过热器、再热器学习

过热器和再热器都是锅炉中用于提高蒸汽温度的部件。增加蒸汽的焓值，以增加蒸汽作功能力，提高电厂热力循环效率。

过热器、再热器布置

过热器、再热器系统

过热器的作用是将饱和蒸汽加热成具有一定温度的过热蒸汽。在锅炉负荷或其他工况变动时应保证过热蒸汽温度正常，并处在允许的波动范围之内。

随着蒸汽压力的提高，要求相应提高蒸汽温度，否则在汽轮机尾部的蒸汽湿度会过高，影响汽轮机的安全。但过热汽温又受金属材料的限制，日前，受金属材料的限制，绝大部分锅炉的过热汽温仍保持在540～555℃的范围内，为避免汽轮机尾部叶片蒸汽湿度太大，采用中间再热系统。

再热器器的作用是将汽轮机高压缸的排汽加热到与过热蒸汽温度相等(或相近)的再热温度，然后再送到中压缸及低压缸中膨胀做功，以提高汽轮机尾部叶片蒸汽的干度。

一般再热蒸汽压力为过热蒸汽压力的20％左右。采用再热系统可使电站热经济性提高约4％～5％。

过热器和再热器是锅炉内工质温度最高的部件，特别是再热蒸汽的吸热能力（冷却管子的能力）较差，如何使管子金属能长期安全工作就成为过热器和再热器设计和运行中的重要问题

运行中应保持汽温稳定。汽温的波动不应超过＋5～－10℃；

过热器和再热器要有可靠的调温于段，使运行工况在一定范围内变化时能维持额定的汽温；

尽员减少并联管间的热偏差。

按过热器在锅炉布置中所处的位置及结构，可分为：在炉膛壁面的墙式过热器；在炉膛上部不同位置的分隔屏和后屏；在对流烟道中的垂直式过热器和水平式过热器；构成水平烟道和尾部竖井烟道的包覆过热器。

根据传热方式和布置方式，过热器与再热器可以分为对流式、辐射式、半辐射式和包覆壁式四类

过热器、再热器结构

1．对流式

过热器系统中的末级高温过热器，以及再热器系统中的末级再热器和某些低温再热器，常布置在水平烟道和尾部竖井烟道中。它们主要依靠对流传热方式从烟气中吸收热量，属对流式过热器。对流式过热器和再热器基本由蛇形管排组成 。

根据管内外蒸汽和烟气总的流动方向，对流过热器和再热器可有逆流、顺流和混合流三种布置方式

对流式过热器和再热器的布置形式

（a）逆流；（b）顺流；（c）混合流

逆流布置有最大的传热温压，金属耗量最少，但蒸汽出口温度最高处也是烟温最高处，管子工作条件差。一般在烟温较低区域的低温过热器和低温再热器采用逆流布置方式。

顺流方式则相反，传热温压小，耗用金属多，但蒸汽出口处的烟气温度最低，管壁工作条件好。

为在使用现有钢材条件下获得尽可能高的蒸汽温度，末级高温过热器和末级高温再热器都采用顺流布置方式。

管子的顺列和错列布置方式

（a）顺列   （b）错列

烟气横向冲刷顺列布置受热面管子时的传热系数比冲刷错列布置时小，但顺列管束管外积灰易于被吹灰器清除。

布置在高烟温区的过热器或再热器一般易产生粘结性积灰，为便于蒸汽吹灰器清除积灰及支吊方便，都以顺列方式布置。

尾部烟井中低温过热器和低温再热器一般采用错列布置，以增强传热，但有的大型电站锅炉将它们以顺列方式布置，以便于吹灰和支吊。

过热器和再热器并联蛇形管的排数主要由烟气速度决定。其横向管间相对节距s1/d，顺列布置时选取s1/d＝2.0～3.5，错列布置时取s1/d＝3.0～3.5。

大容量锅炉的烟道宽度相对较小，满足烟气流速度的管排数后，就不能满足蒸汽流速的要求。因其管内流通截面太小，蒸汽质量流速太大，超过工质压降限制，所以通常以多管并联套弯的型式来满足蒸汽流速的要求。通常，蛇形管有如图所示的单管圈和多管圈结构。

蛇形管结构

（a）单管圈；（b）双管圈；（c）三管圈

蛇形管的布置有垂直放置（立式）和水平放置（卧式）两种型式。

立式过热器和再热器：通常布置在烟温较高的水平烟道中，如末级高温过热器和末级再热器。

优点：支吊结构简单，吊挂方便,且不易积灰。

缺点：停炉后管内积水不易排除，长期停炉将造成腐蚀。在升炉时工质流量不大，因管内存有积水，可能形成气塞，将管子烧坏，所以在升炉时应注意控制过热器的热负荷；在空气没有完全排除以前热负荷不能太大。

水平对流式过热器和再热器：布置在尾部竖井烟道内。易于疏水排气，但支吊比较麻烦，通常采用有蒸汽或水冷却的悬吊管吊挂。

2．辐射式（壁式、墙式）

布置在炉膛壁面上、直接吸收炉膛辐射热的过热器或再热器，称为辐射式（或墙式）过热器或再热器。

高参数大容量锅炉蒸发吸热所占比例减小，为了在炉膛内部布置足够的受热面，就需要布置辐射式过热器或再热器。

辐射式过热器布置方式：

墙式过热器：布置在炉膛壁面上；

顶棚过热器：水平布置在炉顶；

前屏过热器：悬挂在炉膛上部并靠近前墙。

辐射式过热器不仅使炉膛有足够的受热面来冷却烟气，同时由于辐射式过热器的温度特性与对流式过热器相反，还可改善锅炉汽温调节特性。

对于中参数的的锅炉机组，过热器吸热量占炉水总吸热份额吸热比例不是太高，因此，不需要布置墙式过热器和前屏过热器，仅仅采用顶棚过热器。

亚临界以上的锅炉机组有时还采用前屏过热器或墙式过热器。

由于炉内热负荷很高，辐射式过热器的工作条件恶劣，为了改善工作条件，辐射式过热器通常作为低温级受热面，布置在远离火焰中心、热负荷稍低的炉膛上部。

辐射式过热器和辐射式再热器的设计、布置和运行时考虑：

辐射式过热器和辐射式再热器远离热负荷最高的火焰中心区，布置在热负荷稍低的炉膛上部。这种布置使水冷壁高度减小，对水循环安全性不利，设计时应特别注意水循环计算。

将辐射式过热器和辐射式再热器作为低温受热面，以较低温度的蒸汽流过这些受热面，改善管子的工作条件。

选取较高的管内工质质量流速，提高管内放热系数。如DG第一级壁式再热器ρw=370Kg/(m2.s),SG壁式再热器ρw=406Kg/(m2.s),SG辐射式过热器ρw=1400Kg/(m2.s)。

锅炉启动时管内足够的蒸汽流量来冷却管壁。冷却用蒸汽可以来自其它锅炉的减温减压蒸汽，也可采用自生的蒸汽。当采用锅炉本身产生的蒸汽来冷却时，必须使火焰中心远离辐射式受热面管子。辐射式再热器的冷却蒸汽由过热器经减温减压旁路进入。

L形进出口集箱

3．半辐射式

布置在炉膛上部或炉膛出口烟窗处，既能收到炉膛的辐射热，也吸收烟气对流换热的受热面称为半辐射式过热器或半辐射式再热器。通常称为屏式过热器和屏式再热器。

屏式受热面具有较高的热负荷。为保证管子工作安全，需采用较高的质量流速，一般ρw=700～1200Kg/(m2.s)。屏中并联管根数由蒸汽流速决定。

密排管的相对纵向节距一般为s/d＝1.1～1.25，屏间距离s1＝500～900mm，稀疏布置的管屏起了凝结熔渣的作用。

屏式过热器热负荷高，为了提高受热面工作的安全性，屏式过热器通常用作低温级过热器，烟气在屏与屏之间的空间流过，烟气流速通常为6m/s左右。

屏式过热器以辐射为主，与对流过热器联合使用，可改善汽温变化特性。

屏式过热器结构简图

1－相邻管屏间的定位管；2－屏本身的扎紧管

屏式受热面的布置

（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

‍

屏中各U形管受到的辐射热及所接触的烟气温度有明显的差别，且内外圈的管长不同会导致蒸汽流量差别，因此平行工作的各U形管的吸热偏差较大，有时管与管之间的壁温差可达80～90℃。

运行时应注意对屏式受热面蒸汽出口端金属壁温的监视和控制。屏最外圈U形管的工质行程长、阻力大、流量小，又受到高温烟气的直接冲刷，且接受炉膛辐射热的表面积较其他管子大许多其工质焓增比屏的平均焓增大40％～50％，极容易超温烧坏。

为防止外圈管子管壁超温，有许多改进结构。如将外圈管的长度缩短，将外圈管和内圈管在中间交换位置等，也可用加大外圈管管径及采用高一级材质的钢材等方法来提高其工作可靠性。

可用鳍片管制造全焊膜式屏来代替光管屏。对于结渣性燃料，可以降低粘污程度；在同样条件下吸热量约可提高12％。

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；

（c）内外圈管子交叉；（d）外圈管子短路，内外管屏交叉

4．包覆壁过热器

大型锅炉为了简化炉墙结构采用悬吊结构的敷管炉墙，在水平烟道和尾部竖井烟道内壁象布置水冷壁那样布置过热器，称为包覆壁过热器。

光管：相对节距s/d＝1.1～1.2；膜式壁：s/d＝2～3。

大容量锅炉都采用膜式壁结构，保证锅炉烟道的气密性，并可减少金属消耗量。

包覆壁过热器作为炉壁，单面冲刷，贴壁处烟速较低，对流换热效果较差。在尾部烟道内烟温又较低，布置的受热面较密集，其辐射吸热量也较少，吸热量不计。

包覆壁过热器内蒸汽来自焓增很小的炉顶过热器或直接来自汽包，蒸汽温度较低。因此，包覆壁过热器具有较低的管壁温度，这有利于减少锅炉的散热损失。

包覆壁过热器也具有将蒸汽输送到布置在尾部烟道的低温过热器进口的作用。

影响汽温变化的因素：

锅炉负荷

过量空气系数

给水温度

燃料性质

受热面污染情况

燃烧器的运行方式

1 .锅炉负荷

汽温特性：汽温与锅炉负荷（或工质流量）的关系

辐射式过热器只吸收炉内的直接辐射热。随着锅炉负荷的增加，辐射式过热器中工质的流量和锅炉的燃料耗量按比例增大，但炉内辐射热并不按比例增加，因为炉内火焰温度的升高不太多。随锅炉负荷的增加，炉内辐射热的份额相对下降，辐射式过热器出口蒸汽温度下降。

当锅炉负荷增大时，将有较多的热量随烟气离开炉膛，对流过热器中的烟速和烟温提高，过热器中工质的焓增随之增大。对流式过热器的出口汽温随锅炉负荷的提高而增加。

屏式过热器的汽温特性将稍微平稳一些，因它以炉内辐射和烟气对流两种方式吸收热量。不过它的汽温特性有可能是在高负荷时对流传热占优势而低负荷时则辐射传热占优势。

大型电站锅炉的过热器总体，辐射吸热的份额不大，整个过热器的气温特性是对流式的，即负荷增加时，出口汽温增加，或者说负荷降低时，出口汽温下降。

辐射式过热器只吸收炉内的直接辐射热。随着锅炉负荷的增加，辐射式过热器中工质的流量和锅炉的燃料耗量按比例增大，但炉内辐射热并不按比例增加，因为炉内火焰温度的升高不太多。随锅炉负荷的增加，炉内辐射热的份额相对下降，辐射式过热器出口蒸汽温度下降。

当锅炉负荷增大时，将有较多的热量随烟气离开炉膛，对流过热器中的烟速和烟温提高，过热器中工质的焓增随之增大。对流式过热器的出口汽温随锅炉负荷的提高而增加。

屏式过热器的汽温特性将稍微平稳一些，因它以炉内辐射和烟气对流两种方式吸收热量。不过它的汽温特性有可能是在高负荷时对流传热占优势而低负荷时则辐射传热占优势。

大型电站锅炉的过热器总体，辐射吸热的份额不大，整个过热器的气温特性是对流式的，即负荷增加时，出口汽温增加，或者说负荷降低时，出口汽温下降。

2.过量空气系数

炉膛内过量空气系数增大时，将使得炉内火焰温度降低，炉膛水冷壁吸热量减少，使炉膛出口烟温增加。辐射式过热器和再热器的吸热量减少，汽温随过量空气系数的增大而下降。

过量空气系数增大使燃烧生成的烟气量增多，流过烟道的烟气流速增大。对于对流式过热器，由于对流传热系数和温压的增加，其出口汽温也随着升高。

在锅炉运行过程中，有时用增加炉内过量空气系数的方法来提高汽温，但这将以降锅炉效率作为代价。因过量空气系数太大，锅炉排烟热损失将增加 。

3.给水温度

锅炉运行过程中常常会因高压加热器停运等原因而使给水温度降低。

为保持锅炉负荷不变，必须增加投入炉膛的燃料，这将使得炉内烟气量增加，炉膛出口烟温增加。对流式过热器的吸热量增加，而此时流经过热器的蒸汽量未变，因此出口蒸汽温度将随给水温度的下降而升高。

给水温度的变化对辐射式过热器的出口汽温影响很小，基本保持不变。

一般锅炉过热器总体呈对流汽温特性，若给水温度降低过多，有可能引起过热蒸汽超温。运行经验标明，给水温度降低10℃，过热蒸汽温度增加4～5℃，燃煤耗量增加0.65%。通常采用降低负荷运行方法保证过热器的安全。

4.燃料性质

Mad，Aad 增加，Qar,net降低，必须增加燃料量。

炉内温度降低→辐射传热减少

B增加、水分增加→烟气容积增加→烟气速度提高→对流传热量增加

总体结果：出口汽温升高

当燃煤的挥发分降低，含碳量增加或者煤粉变粗→燃尽时间延长→火焰中心上移→炉膛出口烟温升高→过热器吸热量增加→汽温升高

5.受热面污染情况

过热器之前的受热面（水冷壁）积灰或结渣：炉膛出口烟气温度提高，会使得蒸汽温度升高。

过热器本身积灰、结渣或者管内结垢，吸热量减少而导致蒸汽温度降低。

6.燃烧器的运行方式

高压及以上锅炉机组的燃烧器都有多排，而且有些燃烧器的喷口可以向上或者向下倾斜。燃烧器配风工况改变（总风量不变）、燃烧器喷口向上或者向下倾斜或者运行中投入不同标高的燃烧器都会影响到燃烧室火焰中心的位置。

当火焰中心上移时，炉膛辐射吸热份额下降，布置在炉膛上部和水平烟道内的过热器的传热温差增大，吸收热量增多，而蒸汽量没有变化，因此会导致过热器出口汽温升高。

蒸汽温度的调节

汽温升高，材料强度下降：

例：12Cr1MoV ：10万h（585℃），3万h（595℃）；在超温10～20 ℃时，寿命减半。

汽温下降，循环热效率下降：－10 ℃ → η↓0.5%

汽温过低，汽轮机排汽湿度增加，从而影响汽轮机末级叶片的安全工作。

再热汽温变化剧烈→中压缸转子与汽缸之间的相对胀差变化→汽轮机激烈振动→安全

通常规定蒸汽温度与额定温度的偏差值在－10～＋5℃范围内。

波动不可避免，采取汽温调节装置，在60～100％额定负荷内维持额定蒸汽温度。

调节方法：

蒸汽侧调节（改变蒸汽热焓）：

喷水减温器

表面式减温器

烟气侧调节：

改变锅炉内辐射受热面和对流受热面的吸热量分配比例

调节燃烧器倾角

烟气再循环

改变流经过热器、再热器的烟气量

烟气挡板

1.喷水减温装置

喷水减温：将水直接将水喷入蒸汽中，喷入的水在加热、蒸发和过热的过程中消耗蒸汽的热量，使汽温降低。

喷水减温调节法、调节灵敏、惯性小，易于实现自动化，加上调温范围大、设备结构简单，所以在电站锅炉上获得了普遍应用。

减温水：给水（3～5％锅炉容量）

位置：过热器连接管道或者联箱

一般采用两级喷水减温（过热器三级布置），保证高温过热器安全、减小迟滞、提高灵敏度（当过热器四级布置时，可能有三级减温）

第一级：屏式过热器前，保护屏式过热器，粗调，>1/2

第二级：末级高温过热器前，微调,<1/2

喷水减温只能使蒸汽温度降低，不能使蒸汽温度升高，过热器设计时需多布置一些受热面，使锅炉在低负荷时能达到额定汽温，而在高负荷时投入减温器喷水减温。一般只作为过热蒸汽的调温方式。

再热器一般采用烟气侧调节汽温，喷水减温作为辅助调节措施，因为向再热蒸汽内喷水会降低整个机组的经济性。

喷水形式：

文丘里减温器

漩涡式喷嘴减温器

多孔喷管式减温器（笛形管式减温器）

目标：使减温水尽快、均匀与蒸汽混合（提高灵敏性），防止减温水冲击高温金属管道（减少热应力）

文丘里管式喷水减温器

1－减温器联箱；2－文丘里管；3－喷水孔；4－环形水室；5－减温水室；6－混合室

在文丘里管的喉部，布置有多排φ3mm的小孔，减温水经水室从小孔喷入蒸汽流中。孔中水速约1～2m/s，喉部蒸汽流速达70～100m/s，使水和蒸汽激烈混合而雾化，该种减温器蒸汽流动阻力小，水的雾化效果较好。

漩涡式喷嘴喷水减温器

1-漩涡式喷嘴；2-减温水管；3-支撑钢碗；

4-减温器联箱；5-文丘里管；6-混合管

减温水经漩涡式喷嘴喷出雾化，在文丘里管喉部与高速（70～120m/s）蒸汽混合，很快汽化与过热，使汽温降低。混合管长约4～5m，混合管与蒸汽管道的间隙为6～10mm。这种减温器雾化质量很好，能适应减温水量频繁变化的场合，而且减温幅度较大。

多管式喷水减温器

1－多孔管；2－混合管；3－减温器联箱

多孔喷管上开有若干喷水孔，喷孔一般在背向汽流方向的一侧，以使喷水方向和汽流方向一致。喷孔直径通常为5～7mm，喷水速度为3～5m/s。

再热器微量及事故喷水

Babcock的喷水减温器

喷嘴

2.分隔烟道挡板

烟道挡板是利用改变流过尾部烟道中的烟气量来调节汽温，现代锅炉上主要用来调节再热蒸汽温度。

调节烟道挡板，可以改变流经两个烟道的烟气流量，也就是改变2个并联烟道中的烟气分配比率，从而调节再热汽温。

烟气流量的改变，也会影响到过热汽温，需要调节减温器的喷水量来维持过热汽温稳定。

再热器进口的喷水减温器正常下是不运行的，只是在再热器出口温度上升，并且不能被挡板控制的情况下作为紧急减温器使用。

采用烟道挡板调温的主要优点是：结构简单、操作方便，在调节再热汽温时，对炉膛的燃烧工况影响较小，且调温幅度较大；但其缺点是汽温调节的延迟时间太大，挡板的开度与汽温变化不成线性关系，而大多数挡板只有在0％～40％的开度范围内比较有效，挡板开的较大时易引起磨损，关得较小时又易引起积灰。

在用烟道挡板调节再热汽温时，必须考虑到对过热汽温的影响。若想提高再热汽温，应在开大再热器侧挡板前，检查一下是否有一定的过热器减温水量。因为在开大再热器侧挡板时，过热器侧挡板关小，低温过热器出口温度降低；此时必须减小减温水量，以保持过热汽温稳定。否则，虽然低温再热器温升增大，但因为低温过热器出口温度下降，引起主蒸汽温度降低，导致高压排汽缸（低温再热器入口）温度降低，最后高温再热器出口温度没有什么变化。

3.烟气再循环

工作原理：采用再循环风机从锅炉尾部低温烟道中（一般为省煤器后）抽出一部分温度为250～350℃的烟气，由炉子底部（如冷灰斗下部）送回炉膛，用以改变锅炉内辐射和对流受热面的吸热量分配，从而达到调节汽温的目的。

掺入低温再循环烟气炉膛温度降低炉内辐射吸热量减少（炉膛出口烟气温度一般变化不大）

烟气量增加对流受热面吸热量增加

1％再循环烟气量再热汽温2 ℃；20～25％  40~50℃

幅度大、迟滞小、调节灵敏

同时可降低NOX排放

缺点：再循环风机高温、磨损、耗电；排烟温度升高，锅炉效率降低

4.改变火焰中心位置

摆动式燃烧器

高负荷：向下倾斜

低负荷：向上倾斜

摆动±20~300 炉膛出口温度110~140℃ 调温幅度40~60℃

上倾角过大：q3,q4增加

下倾角过大：冷灰斗结渣

多层燃烧器：可改变投运层调节。降负荷时，停下排燃烧器（对燃烧影响？）。

过热器的热偏差

锅炉受热面管子长期安全工作的首要条件是：必须保证它的金属工作温度不超过该金属的最高允许温度。

热偏差：由于管子的结构尺寸、内部阻力系数和热负荷可能不同而引起的每根管子中蒸汽焓增不同，工质温度不同的现象。焓增大于管组平均值的那些管子叫偏差管。

管壁温度tb：管内工质温度tg，热负荷q，放热系数a2（管内工质的质量流速）等

过热器、再热器金属工作温度最高、工作条件最差，壁温接近管子的最高允许温度。

尤其需要避免个别管子超温。

一、主要影响因素

吸热不均匀：各管外壁烟气温度、烟气流速以及积灰结渣情况的不同，直接影响到管内蒸汽的吸热量

流量不均匀：管子的流量取决于该管的流动阻力系数和管子进出口之间的压差，管长度不等、内径不同、弯头数或粗糙度不同，都会引起流动阻力系数不均匀，阻力系数越大，流量越小。

1.烟气侧热力不均

主要原因：沿炉膛宽度方向烟气温度场和速度场不均匀

结构因素

1）直流燃烧器四角切圆燃烧，炉膛出口至对流烟道存在残余旋转；

2 ）过热器管子实际节距不同（设计、安装及运行因素造成），形成烟气走廊

运行工况

1）燃烧组织不良：四角配风不对称，火焰偏斜，风粉不均，结渣，上部再燃等

2 ）受热面污染：通流面积变化

3 ）吸热多的管子蒸汽温度高、比容大、阻力大、使工质流量减少，加大热偏差

2.工质侧水力不均（流量不均）

Z型连接：管圈两端的压差Δp差异大，流量不均大。左端管圈压差最小，工质流量最小；右端管圈压差最大，工质流量最大。

U型连接：各并列管圈两端的压差Δp相差较小，管组的流量不均也较小。

采用多管均匀引入和导出的连接方式可以更好地消除过热器蛇形管间的流量不均，但是要增加集箱的并列开孔，连接系统结构复杂。

实际：采用从集箱端部或从集箱中间单侧引入和引出的连接系统：简单、蒸汽混合均匀、易于装设喷水减温

二、减小热偏差的措施

过热器受热面分级，级间设集箱使蒸汽充分混合。

沿烟道宽度方向分级，即将受热面布置成并联混流方式

交叉

蒸汽左右交叉连接系统

1—饱和蒸汽进口联箱；2—中间连箱；3—出口联箱；4—集汽连箱

采用定距装置，消除烟气走廊

对个别管子（如外圈管）可通过调整管径，改变局部阻力系数等增加其流量，反之，对个别流量偏大或吸热较小的管子，可通过设置节流圈或增大管接头壁厚的方法来限制其流量

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