自然循环锅炉原理

自然循环锅炉是指在锅炉蒸发系统中，利用降水管中的水与上升管中的汽水混合物的密度差作为推动力，建立起工质循环流动(又称水循环)，使蒸发受热面受到冷却的锅炉。

随着锅炉容量的增大，自然循环锅炉的压力也相应提高。饱和水与饱和水蒸气之间的密度差也随压力增大而减小。由于降水管中的水温与饱和水温非常接近，故可以认为是饱和水。随着锅炉的工作压力升高，降水管中的水与上升管中的汽水混合物之间的密度差也同样减小。由于自然循环锅炉是靠降水管中的水与上升管中的汽水混合物的密度差形成的推动力，建立起工质循环流动的，当压力提高后，这个推动力也随之减小，工质在蒸发系统中的循环流动，也随压力提高而逐渐变得困难。当压力达到临界值22.12兆帕时，饱和汽、水之间的密度差为零，这时，工质循环停止。因此，自然循环锅炉的压力一般都在超高压(15.3兆帕)及以下。要向更高压力发展，就变得相当困难。

在自然循环锅炉中，汽包、下降管、下联箱、蒸发受热面（有的还包括上联箱和汽水导管）构成水循环回路。下降管布置在炉外，不受热。蒸发受热面由布置在炉内的水冷壁管组成，也称之为上升管。上升管内汽水混合物的密度比下降管内水的密度小得多，工质正是依靠这种密度差而产生的动力保持流动的，不需消耗任何外力，所以这种锅炉叫做自然循环锅炉。

汽水混合物进入汽包进行分离，未汽化的水与给水混合后继续参加水循环。自然循环锅炉除了给水泵的功率消耗较小之外，由于汽包使蒸发受热面和过热器之间有了固定的分界点，并且蓄热和蓄水能力大，故对自动调节的要求比直流锅炉低，给水带入的盐分可用排污方式除掉，对水处理的要求也比直流锅炉低，所以自然循环锅炉成为目前世界各国最为广泛应用的一种锅炉。

自然循环锅炉的优点是可以利用连续排污和定期排污来调整和保证炉水品质，因而对给水品质要求不太高。自然循环锅炉的水容积和蓄热能力较大，对自动化控制水平要求较低。由于蒸发受热面的流动阻力不需要给水泵来克服，因而给水泵的耗电量较少。与强制循环锅炉相比，不需要在高温条件下工作的循环水泵，因而工作较可靠。自然循环锅炉的流动压头很小，给水冷壁管的布置带来一定的困难。为了降低循环回路的阻力，水冷壁管和下降管的直径较大，管壁较厚，并需要汽包，使得钢材的使用量较大。自然循环锅炉因为有壁很厚的汽包，所以锅炉的启动时间很长，中压锅炉 需3〜4h,高压锅炉需4〜5h，超高压锅炉需6~7h。

自然循环锅炉的运动压头很小，给水冷壁的布置带来一定的困难。为了减少流动阻力，必须安装水容积较大的的汽包和采用大直径且管壁较厚的下降管，材消耗大；另外，该锅炉由于具厚壁汽包，为了防止出现较大的温差而发生变形，所以自然循环锅炉启动时间较长。 2100433B

图1（1—燃烧室；2—燃烧器；3—冷却室；4—集中下降管；5—高温过热器；6—大屏过器；7—锅筒；8—高温再热器；9—低温过热器垂直管组；10—低温过热器水平管组；11—低温再热器；12—省煤器；13—回转式空气预热器）是东方锅炉厂引进FW技术后设计制造的亚临界压力自然循环锅炉，与300 MW汽轮发电机配套。尾部双烟道结构，采用挡板调节再热汽温，固态排渣，全钢结构，全悬吊结构，平衡通风，半露天布置。锅炉的额定参数为蒸发量1025 t/h、过热蒸汽压力17.38 MPa、过热蒸汽和再热蒸汽温度均为540℃，再热蒸汽流量851.37 t/h，再热蒸汽出口压力3.73 MPa和给水温度273℃，燃用阳泉无烟煤和寿阳贫煤的混煤，两种煤的比例为1∶1。

炉前后墙水冷壁向外扩展成炉拱，拱顶布置燃烧器。炉拱下部为燃烧室，上部为冷却室，两者组成W型火焰的炉膛。全炉膛高度42000 mm，炉膛宽度26822 mm，燃烧室的宽深比为1.63，燃尽室与燃烧室的深度比为0.52，即上炉膛的深度仅为下炉膛的52%。燃烧室敷有763 m的卫燃带，约占下炉膛辐射受热面的40%。

过热器包括大屏过热器、低温过热器、高温过热器和顶棚过热器。大屏过热器布置在炉膛上部，高温过热器在折焰角的上方，低温过热器由三个水平管组和一个垂直管段组成，布置在后部竖井烟道内。蒸汽的流程为汽水分离器→顶棚过热器→各部包墙管→低温过热器→大屏过热器→高温过热器→汽轮机高压缸。过热汽温用两级喷水减温调节，喷水减温器布置在大屏过热器的前后。

再热器由低温再热器和高温再热器组成，前者布置在尾部竖井的前烟道中，后者布置在水平烟道末端，两级再热器用过渡管连接。再热蒸汽温度用烟气挡板调节，并设事故喷水减温器。烟气挡板位于尾部竖井烟道的底部。

图2(DR—锅筒；DC—下降管；ECO—省煤器；WW—水冷壁；SH1—低温过热器；SH2—分隔屏；SH3—后屏；SH4—高温过热器；RHl—低温再热器；RH2—高温再热器；BN—燃烧器；AH—空气预热器)为1025 t/h亚临界压力自然循环锅炉。锅炉型号为SGL025—17.53—M842。锅炉本体采用单炉膛倒U型布置，一次中间再热，燃用煤粉，制粉系统形式为钢球磨煤机中间储仓式热风送粉，四角布置切圆燃烧；采用直流宽调节比摆动式燃烧器(又称WR型燃烧器)，分隔烟道挡板调节再热汽温，平衡通风，全钢结构，半露天岛式布置，固态机械除渣。

锅炉钢架为高强螺栓连结式构架，共分六层，炉顶大板梁顶面标高71.8 m。除空气预热器和机械出渣装置外，所有锅炉部件均悬吊在炉顶钢架上。为方便运行人员操作，在锅炉标高31.2 m处的G排柱至K排柱区设有燃烧器区域的防雨设施，锅筒两端设有锅筒小室等露天保护设施，炉顶装有轻型大屋顶。锅炉设有膨胀中心和零位保证系统。锅炉深度和宽度方向上的膨胀零点设置在炉膛深度和宽度中心线上，通过与水冷壁管相连的刚性梁上的承剪件与钢架的导向装置相配合形成膨胀零点，垂直方向上的膨胀零点在炉顶大罩的顶部。所有受压件吊杆的位移量均相对于膨胀零点而言，对位移量大的吊杆设置了预进量，以改善锅炉运行时的吊杆受力状态。

锅炉采用全金属密封结构。炉顶、水平烟道和炉膛冷灰斗的底部均采用罩壳热密封结构，以提高锅炉整体密封性和美观性。炉膛断面尺寸为深12500 mm，宽13260 mm，其深宽比为1：1.06，这样的截面为四角布置切圆燃烧方式创造了良好的条件，使炉膛烟气的充满程度较好，从而使炉膛四周的水冷壁吸热比较均匀，热偏差较小。

炉膛上部布置四大片分隔屏过热器，以消除炉膛出VI烟气流的残余旋转，减少进入水平烟道的烟气流量分布不均。锅筒安置在锅炉上前方，锅筒中心线标高为64.3m。锅筒内径为1743 mm，壁厚为145 mm，锅筒筒身长度为20500 mm，筒身两端各与半球形封头相接，筒身与封头均用BHW-35材料制成。

给水分配管装在锅筒内下方，4根大直径下降管则均匀布置在锅筒筒身底部，给水分配管在下降管座上方引出4根给水注入管，给水沿着注入管进入下降管中心，从而避免下降管座焊缝区与给水直接接触，消除了焊缝区产生过大温差应力的可能性。在下降管座入口处设置了栅网板，避免旋涡的产生，并防止下降管人口带汽，提高了水循环的安全性。

锅筒内设置了较多数量的轴流式旋风分离器和波形板干燥器，在负荷变化时可有效地保证蒸汽品质，还装有连续排污管、事故紧急放水管和加药管等。3只单室水位平衡容器、2只双色水位表、1只核子水位计、2只电接点水位计分别布置在锅筒两端封头上，具有控制、监视和保护等功能。3只弹簧安全阀布置在锅筒两端封头上，其排放量大于75%MCR。

锅筒筒身上还设置了若干压力测点和内外壁温测点，并设置有省煤器再循环管座、辅助蒸汽管座等。648根Φ60×8 mm材料为20G，节距为76 mm的管子组成的膜式水冷壁围成深12.5 m，宽13.26 m的炉膛。整个水冷壁划分成32个独立回路，两侧墙各有6个回路，前后墙各有6个回路，其中最宽的回路由28根管子组成，位于前后墙中部。水冷壁四个角为大切角，每一切角处的水冷壁形成两个独立小回路。炉膛下部的切角形成燃烧器水冷套，与燃烧器组装后出厂。

前后墙水冷壁在标高16.268m处与水平成55。夹角折成冷灰斗，向下倾至标高8 m处形成深度为1.4 m的出渣口与机械除渣装置相接。后墙在标高41.639 m处形成深3 m的折焰角。折焰角以与水平成30°的夹角向后上方延伸，在标高48.24 m处折向水平烟道底部，然后垂直向上形成3排排管至出口集箱。

过热器包括炉顶过热器、低温对流过热器、分隔屏及后屏过热器、高温过热器等部分。炉顶过热器分前炉顶和后炉顶，也包括水平烟道两侧墙，后烟井四周和隔墙及悬吊管等。低温过热器布置在后烟井的后部烟道，由四组直径为57 mm的蛇形管组和一垂直管段组成，是3根套矩形管组，共114排。

分隔屏布置在炉膛上方，共4大片，每片分隔屏由6小片管屏组成，每一小管屏由8根直径为51 mm的管子组成。后屏共20片，布置在分隔屏后部的炉膛出口处。每片屏由14根U形管组成。外圈管子管径为60 mm，内圈管子管径为54 mm，屏高13.9 m(炉膛内)。高温过热器位于折焰角上方，共38片管屏，每片由8根管子组成，最外一圈管子直径为60 mm，其它管子直径为64 mm。

再热器采用高温和低温二级布置。低温再热器位于尾部烟井前烟道。由三组Φ57×4 mm的5根套蛇形管组和垂直出口段组成，共114排。高温再热器位于水平烟道内。由57排8根套的Φ57 x 4 mm管屏组成。省煤器仅有一组蛇形管组，布置在尾部烟井前烟道低温再热器的下方。省煤器共114排，管组由Φ51×6 mm的两根套蛇形管组成，顺列布置。

锅炉设置两台直径为10.33 m的三分仓受热面回转式空气预热器，用以加热一次风和二次风。空气预热器漏风间隙采用自动控制，确保漏风率在12%以内。在标高20．4 m到29．54 m处，炉膛四角各布置了一组直流式燃烧器，每组燃烧器由5层一次风喷嘴、8层二次风喷嘴和2层三次风喷嘴组成，其中有3层二次风喷嘴中设置了轻油枪并相应地配备一只点火器。锅炉配置两台对称布置的链条刮板式捞渣机，布置在出渣斗下方，并设置两台碎渣机与之配套。