电站锅炉过热器和再热器的布置和特点

2023年12月27日发(作者：桃夭诗经)

电站锅炉过热器和再热器的布置和特点

一. 过热器与再热器结构型式

1. 对流过热器

对流过热器布置在锅炉的对流烟道中，主要依靠对流传热从烟气中吸收热量。在中小型锅炉中，一般采用纯对流式过热器，在大型锅炉中，采用复杂的过热器系统，然而对流过热器仍是其中主要的部分。

对流过热器有垂直布置和水平布置的两种型式。垂直式过热器通常布置在炉膛出口的水平烟道中，其优点是结构简单，吊挂方便，结灰渣较少，得到了广泛的应用。其主要缺点是停炉后管内积水难以排除，长期停炉将引起管子腐蚀。在升炉时，由于内积存部分水，在工质流量不大时，可能形成气塞而将管子烧坏，因此在升炉时应控制过热器的热负荷，在空气没有完全排除以前，热负荷不应过大。

布置在尾部竖井中的对流过热器以及塔式和箱式锅炉的过热器采用水平布置的方式。水平式过热器的优点是易于疏水排气，但支吊比较困难，在高烟温区通常采用管子吊挂的方式，以节省高合金钢的耗量。

对流过热器是由大量平行连接的蛇形管束所组成，其进出口与集箱相连，蛇形管采用外径为32-42mm的无缝钢管制成，壁厚3-7mm，由强度计算确定，过热器所用材料决定于其工作温度。吊挂和定距零件由于没有工质冷却，工作温度高，通常采用高Cr，Ni材料。

过热器的布置按蒸汽与烟气的流动方向可成顺流、逆流、双逆流或混流布置，如图2.7-1所示。逆流布置的温压最大，但工作条件最差，顺流布置的温压最小，耗用金属最多。一般在低烟温区采用逆流，在高烟温区采用混流布置。

图7-18 过热器中蒸汽与烟气流动方向图

（a） 顺流（b）逆流（c）双逆流（d）混流

过热器并联蛇形管的数目由蒸汽及烟气的流速确定。蒸汽流速系根据管子必须的冷却条件和流动阻力不致过大的原则来选取。通常过热器系统的总流动阻力应不超过过热蒸汽出口压力的10％。过热器中烟气流速根据管子不受磨损和不易积灰以及通过技术经济比较来选择，在燃煤炉中，一般为10～14m/s，在油炉和气炉中，则可提高到20m/s。为使过热器的烟气流速与蒸汽流速满足规定的要求，过热器蛇形管可以布置成单管圈或多管圈的型式。这样就可以在烟道截面不变的条件下，使蒸汽通道截面增加一倍或几倍，亦即在烟气流速不变

的条件下，可使蒸汽流速降低一半或更多。

过热器受热面一般总是放在烟温较高的区域，为减轻灰渣的粘结，同时考虑支吊的方便，多采用顺列布置，其横向节距s1/d=2.0～3.5，纵向节距取决于管子的弯曲半径。在对流竖井中可采用错列布置，其横向节距s1/d=3.0～3.5。当进口烟温较高，例如在1000℃左右时，为防止结渣，常把过热器管的前几排拉稀，亦即把管束中的一排拉成二排而成为错列布置。这样可使管束前几排的横向节距增加一倍。为了防止在管子间形成渣桥而堵塞烟遭，拉稀管束的节距应为：横向节距s1/d≥4；纵向节距s2/d≥3.5。

2. 半辐射屏式过热器

在现代高参数大容量锅炉中，蒸汽过热所需的吸热量增大，必然地把过热器布置在更高的烟温区域，以减少过热器的金属消耗量，但对于燃烧固体燃料的锅炉，对流过热器前的烟气温度受到结渣条件的限制，不能过于提高，因此，在炉膛出口处进入对流烟道之前布置几排稀疏的管屏，既吸收烟气流过时的对流热，又吸收炉膛中的辐射热及屏间烟气的气室辐射热，称为半辐射屏式过热器，应用得非常普遍。其主要优点为：

1) 利用屏式受热面吸收一部分炉膛和高温烟气的热量，能有效地降低进入对流受热面的烟气温度，防止密集对流受热面的结渣，并且减轻了大型锅炉炉膛壁面积相对较小，不敷布置辐射受热面的困难，因而扩大了煤种的适用范围。

2) 装置屏式过热器后，使过热器受热面布置在更高的烟温区域，因而减少了过热器受热面的金属消耗量。

3) 由于屏式过热器吸收炉膛辐射热，以及由于它布置在更高的烟温区域，并且有较大的气体辐射层厚度，气室辑射热量增加，使过热器辐射吸热的比例增大，改善了过热汽温的调节特性。

实践证明，屏式过热器能在1000~1300℃烟温区域可靠地工作，并具有稳定的汽温特性。

屏式过热器的结构见图2.7-2。其管屏由外径为32~42mm的无缝钢管组成，屏与屏间的节距s1=500～900mm，屏中管数由蒸汽流速确定一般为15~30根，各根管子之间的相对节距s2/d=1.1~1.25。屏悬挂在炉顶的构架梁上，受热后能自由地向下膨胀。为了增加屏的刚性，保持各屏之间的节距，可将相邻两屏中的任一管子互相夹持在一起，而各屏本身的管子也用管子夹紧，使其中的各根管子不能从屏的平面中凸出。

屏式过热器的各种布置见图2.7-3。其中前屏主要吸收炉膛辐射热，烟气冲刷不好，对流传热所占份额较小，其它各屏则同时吸收辐射热与对流热，为半辐射式。垂直布置与水平布置的优缺点与对流过热器相同，即垂直布置时的结构比较简单，支承方便；而水平布置的优点是在停炉时容易疏水。对于露天或半露天布置的锅炉，也有采用可以疏水的垂直布置的屏。

屏式过热器受炉膛火焰直接辐射，热负荷比较高，而屏中各管圈的结构和受热条件的差别又较大，因而屏式过热器的热偏差较大，特别是外圈管子，直接受到炉膛的高温辐射，工质行程又最长，因而流阻大，流量小，其工质焓增常比平均焓增大40～50％，容易超温烧坏；为了平衡各管圈的吸热偏差防止外圈管子超温，有许多改进的结构。如将每片屏的外圈管子采用较短的长度或用较大的管径，或将外圈管子交换到内圈里去等，也可将外圈管子采用更好的材料，以提高其工作可靠性。

为了提高屏式过热器的工作性能，根据国外的经验，按照全焊膜式水冷壁的方式，用鳍片管制造全焊膜式屏是一个有发展的结构，特别是用于结渣性燃料，与光管屏相比，其污染程度较小，在同样条件下，其吸热量约可提高12％。

图7-19 屏式过热器结构简图 1一连接管 2一扎紧管

图7-20 屏式过热器的布置

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. 辐射过热器(墙式过热器)

布置在炉膛壁面上的过热器直接吸收炉膛辐射热，称为辐射过热器，或称墙式过热器。

在高参数大容量锅炉中，蒸汽过热及再热的吸热量占的比例很大，而蒸发吸热所占的比例减小，因此，为了在炉膛中布置足够的受热面，就需要布置辐射过热器。同时布置辐射过热器对改善汽温调节特性和节省金属消耗是有利的，在国外已有了定的发展，特别是美国福斯特惠勒公司应用甚广。但是由于炉膛热负荷很高，辐射过热器管子的工作条件较差，因此对其安全性应特别注意，尤其在启动和低负荷运行时，问题更为突出。

辐射过热器的布置方式很多，如垂直地布置在炉膛壁面上，这样与水冷壁的配合比较方便。辐射过热器的管子可以布置在炉膛四壁的任一面墙上，它可以仅布置在炉膛上部，也可

以沿炉膛全高度布置，它可以集—中布置在某一区域，也可以与水冷壁管子间隔排列。把辐射过热器管子仅布置于炉膛上部的优点是可以使管子避开热负荷最大的火焰中心区，但是这种布置使水冷壁管的高度降低，对水循环的安全性不利。如沿炉膛全高布置，则处于火焰中心区的过热器管子的工作条件很差，在设计时应加以特别注意。 根据已有的运行经验，在正常工作条件下，辐射过热器中最大的管壁温度可能比管内工质温度高出约100-120℃，因此辐射过热器常作为过热器的低温段，并应采用较高的质量流速。为了提高辐射过热器管内的工质流速，必须减少并联管子的数目，因此常把过热器管分组，增加过热蒸汽的流动次数。这样还可使同一管组的宽度较窄，减轻炉膛热负荷分布不均匀的影响。

在工质下降流动的辐射过热器管组中，如果上下集箱间的重位压头大于工质流动的摩擦阻力时，则在受热强的管中，由于吸热增加，而使工质流量减小，可能发生停滞和倒流的现象，使管壁温度升高，而将受热面管子烧坏。因此在下降流动的管组中，为了保证水动力特性的稳定，必须要有足够的质量流速，使工质流动的摩擦阻力在各种条件下均能大于工质的重位压头。一般在设计时，应使额定负荷时的流动阻力超过重位压头的8倍。压力越高、蒸汽焓增量越大，蒸汽流量分配的不均匀性越大、以及蒸汽进口湿度越大，则所需的质量流速越高。如质量流速不够，则应加装节流孔板。由于下降流动时存在这种水动力不稳定特性，因此在设计时，辐射过热器应尽量采用上升流动的管组。辐射过热器下降流动时的这种不稳定性在屏式过热器、包墙管过热器中也同样可能发生。

4. 包墙管过热器

在现代大型锅炉中，为了采用悬吊结构和敷管式炉墙，在水平烟道和后部竖井的内壁，象水冷壁那样布置过热器管，称为包墙管过热器。这样可将水平烟道和后部竖井的炉墙直接敷设在包墙管上，形成敷管炉墙，从而可以减轻炉墙的重量，简化炉墙的结构。包墙管悬吊于炉顶，采用比较简单的全悬吊锅炉构架。包墙管的管径与过热器相同。管间节距，由光管组成时，s/d=1.1--1.2；采用膜式结构时，s/d=2--3。膜式包墙管在管与管间焊上扁钢，可以保持锅炉的严密性，减少漏风，并可节省钢管耗量。包墙管紧靠炉墙，仅受烟气单面冲刷，而且烟速较低，因此传热效果较差。

5. 再热器

再热器的结构与对流过热器相似，也是由大量平行连接的蛇形管所组成。再热器一般分成高温段和低温段，分别布置在水平烟道和对流竖井中。再热器实际上是一种中压过热器，但与中压锅炉的过热器相比，它又具有高的汽温和大的流量，其工作条件比过热器更为恶劣。

由于再热蒸汽压力低，蒸汽比容大，密度小，放热系数比过热蒸汽小得多，所以，再热蒸汽对管壁的冷却能力差，管壁温度超过管中蒸汽温度的程度大于过热蒸汽。而且在再热器中，热力系统的经济性受再热系统阻力的影响很大，例如再热系统的阻力增加0.1MPa，将使汽轮机热耗增加0.28％，因此在设计时，通常规定系统总阻力不大于再热器进口压力的10％，其中再热器本身阻力占50％，连接管阻力占50％。由于这个原因，再热器中蒸汽流速受到限制。此外，再热蒸汽由于压力低，比热小，对热偏差比较敏感，即在同样热偏差条件下，其出口汽温的偏差比过热蒸汽要大，而由于受到阻力的限制，又不能采用过多的混合和交叉措施。由于这些因素，使得再热器的工作条件比过热器中更差，为此，在设计时，再热器受热面总是布置在烟温稍低的区域，并需采用较大的管径（42~60mm）和多管圈(直到6～8根)。采用强化传热管，可以改善再热器的工作条件，譬如采用纵向内肋片管，由于管子内壁表面积增加，使蒸汽侧热阻减小，在同样工作条件下，可以降低管壁温度约20～30℃，因而可以提高管子工作的可靠性。

再热器中另一个重要问题是考虑在启停过程及汽轮机甩负荷时的保护问题。在汽轮机甩负荷时，再热器与过热器不同，在过热器中尚可通汽冷却，然后将蒸汽排向大气或凝汽器，

而在再热器中，则由于汽轮机甩负荷而中断蒸汽来源，使再热器有烧坏的危险。 为此，在过热器与再热器之间，装有快速动作的减温减压器，在启停和汽轮机甩负荷时，将高压过热蒸汽减温减压以后送入再热器中进行冷却，再热器出口的蒸汽则再经减温减压以后排入凝汽器或排入大气。减温减压器的容量一般为锅炉额定蒸发量的25～30％，要求快速动作，开启时间3～5秒钟左右。为了简化再热器的保护系统，在锅炉设计中，可将再热器布置在进口烟温低于850℃的区域中，并采用合适的钢材，则在锅炉启停和汽轮机甩负荷时，可允许再热器短时间干烧，因而可以省掉蒸汽旁路，使系统简单，节省投资，这在国外巳得到相当的重视。