1、1 余热锅炉系统工作原理及技术特点 中国锅炉网资讯栏目 1 概论 一、简述 在燃气轮机内做功后排出的燃气，仍具有比较高的温度，一般在 540左右，利用这部 分气体的热能，可以提高整个装置的热效率。通常是利用此热量加热水，使水变成蒸汽。蒸 汽可以用来推动蒸汽轮机一发电机，也可用于生产过程的加热或供生活取暖用。对于稠油的 油田可以用蒸汽直接注入油井中，以提高采油量。根据不同的蒸汽用途，要求有相应的蒸汽 压力和蒸汽温度，也就需要不同参数的产汽设备。利用燃气轮机排气的热量来产汽的设备， 称为“热回收蒸汽发生器” ，表明回收了排气的热量，用英文字母 HRSG 来表示。我国习惯 上称为“余热锅炉，本文也采
2、用“余热锅炉”的名称，并把燃气轮机的排气简称为“烟气” 。 “余热锅炉”通常是没有燃烧器的，如果需要高压高温的蒸汽，可以在“余热锅炉”内 装一个附加燃烧器。通过燃料的燃烧使整个烟气温度升高，能够产生高参数的蒸汽。例如某 余热锅炉不装燃烧器时，入口烟气温度为 500，装设附加燃烧器后，可使入口烟气温度达 到 756。蒸汽的压力可以从 4MPa 升到 10MPa，蒸汽的温度可以从 450升到 510，蒸 汽可以供高温高压汽轮机用，从而增加了电功率输出。目前我国油田进口的余热锅炉的蒸汽 参数有：4MPa 配 450及 1.4MPa 配 195（饱和蒸汽） 。前者供给中压汽轮机来发电，后 者可以供生产
3、或供生活取暖用。 注：关于多种余热锅炉，余热锅炉利用燃气轮机排气的方式，补燃问题。 二、余热锅炉的组成 （一）蒸汽的生产过程 图 191 是一台余热锅炉的结构示意图，从图中可以看出产汽的过程。 2 图 191 强制循环余热锅炉 （注意蒸发器为顺流布置，即管束流向自下而上，以免上下弯头处积汽。 ） 从燃气轮机出口的烟气，经烟道到余热锅炉入口，烟气自下而上流动，流经过热器、两 组蒸发器和省煤器，最后排入烟囱。排烟温度约为 150180，烟气温度从 540降到排烟 温度，所放出的热量用来使水变成蒸汽。进入余热锅炉的给水，其温度约为 105左右，先 进入上部的省煤器，水在省煤器内吸收热量使水温上升，水
4、温升到略低于汽包压力下的饱和 温度，就离开省煤器进入汽包。进入汽包的水与汽包内的饱和水混合后，沿汽包下方的下降 管到循环泵，水在循环泵中压力升高，分别进入两组蒸发器，在蒸发器内的水吸热开始产汽， 通常是只有一部份水变成汽，所以在蒸发器管内流动的是汽水混合物。汽水混合物离开蒸发 器进入汽包上部。在汽包内装有汽水分离设备，可以把汽和水分开，水落到汽包内水空间， 而蒸汽从汽包顶部出来到过热器。在过热器内吸收热量，使饱和蒸汽变成过热蒸汽。根据产 汽过程有三个阶段，对应的应该要有三个受热面，即省煤器、蒸发器和过热器。如果不需要 过热蒸汽，只需要饱和蒸汽，可以不装过热器。 （二）余热锅炉的型式 1、强制循
5、环余热锅炉 图 191 所示的余热锅炉就是强制循环余热锅炉。从汽包下部出来的水经一台循环泵后， 进入蒸发器，是靠循环泵产生的动力使水循环的，称为“强制循环余热锅炉” 。其特点是； 各受热面组件的管子是水平的，受热面之间是沿高度方向布置，可节省地面的面积，并使出 口处的烟囱高度缩短。但在运行中需要循环泵，使运行复杂，增加维修费用。目前油田进口 的余热锅炉，多数采用此种型式。 2自然循环余热锅炉 图 192 是一自然循环余热锅炉，全部受热面组件的管子是垂直的。给水进入省煤器吸 热后，进入汽包。汽包有下降管与蒸发部的下联箱相连，下降管位于烟道外面，不吸收烟气 的热量。汽包还与蒸发器的上联箱相连。直立
6、管簇吸收烟气的热量。当水吸收烟气热量就有 部份水变成蒸汽，由于蒸汽的密度比水的密度要小得多，所以直立管内汽和水混合物的平均 密度要小于下降管中水的密度，两者密度差形成了水的循环。也就是说：不吸热的下降管内 的水比较重，向下流动。直立管内的汽水混合物向上流动，形成连续产汽过程。此时进入蒸 发器的水不是靠循环泵的动力，而是靠流体的密度差而流动，这种余热锅炉称为“自然循环 余热锅炉” 。其特点是：省去循环泵，使运行和维修简单。但各受热面是沿水平方向布置， 占地面积大，在排烟处所需烟囱的高度要高。 图 2 自然循环余热锅炉 3 本文主要介绍“强制循环余热锅炉” 。 （注：一般来说，余热锅炉的循环方式有
7、 5 种：单压，双压无再热，双压再热，三压无再热， 三压再热。 ） （三）余热锅炉的布置 图 193 是强制循环余热锅炉的布置图，包括余热锅炉本体受热面及烟道系统，其特点 如下： 图 193 余热锅炉布置图 1烟气系统 从燃气轮机出来的高温烟气有两路出口，一路进人余热锅炉，从主烟囱排人大气，另一 路进入旁路烟囱排人大气。每路烟道上都装有挡板，共有三个挡板，主烟道上的挡板称“主 挡板” ，旁路烟道上的档板称“旁路档板” ，主烟囱处的档板称“烟囱挡板” ，各挡板是配合 使用的。燃气轮机工作而余热锅炉不工作，要开启旁路挡板，关闭主挡板。燃气轮机与余热 锅炉同时工作，要关闭旁路挡板，开启主挡板。另一方
8、面为调节余热锅炉的产汽量，主挡板 和旁路挡板可以部份开启或部份关闭，挡板调节的内容见后。余热锅炉工作时，应该开启烟 囱挡板。当余热锅炉短时间停炉，可以关闭烟囱挡板，以防止余热锅炉内的热量损失。因为 余热锅炉内温度比较高，周围冷空气可以进入余热锅炉，形成自然对流将热量带走，关闭烟 囱挡板就能防止外界气流进入余热锅炉，以保存热量，准备随时起动余热锅炉。如果余热锅 炉要停炉检修，希望冷却速度快些，可以开启烟囱挡板。水平烟道经过一个 90转弯接头与 余热锅炉相连，这个转弯接头是经制造厂试验研究后确定的，其形状尺寸必须要保证转弯后 的气流分布均匀，均匀的气流能够使得烟气放热也均匀，管内水或汽的吸热也均匀
9、，否则会 使一些管子吸热多而另一些管子吸热少，这对余热锅炉的安全运行是不利的。 主烟道和旁路烟道都装有膨胀节，这是由于烟道受热后要伸长，会对烟道的支架产生热 应力。采用膨胀节能吸收烟道的伸长量，可以减小热应力。 2汽包 汽包是用悬吊的方式来固定，悬吊在伸出的悬臂框架上，悬臂框架与省煤器的框架相接。 采用悬吊方式可以使汽包有足够的挠性，因汽包下部有下降管，上部有省煤器进水管、蒸发 器的汽水混合物引入管以及饱和蒸汽引出管等，当这些连接管受热膨胀时，都会对设备产生 附加应力，现在汽包用挠性支架，能减少对设备产生附加应力。 4 3组件的装配 整个余热锅炉分成几个大组件，每个大组件在制造厂组装好后装 运
10、。在现场直接安装，这样大大缩短安装工期。这些增加有：烟囱， 膨胀节，90转弯段，支承框架，汽包，烟道，挡板，烟囱缩口，过 热器，蒸发器 I 和 II，省煤器，旁路烟道及其挡板和膨胀节等。 有热烟气流过的组件均装有管箱板，管箱板上有法兰。图 194 示出了上下拉杆组件管箱板的连接方式。考虑到减少散热损失，保证 运行人员安全，管箱板由金属板与保温层组成。与高温烟气接触的内 壁采用耐热合金钢板，外壁采用碳钢板。两金属那边之间是矿物纤维 保温层，外壁和内壁用螺栓连接，螺栓预先焊在外壁钢板的内侧，在内壁相应位置处预先冲 孔眼，孔的直径要比螺栓直径大，多余的孔隙量可以允许内壁和外壁有相对移动。这是因为 内
11、壁和外壁的温度不同，材料不同，受热后的膨胀伸长量也不同，所 以两壁之间会有相对移动。外壁上焊有加强框架，可保证管箱板的强 度和刚度，外壁的两端焊有法兰，可以用来连接组件。 图 194 烟气在余热锅炉中自下而上流动，烟温逐渐降低，所以管箱板的保温层厚度也可减薄， 省煤器出口的烟气温度不超过 200，可以直接用碳钢的钢板制造烟道，来代替管箱板。 （四）受热面组件的特点 受热面组件指的是省煤器、蒸发器和过热器，分别组成四个组件，其结构型式基本上是 相同的。只有管子直径及有关尺寸略有不问，各组件由管组、联箱、管箱板和支吊架组成， 现分别叙述之。 1管组 图 5 受热面组件装配 1 内壁 2 外壁 3
12、保温层 4 连接螺栓 5 法兰 6 法兰螺栓 5 A 准备管子，锉坡口 B 焊接弯头及连接直管 C 装支吊架 D 支吊架装顶板和底板 每个受热面组件的管组包括几十根管子，管子是带肋片的，组成水平蛇行管，见图 195。肋片管是用一定厚度（1mm）和一定宽度（12 20mm）的薄钢带绕在光管外壁上， 绕的型式采用螺旋线。薄钢带是用电阻焊与光管外壁相接的，使钢带与管外壁紧密结合，保 证传热效果好。 图 195 表示了整个受热面组件的装配过程，二根直的助片管用一个 180弯头连接， 连接方式采用焊接，最后组成一根水平蛇行管，几十根并联的蛇行管可以组成一个管组。 2支吊架 采用“蜂窝状”吊架，用两块凸凹
13、板可以组成一个“蜂窝状”吊架，凸凹的形状是一个 等六边形，像蜂窝的形状，所以称“蜂窝状”吊架。图 195C 中表示出一根水平蛇行管的 吊架，如果管子沿水平方向很长，需要多装吊架，大约每隔一米需一个吊架。如果并联的管 子数目是 30 根，在同一距离上就有 30 个吊架，采用吊架顶板和底板可以将此 30 个吊架组 合起来，最后如图 195D 中表示的一个大的坚固的管组。 顶板用 1319mm 厚的碳钢钢板制造，能够承受管组的重量。 管子的肋片部份和支架板接触，肋片外形是圆的，而支架板形状是六角形，除了接触点 以外，两者之间有足够的空隙，吊架本身又有挠性，可以微微移动。所以当管子受热而膨胀 时，不易
14、被吊架卡住，同时管壁不会被磨损。这种型式的吊架对于联箱也是有好处的，因为 管组的进口联箱和出口联箱都是固定不动的，采用这种吊架，管子膨胀伸长是自由的，能减 少膨胀热应力作用到联箱上。 3联箱 在整个管组和吊架装配后，最后安装联箱，省煤器和过热器的进出口联箱型式是相同的。 而蒸发器的联箱的型式常常是不同的。进口联箱的直径要小于出口联箱的直径，这是因为蒸 发器入口是水而出口是汽水混合物。 4特点 组成的水平蛇行管的两端可以自由伸长。从图 191 中可以看到全部弯头都在高温烟道 以外，表明焊缝不和高温烟气接触。这种受热面结构对快速起动有利。所以余热锅炉能够随 着燃气轮机快速起动。受热面的管子采用肋片
15、管，可以增加传热量，反过来说，在传热量相 同的情况下，可以减小受热面，使余热锅炉体积小，布置紧凑。所以目前不论是水平蛇行管 或直立式管都趋向于采用肋片管。例如：省煤器中每公斤水需吸收热量 314KJ。如果采用光 管，需 0.497 米长的管子，如果采用同管径的肋片管。只需 0.05 米的管子；显然后者可以缩 小尺寸。 从传热的观点来分析，要提高传热量，就要减小传热的总热阻。余热锅炉管子外面流的 是烟气，管内流的是水或汽或汽水混合物，前者的热阻远远大于后者，相差几十倍几百倍， 所以就要从管外侧想办法来改善传热，最有效的措施就是增加管外侧表面积，也就是采用管 外加肋片的肋片管。 2 受热面的设计计
16、算 余热锅炉的产汽过程是通过省煤器、蒸发器及过热器来实现的。也就是通过管子把管外 烟气的热量传给管内的流体（水或汽） 。 在运行中，如果省煤器和蒸发器传过的热量少，那么蒸汽产量少，蒸汽压力低。如果过 热器传过热量少， “就使蒸汽出口温度低。另外，受热面处在高温烟气下工作，管内流体的 流动情况会影响管子金属温度，也就是影响管子强度，由此可见，这三个受热面直接影响余 热锅炉运行的安全性和经济性。从事锅炉运行的人员要了解产汽过程特点及传热的基本知识， 6 才能分析运行中出现的事故以及蒸汽参数调节的问题。 本节重点介绍传热及汽水两相流问题。 一、热量计算公式 每个受热面有三个热量计算公式，一个是烟气放
17、出的热量、一个是管内流体吸收的热量， 一个是传过去的热量。这三个热量是相等的，人们用热平衡方程式来表示前二个热量，用传 热方程式来表示后一个热量，现分别叙述之。 （一）热平衡方程式 烟气经过某受热面所放出的热量，扣除散到周围的散热量，就是烟气的有效放热量，公 式如下： Qp = V(I I ) J/s 或 W （1） 式中：Q p一烟气有效放热量； 一保热系数，考虑散热量的影响，通常取 098099； V 一烟气流量 kgs； I 一烟气进口焓， Jkg； I 一烟气出口焓，Jkg。 管内流体在某受热面所吸收的热量，用下式表示： Qw G(i一 i) Js 或 W （2） 式中：Q w 一管内
18、流体吸热量； G 一管内流体流量 kgs； i一流体出口焓，Jkg； i一流体进口焓，Jkg。 热平衡方程式就是：Q p Qw 通常写成 V(I I ) = G(i一 i) （3） 分析（3）式，可以看到烟气侧改变任何一个物理量的大小，都影响管内流体的吸热量， 也就是影响管内流体的物理量的大小。例如：燃气轮机降负荷，烟气量 V 减少，如果烟气 的进口和出口焓不变，整个烟气放热量减少。此时管内流体吸热量要减少，如果流体的流量 G 不变，进口流体焓 i不变，那么流体的出口焓 i就要减小。同样的理由，改变烟气焓也 会影响流体的出口焓。对于省煤器和过热器来看，管内水或汽的流量 G 不随烟气放热量而 变
19、，只改变水或汽的出口焓，也就是改变流体的出口温度，而对蒸发器则不同，烟气放热量 的变化会使蒸汽产量发生变化以及蒸汽压力发生变化，这些都是运行中需要重视的参数。 公式（3）中，烟气流量是随燃气轮机负荷而改变，烟气进口焓也与燃气轮机负荷有关， 烟气的出口焓则与传热量大小有关，所以只有热平衡方程式还不能确定烟气放热量，还需要 通过传热方程式来计算传热量，最后确定烟气放热量。上面已提到，放热量和吸热量和传热 量三者是相等的，如果传的热量少，烟气的放热量和流体吸热量都会随之减少，这说明传热 量是很重要的，计算传热量采用传热方程式。 图 6 肋片管的尺寸符号 图 7 受热面的温度分布 （a）逆流 （b）顺
20、流 7 （二）传热方程式。 从“传热学”中知道传热方程式的基本形式是： QK tA J/s 或 W （4） 式中：Q 一传热量； K 一传热系数，W/(m 2) ； t 一平均温差，； A 一管子的传热面积，m 2。 传热系数 K 的计算复杂，见（四）节内容介绍。 1肋片管子的传热面积计算 肋片管子的尺寸符号见图 6。管外壁的总传热面积包括肋片的表面积和无肋片区的管外 壁面积。令 Af 为肋片表面积， AWb为无肋片区的管外壁面积，每米管长的总面积 A0A f AWb， m2/m。 （5） （6） 式中：n 一每米长度上肋片的数目。 （注：假定肋片端部绝热。 ） 2平均温差 t 的计算 受热面
21、都是由多排的水平管圈组成，沿着管子长度各点的流体温度是逐渐变化的，同时 对应的各点的烟气温度也是逐渐变化的，因此只能求出整个受热面的平均温差。图 7 表示三 种受热面烟气和管内流体的温度分布情况。进入受热面的烟气温度为 T1，经过放热后的烟 气温度降到 T2。进入受热面的水（或汽）的温度为 t1，吸热后温度升高，离开受热面时温 度为 t2。图 7 中表示出（a ） 、 （b） 、 （c）三种情形。 （a）表示热流体（烟气）与冷流体（水或汽）的流动方向是相反的，称为“逆流” 。两 种流体的高温段位于受热面同一侧，低温段也位于受热面的另一侧。从（a）上可以看到， 被加热的冷流体的出口温度 t2可以
22、高于热流体的出口温度 T2，此时，沿受热面的各处温度 差（T t）比较一致，其数值比较大。这就是“逆流”布置的一个优点。现在余热锅炉的省 煤器和过热器是采用“逆流”布置，热烟气自下而上流动，水（或汽）自上而下流动。 （b）表示热流体与冷流体的流动方向是相同的，称为“顺流” ，可以看到，冷流体的出 口温度 t2不能与热流体的出口温度 T2相同，至少要保持一个差值即（T 2t 2）0。同时沿 受热面的温差（Tt）的变化大，开始温差大，后逐渐减小，整个受热面的温差的平均值比 较小。 （c）表示冷流体温度没有变化，这种受热面就是蒸发器。因为当水变成蒸汽的过程中， 饱和温度是不变的。不论采用“逆流”布置
23、或“顺流”布置，其温差的数值是相同的。所以 余热锅炉的蒸发器可采用” “顺流”布置。 管子的平均温差用下列公式计算 （7） 式中：t d一热、冷流体温差的最大值； tx一热、冷流体温差的最小值。 上述符号的意义表示在图 7 上。 公式（7）称为“对数平均温差” ，是根据理想条件下推导出的。理想条件包括：单管、 流体比热不变、对流换热系数不变。而实际受热面是多管的，流体比热随温度而变化，对流 nYSDfwbff 242 xdxttln 8 换热系数也是在变化的，所以实际使用时，用修正系数进行修正，得到实际受热面的对数平 均温差是t。 余热锅炉各受热面的蛇行管的弯曲数都超过四流程，所以修正系数接近
24、 1。 例题 1：已知省煤器进口水温是 110，出口水温是 180，烟气进口温度是 230，出 口温度降到 185，试计算逆流及顺流布置时的对数平均温差。 解：顺流布置时， td230110120，t x1851805 于是， 逆流布置时， tx23018050， td18511075 于是， 例题一的答案表明，顺流布置时，对数平均温差要小。如果传过同样的热量，从公式 （4）可以看出，需要的受热面的面积大，需增大 72左右，所以余热锅炉中采用逆流布置。 （三）肋片管的传热过程 1清洁管壁面的传热过程 图 8 表示了肋片管的传热，假定金属壁面是清洁的，没有污垢层，可以认为传热有三个 阶段，现分别
25、叙述如下： 图 8 肋片管的传热 图 9 肋片效率 Ef （1）第一个阶段：烟气对金属壁的传热。烟气的温度是 T，分别与肋片壁与管外壁接 6.1507ln2.3650ln1t 9 触，管外壁的温度是 twb，肋片壁的温度是 tx。可以根据公式（4）的形式，分别写出传热量 公式，Q 1是传给助片壁的热量， Q2是传给管外壁的热量。 （8） （9） 烟气总传热量 （10） 上式中的肋片壁温 tx是一个平均温度值，距离管外壁近的肋片根部的温度接近管外壁 温 twb，而在肋片顶端处的温度要比管外壁温 twb 高，所以采用平均值。t x的数值与以下物理 量有关：管外壁温度、管子尺寸、肋片尺寸、金属壁的导
26、热系数、烟气的换热系数等。经数 字推导并加整理，得到助片效率 Ef和系数 B。 （11） （12） 两者的关系 Ef = f（B）示于图 9 中。 式中： b金属壁的导热系数，W/(m) 1烟气对壁的换热系数 W（m 2） 。 其余符号见图 6 及图 8 所示。 肋片效率 Ef 的物理意义表明金属本身的热阻的影响。从公式（11）中可以看到，当金 属有热阻时，t x大于 twb，E f是一个小于 1 的数值。在理想情况下，金属没有热阻，t x 等于 twb，肋片效率 Ef = 1。将（11）公式中的（Tt x）代人公式（10）中，得到第一阶段传热量 为： （13） （2）第二个阶段：从管外壁到管
27、内壁的传热量为： （14） 式中：b管壁厚度，m； tnb管内壁温度，； Ab用平均直径计算的管子平均面积， m2。 （3）第三个阶段：从管内壁到管内流体的传热量为： （15） 式中： 2 管内流体的换热系数，W/（m 2） ； Anb管内壁面积，m 2 t管内流体的平均温度， 。 在稳定传热过程中，上述的三个阶段的传热量是相等的，得到 QQ IQ IQ III，将各 wbxftT5.0121YDbfW bnwbI AtQ2nbItQ1wbbfI t W12wbxftTA1 wbbxfI tTAtQ 10 Q 值代入后，加以整理，得到 根据 得到 （16） 可以写成公式（4）的通用形式， （1
28、7） 式中：A 0肋片、管外壁总面积， A0A f A wb ； t对数平均温差， K总传热系数，W/（m 2） 。 其计算见（四）节内容 2壁面有污垢的传热过程 图（10）表示有污垢时的传热，由于污垢层的热阻大， 使管外壁温 twb 降低，依此类推，最终使冷流体的温度降低， 达不到预定的加热温度。当余热锅炉受热面存有污垢时，就 有此现象产生，污垢厚度越厚，此现象越严重。 污垢层的传热量可按照公式（14）的形式 工程上直接用污垢系数来表示污垢层的热阻。R w 表示外壁的污垢系数， Rw brw/rw；R n表示内壁的污垢系数，R nb rn/rn。 考虑到污垢层比较薄，近似认为 AwwA 0，
29、A nwA nb，九得到： （18） （19） 将以上两式与其他三项传热量合并后，得到： （20） 比较公式（16）与公式（20） ，可以看出，由于等号左边增加了两项，使数值变大，等 号右边的（Tt）的差值也变大，表示冷流体被加热的温度要降低，即余热锅炉产汽量或蒸 nbbnwbwbbf AtttTAE 21 TttntAQbAEQnbwf 21 WtKQ WnbnrwwrtQAtW1nbwnbtRQt tTARQAbAEnbnb wbf 1201 11 汽出口温度均要降低，这说明受热面结垢对运行是不利的。 （四）肋片管的传热系数计算 将公式（20）写成通用形式： 得到传热系数： （21） 上式
30、第一项是烟气换热的热阻，第二项是烟气侧壁面的污垢热阻，第三项是金属管壁热 阻，第四项是管内壁污垢热阻和管内流体换热的热阻。计算传热系数 K，首先要计算 1、 2、以及 Rw、R n、 b。现分别叙述如下。 1金属管壁导热系数 b。 对于碳钢的管材，当温度为 20时， b 46W/（m） ，随着温度升高而略有降低， 当温度在 100200之间， b 40W/（m） 。 对于含铬钢管，当温度在 400时，导热系数 b 38W/（m） ，过热器常采用铬钢 来制造。 2管外壁和管内壁的污垢系数 管外壁的污垢包括氧化膜及积灰，其污垢系数 Rw 随燃料气的性质而定，燃用天然气时， Rw 可取 0.0003
31、5m2W ，燃用油时， Rw 可取 0.0008m2W 管内壁的污垢包括氧化膜及水垢，采用水处理的软化水作为锅炉给水时，污垢系数 Rn 可取 0.00010.0002m 2 W。当软化水质量不合格，水垢层厚度会变厚，使污垢系数随 运行时间增加而增加。所以要保证锅炉给水的质量。 3烟气换热系数 1 肋片管采用正三角形错列布置时，换热系数 1可用布里格斯的实验公式。 （22） 式中：S f ，Y，D f ，D w 结构尺寸见图 6； Re雷诺数， Pr普朗特数， w烟气在最小通流截面处的流速， m/s 烟气密度，kg/m 3 烟气粘度（粘性系数） ，Pas cp烟气定压比热，J/kg 烟气导热系数
32、，W/m 当肋片管的结构尺寸确定后，其余物理量都与烟气温度有关，其中烟气流速还与烟气流 tKAQ0 Cm/W1o2102010 wbnbwbf ARAEK Cm/5.0PrRe78.0 o2296.03.1.01 wfDYSwepcPr 12 量有关。 通常烟气的换热系数 1 的数值范围是几十，所以其热阻大，是决定传热系数的主要因 素，余热锅炉运行时的负荷变化也取决于烟气换热系数，例如，当烟气流量增加，烟气流速 就增大，雷诺数 Re 增大，换热系数 1就加大，传热系数 K 也变大，传热量增加，使余热锅 炉的产汽量增加。反之，烟气流量减少，换热系数也减小，传热量就少，产汽量也少。 注：关于一般的
33、传热计算，传热系数 K，热阻，热阻中的关键项烟气侧对流换热系数。 例题 2：已知某处烟气流速 17m/s，温度 375，当烟气（质量）流量不变，温度升高 到 450时，分析换热系数 1的变化。 解：按布里格斯的实验公式，计算结果如下： 温度 Pr / w Re 375 0.0489 0.702 57.4106 17 296167Dw 450 0.0538 0.706 69.14106 19 274391Dw 得： 450 / 375 1.043 注：质量流量不变，通流面积不变，烟气的体积与绝对温度成正比，流速也就与绝对温 度成正比，从而得到 450时的速度。 ，或 / 等一般可从工程手册上查到
34、。雷诺数和普朗特数可根据定义式计算， 其中定压比热一般也可查到。在变化不大的情况下，定压比热可以认为是常数。另外，密 度 可以根据状态方程求得。在本例情况下，压力不变，密度与绝对温度成反比。 由本例得，换热系数增加了 4.3。通常情况下，温度变化 1，换热系数变化 0.057。 4管内流体换热系数 （1）单相流体换热系数 2的计算，如在省煤器内和过热器内的情况，可用公式： （23） 式中，管内流体的导热系数，w/(m)； Dn管内径，m。 （2）两相流体的换热系数计算，如在蒸发器内的情况，比较复杂，为汽水两相流动， 又是沸腾过程。推荐使用下述公式计算蒸发器内有沸腾的两相流换热系数： 2S F
35、dl （24） 式中， F沸腾换热系数； dl强迫对流换热系数； S修正系数，与汽水两相参数 F 有关，与雷诺数 Re有关，可从图 11 查得。F 的计算公式为公式 27。 可见换热系数由两部分加权迭加而得，一部分考虑沸腾换热，一部分考虑强迫对流换热。 a沸腾换热系数 F ： （24） 式中，C与压力有关的系数，查图 12； q管内壁热负荷，W/m 2， qQ/A n ； Cm/WPrRe03. o23.08. nD 7.0CF 13 图 11 修正系数 S 图 12 系数 C 与压力的关系 b两相强迫对流时的换热系数 dl ： （25） 式中： 2*假定管内全是饱和水时的对流换热系数，用（2
36、3）式计算； F存在蒸汽的修正系数， F 3.5(X t t) 0.5 （26） Xt t 是考虑水中有汽水共存时的两相参数： （27） 式中，/ 饱和汽与饱和水的密度比； /饱和水与饱和汽的粘性系数比； x平均质量含汽率， （28） D出口处蒸汽流量； G入口处水的流量。 三、在运行条件下受热面传热量的变化 一台余热锅炉的产汽量与吸收的热量有关，也就是与传热量有关。在运行条件下，各种 因素都会影响到余热锅炉的产汽量，现分析如下。 （一）烟气流量变化 已知 A 余热锅炉的进口烟气量为 135.5kg/s，现烟气量降为 97.2kg/s；假走进口烟气温 度不变，此时蒸发器产汽量将如何变化？ *2
37、dl 1.05.9.01xt GDx5.0 14 图 13 产汽量与烟气参数的关系 烟气量下降为原值的 71.7，烟气的换热系数下降为原值的 78.8，假定其它各项热阻 不变，总热阻增加 1.23 倍，传热系数下降为原值的 81.6。由于传热系数下降的幅度小于 烟气量的下降幅度，表明蒸发器出口处的烟气温度也要下降，最终平衡在一个新的位置上， 经试算后，传热量为原值的 73时是合适的。此时烟气量下降为 71.7，产汽量下降为 73，离开蒸发器的烟气温度比原设计值下降 5，考虑到进入省煤器的烟气温度降低，省 煤器的平均温差下降得多，可以认为生产饱和蒸汽的 A 余热锅炉的产汽量与烟气量成比例， 图
38、13 示出了产汽量与烟气量的线性关系。 （二）烟气温度变化 烟气温度的变化影响平均温差，同时也影响传热系数。例题二的数据说明温度对传热系 数的影响不大，主要是影响平均温差。现在仍然用 A 炉中的蒸发器为例说明影响传热量的 大小（即产汽量的大小） 。 在烟气流量不变的条件下，假定进口烟气温度下降到 400，先假定离开蒸发器的烟气 温度不变时，得到烟气有效放热量降为原值的 56，平均温差降为原值的 69，传热系数 降为原值的 96.7，传热量降为原值的 66.7，显然，此热量与烟气放热量不同，表明传热 能力大，使离开蒸发器的烟气温度必然会下降。经试算后，得到离开蒸发器的烟气温度为 207，此时烟气
39、有效放热量为 28840kW，传热量为 28822kW，两者相符。热量为原值的 58，即产汽量为 51400kg/h。选用多种烟气流量数值和烟气温度数值，可以算出各个平衡 点，平衡点组成的曲线示于图 13 中。当烟气量不变时，温度与产汽量也是直线关系。 图 13 是根据 A 余热锅炉制定的，可供运行人员参考， （该图由厂方提供） 。 应该说明，对于具有过热器的余热锅炉，因蒸汽出口温度与产汽量有关，计算比较复杂， 但基本原理是相同的，此处就不叙述。 四、烟气流阻 烟气从燃气轮机出口，经烟道、各受热面直到烟囱出口，是靠自身具有的排气压力，也 就是说燃气轮机出口的排气压力要能够克服全部流动阻力。根据
40、流体力学的基本公式，流动 阻力可以写成 （30） 式中：w 一烟气平均流速，m/s； 一烟气密度 kg/m3 ； T 一烟气平均温度，； p 一烟气平均压力，可取 pP O； Pa2wAp0027T 15 P。一标准气压； 0一标准情况下烟气的密度，kg/Nm 3； A 一系数，根据具体条件而定。 当流经三角形错列布置的肋片管时，用公式（31）来计算 A 值： （31） 式中：N 一沿烟气流动方向的纵向管排数； S1一管子横向间距，m ； S2一管子斜向间距，m。 在正三角形布置时，S 1S 2 。 在运行条件下，烟气流量和烟气温度的变化都会影响流阻的大小，从公式 30 和 31 可以 推导其
41、间的关系： p (273t) 0.684 p V1.684 GE 公司提供的余热锅炉采用立式布置，烟气向上流动时，会产生自生引力，自生引力 可用下式计算： pzsgh( l r) 式中，h余热锅炉出口高度； l外界冷风密度； r平均温度下的烟气密度。 自生引力与烟气温度有关，烟气温度越高，则自生引力也越大。 烟气的流动阻力由烟气压力降及自生引力来平衡。 制造厂提供了烟气压力降与烟气流量、烟气温度的曲线图，示于图 15 中，该图适用于 A 余热锅炉。 图 14 肋片管错列布置 图 15 烟气压力损失 NSDw51.0297.0136.0Re8.7 16 3 蒸发器的工作特性及其系统 蒸发器系统包
42、括：两组蒸发器、循环泵及汽包三种主要设备。在此系统内是水吸收热量 变成蒸汽，即沸腾过程。由于水平管组内的沸腾过程会影响设备的安全性，所以本节主要叙 述沸腾过程的特点，以及各主要设备的安全性。l 表示三种主要设备的连接。从省煤器出来 的水进入汽包的水空间，与汽包内的水均匀混合后，从汽包底部的一根下降管到循环泵入口， 水在循环泵内升压后，进入蒸发器。蒸发器有两组，是并联的，部分水在蒸发器内汽化成汽， 汽水混合物离开蒸发器进入汽包，在汽包内使汽水分离，蒸汽从汽包顶部管子引出，去用户 或去过热器。水留在空间，再进入下降管依次循环。 一、蒸发器的热力特性 水的沸腾过程是一个复杂的换热过程，烟气加热肋片及
43、管壁，管壁温度升高，使紧邻内 壁的水温升高，当温度高于饱和温度一定值时，壁面上会有汽泡产生，长大，然后脱离壁面 与水流一同流动，汽与水的流动型式是多种多样的，不同的流型具有不同的热力特性。 （一）受热时水平管内汽水两相流的流型 图 16 是一根水平管受热时的典型图，此图适用于余热锅炉，因其热负荷不大。现分析 图中各区域的特点。 I 泡状流 II 塞状流 III 弹状流 IV 波浪状流 V 环状流 VI 分层流 a 间歇干燥区 b 长期干燥区 图 16 水平蒸发管中的流动形式 I 区：壁面上形成的汽泡进入水中，汽泡较小。当水流速低时，由于汽与水的密度不同， 在重力影响下，使汽泡趋于管道的上半部，
44、因汽泡小而数量多，称为“泡状流” 。沿管内壁 均有水，使管壁得到冷却，安全性好。当水流速增大后，水的动能可带动汽泡趋于管中间， 使汽泡均匀分布。 II 区：随着汽泡数量增多，汽泡聚合而成大汽泡，在水流中流动，好像是个汽塞，称为 “塞状流” 。此大汽泡也是趋于沿管上半部流动。 III 区：在塞状流的基础上，汽泡又变大，变长，形状像子弹，称为“弹状流” 。在弹状 汽泡四周仍有水层，可以冷却管壁。 IV 区：蒸汽连成一片。蒸汽的速度增大，使汽水分界面掀起扰动的波浪称为“波浪状 流” ，此波浪被甩到管壁上部，使上部管壁经常有水冷却。形成间歇干燥区。 V 区：当蒸汽速度很高，汽流就位于管道中心流动，形成
45、汽核，在汽核周围有一层水膜， 通常是下部水膜厚，上部水膜薄。水膜沿管内壁呈环状，故称为“环状流” 。如果上部失去 水膜，形成长期干燥区，将使管壁得不到冷却而超温损坏。 VI 区：管内水流速和蒸汽流速都很低时，由于重力的影响，使蒸汽沿管道上部流动， 水沿管道下部流动，在蒸汽上部边界没有水膜，汽与水的分界面很光滑，称为“分层流” 。 以上六种流动型式的热力（传热）和水力（流阻）特性是不同的。从安全性的角度来看， 只有“分层流”是不好的，所以蒸发器在运行中，不允许出现“分层流” 。下面将逐步解释 17 此问题。 （二）水沸腾的传热过程 沸腾的定义是：在水的内部（而不是水的表面）产生汽泡的汽化过程。例
46、如管内是饱和 水，吸热后，在管壁上就会形成汽泡，这就叫沸腾。 沸腾过程可分两种，一种是大空间沸腾，水是依靠自然对流作上下运动的，例如家庭用 水壶烧开水、壶底的水吸热后上升，周围的水下降吸热，最后使壶内之水温都升高。另一种 是对流沸腾，即水在管内流动而沸腾，余热锅炉的蒸发器内的水就属于对流沸腾。 由于蒸发器内水温的不同，又可将沸腾分为过冷沸腾和饱和沸腾，现分别叙述之。 1过冷沸腾 过冷的意义与本章第二节中提到的欠温是相同的，即水温低于饱和温度。 过冷沸腾指的是：整个水温低于饱和温度，但在局部区域沸腾产汽。 例如：进入蒸发器的水温通常是汽包压力对应的饱和水温，而进入蒸发器的水的压力要 大于汽包压力
47、，这是因为经循环泵后水压升高，此时的水温对应于水压而言，是过冷的。如 果汽包压力是 4MPa，对应的饱和水温是 250.3，当水压升到 4.2MPa 时，对应的饱和水温 应该是 253.2，表明过冷度约为 3”C。 具有过冷度的水进入蒸发管，管外有高温烟气加热，使管壁温度升高，当壁温高于饱和 温度时，使紧贴着管壁的水层温度也能略高于饱和温度，在此水层内的水会汽化（即沸腾） 。 汽泡的产生、长大和脱离将会强烈地扰动水层，使换热加强，即换热系数增大，这就叫做 “过冷沸腾” 。例题三 A 余热锅炉的蒸发器 I 中，进入蒸发器的水沿最下排管内流动，此时 最下排管子与 540的高温烟气接触，有可能发生过
48、冷沸腾。一般来说，由于管内的水温低 于饱和温度，当这些汽泡脱离壁面进入主水流中，就会发生凝结现象，此时的过冷沸腾能够 稳定进行。如果水流速低，管壁上部产生之汽泡不能脱离壁面，将会在管壁上形成汽膜，使 管壁不能冷却，因壁温升高使强度下降而损坏，所以对于过冷沸腾也要注意其破坏性。 2饱和沸腾 水不断被加热，直至全部水温达到饱和温度以后，就发生饱和沸腾。此时蒸汽不会再凝 结，蒸发器的大部份管内都进行着饱和沸腾。为了计算传热量，需要了解饱和沸腾时的换热 系数的计算。饱和沸腾的传热随流动型式而不同，通常可以分为二类，一类是图 16 中的泡 状流、塞状流、弹状流，其特点是汽泡周围都有水层存在，汽泡在水流中流动，称为
