余热锅炉系统工作基础学习知识原理及其技术特点.doc

!- 余热锅炉系统工作原理及技术特点 中国锅炉网资讯栏目http://www.glwww.com/news/5/ 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19－1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。 图19－1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150－180℃，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、强制循环余热锅炉 图19－1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19－2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 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19－3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19－3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，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。 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。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。 1 内壁 2 外壁 3 保温层 4 连接螺栓 5 法兰 6 法兰螺栓 有热烟气流过的组件均装有管箱板，管箱板上有法兰。图19－4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19－4 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 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19－5。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19－5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19－5C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19－5D中表示的一个大的坚固的管组。 顶板用13～19mm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19－1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，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 = jV(I ’－I ’’ ) J/s或W （1） 式中：Qp一烟气有效放热量； j一保热系数，考虑散热量的影响，通常取0．98～0．99； V一烟气流量kg／s； I ’一烟气进口焓， J／kg； I ’’一烟气出口焓，J／kg。 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’) J／s或W （2） 式中：Qw一管内流体吸热量； G一管内流体流量kg／s； i’’一流体出口焓，J／kg； i’一流体进口焓，J／kg。 热平衡方程式就是：Qp ＝ Qw 通常写成 jV(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，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）顺流 （二）传热方程式。 从“传热学”中知道传热方程式的基本形式是： Q＝KDtA J/s或W （4） 式中：Q一传热量； K一传热系数，W/(m2℃)； Dt一平均温差，℃； A一管子的传热面积，m2。 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A0＝Af＋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Dt的计算 受热面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（T2－t2）＞0。同时沿受热面的温差（T－t）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：Dtd一热、冷流体温差的最大值； Dtx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yDt。 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y接近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，Dtd＝230－110＝120，Dtx＝185－180＝5 于是， 逆流布置时，Dtx＝230－180＝50， Dtd＝185－110＝75 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，Q1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。tx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：lb—金属壁的导热系数，W/(m℃) a1—烟气对壁的换热系数W／（m2℃）。 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，tx大于twb，Ef是一个小于1的数值。在理想情况下，金属没有热阻，tx 等于twb，肋片效率Ef = 1。将（11）公式中的（T—tx）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：a2 —管内流体的换热系数，W/（m2℃）； Anb－管内壁面积，m2 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Q＝QI＝QI＝QIII，将各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， （17） 式中：A0—肋片、管外壁总面积，A0＝Af ＋Awb ； Dt—对数平均温差，℃ K—总传热系数，W/（m2℃）。 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。Rw表示外壁的污垢系数，Rw＝brw/lrw；Rn表示内壁的污垢系数，Rn＝brn/lrn。 考虑到污垢层比较薄，近似认为Aww＝A0，Anw＝Anb，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（T－t）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a1、a2、以及Rw、Rn、lb。现分别叙述如下。 1．金属管壁导热系数lb。 对于碳钢的管材，当温度为20℃时，lb ＝46W/（m℃），随着温度升高而略有降低，当温度在100℃～200℃之间，lb ＝40W/（m℃）。 对于含铬钢管，当温度在400℃时，导热系数lb ＝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0.00035m2℃／W，燃用油时，Rw 可取0.0008m2℃／W 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0.0001～0.0002m2℃／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a1 肋片管采用正三角形错列布置时，换热系数a1可用布里格斯的实验公式。 （22） 式中：Sf ，Y，Df ，Dw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 r－烟气密度，kg/m3 m－烟气粘度（粘性系数），Pas cp－烟气定压比热，J/kg℃ l－烟气导热系数，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量有关。 通常烟气的换热系数a1 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a1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a1的变化。 解：按布里格斯的实验公式，计算结果如下： 温度℃ l Pr m / r w Re 375 0.0489 0.702 57.410－6 17 296167Dw 450 0.0538 0.706 69.1410－6 19 274391Dw 得：a450 / a375 ＝ 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。 l，m，或n＝m / r 等一般可从工程手册上查到。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r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a2的计算，如在省煤器内和过热器内的情况，可用公式： （23） 式中，l－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： a2＝SaF＋adl （24） 式中，aF－沸腾换热系数； adl－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aF ： （24） 式中，C－与压力有关的系数，查图12； q－管内壁热负荷，W/m2， q＝Q/An ； 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adl ： （25） 式中：a2*－假定管内全是饱和水时的对流换热系数，用（23）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，r’’/r’－饱和汽与饱和水的密度比； m’/m’’－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？ 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； r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p＝PO； P。一标准气压； r0一标准情况下烟气的密度，kg/Nm3； 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，S1＝S2’ 。 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可以推导其间的关系： Dp (273＋t)0.684 Dp 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： Dpzs＝gh(rl－rr) 式中，h－余热锅炉出口高度； rl－外界冷风密度； rr－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 3 蒸发器的工作特性及其系统 蒸发器系统包括：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，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，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