锅炉原理-第4章-过热器

2023年12月27日发(作者：习惯决定)

第4章 过热器与再热器

4.1 过热器与再热器的结构型式

过热器的作用是将蒸汽从饱和温度加热到额定的过热温度。在锅炉负荷或其它工况变动时，应保证过热温度的波动处在允许的范围之内。在现代电站锅炉中，蒸汽过热器是锅炉的一个必备的重要部件，在很大程度上影响着锅炉的经济性和运行安全性。

在工业锅炉中，一般采用饱和蒸汽，常把过热器看作为辅助受热面，过热汽温不超过400℃，通常布置在对流管束中间的烟温小于700～800℃的区域中，工作是可靠的。

在电站锅炉中，提高过热蒸汽的参数是提高火力发电站热经济性的重要途径。过热蒸汽参数的提高受到金属材料的限制。过热器的设计必须确保受热面管子的外壁温度低于钢材的抗氧化允许温度并保证其机械强度。随着锅炉用金属材料的发展，我国电站锅炉已普遍采用了高压高温（9.8MPa，540℃）和超高压参数（13.7MPa，540和555℃），并已发展亚临界压力参数（16.7MPa，540和555℃），国外已有不少锅炉采用超临界压力（24.5MPa，540～570℃）参数，也有个别机组采用更高的压力和温度参数。

随着蒸汽压力的提高，为了减少汽轮机尾部的蒸汽湿度以及进一步提高电站的热经济性，在高参数电站中普通采用中间再热系统，即将汽轮机高压缸的排汽再回到锅炉中加热到高温，然后再送到汽轮机的中压缸及低压缸中膨胀作功。这个再加热的部件称为再热器。

通常把高压过热器中加热的蒸汽称为（一次）过热蒸汽，再热器中加热的蒸汽称为再热蒸汽（二次过热蒸汽）。再热蒸汽的参数与热力循环的经济性有关。一般，再热蒸汽的压力大致为过热蒸汽压力的五分之一左右，温度与一次过热汽温相近。例如我国125MW，400t/h锅炉中，过热蒸汽的参数为13.7MPa，555℃；再热蒸汽的进出口压力为2.5／2.35MPa，温度也为555℃。200MW，670t/h锅炉中，过热蒸汽的参数为13.7MPa，540℃；再热蒸汽进出口压力为2.7／2.5MPa，温度也为540℃。300MW，600MW亚临界压力控制循环锅炉，过热蒸汽参数为18.27MPa，540℃；再热蒸汽进出口压力为3.83/3.63MPa，温度也为540℃。应用蒸汽再热系统可使电站的热经济性提高约（4～5）％，我国125MW以上机组都采用一次中间再热系统，国外有些更高参数

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的机组有的采用二次中间再热系统。

在现代锅炉中，过热器和再热器的吸热量将占工质总吸热量的50％以上，因此，过热器和再热器受热面在锅炉总受热面中占了很大的比例，必须布置在更高的烟温区域，其工作条件是锅炉受热面中最为恶劣的，受热面管壁温度接近于钢材的极限允许温度，因此过热器和再热器受热面的合理布置和设计对整台锅炉的经济性和可靠性有很大的影响。在设计时，应在保证过热器和再热器安全可靠工作的基础上力求节省金属，特别是节省合金钢材的消耗量。

按照传热方式，过热器可分为对流、辐射及半辐射三种型式。现代大型电站锅炉均采用复杂的辐射－对流多级布置的过热器系统，过热器管则根据管内工质温度和热负荷大小分别采用不同的材质和壁厚。再热器实际上是一种中压过热器，其工作原理与过热器是相同的，但是由于中压蒸汽的放热系数较低，比热较小，其管壁温度更为严重，因此，再热器通常仅采用对流式，而且布置在烟温稍低的区域。

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，图2-15 工业锅炉过热器型式

a)垂直式 b)水平式

然而对流过热器仍是其中主要的部分。

图2-16 中压130t/h锅炉垂直式对流过热器简图

对流过热器有垂直布置和水平布置的两种型式。工业锅炉中过热器的型式如图2-15所示。垂直式过热器用于立式水管锅炉，水平式过热器用于卧式水管锅炉。

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在电站锅炉中，垂直式过热器（多用于П型）通常布置在炉膛出口的水平烟道中，图2-16所示为一中压130t/h锅炉的过热器简图。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，由于管内积存部分水，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，在高温烟区通常采用管子吊挂的方式，以节省高合金钢的耗量。

对流过热器由大量平行并列的蛇形管所组成,其进出口与集箱相连,蛇形管外径通常采用φ32, φ38, φ42mm的无缝钢管，壁厚3～7mm，由强度计算确定。过热器所用的材料取决于工作温度。过热蒸汽温度低于425℃的小容量锅炉，过热器管可全部采用碳素钢管；对于450℃的中图2-17 过热器中蒸汽与烟气流动方向布置图

压锅炉，通常低温段采用碳素钢管，高温段采用低合金钢管；对于高压锅炉的过热器通常采用优质合金钢管。但是对于奥氏体高合金钢，则由于其冶炼复杂，价格昂贵，应尽可能不用或少用。

过热器的布置按蒸汽与烟气的流动方向可分为顺流、逆流、双逆流或混流布置，如图2-17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。—般在低烟温区采用逆流，在高烟温区采用混流布置。

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图2-18 过热器管圈型式

a)单管圈 b)双管圈 c)三管圈

为保证过热器中工质流速，过热器蛇形管可以布置成单管圈或多管圈，如图2-18所示。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。在现代大型锅炉中，常采用多管圈的型式。相反，在小型锅炉中，由于烟道宽度相对过大，为提高蒸汽流速，可在集箱内装置隔板，将过热器受热面沿烟道宽度方向分成几组，串连成二段或三段，如图2-19所示。

过热器受热面一般总是布置在烟气温度较高的区域。为减轻灰渣的粘接，为吹灰的方便以及支吊的简便，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及管圈的结构。如过热器入口烟温较高，为防止过热器结渣，常把过热器前几排拉稀，亦即把管束中的一排拉成二排而成为错列布置，如图2-20所示，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道，拉稀管束的节距与管径之比应为：横向节距与管径之比s1/d≥4.5，纵向节距与管束之比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空辐射热，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

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图2-19 过热器受热面沿烟道宽度串联布图2-20 对流过热器前排管束的拉稀

对较小，不能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，使过热器受热画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，气室辐射热量增加，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2-21。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2-22。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；而水平布置的图2-22 屏式过热器的布置

a)后屏 b)大屏 c)半大屏d)前图2-21 屏式过热器结构简图

1-相邻管屏间的定位扎紧管

2-屏本身的扎紧管

屏

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。

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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，特别是外围管子，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40～60％，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，见图2-23。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。

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，称图2-23 屏式过热器防止外圈管子超温的改进措施

a)外圈两圈管子截短 b)外圈一圈管子短路

为辐射过热器，或称墙式过热器。在高参数大容量锅炉中，尤其是在有再热器的锅炉中，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少，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。在大型锅炉中，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，在国外已有一定的发展，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。

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辐射过热器的布置方式很多，在自然循环锅炉中，通常是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图2-24 辐射过热器连接系统简图

a)单流系统 b)双流系统 c)对称布置的双流系统

心，但是这种布置使水冷壁的高度降低，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，在采用15CrMo钢作为管子材料时，其出口工质温度不宜超过400℃，在用12Cr1MoV钢时，不宜超过450℃，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，如图2-24所示。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。

已有的运行经验表明，在正常工作条件下，辐射过热器的工作是安全可靠的，重要的问题是如何保证启动时管子的冷却。因为在此期间，炉膛热负荷已很高，而管内工质流量很小，因此容易将管子烧坏。在启动时，辐射过热器的冷却方式有以下三种：（1）用水冷却。由于此种冷却方式的系统和操作均较复杂，也不能保证工作的可靠性，因此已不大采用。（2）用外来蒸汽冷却。采用这种冷却方式虽然比较简单，但必须有其

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图2-26 64kg/s(230t/h)高压锅炉过热器布置

它锅炉供汽。对于大容量锅炉，消耗的蒸汽量相当可观，一般需额定蒸发量的10％左右。（3）自生蒸汽冷却。这种方法比较简单，仅需加装两个启动用的重油喷嘴，其位置应使火焰中心远离辐射过热器，而靠近蒸发受热面管子，这样既可避免烧坏过热器管子，又可加快蒸汽的产生。

我国生产的高压和超高压自然循环锅炉中，仅采用布置在炉顶的辐射过热器，而未采用布置在四周炉壁的辐射过热器，这显然是从安全可靠的角度里考虑的，但是随着锅炉的发展，辐射过热器必然要得到更多的采用。

图2-25 64kg/s(230t/h)高压锅炉过热器流程及汽温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，可以保证锅炉的严密性，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。

4.2 过热器的热偏差

烟气在离开炉膛时，由于炉内传热的规律，离水冷壁较近的烟气温度较低，而中间的烟气温度较高，同时左右侧烟气温度也常不相同，有偏差。受热不均匀就会使受热面中工质产生热偏差，有时还会使受热面超温。例如，某锅炉的最后一级过热器应将蒸汽过热到540℃，虽然通过汽温调节，得到了540℃的蒸汽，但是在存在热偏差的情况下，这540℃的蒸汽是混合后的数值，在混合前有一部分蒸汽已超过540℃，另一部分却不到540℃。对温度高于540℃的蒸汽来说，它的受热面的温度也比较高，有时

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会超过允许的温度而烧坏。因此，在锅炉设计中应尽量减小热偏差。

在过热器工作过程中，由于烟气侧和工质侧各种因素的影响，各平行管中工质的吸热量是不同的，这种平行管列工质焓增不均匀的现象称为热偏差。为了对这种现象有一个数量上的估计，常把平行管子中偏差管内工质的焓增ip和整个管组工质的平均焓增ipj之比称为热偏差系数，或简称热偏差：

ipipj

上述热偏差的定义对管组中任何一根管子都可用，但最应关心的是焓增最大的那些管子，因此通常说某个管组的热偏差是指该管组中焓增最大的那些管子，并把这些管子称为偏差管。

工质焓增量的大小决定于管子的热负荷q、受热面A和通过管子的工质质量流量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称为热力不均匀系数，ApApjjg称为结构不均匀系数，GpGpjsl称为水力不均匀系数。则可得出：rljg。

sl由此可见，过热器的热偏差决定于管子的

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图2-30 过热器入口、出口联箱图2-32 过热器入口、出口联图2-31 过热器入口、出口联箱箱

热力特性，水力特性和结构特性。由于过热器是锅炉各受热面中工作条件最差、受热面金属工作温度最高的部件，其管壁温度已经接近于管子金属的允许温度，因此在设计布置过热器时，必须综合考虑各方面的因素，使各平行管的工作温度尽可能均匀一致，以防止某些管子工作温度过高，超出允许温度，造成过热器损坏。在现代大型锅炉的设计中，主要是根据热负荷分布规律，使通过各管子的工质流量与各管子的热负荷相适应，即在热负荷高的管中能有较多的流量，而在热负荷低的管中则通过较少的流量。

对于结构不均只对屏式过热器而言，但影响较小。

对于水力不均如图2-30，2-31，2-32所示。在过热器入口、出口联箱采用Z型布置方案（见图2-30）时，显然左侧管圈的压差较小而右侧较大。这当然是个不好的方案。在联箱的连接方案采用П型布置方案（见图2-31）时，则各管圈入口、出口间的压差基本上相同，是较好的方案，也是在过热器上常常采用的方案。图2-32中的方案的联箱由几根管引入、引出，联箱中工质纵向流速较低，因此静压的变化较小，各管圈的压差较均匀，也是在过热器中常用的方案。此外，还可在端部引出的汇集集箱的两端并联一根较粗的管子（如φ159mm），见图2-33，称为分流管，分流掉部分蒸汽流量，使主集箱内的流量减少，可以减小沿集箱长度方向的静压差而使偏差减小，取得了较好的效果。

对于热力不均：锅炉炉膛中烟气的温度图2-33 用分流管减小过热器偏差

场和速度场的分布不均匀是造成过热器热力不均匀的主要原因。在一般运行条件下，由于炉膛四壁布满水冷壁，因而靠炉膛的烟气温度远比中间温度低，同时，中间部分烟气流速较快，使对流传热加强。一般在炉膛出口的对流过热器中，沿宽度的热力不均匀约为（20～30）％；炉膛受热面（辐射过热器）沿宽度的热力不均匀约为（30～40）％。此外，在炉膛中，如果火焰充满情况不好，各个燃烧器负荷不一致，煤粉和空气送入不均匀，在炉膛上部或过热器区域的局部地区发生煤粉再燃烧或炉膛中部分水冷壁严重结渣等因素，均将加剧过热器的热偏差，应尽量避免。

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在对流过热器中，如果在管束中形成烟气走廊，即在个别蛇形管之间具有较大的烟气流通截面，则在该处由于烟气流动阻力而使烟气流速加快，因而对流传热加强；如气走廊的宽度较大，则该处由于具有较大的辐射层厚度又使辐射吸热量增加，热力不均更加增大。形成烟气走廊的原因很多，可能于结构不合理，例如在过热器管之间穿插蒸热面管子，见图2-34；也可能是由于安装不格，没有保证过热器管之间的节距；有时可由于在运行中发现过热器受热面太多而将图2-34 形成烟气走廊的过热器结构

较小果烟烟气匀性是由发受严能是一些排数的蛇形管割除；也可能是在运行中个别蛇形管爆管损坏而将它割除等，均将引起管间节距不均匀而形成烟气走廊，故应尽量避免。

在屏式过热器中，由于最外一圈管子直接受火焰辐射，吸热量最多，热力不均匀性更要大些。

由于烟气侧热力不均匀性的影响，使某些管中的工质焓增量超过平均值，而在受热强的管中，由于工质温度较高，比容较大，流动阻力增加，更使工质流量减小，即水力不均匀性增大，更加加大了管子的热偏差。

减轻热偏差的方法：由于过热器工质侧水力不均匀性和烟气侧热力不均匀性的影响，使过热器各平行管列中各蛇形管的焓增不同而造成热偏差，尽管在运行中或结构上采取了各项措施，但是由于实际工作的复杂性，要完全消除是不可能的。为了减小过热器的热偏差，可以：（1）合理设计受热面结构；（2）减轻热力不均，使温度场、速度场均匀，消除烟气走廊，均匀混合，增大炉膛中火焰的充满度，避免污染和二次燃烧；（3）“交叉”的办法是消除烟道左右侧温度不均的有效方法，如图2-35。如果左侧烟气温度高，左侧受热面吸热强，则可以在蒸汽离开第一级过热器时使之左右交叉，原吸热较强的蒸汽流到吸热较弱的右侧，原来吸热较弱的右侧的蒸汽流到图2-35 过热器中蒸汽流动“交叉”吸热较强的左侧。在两极焓增相差不多时，即可将热偏差抵消。

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4.3 过热器的系统布置

蒸汽压力MPa

过热蒸再热蒸汽温汽温加热热% 蒸发热% 过热热% 再热热%

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

不通蒸汽参数的锅炉加热热、蒸发热、过热热和再热热的分配比例

给水温度℃

图2-25～2-27给出了高压锅炉过热器系统图布置图，以加强同学们的记忆，系统认识整个过热器系统。对于低压小容量锅炉，过热汽温不高，比较简单，一般采用纯对流过热器，布置在对流管束之间烟气温度不超过700～800℃的烟道内，采用逆流图2-27 64kg/s(230t/h)高压锅炉过热器蒸汽系统

2-29

－图12－

屏式过热器与对流过热器连接系统

图2-28 辐射过热器与对流过热器连接a)屏－对流连接 b)对流－屏－对流连

布置。对于中压锅炉，也采用纯对流过热器，布置在炉膛出口的水平烟道中。过热器分成两级，蒸汽的低温级布置在烟气的低温部分，采用碳钢作为材料，常用逆流布置；蒸汽的高温级布置在烟气的高温部分，部分或全部应用低合金钢作为材料，常用混流布置，使蒸汽的最高温度处布置在烟温比较适中的地方。在高压和超高压以上锅炉中，广泛采用屏式过热器，也有用辐射式过热器，组成辐射－对流式过热器系统，如图2-28所示。

屏式过热器的布置原则与辐射过热器相同，其与对流过热器的连接系统如图2-29所示。

1、下面我们来看屏出入口集箱的连接方式：

首先提出问题和解决方式：

我们前面学过热偏差的三个原因：结构不均、热力不均和水力不均。在屏式过热器里，这三种不均都存在。屏的最外圈管子最长且热负荷最大，为了减少热偏差，我们应该尽量使最外圈管的静压差最大，流动的动力最强，尽量增加最外圈管的流量。

下面我们来看这四种连接方式：第一种连接方式，最外圈管在入口集箱处，流量最大，静压最小；而最外圈管在出口集箱处，流量最小，静压最大，所以，最外圈管的静压差最小，这种连接方式不好。第二种连接方式：最外圈管在入口集箱处，流量最大，静压最小；而最外圈管在出口集箱处，流量最大，静压最小，所以，最外圈管的静压差和其他管的静压差差不多，这种方式不太好。第三种连接方式：，最外圈管在入口集箱处，流量最小，静压最大；而最外圈管在出口集箱处，流量最大，静压最小，所以，最外圈管的静压差最大，这种连接方式较好。为什么较好，因为我们来看，蒸汽从右侧流向左侧，为逆流，我们在讲过热器的流动方式讲过，逆流温压最大，但壁温也要增加。第四种方式，静压差最大，且用顺流方式，连接方式最好。

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4.4 过热器的汽温变化特性

在运行过程中，过热蒸汽及再热蒸汽温度随着锅炉负荷、燃料性质、给水温度、炉膛过量空气系数以及炉膛出口烟温等的变化而有较大的波动。如汽温过高，则将引起金属材料损坏，例如12CrlMoV钢在585℃时考虑的10万小时持久强度，在595℃时，3万小时就将丧失其强度。如汽温过低，则将影响热力循环的效率，并使汽轮机尾部的蒸汽湿度过大。一般汽温降低10℃，相当于多耗燃料0.2％，对10MPa，540℃的蒸汽，汽温降低10℃，将使汽轮机出口的蒸汽湿度增加约0.7％。再热汽温变化过于剧烈，还将引起汽轮机中压缸的转子与汽缸间膨胀差的变化，甚至引起汽轮机的剧烈振动，危及机组安全运行。为此，一般要求当负荷在70％～100％额定负荷范围内时，其蒸汽温度与额定汽温的偏差值应不大于+5℃和－10℃。为此必须对汽温进行调节，以保证汽轮机安全经济的运行。

蒸汽侧（工质侧）因素：锅炉负荷变化时，对流过热器与辐射过热器的汽温变化特性是相反的。由图2-36可见，在对流过热器中，随着负荷增加，蒸汽的焓增增大，过热蒸汽温度升

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图2-36 过热汽焓增与锅炉负荷的

高。这是由于在负荷增加时，燃料消耗量增大，产生的烟气体积也随之增加，导致烟气流速加大，从而使烟气侧对流放热系数增高；同时由于燃料消耗量增加使烟气温度升高，使传热温差增大，因而使对流过热器吸热量增加的值超过负荷增加，从而使工质的焓增（idBjQdDKtH，kJ/kg）增加，因此锅炉负荷增加时，对流过热器的D出口汽温将要增加。在辐射过热器中，则与此相反，随着锅炉负荷增加，由于炉膛火焰的平均温度变化不大，辐射传热量增加不多，跟不上蒸汽流量的增加，因而使工质的焓增（ifBjQfD，kJ/kg）减小。因此，随锅炉负荷增加，辐射过热器的出口汽温是下降的。在设计过热器时，如果同时采用辐射与对流过热器，并保持适当的吸热量比例，则可得到比较平稳的温度特性，如图中曲线3所示。

锅炉运行过程中，如负荷未变而给水温度发生变化，也会影响汽温的波动。当锅炉给水温度降低时，使锅炉的总吸热量增加，其燃料消耗量也必须相应的加大，造成对流过热器入口烟温和烟气流速的提高，导致对流过热器吸热量增多，使汽温升高。在一般情况下，锅炉给水温度变化不大，对汽温变化影响较小。只有当电厂的高压加热器解列时，才会造成给水温度显著变化，此时它不仅影响过热汽温波动，同时也降低了电厂的热经济性。根据运行经验，给水温度每降低10℃，将使过热汽温增加约4～5℃。国内不少电厂，由于高压加热器未曾投入运行，使给水温度比设计值约低60℃，这将引起过热汽温升高约30℃，因而是引起过热器超温的一个重要因素。还应注意，高压加热器不能投入运行，还将影响电厂的效率，引起燃煤量增加5～6％，天长日久，这笔损失是相当惊人的。

烟气侧因素：炉膛过量空气系数的变化对过热汽温有显著的影响。如过量空气系数增加，则由于炉膛温度水平降低而使辐射吸热量减少，故辐射过热器的出口汽温将要降低。在对流过热器中，则由于烟气流速增加而使对流吸热量增加，因而对流过热器的汽温增加，而且沿烟气流程，愈往后其增加的比例愈大。在屏式过热器中，则影响较小。一般锅炉以对流过热器为主，随过量空气系数增加，将使过热汽温升高。根据运行经验，过量空气系数增加10％时，过热汽温可增加10～20℃，而低温段过热器中增加的量比高温段中增加的量要大得多。但是必须指出，虽然改变炉膛过量空气系数将使过热汽温变化，可是不能用来作为调节过热汽温的手段。因为增加过量空气将使排烟损失增加，而过量空气系数过低，将使燃烧不完全，因而都是不合理的。

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燃料变化，主要是煤中水分和灰分变化，也要影响过热汽温。如水分和灰分增加时，由于燃料发热量降低而必须增加燃料消耗量，从而使对流过热器的烟速增加，而使对流传热增强，对流过热器的汽温将要增加；在辐射过热器中，则由于炉膛温度降低，而使辐射吸热减少，其出口汽温将要降低。一般煤中水分增加1％时，过热汽温约增加1℃左右。灰分的影响因素较多，如灰分增加，将使着火恶化和燃烧过程延迟以及受热面沾污情况变化，因而比较复杂。在液态排渣炉中，还因灰分特性温度的变化而引起过热汽温波动。例如当灰熔点增高时，因液态渣层厚度增加而使炉膛出口烟温升高，引起过热汽温增加。如果燃料种类改变，过热汽温变化将更大。例如煤粉炉改烧重油时，则由于重油火焰的发光性和炉膛热有效系数均比煤粉时大，使炉膛吸热量增加，因而辐射过热器的吸热量增加，而对流过热器的吸热量则下降。

炉膛出口烟气温度的变化直接影响过热汽温。这种情况影响因素较多。如燃烧器型式和布置、煤粉细度、配风方式等都能引起汽温的变化。锅炉运行中，如炉膛结渣、火焰中心移动、炉膛上部或过热器区发生局部再燃，以及受热面本身积灰、结渣等，都会使过热汽温发生波动。

锅炉在运行中，汽温的波动是不可避免的，为保证锅炉和汽轮机工作的安全性与经济性，必须装有可靠的汽温调节装置。

4.5 过热蒸汽温度的调节

对汽温调节方法的基本要求：①锅炉工况发生变化时，应自动迅速的调节过热汽温，热惰性和延迟性要小；②对过热器要有保护作用，同时调节范围要广；③本身结构简单，运行可靠，体积小；④不影响蒸汽品质，对循环效率影响小；⑤不过分的降低锅炉的经济性，附加的金属和设备的消耗要小，为调节汽温不要过分的加大过热器的受热面积。

为使过热器的汽温有平坦的温度特性，在高压锅炉上宜采用辐射式过热器与对流过热器复合式结构。为保证汽温在允许的范围内波动，常采用以下两种汽温调节方法：

① 蒸汽侧调节汽温

这种调温方法是减少蒸汽热焓，使汽温达到所需要的温度。常采用的设备是面式减温器和喷水减温设备。

面式减温器

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它是一种管式汽水换热器，利用锅炉的给水或炉水来冷却蒸汽温度，达到调节过热汽温的目的，如图2-37所示。这种减温器主要优点是水与蒸汽不直接接触，因此对水质没有特殊的要求，在中小锅炉中应用较多。

采用面式减温器调温，只有在锅炉负荷大于70％的额定负荷时，减温器才投入工作。这是因为在设计减温图2-37 面式减温器简图

1-减温器集箱 2-U形管

3-冷却水进口集箱 4-冷却水出口器时应考虑一定的调温焓，在70％额定负荷时，有额定的汽温，当负荷增加，汽温相应升高，则减温器投入工作。因此这种减温器使对流过热器受热面增加，调温幅度越大，金属耗量越多。一般面式减温器的调温焓Δi＝62～84kJ/kg。

图2-37表示用给水冷却的面式减温器简图，冷却水在U形管管内流动，蒸汽在管间通过，改变冷却水量即可调节过热汽温，减温器筒体可同时作为过热器集箱。U形管进口与出口在筒体外分别用小集箱连接，在管子穿出筒体的地方用套管保护，以使筒体不受温度应力。

这种减温器结构的缺点是由于蒸汽引入管与引出管离减温器端部有一段距离，使得靠端部的蒸汽具有较多的冷却面积，其冷却程度较大，引起过热器各蛇形管中的工质温度分布不均匀，即靠端部的蛇形管中的蒸汽温度低，单这个原因，可使过热蒸汽的温度偏差达10～20℃，通常称减温器的这种现象为“端部效应”。

在过热器系统中，减温器可以布置在过热器出口端、进口端或两级过热器之间。布置在出口端时，因对过热器失去保护作用，因此在电站锅炉中是不采用的。布置在进口端时，其优点是减温水不会发生汽化，减温器的工作比较可靠，但是这种布置的调节惯性大，而且在减温器中蒸汽冷凝，形成大量冷凝水，分配不易均匀，造成很大的热偏差，有时在个别蛇形管中形成水塞而将管子烧坏，因而在目前已用得很少。现在较多采用的是将减温器布置在两级过热器之间，既能保护高温段过热器，而调节惯性又较小，而且由于进入减温器的蒸汽温度较高，传热温差较大，因而可以减少传热面积，缩小减温器尺寸。其缺点是由于蒸汽温度较高，在降低负荷时通过的减温水量减少，可能引起减温水蒸发而造成水击或部分蛇形管冷却不够而过热损坏的现象。为了避免这些问题，通过的减温水量不能太少，因而限制了减温器的调节幅度。

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冷却水常用给水。在给水系统中，面式减温器与省煤器的连接可以并联，也可以串联。并联系统是一部分给水通过减温器，一部分给水通过省煤器，然后在省煤器后汇合进入锅筒。这种方式有较大的缺点，因为通过减温器的水量较大，常占总给水量的30％～40％，有时甚至达50％～60％，这就使通过省煤器的水量较少，而且经常变化，造成省煤器的工作不可靠。因此，一般采用串联布置的方式，其系统见图2-38。减温水由给水管路中抽出经减温器后仍回到给水管路进入省煤器。采用串联布置的缺点是由于提高了省煤器的进口水温，要提高排烟温度或者增加省煤器的受热面。

除了用给水作为减温水外，有些锅炉还采用锅筒中的炉水作为减温水。其主要优点是由于炉水温度为饱和温度，蒸汽不会冷凝，因而不会引起凝结水分配不均匀的问题。其主要缺点是炉水图2-38 面式减温器与省煤器串联连接系统

1-过热器 2-减温器 3，4-冷却水进口及出口 5-含盐量大，如渗漏到过热蒸汽中将影响蒸汽品质，以及由于传热温差小，减温器的尺寸很大，因而在目前已很少采用。

喷水减温器

喷水减温器是大容量锅炉调节过热汽温的主要方法。在喷水减温器中，喷入的水与蒸汽直接混合，使蒸汽焓降低，达到汽温调节目的。因而对喷入水的水质要求很高，应保证蒸汽中的含盐及含硅量在规定范围内。

在大型发电厂中锅炉给水品质较好，可直接用来作为喷射水，当给水质量达不到要求时，可采用自制冷凝水作为喷射用水，但该法系统较复杂。

② 烟气侧调节汽温

烟气侧调节汽温是从烟气侧改变过热器的吸热量，从而达到汽温的调节。常用的方法有以下几种：

烟气再循环

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其工作原理是将省煤器后温度为250～350℃的一部分烟气，通过再循环风机送入图2-39 烟气再循环对锅炉热力特性的影响

a)再循环烟气从炉膛下部送入 b)再循环烟气从炉膛上部送入

炉膛，改变过热器入口的烟气温度和烟气量，达到对汽温调节的目的。因此它与再循环烟气量，烟气抽出位置与送入炉膛的位置有关，如图2-39所示。当再循环烟气从炉膛下部送入时，随着再循环烟气量的增加，由于炉内温度降低，辐射吸热量减小，而炉膛出口烟温变化不大。但在对流受热面中，由于烟气量加大，使吸热量增多，使汽温升高。

再循环烟气从炉膛上部送入时，此时炉内吸热量变化不大，炉膛出口烟气温度明显下降，使高温段过热器吸热量减少，但后部受热面由于烟速提高吸热量加大。采用此种方法其主要目的是用来降低和均匀炉膛出口烟温，防止对流过热器结渣，并减少热偏差，保护屏式过热器和高温段过热器工作安全性。因此，常采用再循环烟气送入炉膛上部与下部的方法。负荷降低时，从炉膛下部送入，起调温作用。高负荷时，从炉膛上部引入，起保护高温对流受热面作用。

此外，在现代锅炉中，还常采用烟气再循环来降低炉膛热负荷，防止管内沸腾传热恶化的发生，以及抑制烟气中氧化氮的形成，减轻对大气的污染。

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采用此种方法的缺点是要用耐高温的再循环风机，厂用电消耗增加，在煤粉炉中易造成受热面、风机等的磨损。

烟气旁通

利用旁通烟道的挡板开度改变过热器的烟气流量来调节汽温。此种调节方法在小容量锅炉及再热器的汽温调节中，应用较多，如图2-40所示。把对流竖井分成两个并联烟道，在主烟道布置再热器（无再热器时为过热器），旁路烟道中布置过热器或省煤器，也可不布置受热面。

当负荷变化时，调节挡板开度，改变通过旁通烟道的烟气量，即改变两个烟道的烟气量分配来调节汽温。

采用旁通烟道调节汽温，设备简单，操作方便，但要防止挡板变形和磨损，所以挡板应布置在烟气温度低于400℃的区域内。

图2-40 烟气挡板调节

汽温布置简图

1-过热器 2-烟道隔板 3-再热器

4-省煤器 5-烟气挡板

改变火焰中心位置

利用摆动式燃烧器上下摆动，改变火焰中心沿炉膛高度的位置，从而改变炉膛出口烟气温度，达到汽温调节目的。

摆动式燃烧器多用于四角布置的炉子中。在高负荷时，燃烧器向下倾斜某一角度；而低负荷时，将燃烧器向上倾斜一定角度，使火焰中心位置改变。采用此种调温方法可使炉膛出口烟气温度变化110～140℃，调温幅度达40～60℃，且调节灵敏，惰性小，不需要额外增加受热面和消耗功率。

5. 再热器

我国125，200，300MW的火力发电设备都采用蒸汽再热循环。在再热循环中从汽轮机高压缸排出图2-41再热锅炉与再热汽轮机之间的联接

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方案简图

1-锅炉 2-汽机高压缸 3-汽机中压缸 4-汽机低压缸 5-发电机 6-凝汽器 7-过热器

的蒸汽（压力还有3MPa上下）流回锅炉再热器到与新蒸汽相同（或略有不同）的温度后，再流回汽轮机中压、低压缸去做功。电站采用这样的循环后，一般可使电站的热效率提高6～8％（相对值），同时在蒸汽初压力提高后，再热还可以保证蒸汽到汽轮机最后一两级叶片时水分含量不过高，不会引起这几级叶片过度的侵蚀。具有再热（或称再过热或中间过热）受热面的锅炉，称为再热锅炉。再热锅炉与再热汽轮机之间的联接方案如图2-41所示。

再热器实际上就是一种中压过热器，也是由大量平行连接的蛇形管所组成。但与中压锅炉的过热器相比，它又具有汽温高、流量大的特点，其工作条件不仅比中压锅炉的过热器，而且比其本身锅炉的过热器更差。

与过热器相比，再热器的主要特点如下：

①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，仅为过热蒸汽的五分之一。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。

②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汽进口压力的10％，也即一般不超过0.2～0.3MPa，其中再热器本身阻力占50％，连接管阻力占50％。

③再热蒸汽由于压力低，比热容小，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，在设计时需采用较大的管径（42～60mm）和多管圈（直到6～8根）。根据国外的经验，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℃，如图2-42所示，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要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，图2-42 纵向内肋片管

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降低管壁温度的效果

⊿t－管壁温度与工质

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，这在国外已得到相当的重视。

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