電站鍋爐過熱器和再熱器的布置和特點

2023年12月27日發(作者：桃夭詩經)

電站鍋爐過熱器和再熱器的布置和特點

一. 過熱器與再熱器結構型式

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，然而對流過熱器仍是其中主要的部分。

對流過熱器有垂直布置和水平布置的兩種型式。垂直式過熱器通常布置在爐膛出口的水平煙道中，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的方式。水平式過熱器的優點是易于疏水排氣，但支吊比較困難，在高煙溫區通常采用管子吊掛的方式，以節省高合金鋼的耗量。

對流過熱器是由大量平行連接的蛇形管束所組成，其進出口與集箱相連，蛇形管采用外徑為32-42mm的無縫鋼管制成，壁厚3-7mm，由強度計算確定，過熱器所用材料決定于其工作溫度。吊掛和定距零件由于沒有工質冷卻，工作溫度高，通常采用高Cr，Ni材料。

過熱器的布置按蒸汽與煙氣的流動方向可成順流、逆流、雙逆流或混流布置，如圖2.7-1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。一般在低煙溫區采用逆流，在高煙溫區采用混流布置。

圖7-18 過熱器中蒸汽與煙氣流動方向圖

（a） 順流（b）逆流（c）雙逆流（d）混流

過熱器并聯蛇形管的數目由蒸汽及煙氣的流速確定。蒸汽流速系根據管子必須的冷卻條件和流動阻力不致過大的原則來選取。通常過熱器系統的總流動阻力應不超過過熱蒸汽出口壓力的10％。過熱器中煙氣流速根據管子不受磨損和不易積灰以及通過技術經濟比較來選擇，在燃煤爐中，一般為10～14m/s，在油爐和氣爐中，則可提高到20m/s。為使過熱器的煙氣流速與蒸汽流速滿足規定的要求，過熱器蛇形管可以布置成單管圈或多管圈的型式。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。

過熱器受熱面一般總是放在煙溫較高的區域，為減輕灰渣的粘結，同時考慮支吊的方便，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。在對流豎井中可采用錯列布置，其橫向節距s1/d=3.0～3.5。當進口煙溫較高，例如在1000℃左右時，為防止結渣，常把過熱器管的前幾排拉稀，亦即把管束中的一排拉成二排而成為錯列布置。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遭，拉稀管束的節距應為：橫向節距s1/d≥4；縱向節距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室輻射熱，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對較小，不敷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，使過熱器受熱面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，氣室輯射熱量增加，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2.7-2。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2.7-3。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。

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，特別是外圈管子，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40～50％，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。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。

為了提高屏式過熱器的工作性能，根據國外的經驗，按照全焊膜式水冷壁的方式，用鰭片管制造全焊膜式屏是一個有發展的結構，特別是用于結渣性燃料，與光管屏相比，其污染程度較小，在同樣條件下，其吸熱量約可提高12％。

圖7-19 屏式過熱器結構簡圖 1一連接管 2一扎緊管

圖7-20 屏式過熱器的布置

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

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，稱為輻射過熱器，或稱墻式過熱器。

在高參數大容量鍋爐中，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小，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。同時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，在國外已有了定的發展，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。

輻射過熱器的布置方式很多，如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心區，但是這種布置使水冷壁管的高度降低，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，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。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。

在工質下降流動的輻射過熱器管組中，如果上下集箱間的重位壓頭大于工質流動的摩擦阻力時，則在受熱強的管中，由于吸熱增加，而使工質流量減小，可能發生停滯和倒流的現象，使管壁溫度升高，而將受熱面管子燒壞。因此在下降流動的管組中，為了保證水動力特性的穩定，必須要有足夠的質量流速，使工質流動的摩擦阻力在各種條件下均能大于工質的重位壓頭。一般在設計時，應使額定負荷時的流動阻力超過重位壓頭的8倍。壓力越高、蒸汽焓增量越大，蒸汽流量分配的不均勻性越大、以及蒸汽進口濕度越大，則所需的質量流速越高。如質量流速不夠，則應加裝節流孔板。由于下降流動時存在這種水動力不穩定特性，因此在設計時，輻射過熱器應盡量采用上升流動的管組。輻射過熱器下降流動時的這種不穩定性在屏式過熱器、包墻管過熱器中也同樣可能發生。

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，可以保持鍋爐的嚴密性，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。

5. 再熱器

再熱器的結構與對流過熱器相似，也是由大量平行連接的蛇形管所組成。再熱器一般分成高溫段和低溫段，分別布置在水平煙道和對流豎井中。再熱器實際上是一種中壓過熱器，但與中壓鍋爐的過熱器相比，它又具有高的汽溫和大的流量，其工作條件比過熱器更為惡劣。

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，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。而且在再熱器中，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器進口壓力的10％，其中再熱器本身阻力占50％，連接管阻力占50％。由于這個原因，再熱器中蒸汽流速受到限制。此外，再熱蒸汽由于壓力低，比熱小，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，再熱器受熱面總是布置在煙溫稍低的區域，并需采用較大的管徑（42~60mm）和多管圈(直到6～8根)。采用強化傳熱管，可以改善再熱器的工作條件，譬如采用縱向內肋片管，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℃，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，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，這在國外巳得到相當的重視。