鍋爐本體省煤器培訓教材

鍋爐本體省煤器培訓教材一、概述省煤器布置在鍋爐煙道的尾部，進入這兩種受熱面的煙氣溫度也較低，所以把空預器和省煤器統(tǒng)稱為尾部受熱面或低溫受熱面。開始應用省煤器，是為了使給水在進入汽包前先在尾部煙道吸收煙氣熱量，以降低排煙溫度，提高鍋爐效率，節(jié)約燃煤量，所以稱為省煤器。省煤器能省煤是因為鍋爐給水溫度比汽包壓力下的飽和水溫度低很多，所以使用省煤器與使用蒸發(fā)受熱面相比，可以使煙氣溫度降得更低。在省煤器中工質(zhì)是強制流動，這樣不但使受熱面布置自由和緊湊，而且還可提高換熱系數(shù)。其次，由于給水溫度低，管子工作條件好，因此省煤器均為逆流布置，其傳熱溫差大。由于換熱系數(shù)和溫差的提高，所以降低同樣數(shù)值的煙氣溫度，所需的省煤器受熱面差不多僅為蒸發(fā)受熱面的一半，且小管徑的省煤器鋼管價格比水冷壁管低?，F(xiàn)代大容量電站鍋爐給水溫度提高，應用省煤器的目的：①為了減少蒸發(fā)受熱面，以價格低廉的省煤器受熱面代替價格昂貴的蒸發(fā)受熱面；②給水經(jīng)省煤器加熱后，溫度接近或達到汽包內(nèi)水的溫度。這樣進入汽包時可以減小給水與汽包壁的溫差，使汽包的熱應力降低，延長汽包使用壽命。二、省煤器省煤器按制造材料可分為鑄鐵式和鋼管式兩類。鑄鐵式省煤器強度不高，性脆，不能受沖擊，只能用于工作壓力低于4MPa的鍋爐，電站鍋爐已不采用。鋼管式省煤器體積小，重量輕，價格低廉，且可適用于任何壓力和容量鍋爐。電站鍋爐都采用鋼管式省煤器。按水在省煤器中被加熱的程度，省煤器可分為非沸騰式和沸騰式兩類。省煤器出口水溫低于飽和溫度的叫做非沸騰式省煤器；在省煤器出口處水已被加熱到飽和溫度并產(chǎn)生部分蒸汽的叫做沸騰式省煤器。中壓鍋爐由于水的汽化吸熱量占的比例大，而爐膛內(nèi)布置過多的蒸發(fā)受熱面會降低爐內(nèi)溫度水平，不利于煤的著火燃燒，所以采用沸騰式省煤器，這樣可以減少爐膛蒸發(fā)受熱面，縮小爐膛容積，提高爐內(nèi)熱強度。為避免管內(nèi)汽水分層和產(chǎn)生過大的流動阻力，影響鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性，一般要求沸騰式省煤器出口蒸汽含量不超過20％。隨著鍋爐壓力的提高，蒸發(fā)吸熱量比例減小，爐膛內(nèi)蒸發(fā)受熱面吸熱已大于汽化熱；同時又考慮在汽包內(nèi)用省煤器來的水清洗蒸汽，提高蒸汽品質(zhì)，因此高壓、超高壓和亞臨界壓力鍋爐都采用非沸騰式省煤器，且具有一定的欠熱。為減少金屬耗量，省煤器可采用小管徑光管彎制成的蛇形管結(jié)構。為使結(jié)構緊湊，應力求減小管束的縱向節(jié)距，即減小蛇形管的彎曲半徑；為不使彎頭外側(cè)管壁變薄過多而降低管壁強度。如圖2-1-1所示，省煤器蛇形管大多采用懸吊支承，省煤器進、出口聯(lián)箱放在煙道內(nèi)，避免因蛇形管穿過爐墻而造成漏風。吊桿采用管內(nèi)通水或通低溫過熱蒸汽冷卻的懸吊管，或是耐熱合金鋼支桿。也有的中小型電站鍋爐省煤器采用空心鋼梁支承。鋼梁外包裹絕熱涂料和耐火涂料，鋼梁內(nèi)通空氣冷卻。圖2-1-1鍋爐省煤器1-蛇形管；2-支桿；3-進口集箱；4-出口集箱；5-懸吊管；6-吊夾；7-再熱器進口集箱；8-隔墻管；9-爐墻；10-人孔為增加省煤器煙氣側(cè)換熱面積，強化傳熱和使結(jié)構更緊湊，可采用鰭片管省煤器或膜式省煤器。如圖2-1-2(a)所示，在蛇形管上焊接扁鋼鰭片結(jié)構，在傳熱量、金屬耗量和通風耗能量都相等的條件下，其受熱面的體積比光管省煤器小25％～30％。如果采用軋制鰭片管[圖2-1-2(b)]，則可使省煤器的外形尺寸縮小40％-50％。采用圖2-1-2(c)所示的膜式省煤器具有同樣的優(yōu)越性，且支吊方便。鰭片管省煤器和膜式省煤器還能減輕磨損。這是因為它們比光管省煤器體積小，所以在煙道截面尺寸不變的情況下，可以采用較大的橫向節(jié)距，以增大煙氣流通截面，降低煙氣流速，減少磨損。省煤器的布置有如下特點：（1）蛇形管水平布置，便于疏水，減少停爐期間的腐蝕。但當給水除氧不完善時，進入省煤器的水在受熱后放出的氧氣易于附著在管內(nèi)表面，造成局部的金屬腐蝕。經(jīng)驗表明，在水平省煤器管內(nèi)，水的流速大于0．3m/s時就可以避免金屬的局部氧腐蝕。對于沸騰式省煤器，水平布置時，在沸騰段易發(fā)生汽水分層，與蒸汽接觸的上部管壁由于蒸汽傳熱系數(shù)小，冷卻條件差而造成局部超溫損壞。其次，在汽水分界面處的金屬管壁，由于水面的上下波動，壁溫經(jīng)常上下交替變化，容易引起金屬疲勞破裂。為防止沸騰段汽水分層，要求沸騰式省煤器管內(nèi)水的流速不小于1.0m/s。圖2-1-2鰭片管省煤器和膜式省煤器(a)焊接鰭片管省煤器；(b)軋制鰭片管省煤器；(c)膜式省煤器(2)蛇形管錯列布置，結(jié)構緊湊，且可提高對流換熱能力和減少積灰。但管壁磨損稍嚴重些。大型電站鍋爐，為便于吹灰，許多省煤器采用順列布置。(3)管內(nèi)給水由下向上流動，管外煙氣由上向下流動，呈逆流傳熱方式，具有最大的傳熱溫差。同時水由下向上流動時，水中可能放出的少量氣體和蒸汽形成的氣泡易于排除，不易產(chǎn)生停滯和阻塞，有利于省煤器安全可靠運行。煙氣從上向下流動，有助于吹灰。(4)大型電站鍋爐的省煤器-—般為蛇形管垂直于前后墻布置。蛇形管垂直或平行于前后墻布置(圖2-1-3)各有特點。由于尾部豎井煙道的寬度大于深度，所以當蛇形管橫向節(jié)距一定時，垂直前后墻布置時管排數(shù)多，管內(nèi)流速低。容量較小的鍋爐，為達到所需水速，需采用平行于前后墻布置的方式。大型鍋爐的煙道寬度相對較小，又采用非沸騰方式，允許水速低，垂直前后墻布置已能達到所需水速。其次，由于煙道深度小，垂直前后墻布置時，蛇形管直段長度短，鋼管的鋼性好，支吊比較簡單。但從飛灰對管子磨損的角度來看，垂直前后墻布置較為不利。因在∏型布置鍋爐中，煙氣從水平煙道進入尾部豎井煙道時有一個90°的轉(zhuǎn)彎，在離心力的作用下，飛灰大部分集中于煙道后墻一側(cè)，所以每根管靠后墻一端都將受到較嚴重的磨損。而平行前后墻布置時，就只有靠近后墻的幾排管磨損較嚴重，損壞后只需更換幾排蛇形管即可。現(xiàn)代鍋爐省煤器都采用了防磨蓋板等措施，能有效防止管排被磨損。圖2-1-3aH型省煤器結(jié)構圖圖2-1-3b省煤器蛇形管的布置(a)垂直于前后墻；(b)平行于前后墻，雙面進水；(c)平行前后墻，單面進水(5)為便于檢修和清灰，對省煤器管組的高度有一定的限制。當蛇形管布置緊密、縱向相對節(jié)距s2／d為1.5時，管組高度不超過1m；布置較稀疏時，不超過1.5m。各管組之間需留有不小于600～800mm的檢修空間。省煤器與相鄰空氣預熱器之間的空間高度應不小于800～1000mm。省煤器管間煙氣流速通常為5.5—9m/s。煙溫在省煤器進口已降至600～700℃左右，飛灰顆粒已具有相當硬度，對管壁具有較強的磨損作用。而磨損速度與飛灰流動速度的三次方成正比，所以煙氣流速不能太高。但是，若煙速太低，飛灰容易在管壁上沉積。三、二期660MW超臨界鍋爐的設計參數(shù)660MW超臨界鍋爐省煤器額定負荷下的工作壓力29.06Mpa，進口水溫度為282℃，設計最大壓力為32.68Mpa，設計出口溫度為337℃，采用蛇形管的布置。主要的設計參數(shù)如表2-1-1所示。表2-1-1660MW超臨界鍋爐省煤器主要設計參數(shù)省煤器壓降（B-MCR）MPa0.23進口煙氣流速（B-MCR）m/s11.14出口煙氣流速（B-MCR）m/s8.76省煤器管排列方式順列省煤器管外徑mmΦ50.8省煤器管內(nèi)徑mmΦ36.8省煤器管節(jié)距mm112省煤器管材質(zhì)SA-210C省煤器管并聯(lián)管數(shù)3167省煤器管的防磨設施低煙速、大口徑管、順列、阻流板、防磨板省煤器總水容積m3133.65省煤器總壓降MPa0.23四、省煤器的磨損和防磨措施進入尾部煙道的飛灰由于溫度較低，具有一定的硬度，因此隨煙氣沖擊受熱面管排時，會對管壁產(chǎn)生磨損作用。特別是省煤器，進口煙溫已降至450℃左右，灰粒較硬，且采用小直徑薄壁碳鋼管，更易受到磨損損壞。因此，磨損是省煤器爆管在鍋爐“四管”爆破事故中占的比例較高的原因之一。含有硬粒飛灰的煙氣相對于管壁流動，對管壁產(chǎn)生磨損稱為沖擊磨損，也稱沖蝕。沖蝕有沖刷磨損和撞擊磨損兩種基本類型。兩種磨損的金屬流失過程的微觀形態(tài)是不完全相同的。沖刷磨損是灰粒相對管壁表面的沖擊角較小，甚至接近平行。灰粒垂直于管壁表面的分力使它鍥入被沖擊的管壁，而灰粒與管壁表面相切的分力使灰粒沿管壁表面滑動，兩個分力合成的結(jié)果起一種對管壁表面切削的作用。如果管壁經(jīng)受不起合力的切削作用，就有金屬顆粒脫離母體而流失。在大量飛灰長期反復切削作用下，管壁表面將產(chǎn)生磨損。撞擊磨損是指灰粒相對于管壁表面的沖擊角度較大，或接近于垂直，以一定的運動速度撞擊管壁表面，使管壁表面產(chǎn)生微小的塑性變形或顯微裂紋。在大量灰粒長期反復的撞擊之下，逐漸使塑性變形層整片脫落而形成磨損。一般在鍋爐受熱面的磨損過程中，飛灰對受熱面的沖擊角度范圍為0—90°，因此鍋爐受熱面的磨損是上述兩類磨損的綜合結(jié)果。1．省煤器積灰進入省煤器區(qū)域的煙氣已沒有熔化的飛灰，堿金屬（鈉、鉀）氧化物蒸汽的凝結(jié)也已結(jié)束，所以省煤器的積灰容易用吹灰方法消除。進入省煤器區(qū)域的飛灰，具有不同的顆粒尺寸，屬于寬篩分組成，一般都小于200μm，大多數(shù)為10～20μm。當攜帶飛灰的煙氣橫向沖刷蛇形管時，在管子的背風面形成渦流區(qū)，較大顆粒飛灰由于慣性大不易被卷進去，而小于30μm的小顆粒跟隨氣流卷入渦流區(qū)，在管壁上沉積下來，形成楔形積灰。省煤器受熱面積灰后，使傳熱惡化，排煙溫度升高，降低鍋爐效率，積灰可能使煙道堵塞，輕則使流動阻力增加、降低出力，嚴重時可能被迫停爐清灰。鍋爐運行時，為防止或減輕積灰的影響，除保證煙氣速度不能過低外，至關重要的是及時合理地進行吹灰，這是防止積灰行之有效的方法。確定合理的吹灰間隔時間和一次吹灰的持續(xù)時間尤為重要。本鍋爐省煤器設有排灰斗，安裝在位于省煤器的低位點的煙道轉(zhuǎn)折處,省煤器灰斗滿足儲存8小時排灰量，灰斗接口留有吊裝除灰設備及管道的空間，其荷載按3t/斗計算，每個灰斗的結(jié)構強度設計按照飛灰被壓緊后承重量與除灰設施的重量之和（飛灰的密度按照1.5g/cm3計算）。每個灰斗裝有1個氣密性人孔，人孔門可從內(nèi)部打開，在灰斗閘門出口附近裝有捅灰孔。省煤器灰斗下應設有除灰設備的安裝檢修維護平臺及扶梯?；叶返脑O計是以低負荷時的最大灰塵沉淀量為基礎，但不小于B-MCR工況下的總灰量8%(燃用設計煤種或校核煤種)。2．飛灰沖擊磨損的影響因素(1)煙氣速度的影響。受熱面管壁的磨損量與飛灰動能和飛灰撞擊管壁的頻率成正比?；伊幽芘c它的速度成二次方關系，撞擊頻率與其速度的一次方成正比。所以管壁的磨損量與飛灰的沖擊速度成三次方關系。當含灰氣流繞流受熱面時，灰粒與煙氣之間存在較大的滑移速度，很難求得灰粒的沖擊速度。為方便起見，采用煙氣速度代替。試驗研究表明沖擊磨損量與煙氣速度的三次方成正比，且n大于3，煙速在9～40m／s范圍時，n等于3.3～4.0。鍋爐尾部受熱面的煙氣流速較低，因此取n等于3.3。由此可知煙氣流速的提高將導致磨損量的迅猛增加。(2)管子排列方式的影響。對于錯列布置的管束，第二排每根管子正對第一排管兩管之間，灰粒流入管束后，由于流通截面的減小，隨煙氣一起被加速后直接沖擊在第二排管子上。因此，第二排管的磨損量比第一排大，約為第一排管的兩倍。以后各排的磨損量也大于第一排，但小于第二排。對于順列管束，由于后排管受到前排管的遮擋，第一排管磨損較嚴重。當含灰煙氣流均勻沖刷圓管時，由于周界各處受到的沖刷磨損和撞擊磨損各不相同。因此沿管壁周界各處的磨損量也不均勻。如圖2-1-4所示，對于順列或錯列第一排管，最大磨損位置在迎風面兩側(cè)圓心角等于45～60°之間。管徑大，角也大。對于錯列第二排管，最大磨損位置在等于30～45°之間。管徑大，角小，且灰粒直徑越大，角越小。(3)飛灰粒徑的影響。如圖2-1-5所示，當飛灰粒徑很小時，管壁的沖擊磨損量很小。隨著灰粒直徑的增大，磨損量隨著增大。當灰粒直徑大到某一臨界值后，磨損量幾乎不增加或增加緩慢。其原因是：在相同的飛灰濃度下，灰粒直徑越大，則單位容積內(nèi)顆粒數(shù)越少；雖然大顆粒沖擊磨損能力大，但由于沖擊到管壁的數(shù)目降低，因此管壁的磨損量增加不大。圖2-1-4磨損量隨圓心角的變化I一計算結(jié)果；Ⅱ一實驗數(shù)據(jù)圖2-1-5磨損量與顆粒直徑的關系(4)飛灰濃度的影響。如果飛灰濃度高，單位時間撞擊管壁的灰粒就多，磨損增加，因此管壁磨損量與煙氣中飛灰濃度成正比。(5)管壁材料硬度的影響。管壁的磨損量與被磨損材料硬度Hb和灰粒硬度Hh的比值有關。當Hb／Hh較小時，磨損量較大，當Hb／Hh超過一定值后，磨損量迅速降低。當Hb／Hh小于0.5—0.8時，稱硬磨料磨損，灰粒的硬度遠遠大于管壁硬度，管壁極易被磨損，此時管壁材料硬度改變，對磨損量大小影響不大。當Hb／Hh大于或等于0.5～0.8時，稱軟磨料磨損，此時增加管壁的硬度會迅速提高耐磨性。(6)管壁溫度的影響。由于管壁表面存在一層氧化膜，其硬度大于管子金屬，且隨著溫度升高，氧化膜硬度增大，因此，隨著管壁溫度的升高，磨損量降低。如圖3-2-28試驗曲線所示。當壁溫上升過高時，由于氧化膜與金屬的膨脹系數(shù)不同，部分氧化膜有可能與金屬分離或剝落，磨損量又會有所增加。圖2-1-6試驗曲線表明：20號碳鋼管最低磨損壁溫為350℃左右，12CrMoV合金鋼管為380～400℃。圖2-1-6相對磨損量E/E0隨管壁溫度tb的變化1-20號碳鋼管；2-12CrMoV合金鋼管；3-其它研究者的實驗(7)氣流方向的影響。當煙氣由上向下流動時，因受重力作用，灰粒不斷加速，從而加劇了對受熱面的沖擊磨損。相反，當煙氣自下向上流動時，重力作用使灰粒速度逐漸降低，灰粒越大，速度降低越明顯，從而降低了灰粒對管壁的磨損。因此，受熱面采用煙氣上行布置時可以延長使用壽命。(8)煙氣成分的影響。當煙氣中含有腐蝕性氣體，如SO2、O2、H20、H2S等時，在煙溫低于250℃時，腐蝕性氣體將對管壁產(chǎn)生腐蝕作用。當壁溫在300℃以上，煙氣中的O2、SO2也可能與壁面的氧化鐵層作用生成S03，對管壁產(chǎn)生硫酸鹽型腐蝕。這些腐蝕產(chǎn)物較容易被灰粒沖刷掉，暴露的金屬表面再進行腐蝕。因此，腐蝕與磨損交替進行，使總的磨損速度加快。試驗表明，在腐蝕性氣氛的煙氣中比在中性煙氣中的腐蝕速度快4～5倍。(9)煙氣走廊。在布置對流受熱面時，由于考慮熱膨脹等原因，蛇形管彎頭與爐墻之間有幾十毫米的間隙，見圖2-1-7。間隙處阻力小，煙氣流速遠大于截面平均流速。該間隙即稱為煙氣走廊。對煙氣走廊的研究表明，不但進口處煙速大于截面平均煙速，而且沿煙氣走廊煙氣流速不斷增加。對省煤器管束的模型試驗發(fā)現(xiàn)，第八排處的煙氣流速是第一排的1.5倍，第十六排處差不多是第一排的二倍。參見表2-1-2。圖2-1-7煙氣走廊示意圖s1/d=3.3;s2/d=2.43煙氣走廊增加的煙氣流量既來自走廊進口處煙氣的橫向流動，又來自管束間的煙氣橫向流動。橫向流動是因為氣流流經(jīng)受熱面管束時，管束的阻力系數(shù)大于走廊的阻力系數(shù)，在管束與走廊之間產(chǎn)生靜壓差，從而使得有一部分煙氣從受熱面管束不斷流向煙氣走廊，走廊內(nèi)的煙速不斷增加。綜上所述，煙氣走廊進口煙速取決于走廊進口的阻力系數(shù)和煙道橫截面流速的不均勻程度。煙氣走廊內(nèi)的煙速由走廊進口煙速及管束間煙氣橫向流動速度決定。而走廊內(nèi)的煙速增長只取決于煙氣的橫向流動速度。橫向流動速度與管束及煙氣走廊的結(jié)構有關。表2-1-2煙氣走廊中各排管處的最大流速3．尾部受熱面的防磨措施我國動力燃料以煤為主，且大部分是劣質(zhì)煤。所以鍋爐飛灰量多，尾部受熱面的磨損不可避免，加強防磨十分重要。下面討論受煙氣橫向沖刷的受熱面如何減少和防止飛灰磨損的措施。(1)設計時應合理選擇煙氣流速。磨損量與煙速的3次方成正比，若煙速增加1倍，磨損量將增加約10倍。所以合理選擇煙速將對減輕磨損起主要作用。一般鍋爐尾部受熱面的煙速為6～9m/s。近年來國外燃煤鍋爐在防磨對策方面主要是采用較低的煙氣速度，從根本上減輕磨損。例如，德國一臺300MW燃用磨損性很強的褐煤的鍋爐省煤器煙速僅為5.4m/s。波蘭華沙動力研究所對燃用灰分為25％～30％的褐煤鍋爐的省煤器平均煙速的推薦值為6.2m/s。(2)降低速度分布不均勻和飛灰濃度分布不均勻。磨損量也與速度分布不均勻系數(shù)Kw的3次成正比，而且有時往往是煙氣速度和飛灰濃度的分布都不均勻，而且速度較大處也是飛灰濃度最大處，因而造成局部受熱面嚴重磨損。例如∏形布置鍋爐的尾部豎井煙道靠后墻側(cè)的煙氣流速和飛灰濃度都較大，可在煙道轉(zhuǎn)彎處加裝導向板裝置，使流速和飛灰濃度盡可能均勻。又如煙氣走廊的流速增加很多，飛灰濃度也會有相應的增加，可按圖2-1-7所示加裝梳形管和護瓦。在煙氣走廊進口處裝梳形管能明顯改善走廊進口處的煙速分布，在蛇形管彎頭處裝置圖2-1-8所示型式的護瓦可較好降低管束間煙氣的橫向流動，阻止走廊內(nèi)煙速的增加，兩者組合則能更好降低煙氣走廊處的煙速和磨損。(3)在磨損嚴重部位裝置防磨裝置。許多布置在尾部煙道的低溫過熱器、低溫再熱器和省煤器，在每級的第一、