系統，過熱器管則根據管內工質溫度和熱負荷大小分別采用不同的材質和壁厚。再熱器實際上是一種中壓過熱器，其工作原理與過熱器是相同的，但是由于中壓蒸汽的放熱系數較低，比熱較小，其管壁溫度更為嚴重，因此，再熱器通常僅采用對流式，而且布置在煙溫稍低的區域。

1. 對流過熱器

對流過熱器布置在鍋爐的對流煙道中，主要依靠對流傳熱從煙氣中吸收熱量。在中小型鍋爐中，一般采用純對流式過熱器；在大型鍋爐中，采用復雜的過熱器系統，圖2-15 工業鍋爐過熱器型式

a)垂直式 b)水平式

然而對流過熱器仍是其中主要的部分。

圖2-16 中壓130t/h鍋爐垂直式對流過熱器簡圖

對流過熱器有垂直布置和水平布置的兩種型式。工業鍋爐中過熱器的型式如圖2-15所示。垂直式過熱器用于立式水管鍋爐，水平式過熱器用于臥式水管鍋爐。

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在電站鍋爐中，垂直式過熱器（多用于П型）通常布置在爐膛出口的水平煙道中，圖2-16所示為一中壓130t/h鍋爐的過熱器簡圖。其優點是結構簡單，吊掛方便，結灰渣較少，得到了廣泛的應用。其主要缺點是停爐后管內積水難以排除，長期停爐將引起管子腐蝕。在升爐時，由于管內積存部分水，在工質流量不大時，可能形成氣塞而將管子燒壞，因此在升爐時應控制過熱器的熱負荷，在空氣沒有完全排除以前，熱負荷不應過大。

布置在尾部豎井中的對流過熱器以及塔式和箱式鍋爐的過熱器采用水平布置方式。水平式過熱器的優點是易于疏水排氣，但支吊比較困難，在高溫煙區通常采用管子吊掛的方式，以節省高合金鋼的耗量。

對流過熱器由大量平行并列的蛇形管所組成,其進出口與集箱相連,蛇形管外徑通常采用φ32, φ38, φ42mm的無縫鋼管，壁厚3～7mm，由強度計算確定。過熱器所用的材料取決于工作溫度。過熱蒸汽溫度低于425℃的小容量鍋爐，過熱器管可全部采用碳素鋼管；對于450℃的中圖2-17 過熱器中蒸汽與煙氣流動方向布置圖

壓鍋爐，通常低溫段采用碳素鋼管，高溫段采用低合金鋼管；對于高壓鍋爐的過熱器通常采用優質合金鋼管。但是對于奧氏體高合金鋼，則由于其冶煉復雜，價格昂貴，應盡可能不用或少用。

過熱器的布置按蒸汽與煙氣的流動方向可分為順流、逆流、雙逆流或混流布置，如圖2-17所示。逆流布置的溫壓最大，但工作條件最差，順流布置的溫壓最小，耗用金屬最多。—般在低煙溫區采用逆流，在高煙溫區采用混流布置。

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圖2-18 過熱器管圈型式

a)單管圈 b)雙管圈 c)三管圈

為保證過熱器中工質流速，過熱器蛇形管可以布置成單管圈或多管圈，如圖2-18所示。這樣就可以在煙道截面不變的條件下，使蒸汽通道截面增加一倍或幾倍，亦即在煙氣流速不變的條件下，可使蒸汽流速降低一半或更多。在現代大型鍋爐中，常采用多管圈的型式。相反，在小型鍋爐中，由于煙道寬度相對過大，為提高蒸汽流速，可在集箱內裝置隔板，將過熱器受熱面沿煙道寬度方向分成幾組，串連成二段或三段，如圖2-19所示。

過熱器受熱面一般總是布置在煙氣溫度較高的區域。為減輕灰渣的粘接，為吹灰的方便以及支吊的簡便，多采用順列布置，其橫向節距s1/d＝2.0～3.5，縱向節距取決于管子的彎曲半徑及管圈的結構。如過熱器入口煙溫較高，為防止過熱器結渣，常把過熱器前幾排拉稀，亦即把管束中的一排拉成二排而成為錯列布置，如圖2-20所示，這樣可使管束前幾排的橫向節距增加一倍。為了防止在管子間形成渣橋而堵塞煙道，拉稀管束的節距與管徑之比應為：橫向節距與管徑之比s1/d≥4.5，縱向節距與管束之比s2/d≥3.5。

2. 半輻射屏式過熱器

在現代高參數大容量鍋爐中，蒸汽過熱所需的吸熱量增大，必然地把過熱器布置在更高的煙溫區域，以減少過熱器的金屬消耗量，但對于燃燒固體燃料的鍋爐，對流過熱器前的煙氣溫度受到結渣條件的限制，不能過于提高，因此，在爐膛出口處進入對流煙道之前布置幾排稀疏的管屏，既吸收煙氣流過時的對流熱，又吸收爐膛中的輻射熱及屏間煙氣的氣空輻射熱，稱為半輻射屏式過熱器，應用得非常普遍。其主要優點為：

（1）利用屏式受熱面吸收一部分爐膛和高溫煙氣的熱量，能有效地降低進入對流受熱面的煙氣溫度，防止密集對流受熱面的結渣，并且減輕了大型鍋爐爐膛壁面積相

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圖2-19 過熱器受熱面沿煙道寬度串聯布圖2-20 對流過熱器前排管束的拉稀

對較小，不能布置輻射受熱面的困難，因而擴大了煤種的適用范圍。

（2）裝置屏式過熱器后，使過熱器受熱畫布置在更高的煙溫區域，因而減少了過熱器受熱面的金屬消耗量。

（3）由于屏式過熱器吸收爐膛輻射熱，以及由于它布置在更高的煙溫區域，并且有較大的氣體輻射層厚度，氣室輻射熱量增加，使過熱器輻射吸熱的比例增大，改善了過熱汽溫的調節特性。

實踐證明，屏式過熱器能在1000～1300℃煙溫區域可靠地工作，并具有穩定的汽溫特性。

屏式過熱器的結構見圖2-21。其管屏由外徑為32～42mm的無縫鋼管組成，屏與屏間的節距s1＝500～900mm，屏中管數由蒸汽流速確定一般為15～30根，各根管子之間的相對節距s2/d＝1.1～1.25。屏懸掛在爐頂的構架梁上，受熱后能自由地向下膨脹。為了增加屏的剛性，保持各屏之間的節距，可將相鄰兩屏中的任一管子互相夾持在一起，而各屏本身的管子也用管子夾緊，使其中的各根管子不能從屏的平面中凸出。

屏式過熱器的各種布置見圖2-22。其中前屏主要吸收爐膛輻射熱，煙氣沖刷不好，對流傳熱所占份額較小，其它各屏則同時吸收輻射熱與對流熱，為半輻射式。垂直布置與水平布置的優缺點與對流過熱器相同，即垂直布置時的結構比較簡單，支承方便；而水平布置的圖2-22 屏式過熱器的布置

a)后屏 b)大屏 c)半大屏d)前圖2-21 屏式過熱器結構簡圖

1-相鄰管屏間的定位扎緊管

2-屏本身的扎緊管

屏

優點是在停爐時容易疏水。對于露天或半露天布置的鍋爐，也有采用可以疏水的垂直布置的屏。

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屏式過熱器受爐膛火焰直接輻射，熱負荷比較高，而屏中各管圈的結構和受熱條件的差別又較大，因而屏式過熱器的熱偏差較大，特別是外圍管子，直接受到爐膛的高溫輻射，工質行程又最長，因而流阻大，流量小，其工質焓增常比平均焓增大40～60％，容易超溫燒壞。為了平衡各管圈的吸熱偏差防止外圈管子超溫，有許多改進的結構，見圖2-23。如將每片屏的外圈管子采用較短的長度或用較大的管徑，或將外圈管子交換到內圈里去等，也可將外圈管子采用更好的材料以提高其工作可靠性。

3. 輻射過熱器（墻式過熱器）

布置在爐膛壁面上的過熱器直接吸收爐膛輻射熱，稱圖2-23 屏式過熱器防止外圈管子超溫的改進措施

a)外圈兩圈管子截短 b)外圈一圈管子短路

為輻射過熱器，或稱墻式過熱器。在高參數大容量鍋爐中，尤其是在有再熱器的鍋爐中，蒸汽過熱及再熱的吸熱量占的比例很大，而蒸發吸熱所占的比例減少，因此，為了在爐膛中布置足夠的受熱面，就需要布置輻射過熱器。在大型鍋爐中，布置輻射過熱器對改善汽溫調節特性和節省金屬消耗是有利的，在國外已有一定的發展，特別是美國福斯特惠勒公司應用甚廣。但是由于爐膛熱負荷很高，輻射過熱器管子的工作條件較差，因此對其安全性應特別注意，尤其在啟動和低負荷運行時，問題更為突出。

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輻射過熱器的布置方式很多，在自然循環鍋爐中，通常是垂直地布置在爐膛壁面上，這樣與水冷壁的配合比較方便。輻射過熱器的管子可以布置在爐膛四壁的任一面墻上；它可以僅布置在爐膛上部，也可以沿爐膛全高度布置；它可以集中布置在某一區域，也可以與水冷壁管子間隔排列。把輻射過熱器管子僅布置于爐膛上部的優點是可以使管子避開熱負荷最大的火焰中圖2-24 輻射過熱器連接系統簡圖

a)單流系統 b)雙流系統 c)對稱布置的雙流系統

心，但是這種布置使水冷壁的高度降低，對水循環的安全性不利。如沿爐膛全高布置，則處于火焰中心區的過熱器管子的工作條件很差，在設計時應加以特別注意。根據已有的運行經驗，在正常工作條件下，輻射過熱器中最大的管壁溫度可能比管內工質溫度高出約100～120℃，因此輻射過熱器常作為過熱器的低溫段，在采用15CrMo鋼作為管子材料時，其出口工質溫度不宜超過400℃，在用12Cr1MoV鋼時，不宜超過450℃，并應采用較高的質量流速。為了提高輻射過熱器管內的工質流速，必須減少并聯管子的數目，因此常把過熱器管分組，增加過熱蒸汽的流動次數，如圖2-24所示。這樣還可使同一管組的寬度較窄，減輕爐膛熱負荷分布不均勻的影響。

已有的運行經驗表明，在正常工作條件下，輻射過熱器的工作是安全可靠的，重要的問題是如何保證啟動時管子的冷卻。因為在此期間，爐膛熱負荷已很高，而管內工質流量很小，因此容易將管子燒壞。在啟動時，輻射過熱器的冷卻方式有以下三種：（1）用水冷卻。由于此種冷卻方式的系統和操作均較復雜，也不能保證工作的可靠性，因此已不大采用。（2）用外來蒸汽冷卻。采用這種冷卻方式雖然比較簡單，但必須有其

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圖2-26 64kg/s(230t/h)高壓鍋爐過熱器布置

它鍋爐供汽。對于大容量鍋爐，消耗的蒸汽量相當可觀，一般需額定蒸發量的10％左右。（3）自生蒸汽冷卻。這種方法比較簡單，僅需加裝兩個啟動用的重油噴嘴，其位置應使火焰中心遠離輻射過熱器，而靠近蒸發受熱面管子，這樣既可避免燒壞過熱器管子，又可加快蒸汽的產生。

我國生產的高壓和超高壓自然循環鍋爐中，僅采用布置在爐頂的輻射過熱器，而未采用布置在四周爐壁的輻射過熱器，這顯然是從安全可靠的角度里考慮的，但是隨著鍋爐的發展，輻射過熱器必然要得到更多的采用。

圖2-25 64kg/s(230t/h)高壓鍋爐過熱器流程及汽溫4. 包墻管過熱器

在現代大型鍋爐中，為了采用懸吊結構和敷管式爐墻，在水平煙道和后部豎井的內壁，象水冷壁那樣布置過熱器管，稱為包墻管過熱器。這樣可將水平煙道和后部豎井的爐墻直接敷設在包墻管上，形成敷管爐墻，從而可以減輕爐墻的重量，簡化爐墻的結構。包墻管懸吊于爐頂，采用比較簡單的全懸吊鍋爐構架。

包墻管的管徑與過熱器相同。管間節距，由光管組成時，s/d＝1.1～1.2；采用膜式結構時，s/d＝2～3。膜式包墻管在管與管間焊上扁鋼，可以保證鍋爐的嚴密性，減少漏風，并可節省鋼管耗量。包墻管緊靠爐墻，僅受煙氣單面沖刷，而且煙速較低，因此傳熱效果較差。

4.2 過熱器的熱偏差

煙氣在離開爐膛時，由于爐內傳熱的規律，離水冷壁較近的煙氣溫度較低，而中間的煙氣溫度較高，同時左右側煙氣溫度也常不相同，有偏差。受熱不均勻就會使受熱面中工質產生熱偏差，有時還會使受熱面超溫。例如，某鍋爐的最后一級過熱器應將蒸汽過熱到540℃，雖然通過汽溫調節，得到了540℃的蒸汽，但是在存在熱偏差的情況下，這540℃的蒸汽是混合后的數值，在混合前有一部分蒸汽已超過540℃，另一部分卻不到540℃。對溫度高于540℃的蒸汽來說，它的受熱面的溫度也比較高，有時

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會超過允許的溫度而燒壞。因此，在鍋爐設計中應盡量減小熱偏差。

在過熱器工作過程中，由于煙氣側和工質側各種因素的影響，各平行管中工質的吸熱量是不同的，這種平行管列工質焓增不均勻的現象稱為熱偏差。為了對這種現象有一個數量上的估計，常把平行管子中偏差管內工質的焓增?ip和整個管組工質的平均焓增?ipj之比?稱為熱偏差系數，或簡稱熱偏差：

???ip?ipj

上述熱偏差的定義對管組中任何一根管子都可用，但最應關心的是焓增最大的那些管子，因此通常說某個管組的熱偏差是指該管組中焓增最大的那些管子，并把這些管子稱為偏差管。

工質焓增量的大小決定于管子的熱負荷q、受熱面A和通過管子的工質質量流量G，由于qA?G?i，所以?i?偏差管：?ip?qA，即

GqpApGp，平均管：?ipj?qpqpjApjGpj?Ap，所以

??qpjApj

GpGpj式中，qpqpj??rl稱為熱力不均勻系數，ApApj??jg稱為結構不均勻系數，GpGpj??sl稱為水力不均勻系數。則可得出：???rl?jg。

?sl由此可見，過熱器的熱偏差決定于管子的

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圖2-30 過熱器入口、出口聯箱圖2-32 過熱器入口、出口聯圖2-31 過熱器入口、出口聯箱箱

熱力特性，水力特性和結構特性。由于過熱器是鍋爐各受熱面中工作條件最差、受熱面金屬工作溫度最高的部件，其管壁溫度已經接近于管子金屬的允許溫度，因此在設計布置過熱器時，必須綜合考慮各方面的因素，使各平行管的工作溫度盡可能均勻一致，以防止某些管子工作溫度過高，超出允許溫度，造成過熱器損壞。在現代大型鍋爐的設計中，主要是根據熱負荷分布規律，使通過各管子的工質流量與各管子的熱負荷相適應，即在熱負荷高的管中能有較多的流量，而在熱負荷低的管中則通過較少的流量。

對于結構不均只對屏式過熱器而言，但影響較小。

對于水力不均如圖2-30，2-31，2-32所示。在過熱器入口、出口聯箱采用Z型布置方案（見圖2-30）時，顯然左側管圈的壓差較小而右側較大。這當然是個不好的方案。在聯箱的連接方案采用П型布置方案（見圖2-31）時，則各管圈入口、出口間的壓差基本上相同，是較好的方案，也是在過熱器上常常采用的方案。圖2-32中的方案的聯箱由幾根管引入、引出，聯箱中工質縱向流速較低，因此靜壓的變化較小，各管圈的壓差較均勻，也是在過熱器中常用的方案。此外，還可在端部引出的匯集集箱的兩端并聯一根較粗的管子（如φ159mm），見圖2-33，稱為分流管，分流掉部分蒸汽流量，使主集箱內的流量減少，可以減小沿集箱長度方向的靜壓差而使偏差減小，取得了較好的效果。

對于熱力不均：鍋爐爐膛中煙氣的溫度圖2-33 用分流管減小過熱器偏差

場和速度場的分布不均勻是造成過熱器熱力不均勻的主要原因。在一般運行條件下，由于爐膛四壁布滿水冷壁，因而靠爐膛的煙氣溫度遠比中間溫度低，同時，中間部分煙氣流速較快，使對流傳熱加強。一般在爐膛出口的對流過熱器中，沿寬度的熱力不均勻約為（20～30）％；爐膛受熱面（輻射過熱器）沿寬度的熱力不均勻約為（30～40）％。此外，在爐膛中，如果火焰充滿情況不好，各個燃燒器負荷不一致，煤粉和空氣送入不均勻，在爐膛上部或過熱器區域的局部地區發生煤粉再燃燒或爐膛中部分水冷壁嚴重結渣等因素，均將加劇過熱器的熱偏差，應盡量避免。

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在對流過熱器中，如果在管束中形成煙氣走廊，即在個別蛇形管之間具有較大的煙氣流通截面，則在該處由于煙氣流動阻力而使煙氣流速加快，因而對流傳熱加強；如氣走廊的寬度較大，則該處由于具有較大的輻射層厚度又使輻射吸熱量增加，熱力不均更加增大。形成煙氣走廊的原因很多，可能于結構不合理，例如在過熱器管之間穿插蒸熱面管子，見圖2-34；也可能是由于安裝不格，沒有保證過熱器管之間的節距；有時可由于在運行中發現過熱器受熱面太多而將圖2-34 形成煙氣走廊的過熱器結構

較小果煙煙氣勻性是由發受嚴能是一些排數的蛇形管割除；也可能是在運行中個別蛇形管爆管損壞而將它割除等，均將引起管間節距不均勻而形成煙氣走廊，故應盡量避免。

在屏式過熱器中，由于最外一圈管子直接受火焰輻射，吸熱量最多，熱力不均勻性更要大些。

由于煙氣側熱力不均勻性的影響，使某些管中的工質焓增量超過平均值，而在受熱強的管中，由于工質溫度較高，比容較大，流動阻力增加，更使工質流量減小，即水力不均勻性增大，更加加大了管子的熱偏差。

減輕熱偏差的方法：由于過熱器工質側水力不均勻性和煙氣側熱力不均勻性的影響，使過熱器各平行管列中各蛇形管的焓增不同而造成熱偏差，盡管在運行中或結構上采取了各項措施，但是由于實際工作的復雜性，要完全消除是不可能的。為了減小過熱器的熱偏差，可以：（1）合理設計受熱面結構；（2）減輕熱力不均，使溫度場、速度場均勻，消除煙氣走廊，均勻混合，增大爐膛中火焰的充滿度，避免污染和二次燃燒；（3）“交叉”的辦法是消除煙道左右側溫度不均的有效方法，如圖2-35。如果左側煙氣溫度高，左側受熱面吸熱強，則可以在蒸汽離開第一級過熱器時使之左右交叉，原吸熱較強的蒸汽流到吸熱較弱的右側，原來吸熱較弱的右側的蒸汽流到圖2-35 過熱器中蒸汽流動“交叉”吸熱較強的左側。在兩極焓增相差不多時，即可將熱偏差抵消。

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4.3 過熱器的系統布置

蒸汽壓力MPa

過熱蒸再熱蒸汽溫汽溫加熱熱% 蒸發熱% 過熱熱% 再熱熱%

度℃ 度℃

1.37 50 23.9 76.1

1.67 100 375 16.1 69.5 14.4

3.9 172 450 13.6 66 20.4

9.9 215 540 18.8 51.7 29.5

13.8 240 555 555 17.9 36.7 28.6 16.8

18.4 275.5 540 540 21.8 24.4 34.6 19.2

不通蒸汽參數的鍋爐加熱熱、蒸發熱、過熱熱和再熱熱的分配比例

給水溫度℃

圖2-25～2-27給出了高壓鍋爐過熱器系統圖布置圖，以加強同學們的記憶，系統認識整個過熱器系統。對于低壓小容量鍋爐，過熱汽溫不高，比較簡單，一般采用純對流過熱器，布置在對流管束之間煙氣溫度不超過700～800℃的煙道內，采用逆流圖2-27 64kg/s(230t/h)高壓鍋爐過熱器蒸汽系統

2-29

－圖12－

屏式過熱器與對流過熱器連接系統

圖2-28 輻射過熱器與對流過熱器連接a)屏－對流連接 b)對流－屏－對流連

布置。對于中壓鍋爐，也采用純對流過熱器，布置在爐膛出口的水平煙道中。過熱器分成兩級，蒸汽的低溫級布置在煙氣的低溫部分，采用碳鋼作為材料，常用逆流布置；蒸汽的高溫級布置在煙氣的高溫部分，部分或全部應用低合金鋼作為材料，常用混流布置，使蒸汽的最高溫度處布置在煙溫比較適中的地方。在高壓和超高壓以上鍋爐中，廣泛采用屏式過熱器，也有用輻射式過熱器，組成輻射－對流式過熱器系統，如圖2-28所示。

屏式過熱器的布置原則與輻射過熱器相同，其與對流過熱器的連接系統如圖2-29所示。

1、下面我們來看屏出入口集箱的連接方式：

首先提出問題和解決方式：

我們前面學過熱偏差的三個原因：結構不均、熱力不均和水力不均。在屏式過熱器里，這三種不均都存在。屏的最外圈管子最長且熱負荷最大，為了減少熱偏差，我們應該盡量使最外圈管的靜壓差最大，流動的動力最強，盡量增加最外圈管的流量。

下面我們來看這四種連接方式：第一種連接方式，最外圈管在入口集箱處，流量最大，靜壓最小；而最外圈管在出口集箱處，流量最小，靜壓最大，所以，最外圈管的靜壓差最小，這種連接方式不好。第二種連接方式：最外圈管在入口集箱處，流量最大，靜壓最小；而最外圈管在出口集箱處，流量最大，靜壓最小，所以，最外圈管的靜壓差和其他管的靜壓差差不多，這種方式不太好。第三種連接方式：，最外圈管在入口集箱處，流量最小，靜壓最大；而最外圈管在出口集箱處，流量最大，靜壓最小，所以，最外圈管的靜壓差最大，這種連接方式較好。為什么較好，因為我們來看，蒸汽從右側流向左側，為逆流，我們在講過熱器的流動方式講過，逆流溫壓最大，但壁溫也要增加。第四種方式，靜壓差最大，且用順流方式，連接方式最好。

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4.4 過熱器的汽溫變化特性

在運行過程中，過熱蒸汽及再熱蒸汽溫度隨著鍋爐負荷、燃料性質、給水溫度、爐膛過量空氣系數以及爐膛出口煙溫等的變化而有較大的波動。如汽溫過高，則將引起金屬材料損壞，例如12CrlMoV鋼在585℃時考慮的10萬小時持久強度，在595℃時，3萬小時就將喪失其強度。如汽溫過低，則將影響熱力循環的效率，并使汽輪機尾部的蒸汽濕度過大。一般汽溫降低10℃，相當于多耗燃料0.2％，對10MPa，540℃的蒸汽，汽溫降低10℃，將使汽輪機出口的蒸汽濕度增加約0.7％。再熱汽溫變化過于劇烈，還將引起汽輪機中壓缸的轉子與汽缸間膨脹差的變化，甚至引起汽輪機的劇烈振動，危及機組安全運行。為此，一般要求當負荷在70％～100％額定負荷范圍內時，其蒸汽溫度與額定汽溫的偏差值應不大于+5℃和－10℃。為此必須對汽溫進行調節，以保證汽輪機安全經濟的運行。

蒸汽側（工質側）因素：鍋爐負荷變化時，對流過熱器與輻射過熱器的汽溫變化特性是相反的。由圖2-36可見，在對流過熱器中，隨著負荷增加，蒸汽的焓增增大，過熱蒸汽溫度升

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圖2-36 過熱汽焓增與鍋爐負荷的

高。這是由于在負荷增加時，燃料消耗量增大，產生的煙氣體積也隨之增加，導致煙氣流速加大，從而使煙氣側對流放熱系數增高；同時由于燃料消耗量增加使煙氣溫度升高，使傳熱溫差增大，因而使對流過熱器吸熱量增加的值超過負荷增加，從而使工質的焓增（?id?BjQdD?K?tH，kJ/kg）增加，因此鍋爐負荷增加時，對流過熱器的D出口汽溫將要增加。在輻射過熱器中，則與此相反，隨著鍋爐負荷增加，由于爐膛火焰的平均溫度變化不大，輻射傳熱量增加不多，跟不上蒸汽流量的增加，因而使工質的焓增（?if?BjQfD，kJ/kg）減小。因此，隨鍋爐負荷增加，輻射過熱器的出口汽溫是下降的。在設計過熱器時，如果同時采用輻射與對流過熱器，并保持適當的吸熱量比例，則可得到比較平穩的溫度特性，如圖中曲線3所示。

鍋爐運行過程中，如負荷未變而給水溫度發生變化，也會影響汽溫的波動。當鍋爐給水溫度降低時，使鍋爐的總吸熱量增加，其燃料消耗量也必須相應的加大，造成對流過熱器入口煙溫和煙氣流速的提高，導致對流過熱器吸熱量增多，使汽溫升高。在一般情況下，鍋爐給水溫度變化不大，對汽溫變化影響較小。只有當電廠的高壓加熱器解列時，才會造成給水溫度顯著變化，此時它不僅影響過熱汽溫波動，同時也降低了電廠的熱經濟性。根據運行經驗，給水溫度每降低10℃，將使過熱汽溫增加約4～5℃。國內不少電廠，由于高壓加熱器未曾投入運行，使給水溫度比設計值約低60℃，這將引起過熱汽溫升高約30℃，因而是引起過熱器超溫的一個重要因素。還應注意，高壓加熱器不能投入運行，還將影響電廠的效率，引起燃煤量增加5～6％，天長日久，這筆損失是相當驚人的。

煙氣側因素：爐膛過量空氣系數的變化對過熱汽溫有顯著的影響。如過量空氣系數增加，則由于爐膛溫度水平降低而使輻射吸熱量減少，故輻射過熱器的出口汽溫將要降低。在對流過熱器中，則由于煙氣流速增加而使對流吸熱量增加，因而對流過熱器的汽溫增加，而且沿煙氣流程，愈往后其增加的比例愈大。在屏式過熱器中，則影響較小。一般鍋爐以對流過熱器為主，隨過量空氣系數增加，將使過熱汽溫升高。根據運行經驗，過量空氣系數增加10％時，過熱汽溫可增加10～20℃，而低溫段過熱器中增加的量比高溫段中增加的量要大得多。但是必須指出，雖然改變爐膛過量空氣系數將使過熱汽溫變化，可是不能用來作為調節過熱汽溫的手段。因為增加過量空氣將使排煙損失增加，而過量空氣系數過低，將使燃燒不完全，因而都是不合理的。

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燃料變化，主要是煤中水分和灰分變化，也要影響過熱汽溫。如水分和灰分增加時，由于燃料發熱量降低而必須增加燃料消耗量，從而使對流過熱器的煙速增加，而使對流傳熱增強，對流過熱器的汽溫將要增加；在輻射過熱器中，則由于爐膛溫度降低，而使輻射吸熱減少，其出口汽溫將要降低。一般煤中水分增加1％時，過熱汽溫約增加1℃左右。灰分的影響因素較多，如灰分增加，將使著火惡化和燃燒過程延遲以及受熱面沾污情況變化，因而比較復雜。在液態排渣爐中，還因灰分特性溫度的變化而引起過熱汽溫波動。例如當灰熔點增高時，因液態渣層厚度增加而使爐膛出口煙溫升高，引起過熱汽溫增加。如果燃料種類改變，過熱汽溫變化將更大。例如煤粉爐改燒重油時，則由于重油火焰的發光性和爐膛熱有效系數均比煤粉時大，使爐膛吸熱量增加，因而輻射過熱器的吸熱量增加，而對流過熱器的吸熱量則下降。

爐膛出口煙氣溫度的變化直接影響過熱汽溫。這種情況影響因素較多。如燃燒器型式和布置、煤粉細度、配風方式等都能引起汽溫的變化。鍋爐運行中，如爐膛結渣、火焰中心移動、爐膛上部或過熱器區發生局部再燃，以及受熱面本身積灰、結渣等，都會使過熱汽溫發生波動。

鍋爐在運行中，汽溫的波動是不可避免的，為保證鍋爐和汽輪機工作的安全性與經濟性，必須裝有可靠的汽溫調節裝置。

4.5 過熱蒸汽溫度的調節

對汽溫調節方法的基本要求：①鍋爐工況發生變化時，應自動迅速的調節過熱汽溫，熱惰性和延遲性要小；②對過熱器要有保護作用，同時調節范圍要廣；③本身結構簡單，運行可靠，體積小；④不影響蒸汽品質，對循環效率影響小；⑤不過分的降低鍋爐的經濟性，附加的金屬和設備的消耗要小，為調節汽溫不要過分的加大過熱器的受熱面積。

為使過熱器的汽溫有平坦的溫度特性，在高壓鍋爐上宜采用輻射式過熱器與對流過熱器復合式結構。為保證汽溫在允許的范圍內波動，常采用以下兩種汽溫調節方法：

① 蒸汽側調節汽溫

這種調溫方法是減少蒸汽熱焓，使汽溫達到所需要的溫度。常采用的設備是面式減溫器和噴水減溫設備。

面式減溫器

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它是一種管式汽水換熱器，利用鍋爐的給水或爐水來冷卻蒸汽溫度，達到調節過熱汽溫的目的，如圖2-37所示。這種減溫器主要優點是水與蒸汽不直接接觸，因此對水質沒有特殊的要求，在中小鍋爐中應用較多。

采用面式減溫器調溫，只有在鍋爐負荷大于70％的額定負荷時，減溫器才投入工作。這是因為在設計減溫圖2-37 面式減溫器簡圖

1-減溫器集箱 2-U形管

3-冷卻水進口集箱 4-冷卻水出口器時應考慮一定的調溫焓，在70％額定負荷時，有額定的汽溫，當負荷增加，汽溫相應升高，則減溫器投入工作。因此這種減溫器使對流過熱器受熱面增加，調溫幅度越大，金屬耗量越多。一般面式減溫器的調溫焓Δi＝62～84kJ/kg。

圖2-37表示用給水冷卻的面式減溫器簡圖，冷卻水在U形管管內流動，蒸汽在管間通過，改變冷卻水量即可調節過熱汽溫，減溫器筒體可同時作為過熱器集箱。U形管進口與出口在筒體外分別用小集箱連接，在管子穿出筒體的地方用套管保護，以使筒體不受溫度應力。

這種減溫器結構的缺點是由于蒸汽引入管與引出管離減溫器端部有一段距離，使得靠端部的蒸汽具有較多的冷卻面積，其冷卻程度較大，引起過熱器各蛇形管中的工質溫度分布不均勻，即靠端部的蛇形管中的蒸汽溫度低，單這個原因，可使過熱蒸汽的溫度偏差達10～20℃，通常稱減溫器的這種現象為“端部效應”。

在過熱器系統中，減溫器可以布置在過熱器出口端、進口端或兩級過熱器之間。布置在出口端時，因對過熱器失去保護作用，因此在電站鍋爐中是不采用的。布置在進口端時，其優點是減溫水不會發生汽化，減溫器的工作比較可靠，但是這種布置的調節慣性大，而且在減溫器中蒸汽冷凝，形成大量冷凝水，分配不易均勻，造成很大的熱偏差，有時在個別蛇形管中形成水塞而將管子燒壞，因而在目前已用得很少。現在較多采用的是將減溫器布置在兩級過熱器之間，既能保護高溫段過熱器，而調節慣性又較小，而且由于進入減溫器的蒸汽溫度較高，傳熱溫差較大，因而可以減少傳熱面積，縮小減溫器尺寸。其缺點是由于蒸汽溫度較高，在降低負荷時通過的減溫水量減少，可能引起減溫水蒸發而造成水擊或部分蛇形管冷卻不夠而過熱損壞的現象。為了避免這些問題，通過的減溫水量不能太少，因而限制了減溫器的調節幅度。

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冷卻水常用給水。在給水系統中，面式減溫器與省煤器的連接可以并聯，也可以串聯。并聯系統是一部分給水通過減溫器，一部分給水通過省煤器，然后在省煤器后匯合進入鍋筒。這種方式有較大的缺點，因為通過減溫器的水量較大，常占總給水量的30％～40％，有時甚至達50％～60％，這就使通過省煤器的水量較少，而且經常變化，造成省煤器的工作不可靠。因此，一般采用串聯布置的方式，其系統見圖2-38。減溫水由給水管路中抽出經減溫器后仍回到給水管路進入省煤器。采用串聯布置的缺點是由于提高了省煤器的進口水溫，要提高排煙溫度或者增加省煤器的受熱面。

除了用給水作為減溫水外，有些鍋爐還采用鍋筒中的爐水作為減溫水。其主要優點是由于爐水溫度為飽和溫度，蒸汽不會冷凝，因而不會引起凝結水分配不均勻的問題。其主要缺點是爐水圖2-38 面式減溫器與省煤器串聯連接系統

1-過熱器 2-減溫器 3，4-冷卻水進口及出口 5-含鹽量大，如滲漏到過熱蒸汽中將影響蒸汽品質，以及由于傳熱溫差小，減溫器的尺寸很大，因而在目前已很少采用。

噴水減溫器

噴水減溫器是大容量鍋爐調節過熱汽溫的主要方法。在噴水減溫器中，噴入的水與蒸汽直接混合，使蒸汽焓降低，達到汽溫調節目的。因而對噴入水的水質要求很高，應保證蒸汽中的含鹽及含硅量在規定范圍內。

在大型發電廠中鍋爐給水品質較好，可直接用來作為噴射水，當給水質量達不到要求時，可采用自制冷凝水作為噴射用水，但該法系統較復雜。

② 煙氣側調節汽溫

煙氣側調節汽溫是從煙氣側改變過熱器的吸熱量，從而達到汽溫的調節。常用的方法有以下幾種：

煙氣再循環

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其工作原理是將省煤器后溫度為250～350℃的一部分煙氣，通過再循環風機送入圖2-39 煙氣再循環對鍋爐熱力特性的影響

a)再循環煙氣從爐膛下部送入 b)再循環煙氣從爐膛上部送入

爐膛，改變過熱器入口的煙氣溫度和煙氣量，達到對汽溫調節的目的。因此它與再循環煙氣量，煙氣抽出位置與送入爐膛的位置有關，如圖2-39所示。當再循環煙氣從爐膛下部送入時，隨著再循環煙氣量的增加，由于爐內溫度降低，輻射吸熱量減小，而爐膛出口煙溫變化不大。但在對流受熱面中，由于煙氣量加大，使吸熱量增多，使汽溫升高。

再循環煙氣從爐膛上部送入時，此時爐內吸熱量變化不大，爐膛出口煙氣溫度明顯下降，使高溫段過熱器吸熱量減少，但后部受熱面由于煙速提高吸熱量加大。采用此種方法其主要目的是用來降低和均勻爐膛出口煙溫，防止對流過熱器結渣，并減少熱偏差，保護屏式過熱器和高溫段過熱器工作安全性。因此，常采用再循環煙氣送入爐膛上部與下部的方法。負荷降低時，從爐膛下部送入，起調溫作用。高負荷時，從爐膛上部引入，起保護高溫對流受熱面作用。

此外，在現代鍋爐中，還常采用煙氣再循環來降低爐膛熱負荷，防止管內沸騰傳熱惡化的發生，以及抑制煙氣中氧化氮的形成，減輕對大氣的污染。

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采用此種方法的缺點是要用耐高溫的再循環風機，廠用電消耗增加，在煤粉爐中易造成受熱面、風機等的磨損。

煙氣旁通

利用旁通煙道的擋板開度改變過熱器的煙氣流量來調節汽溫。此種調節方法在小容量鍋爐及再熱器的汽溫調節中，應用較多，如圖2-40所示。把對流豎井分成兩個并聯煙道，在主煙道布置再熱器（無再熱器時為過熱器），旁路煙道中布置過熱器或省煤器，也可不布置受熱面。

當負荷變化時，調節擋板開度，改變通過旁通煙道的煙氣量，即改變兩個煙道的煙氣量分配來調節汽溫。

采用旁通煙道調節汽溫，設備簡單，操作方便，但要防止擋板變形和磨損，所以擋板應布置在煙氣溫度低于400℃的區域內。

圖2-40 煙氣擋板調節

汽溫布置簡圖

1-過熱器 2-煙道隔板 3-再熱器

4-省煤器 5-煙氣擋板

改變火焰中心位置

利用擺動式燃燒器上下擺動，改變火焰中心沿爐膛高度的位置，從而改變爐膛出口煙氣溫度，達到汽溫調節目的。

擺動式燃燒器多用于四角布置的爐子中。在高負荷時，燃燒器向下傾斜某一角度；而低負荷時，將燃燒器向上傾斜一定角度，使火焰中心位置改變。采用此種調溫方法可使爐膛出口煙氣溫度變化110～140℃，調溫幅度達40～60℃，且調節靈敏，惰性小，不需要額外增加受熱面和消耗功率。

5. 再熱器

我國125，200，300MW的火力發電設備都采用蒸汽再熱循環。在再熱循環中從汽輪機高壓缸排出圖2-41再熱鍋爐與再熱汽輪機之間的聯接

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方案簡圖

1-鍋爐 2-汽機高壓缸 3-汽機中壓缸 4-汽機低壓缸 5-發電機 6-凝汽器 7-過熱器

的蒸汽（壓力還有3MPa上下）流回鍋爐再熱器到與新蒸汽相同（或略有不同）的溫度后，再流回汽輪機中壓、低壓缸去做功。電站采用這樣的循環后，一般可使電站的熱效率提高6～8％（相對值），同時在蒸汽初壓力提高后，再熱還可以保證蒸汽到汽輪機最后一兩級葉片時水分含量不過高，不會引起這幾級葉片過度的侵蝕。具有再熱（或稱再過熱或中間過熱）受熱面的鍋爐，稱為再熱鍋爐。再熱鍋爐與再熱汽輪機之間的聯接方案如圖2-41所示。

再熱器實際上就是一種中壓過熱器，也是由大量平行連接的蛇形管所組成。但與中壓鍋爐的過熱器相比，它又具有汽溫高、流量大的特點，其工作條件不僅比中壓鍋爐的過熱器，而且比其本身鍋爐的過熱器更差。

與過熱器相比，再熱器的主要特點如下：

①由于再熱蒸汽壓力低，蒸汽比容大，密度小，放熱系數比過熱蒸汽小得多，僅為過熱蒸汽的五分之一。所以再熱蒸汽對管壁的冷卻能力差，管壁溫度超過管中蒸汽溫度的程度大于過熱蒸汽。

②在再熱器中，熱力系統的經濟性受再熱系統阻力的影響很大，例如再熱系統的阻力增加0.1MPa，將使汽輪機熱耗增加0.28％，因此在設計時，通常規定系統總阻力不大于再熱汽進口壓力的10％，也即一般不超過0.2～0.3MPa，其中再熱器本身阻力占50％，連接管阻力占50％。

③再熱蒸汽由于壓力低，比熱容小，對熱偏差比較敏感，即在同樣熱偏差條件下，其出口汽溫的偏差比過熱蒸汽要大，而由于受到阻力的限制，又不能采用過多的混合和交叉措施。由于這些因素，使得再熱器的工作條件比過熱器中更差，為此，在設計時需采用較大的管徑（42～60mm）和多管圈（直到6～8根）。根據國外的經驗，采用縱向內肋片管，由于管子內壁表面積增加，使蒸汽側熱阻減小，在同樣工作條件下，可以降低管壁溫度約20～30℃，如圖2-42所示，因而可以提高管子工作的可靠性。

再熱器中另一個重要問題是要考慮在啟停過程及汽輪機甩負荷時的保護問題。在汽輪機甩負荷時，圖2-42 縱向內肋片管

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降低管壁溫度的效果

⊿t－管壁溫度與工質

再熱器與過熱器不同，在過熱器中尚可通汽冷卻，然后將蒸汽排向大氣或凝汽器，而在再熱器中，則由于汽輪機甩負荷而中斷蒸汽來源，使再熱器有燒壞的危險。為此，在過熱器與再熱器之間裝有快速動作的減溫減壓器，在啟停和汽輪機甩負荷時，將高壓過熱蒸汽減溫減壓以后送入再熱器中進行冷卻，再熱器出口的蒸汽則再經減溫減壓以后排入凝汽器或排入大氣。減溫減壓器的容量一般為鍋爐額定蒸發量的25～30％，要求快速動作，開啟時間3～5秒鐘左右。為了簡化再熱器的保護系統，在鍋爐設計中，可將再熱器布置在進口煙溫低于850℃的區域中，并采用合適的鋼材，則在鍋爐啟停和汽輪機甩負荷時，可允許再熱器短時間干燒，因而可以省掉蒸汽旁路使系統簡單，節省投資，這在國外已得到相當的重視。

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