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1、锅炉结构、材料与强度计算,华南理工大学电力学院杨泽亮 2012年6月21日广州,第一节 锅炉结构,一、锅炉定义锅炉是一种把煤炭、石油或天然气等能源所储藏的化学能转变为热水、蒸汽或其他介质的热能的重要热力设备。高温水、蒸汽或高温介质的热能可以直接应用在生产和生活中，例如轻工、纺织、化工、造纸、建材、空调等领域，也可以再转换成其他形式的能，如电能、机械能等。发电用的锅炉一般称为电站锅炉，在各行业中以供热为主要任务的锅炉称为工业锅炉。,锅炉的工作过程：（1）燃料在炉膛内燃烧后不断地放出热量，燃烧产生的高温烟气通过热的传播，将热量传递给锅炉受热面，然后通过烟道由烟囱排出。（2）锅炉受热面将吸收的热量传
2、递给受热面内的炉水，使水加热和生成蒸汽。锅炉在运行中，由于炉水的循环流动，不断地将受热面吸收的热量带走，不仅使水汽化为蒸汽，而且使受热面得到良好的冷却，从而保证了锅炉受热面钢材在不超过许用温度的条件下安全工作。,二、锅炉系统组成1 锅炉参数锅炉的参数是表示锅炉蒸汽产量和质量的指标。工业锅炉的主要参数是额定蒸发量，额定蒸汽压力和额定蒸汽温度。额定蒸发量（t/h）蒸汽锅炉每小时所产生的蒸汽量，又称为“出力”或“容量”。额定蒸发量：蒸汽锅炉在额定蒸汽压力、额定蒸汽温度和额定给水温度、使用设计燃料并保证热效率的条件下每小时所产生的蒸汽量。,（2）额定蒸汽压力（MPa）蒸汽锅炉在规定的给水压力和负荷范围
3、内连续运行时，应予保证的出口蒸汽压力（表压力）。对于有过热器的蒸汽锅炉，其额定蒸汽压力是指过热器出口处的蒸汽压力。对于无过热器的蒸汽锅炉，其额定蒸汽压力是指锅筒出口处的蒸汽压力。（3）额定蒸汽温度（）蒸汽锅炉在规定的负荷范围内，额定蒸汽压力和额定给水温度下连续运行所必须保证的出口蒸汽温度。对于有过热器的蒸汽锅炉，其额定蒸汽温度是指过热器出口处的过热蒸汽温度；对于无过热器的蒸汽锅炉，其额定蒸汽温度是指锅炉额定蒸汽压力下所对应的饱和温度。,2 锅炉分类,锅炉分类较多，可以从以下方式进行分类：（1）按燃烧方式：分为层燃炉、室燃炉、沸腾炉。（2）按用途：分为生活锅炉、工业锅炉、电站锅炉、车船用锅炉、机
4、车锅炉。（3）按结构：分为水管锅炉、锅壳锅炉（火管锅炉）、水火管组合式锅炉。（4）按锅筒放置的方式：分为立式锅炉、卧式锅炉。（5）按工质：分为蒸汽锅炉、热水锅炉、汽水两用锅炉、有机热载体锅炉。（6）按燃料：分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、余热锅炉、电加热锅炉、生物质锅炉、垃圾锅炉等。（7）按水循环分：自然循环、强制循环、混合循环,（8）按出口蒸汽压力分为：低压锅炉（P2.5MPa）中压锅炉（2.5P4.0MPa）高压锅炉（4.0P10MPa）超高压锅炉（10P13.7MPa）亚临界锅炉（13.7P16.7MPa）超临界锅炉（P22MPa）工业锅炉通常为低压锅炉。（9）按锅炉数量分：单锅筒锅炉
5、、双锅筒锅炉（10）按燃烧定在锅炉内部或外部分：内燃式锅炉、外燃式锅炉（11）按工质在蒸发系统的流动方式可分为自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉等。（12）按制造级别分类：A级、B级、C级、D级、E级（按制造锅炉的压力分）,3 锅炉型号我国工业锅炉型号由三部分组成，各部分之间用短横线相连，如图1所示。燃料种类代号设计次序蒸发量（供热量）燃烧方式代号锅炉本体型式代号第一部分过热蒸汽温度出水温度/回水温度介质出口压力第二部分第三部分图1 锅炉型号说明型号的第一部分表示锅炉型式、燃烧方式和蒸发量。共分三段：第一段用两个汉语拼音字母代表锅炉本体型号，其意义见表1；第二段用一个汉语拼音字母代表燃烧方式
6、（废热锅炉无燃烧方式代号），其意义见表2；第三段用阿拉伯数字表示蒸发量为若干t/h（热水锅炉用供热量表示，废热锅炉以受热面m2表示）。,锅炉本体型式代号,火管锅炉 立式水管LS(立、水)立式火管LH(立、水)卧式内燃WN（卧、内）水管锅炉 单锅筒横置式DL(单、立)单锅筒纵置式DZ（单纵）单锅筒立式DH（单、横）双锅筒纵置式SZ（双、纵）单锅筒横置式SH（双、横）纵横锅筒式ZH（纵、横）强制循环式QX（强、循）,燃烧方式代号燃烧方式代号固定炉排G（固）下饲式炉排A（下）活动手摇炉排H（活）往复退饲炉排W（往）链条炉排L（链）沸腾炉F（沸）抛煤机P（抛）半沸腾炉B（半）倒转炉排加抛煤机D（倒）室
7、燃炉S（室）振动炉排Z（振）旋风炉X（旋）,水管锅炉有快装、组装和散装三种型式。为了区别快装锅炉与其他两种型式，在型号的第一部分的第一段用K（快）代替锅筒数量代号，组成KZ（快、纵）、KL（快、立）三个型式代号。对纵横锅筒式也用KZ（快、纵）型式代号，强制循环式用KQ（快、强）型式代号。型号的第二部分表示蒸汽（或热水）参数，共分两段，中间以斜线分开。第一段用阿拉伯数字表示额定工作压力；第二段用阿拉伯数字表示过热蒸汽（或热水）温度为若干。生产饱和蒸气的锅炉，无第二段和斜线。型号的第三部分由两段组成，第一段以汉语拼音字母代表锅炉燃用燃料的种类，见表3所示。第二段表示锅炉设计次序。用阿拉伯数字连续顺
8、序编制，如原型设计，则无第二段。,表3 燃料品种代号,无烟煤W（无）贫煤P（贫）烟煤A（烟）劣质烟煤L（劣）褐煤H（褐）油Y（油）气Q（气）木柴M（木）甘蔗渣G（甘）煤矸石S（石）,三、工业锅炉的结构,工业锅炉就其本体结构而言可分为火管锅炉和水管锅炉，以及水火管锅炉。锅炉“顾名思义”就是由“锅”和“炉”两部分组成。“锅”是指盛水和汽的部分，它的作用是吸收燃料放出的热量并把热量传给水，产生水蒸气；“炉”是指燃料和烟气的通道，它的作用是使燃料与空气混合、燃烧并释放出热量。火管（烟管）锅炉在火管（烟管）锅炉中，高温烟气在火管（也称炉胆或锅筒）和烟管中流动，以辐射传热和对流传热方式加热水,产生蒸汽。火
9、管锅炉具有结构简单、运行水平和给水品质要求较低等优点。但是，由于结构上的限制，只能制成低参数、小容量的锅炉，钢材消耗也比较大。每小时蒸发量小于等于20t/h的燃油燃气锅炉常用卧式内燃三回程烟火管锅炉。该种炉型中，燃料在布置于锅筒内的火管（第一回程）中燃烧、传热，烟气从后部经第二回程烟管到前烟箱，再经第三回程烟管流入锅炉后部。这种锅炉不砌砖墙，外加费用少，占地面积少，移动方便。但烟管间距小、不易清洗水垢，故水质要求高。WNS21.25y蒸汽锅炉的本体图,（2）水管锅炉水管锅炉中，汽水工质在管内流动，高温烟气在管外冲刷并以辐射传热和对流传热方式通过管壁加热管内的水。水管锅炉可以供热水和饱和蒸汽，在
10、装设蒸汽过热器后可输出过热蒸汽。为提高锅炉效率，可在尾部布置省煤器和空气预热器。（3）水火管锅炉水火管锅炉是一种带水冷壁的卧式外燃型烟管锅炉。较为常用的为快装锅炉，链条炉排或固定炉排布置在锅筒的下方，锅筒中布置有两回程的烟管。这种锅炉容量一般小于等于4t/h，用于燃煤。这种锅炉的特点为结构紧凑，体积小，安装方便，热效率高，但烟管和水管易积烟垢和水垢，影响传热，因而对水质要求高，需要经常清除烟垢。,5 锅炉的炉型,（1）层燃炉在工业锅炉中层燃炉占主要地位，其特点是燃料在炉排铺成层状。空气主要从炉排下送入，流经燃料层并发生反应，燃料中可燃物的一部分可燃气体，在炉膛中燃烧，另一部分（主要为焦炭）在炉
11、排燃烧。层燃炉按操作方法和炉排的种类不同，又可分为手烧炉、机械抛煤机炉、往复推动炉排炉、振动炉排炉和链条炉等多种形式。广东省内最常见的层燃炉是链条炉，详见下图。,（2）室燃炉燃料随气流喷人锅炉燃烧室内，以悬浮状态进行燃烧的炉子。其燃烧特点是：燃料在炉膛空间燃烧。燃烧所需空气随燃料一并喷人炉膛，与燃料充分混合，起激烈化学反应，放出热量。因空气和燃料的接触面积大，燃料燃烧完全，锅炉热效率高。燃用煤粉的室燃炉称为煤粉炉，燃用液体和气体燃料的炉子分别称为燃油炉和燃气炉。（3）沸腾炉沸腾炉也称流化床锅炉。燃料在炉室中被由下而上送入的空气托起浮动翻腾而进行燃烧，是目前燃用劣质煤颇为有效的一种燃烧方式。第一
12、代沸腾炉热效率较低，经过不断改进以发展成为目前推广使用的循环流化床锅炉，详见下图。,（4）循环流化床锅炉循环流化床锅炉的炉膛运行在一种特殊的流体动力特性下，细颗粒被以超过平均粒径颗粒终端速度的气流输送通过炉膛，同时又有足够的颗粒返混以保证炉膛内的温度分布均匀。离开炉膛的大部分颗粒，由气固分离装置所捕集并以足够高的速率从靠近炉膛底部的回送口再循环送入炉膛，使炉膛内的颗粒返混维持在最低程度，详见循环流化床锅炉示意图。,燃烧一次风(风量通常小于化学当量值)通过布风装置送人炉膛，二次风则在布风装置以上的一定高度从侧墙送人炉膛。燃料在炉膛中燃烧产生热量，这些热量一部分由布置在炉膛内的水冷或蒸汽冷却受热面
13、所吸收，余下部分则被称为尾部受热面的对流受热面所吸收。,循环流化床锅炉与其他形式锅炉的比较表,特性 炉排燃烧 鼓泡床 循环床 煤粉炉床高或燃料燃烧区高度（m）0.2 12 1540 2745截面风速（m/s）1.2 1.52.5 48 46 过量空气（%）2030 2025 1020 1530 截面热负荷（MW/m2）0.51.5 0.51.5 35 46煤的粒度（mm）632 6以下 6以下 0.1以下负荷调节比例 4：1 3：1 34：1 燃烧效率（%）8590 9096 9599 99NO2排放（10-6）400600 300400 50200 400600炉内脱硫效率（%）8090 8
14、090 低,循环流化床锅炉的优点:1、燃料适应性广实际上许多商用循环床锅炉可以燃用灰分为40%60%的高灰煤，也可以燃用挥发分小于10%的无烟煤。2、燃烧效率高循环流化床锅炉的燃烧效率可以达到97.5%99.5%。3、高效脱硫典型的循环流化床锅炉达到90%脱硫效率时所需的脱硫剂化学当量比为1.52.5。,4、NOx排放低在循环流化床锅炉中的燃烧温度范围为(800900)，空气中氮一般不会氧化为NOx。循环床锅炉的NOx排放范围为(50150)10-6。5、炉膛截面积小。6、负荷调节比例大及负荷调节快循环流化床锅炉中由于截面气速高和吸热控制容易，使得其负荷调节很快。据报道，一些商用装置的负荷调节
15、速率每分钟可达4%。,6 水管锅炉的结构组成,锅炉本体：锅炉中的炉膛、汽包、燃烧器、水冷壁、对流管束、过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。除锅炉本体外，还有配套的辅助设备：燃料配送或制备系统；2、送、引风系统；3、给水系统；4、水处理系统；5、灰渣清除系统；6、脱硫除尘器系统；7、自动控制和监测系统等。,（1）炉膛炉膛就是燃料与烟气燃烧的空间。炉膛的形状，大小是与炉排、喷燃器、燃烧机、投煤装置等相适应。工业锅炉的炉膛，由炉墙，前、后拱等组成，燃料在炉膛燃烧时充分放出热量，使布置在炉膛四周的水冷壁管吸收燃料和烟气放出的热量；并将高温烟气顺利地引向
16、出口，送至对流受热面区域。,（2）汽包 亦称上锅筒，是自然循环锅炉中最重要的受压元件，汽包的作用主要有：1）汽包与下降管、水冷壁管、对流束管连接组成自然水循环系统。同时汽包又接受省煤器输来的给水，向过热器输入饱和蒸汽。所以是加热、蒸发、过热三过程的连接枢纽，保证锅炉正常的水循环。2）汽包内有一定的水量，具有一定的储热能力，在负荷变化时起储热器和蓄水器的作用，可以减缓汽压变化的速度。3）汽包内部装有各种设备（如汽水分离装置和连续排污装置等），以保证蒸汽的品质。4）汽包上装有压力表、水位计、安全阀等附件，用来控制汽包压力，监视锅内水位，保证锅炉安全运行,（3）水冷壁水冷壁是锅炉的主要受热面，它由钢
17、管组成，分布于锅炉炉膛的四周。水冷壁最初设置主要是为了保护炉墙、降低烟气温度、防止受热面及炉墙上结渣，提高锅炉运行的安全可靠性。而现代锅炉的炉膛内设置水冷壁是作为主要受热面，吸收炉膛内的高温辐射热量，完成管内水的汽化任务。水冷壁管形式很多，主要分为光管式水冷壁和翼式水冷壁两种。,（4）对流管束对流管束通常是由连接上、下锅筒间的管束构成。全部对流管束都布置在烟道中，受烟气的冲刷而换热，也称对流受热面，是另一种主要受热面。连接方式有胀接和焊接两种。对流管束排列方式有错排和顺排两种。错排管束的传热效果好，但清灰和检修不如顺排管束方便。其传热效果主要取决于烟气的流速。（5）蒸汽过热器蒸汽过热器是把饱和
18、蒸汽加热成一定温度的过热蒸汽装置，由一组弯曲蛇形的无缝钢管和进出口集箱组成，工业锅炉中常用立式对流过热器。,（6）省煤器省煤器是锅炉的尾部受热面，设置在对流管束后面的烟道中。省煤器是利用锅炉烟气余热而加热锅炉给水的一种换热设备。烟气在离开锅炉本体时，排烟温度在200-300左右，仍然存在大量的热量，利用省煤器吸收烟气的余热，有效降低排烟温度，减少排烟热损失，提高了锅炉的热效率，节约了燃料消耗。,（7）空气预热器空气预热器是利用锅炉烟气余热加热进入炉膛的冷空气的一种热交换器，一般布置在省煤器之后。在工业锅炉上，一般采用省煤器来降低排烟温度，采用空气预热器的不多，但在下述情况，应考虑使用空气预热器
19、。1）燃用煤粉的锅炉，煤粉要有热风干燥和输入炉膛；2）锅炉燃用劣质煤，需要用热风来促进稳定燃烧；3）锅炉产生的蒸汽压力较低（0.5MPa）而回水温度较高（80以上）时，使用省煤器经济效果不大，宜选用空气预热器。使用空气预热器，除提高锅炉的热效率外，还可提高炉温，改善炉内燃料的燃烧条件，增强炉内辐射的传热效果。,四、电站锅炉概述,电站锅炉的任务 将燃料的化学能转化为高温高压的蒸汽热能，高温高压的蒸汽到气轮中转化为机械能，带动发电机发电。为了使蒸汽的热能尽可能多的转变为机械能，蒸汽压力、温度越高越好。,不同参数机组的发电煤耗,工业锅炉生产蒸汽，一般用于加热，通常使用饱和蒸汽，能满足加热所要求即可。
20、压力、温度过高，增加了设备造价，同时对于间接换热设备，可能降低能源利用率。,电站锅炉的分类,按燃烧方式分类层燃炉链条炉：小型（小于等于65t/h）煤粉炉最多循环硫化床锅炉,电站锅炉的分类,按水循环方式分类自然循环锅炉蒸发受热面内的工质，依靠下降管中的水与上升管中的汽水混合无之间的密度差所产生的压力差进行循环的锅炉。强制循环锅炉（又称辅助循环锅炉）蒸发受热面内的工质除了依靠水与汽水混合物的密度差外，主要依靠锅水循环泵的压头进行循环的锅炉，称为强制循环锅炉。,电站锅炉的分类,直流锅炉直流锅炉的特点是没有汽包，整台锅炉由许多管子并联，然后用联箱连接串联组成。在给水泵压头的作用下，工质依顺序一次通过加
21、热、蒸发和过热等受热面。进口工质是水，出口工质则为符合设计要求的过热蒸汽。由于所有各受热面内的工质运动都是靠给水泵的压头来推动的，所以在直流锅炉中，一切受热面中工质都是强制流动。复合循环锅炉复合循环锅炉是由直流锅炉和强制循环锅炉综合发展起来的，也是对直流锅炉的一种改进。它是依靠锅水循环泵的压头将蒸汽受热面出口的部分或全部工质进行再循环的锅炉。,五、汽包锅炉的结构,汽包的作用,六、电站锅炉受热面结构,水冷壁过热器与再热器省煤气空气预热器,七、自然循环锅炉的结构,八、直流锅炉的结构,直流锅炉的特点直流锅炉的特点是没有汽包，整台锅炉由许多管子并联，然后用联箱连接串联组成。在给水泵压头的作用下，工质依
22、顺序一次通过加热、蒸发和过热等受热面。进口工质是水，出口工质则为符合设计要求的过热蒸汽。由于所有各受热面内的工质运动都是靠给水泵的压头来推动的，所以在直流锅炉中，一切受热面中工质都是强制流动。直流锅炉的结构特点没有汽包水冷壁有多种型式600MW直流锅炉,第二节、锅炉的材料,一、锅炉主要元件对钢材性能的要求锅炉主要元件都是在承压状态下工作，有些还要同时承受高温或腐蚀的作用，工作条件十分恶劣。根据工作条件不同，大致可分为两类。（一）用以制造室温及中温承压元件的钢材1.应具有较高的室温强度2.应具有良好的韧性3.应具有较低的缺口敏感性4.应具有良好的加工工艺性和焊接性5.应具有良好的低倍组织,（二）
23、用以制造高温承压元件的钢材1.应具有足够的高温持久强度和持久朔性2.应具有良好的高温组织稳定性3.应具有良好的高温抗氧化性4.应具有良好的加工工艺性和焊接性,二、锅炉用钢的分类,（一）工作温度低于500的钢材1.铁素体珠光体类型钢2.低碳贝氏类型钢（一）工作温度高于500的钢材1.低合金珠光体类型热强钢2.低碳贝氏类型热强钢3.奥氏体不锈钢,三、锅炉钢材的机械性能（一）温度对锅炉钢材机械性能的影响,图：温度对锅炉钢材机械性能的影响,（二）钢材的蠕变现象,（二）钢材的蠕变极限和持久极限,两种定义,（四）应力松驰,（五）长期在高温下钢材组织结构的变化,1.珠光体球化,2.石墨化,3.合金元素的重新
24、分配,（六）锅炉钢材的脆性,1.冷脆性2.热脆性3.红脆性,（七）锅炉钢材的低周疲劳,（八）锅炉钢材的高温氧化,（九）锅炉钢材的应力腐蚀,1.孕育期2.裂纹稳定扩展期3.裂纹失稳扩展期,四、锅炉钢材的选用,第三节、锅炉受压元件强度计算,1.承受内压力圆筒型元件的强度计算2.承受外压力圆筒型元件的强度计算3.承受内压力凸型封头的强度计算4.承受内压力的平端盖、平堵头及平板的强度计算5.孔的加强计算,第四节、水管锅炉的强度计算,锅炉的结构应符合蒸汽锅炉安全技术监察规程“第四章-结构”的要求强度计算依照水管锅炉受压元件强度计算标准（GB9222-88）强度标准由简易计算公式与结构的规定两部分组成,1.材料与许用应力计算,2.锅筒筒体的计算,3.圆筒形集箱筒体的计算,4.管子和锅炉范围内的管道的计算,5.凸形封头的计算,6.平端盖、平堵头以及盖板的计算,7.孔的加强计算,8.异形元件的计算,参考文献,容銮恩等编：电站锅炉原理，中国电力出版社林宗虎等编：锅炉手册，机械工业出版社李之光编：锅炉强度计算标准应用手册，中国标准出版社,谢谢！,
