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1、CH1 承压设备基础知识,1.5 锅炉的结构,锅炉的基本组成 锅炉为能量转换设备，要把其它形式的能量转变成热能并被有效地利用，需要某种中间介质才能实现，最常用的介质是水。 1）“锅”：本体中汽水系统，高温燃烧产物烟气通过受热面将热量传递给汽锅内的水，水被加热，沸腾汽化，生成蒸汽。 2）“炉”：本体中燃烧设备，燃烧将燃料的化学能转化为热能。 锅和炉是通过传热过程相互联系在一起的。受热面是锅和炉的分界面。受热面从放热介质吸收热量并向受热介质放出热量。 凡是放热介质和受热介质分别处于受热面两侧，受热面的吸热和放热同时地、连续地进行的这类受热面称为间壁式受热面。 如果放热介质和受热介质分别交替地、周期
2、地与受热面相接触，在接触中向受热面放热或从受热面吸热，则这种受热面称为蓄热式（或再生式）受热面。蓄热式受热面本身乃是一种固体的中间载热体。,1.5 锅炉的结构,1.5 锅炉的结构,锅炉研究方向：合理有效利用燃料,节能降耗，提高效率；防止和降低环境污染，开发新的洁净燃烧技术；提高机械化、自动化水平，保障安全可靠运行。,1.5 锅炉的结构,1.5 锅炉的结构,汽包水位、压力保护系统： 锅炉汽包水位保护系统是防止锅炉满水和缺水的必要和有效的措施，是锅炉启动及正常运行的必要条件。 满水事故将使锅炉蒸汽严重带水，使蒸汽温度急剧下降，蒸汽管道发生水冲击，甚至损害汽轮机机组。 缺水事故将不能维持锅炉的正常水
3、循环，使蒸汽温度急剧上升，水冷壁过热，轻者造成机组被迫停运，严重时可造成锅炉设备的严重损坏。,1.5 锅炉的结构,锅炉的基本结构形式： 锅炉的结构受锅筒的位置（立式或卧式）、锅炉本体型式（锅壳或火管、水管）、燃烧方式或燃烧室布置等的影响，有许多不同的类型，锅炉的基本结构可以分为水管锅炉和锅壳（火管）锅炉。 锅壳锅炉基本结构单元为：锅壳（锅筒）、炉胆、火管（烟管）等。 水管锅炉基本结构单元有：锅筒（俗称汽包）、集箱、受热面管、钢架等。 水管锅炉结构复杂，参数高、效率高，现代大型锅炉（特表示发电用锅炉）无一例外的都是水管锅炉。,水管式锅炉基本结构简图 a.多锅筒锅炉；b.三锅筒锅炉； c.双锅筒锅
4、炉；d.单锅筒锅炉,1.5 锅炉的结构,锅炉结构的演变过程： 现在使用的锅炉绝大部分以水为工作介质，历经二百多年的发展现代锅炉的结构也是在不断变化中发展过来的。 锅炉沿着两个方向发展： a) 在锅筒内部增加受热面，形成烟管锅炉系列； b) 在锅筒外部发展受热面，形成水管锅炉系列。 锅炉结构远非上述的几种结构，特别是现代大型锅炉，已形成了一个复杂的系统。 随着现代技术的发展和人们对客观世界认识的不断进步，将会有更多的锅炉结构涌现出来。,锅炉结构演变示意图,1.5 锅炉的结构,锅壳锅炉的基本技术特点和典型结构： 立式无烟管锅壳锅炉：蒸发量一般在1t/h以下，蒸汽压力可达0.8MPa，锅炉效率较低，
5、一般为55%，单位面积蒸发量也较低，一般为2030kg/m2h。现在优化设计的燃油、燃气立式锅炉，其单位面积蒸发率也可接近40kg/m2h。一般每吨蒸汽耗钢量降至6t左右。立式锅炉占地面积较小，如果提高参数，就势必要提高占空，会对锅炉房建设和锅炉的操作带来不利。 立式有烟管锅壳锅炉：在蒸发量不大的场合，采用立式锅炉更趋简单，结构布置方便。立式锅炉比卧式锅炉的蒸发量要小，由于体积小燃烧体积空间也小，热效率更低一些，并且结构上存在一些薄弱环节，故一般用于要求不高的场合。主要有冲天管锅炉、立式（多）横火管锅炉、立式（大、多）横水管锅炉、立式双回程横火管（固定炉排、双层炉排）锅炉、立式直水管锅炉、立式
6、弯水管锅炉、立式热管锅炉、立式无管锅炉等。但其参数较低，其蒸发量一般小4t/h，放热率70%以下。,1.5 锅炉的结构,锅壳锅炉的基本技术特点和典型结构： 卧式无烟管锅壳锅炉：直径较大，可达两米以上，火筒的直径也在650950mm，火筒一般做成波浪式结构，用来克服炉体较长带来的热膨胀问题。卧式锅炉体积较大，其蒸发量一般可达4t/h，压力可达1.6MPa。由于结构缺陷和热效率低，现已基本淘汰，不过它的外特性较好，能适应负荷变动范围大的场合。 卧式有烟管锅壳锅炉：由于增加了一定数量的烟管（火管），使得卧式锅炉的性能大大改善，特别是现代燃油、燃气技术的发展，使这种结构锅炉有了生存空间，形成所谓“卧式
7、内燃火管燃油（气）锅炉”。由于燃烧方式的改进和受热面积的提高，其热效率可达70%以上，蒸发率可达30kg/m2h左右，一般每吨蒸汽耗钢材降至6t以下。使用烟管虽然带来了很多好处，但仍然存在：钢材耗量仍较大；胀接烟管易泄漏；烟管易结垢、集灰，并不易清除，易造成传热恶化；烟管流通截面较小，通风阻力加大；占地面积较大等问题。 目前这一类锅炉已采用焊接结构代替胀接结构来解决烟管与管板的连接。,1.5 锅炉的结构,锅壳锅炉的基本技术特点和典型结构： 火水管混合结构锅炉：火水管混合结构锅炉兼有水管与火管，理论上应兼有两者之优点。但是，水管的优点只有在较高压力和温度下才能发挥，由于强度的限制，这类锅炉的参数
8、不能提得很高。在主体结构上它们与锅壳锅炉基本一致，故按锅壳锅炉对待。,1.5 锅炉的结构,水管锅炉的基本技术特点和典型结构： 由于锅壳锅炉结构上的限制不能满足参数上的要求。当锅炉容量达到4t/h以上时，为了保证强度要求，锅壳直径和璧厚要增加很多，用钢量会大大增加，特别要实现高参数时，几乎是不可能的。在同样条件下，水管锅炉传热效果有很大的改善，相比较钢材消耗量明显降低。 工业上常用的双筒管锅炉通常在20t/h以下，压力可达2.5MPa，其热效率可达65%80%，单位蒸发率可达2560kg/m2h，每吨蒸汽钢材耗量在5t左右。根据工艺要求，这类锅炉可以设计有过热器，这样可以提供250400的过热蒸
9、汽。 单锅管锅炉是现代大型、高参数锅炉的主要形式，一般用于发电和热电联供。 这类锅炉结构复杂，是一个完整的系统，其基本组成部分包括：锅筒、集箱、水冷壁、过热器、再热器、省煤器、空气预热器、锅炉范围内管道、钢架、燃烧系统和各类附件。 但锅筒锅炉的蒸发量一般在65t/h以上，压力在3.8MPa以上，锅炉系统的热效率可达90%以上。目前一台300MW的发电锅炉，蒸发量为1028t/h，额定工作压力为13.7MPa，已进入亚临界状态。,1.5 锅炉的结构,锅炉的本体结构与安全要求： 锅炉是一种承受内压、具有爆炸危险的特种设备。锅炉能否安全运行，对保证安全生产、保障人民生命财产安全和社会公众安全的关系甚
10、大。对锅炉进行安全监察，就是要解决锅炉的安全问题，保证它少发生事故或不发生事故。锅炉的事故按其严重程度可以分为两类： 灾难性的爆炸事故（锅筒、集箱或锅壳、炉胆等爆炸）和一般性强迫停炉事故（受热面烧坏、炉管屈服、焊缝漏泄等）。 20世纪初，英美等国家锅炉爆炸惨案很多，曾有一艘内河船，因锅炉爆炸酿成1500多人丧命的大惨案。一般性的被迫停炉事故，虽然一般不致造成严重的人身死亡事故，但有时后果往往很严重。 灾难性的爆炸事故大都发生在低、中压的中小型容量锅炉，特别是多数发生在低压小型锅炉方面和土造锅炉方面，至于高压以至超临界压力的巨型电站锅炉据知还从未有重大受压元件（锅筒、集箱等）在运行中发生爆炸的事
11、故，只有极少数蒸汽母管爆炸事故。 目前全世界已有数万台巨型高压锅炉，它们自应用以来，其安全性（指灾难性爆炸事故）可以说达到极为可靠的程度。,1.5 锅炉的结构,锅炉的本体结构与安全要求： 巨型高压锅炉的结构问题和运行问题等等比中、小容量的锅炉要复杂得多，但是它们的运行却相当安全、可靠。这说明，锅炉的安全与否在于人们如何去掌握，进一步说，只要充分重视工业锅炉的安全技术和管理，是完全可以防止灾难性锅炉爆炸事故发生的。 锅炉的安全技术蕴藏在设计、制造、运行、检验和检修等方面的各项工作之中。一些锅炉本体结构设计不合理，制造时焊接质量差，甚至安全附件也不全不灵，又没有被及时的检验出来，这样就难免发生大的
12、灾难性事故。 除了对这些粗制滥造、先天不足的锅炉，特种设备安全监督管理部门（简称“监管部门”）和检验检测机构（简称“特检机构”）应当把好质量关，不经检验合格不准出厂和安装使用外，还应当使从事锅炉生产、使用、检验检测和安全监督管理的各方面从业人员，不仅要充分重视工业锅炉自身安全问题，而且还必须掌握其有关的安全技术知识，才能有效地避免一些先天不足的锅炉的诞生。,1.5 锅炉的结构,锅炉受压元件的破坏类型与强度设计 ： 各受压元件必须按规定的技术条件进行加工制造与组合安装，原材料必须符合锅炉钢的要求，锅炉受压元件必需满足强度要求。 锅炉受压元件的强度是指其在承受介质压力及其它工作条件下的附加载荷时，
13、在预定的工作期限内不破坏（不失效）的能力。因此，它是保证锅炉安全的基础。 锅炉元件强度与材料强度、元件结构形状、内压及其它载荷状况等因素有关。 材料强度是元件强度的基础，它决定了构成元件的材料抵抗破坏的能力。 元件结构形状及载荷性质则决定了元件中的应力水平。一般说来，限制元件中的应力水平是保证元件不破坏的基本条件。,1.5 锅炉的结构,锅炉受压元件的破坏类型与强度设计 ： 锅炉受压元件可能的破坏或失效形式有以下几种： 因弹性变形过大导致介质向外泄漏。常发生在胀口、法兰联接部位。 因弹性变形过大导致结构失稳，如外压作用的炉胆塌陷，甚至被压瘪、撕裂等。 因应力变动引起低周疲劳破坏，发生在应力集中部
14、位或缺陷部位。 因交变热应力引起热疲劳破坏，发生在受热面的汽水分界面处及喷水减温器等温度经常交变的部件中。 因超压引起塑性破坏，常见于小型锅炉锅筒、锅壳、炉胆及管板的破裂。 因苛性脆化等原因引起脆性破坏，发生在小型锅炉锅筒、管板等处。 因超温引起塑性破坏（短期超温）或蠕变破坏（长期超温），常见于水管锅炉各种受热面管的破坏。 其它破坏。,1.5 锅炉的结构,锅炉受压元件的破坏类型与强度设计 ： 导致锅炉受压元件破坏、造成锅炉事故的原因是多方面的，元件强度不足是重要原因之一，在事故原因中占有不小的比例；而且其它原因造成的事故，最终也往往表现为强度方面的问题。 锅炉受压元件强度计算的任务是： 在应力
15、分析的基础上，依据强度理论，建立元件受内压（外压）后产生的应力（当量应力）与材料许用应力之间的关系，控制元件中大面积上的实际应力不超过元件材料的许用应力。中心是决定或核定元件的壁厚。 强度计算可分为设计计算和校核计算。 设计计算是在已知材质、元件外形尺寸、元件工作条件的情况下，决定元件壁厚的计算； 校核计算是在己知材质、元件外形尺寸、壁厚的条件下，核算元件所能承受的工作条件。两种计算在本质上是相同的。,1.5 锅炉的结构,锅炉受压元件的破坏类型与强度设计 ： 强度计算或称设计计算分为两种类型，一种是常规设计，另一种是分析设计。目前锅炉强度计算大多采用的是常规设计。因此，强度计算必须按强度计算标
16、准进行，不仅要采用标准中的公式，还必须遵守标准中的各项规定。计算公式体现了对元件大面积上一次应力的限制，标准的各项规定体现了对其它应力及运行中其它因素的考虑。 我国现行锅壳锅炉强度计算标准为GB/T 16508-1996锅壳锅炉受压元件强度计算，水管锅炉强度计算标准为GB9222-1988水管锅炉受压元件强度计算。对于结构形状相同的元件，两个强度计算标准的计算公式基本上相同，但由于锅壳锅炉与水管锅炉工作条件不同，因而两者取用的安全系数和许用应力也不相同，另外二者采用的计算压力、附加壁厚等也不相同，值得使用时注意。 当筒体与不同形式的封头及其它端部结构（管板、下脚圈等）连接时，在连接处因结构不连续或变形不连续，会产生附加应力。不同几何形状在连接处变形不连续是难于避免的，而结构上的明显不连续会导致较大的附加应力，应尽量避免。实在难于避免时应采用适当的结构措施，使形状突变转换为形状渐变圆滑过渡。,1.5 锅炉的结构,锅炉受压元件的破坏类型与强度设计 ： 目前，锅炉元件大都为焊接结构，焊接结构型式直接影响着元件的结构型式，因而在考虑元件结构时，必须考虑和选
