【技术】详解火电厂汽包的工作原理和作用

汽包是锅炉设备中最重要的设备，是锅炉加热、汽化、过热三过程的连接枢纽，起着承上启下的作用  。水在锅炉中变成合格的过热蒸汽，要经过加热、汽化、过热三个过程。由给水加热成饱和水是加热过程；饱和水汽化成饱和蒸汽是汽化过程；饱和蒸汽加热成过热蒸汽是过热过程。上述三个过程分别由省煤器、蒸发受热面、过热器来完成。汽包与上述三个过程都有联系，它要接受省煤器的来水；与蒸发受热面构成循环回路；饱和蒸汽要由汽包分送到过热器。汽包既是加热、汽化、过热三个过程的交汇点，也是加热、汽化、过热三个过程的分界点。因此，称汽包是锅炉加热、汽化、过热三个过程的连接枢纽。

01汽包作用

既然汽包是锅炉加热、汽化、过热三过程的连接枢纽和分界点；它的作用是什么呢？

储能和缓冲作用：汽包内储存一定的水与蒸汽，具有储能作用，当负荷变化时，它对蒸发量与给水量之间的不平衡以及汽压速度的过快变化都有一定的缓冲作用。如负荷升高时，汽压要下降，这时原处于饱和状态水，可自行汽化一部分蒸汽，使汽压下降速度趋于缓慢。

保证蒸汽品质：汽包内装有汽水分离装置、蒸汽清洗装置等设备，可有效地进行汽水分离、蒸汽清洗、加药、排污等，用以保证蒸汽品质及锅炉品质。

保证锅炉安全运行：汽包上装有多种水位计、压力表、事故放水门、安全阀等附属设备，用来监测汽包压力和汽包水位，保护锅炉安全运行。

02汽包简介

（1）汽包与换热器之间由上升管和下降管连接，形成汽包自身的水循环。汽包水循环是对流热循环。锅炉产生的热水（蒸汽）由上升管进入汽包，热的水质量轻往上走的过程中将热量进行交换，部分水转化为气态；汽包冷水在重力作用下经下降管补充至锅炉。水在虹吸作用下在汽包与锅炉间的循环就是汽包的自循环。蒸汽上升量与水下降量是正相关的。若借助泵将锅炉水直接打至汽包，维持汽包的液位，这种方式叫强制循环。

　　与此同时汽包接受循环给水泵的给水，以及向过热器输送饱和蒸汽，或直接输出蒸汽，因此，汽包是是工质加热、蒸发、过热三过程的连接枢纽，保证锅炉正常的水循环。

（2）汽包内部有汽水分离装置和连续排污装置，保证锅炉蒸汽品质。

（3）有一定水量，具有一定蓄热能力，在锅炉工况发生变化时，能减缓汽压的变化速度，起到稳定汽压的作用 。

（4）汽包上有压力表、水位计、事故放水、安全阀等设备，保证锅炉安全运行。

（5） 汽包是一个平衡容器，提供水冷壁汽水混合物流动所需的压力。

03汽包结构

从图可以知道汽包主要包括三个部分：

（1）汽水分离装置。

（2）蒸汽清洗装置。

（3）排污、加药、事故放水等装置。

汽水分离装置的原理：

（1）利用汽水密度差进行重力分离；

（2）利用汽流改变方向时的惯性力进行惯性分离；

（3）利用汽流旋转运动时的离心力进行汽水离心分离和利用使水黏附在金属壁面上形成水膜往下流形成的吸附分离。

主要包括旋风分离器、百叶窗分离器等装置，旋风分离器是由2-3mm的钢板制成的圆筒，汽水混合物从进口蜗壳以切线方向进入旋风器，靠离心力作用将水滴抛向筒壁使汽与水分离，然后在旋风筒内受重力作用，蒸汽从顶部经波形板顶帽进入汽包的蒸汽空间，水则由下部进入水空间，完成一次分离；再通过百叶窗分离器的二次分离，从而达到汽水分离的目的。

旋风筒进口管的中线高于汽包内的最高水位，这样可使筒内的水位低于分离器进口管的边缘，分离器的筒底应没入正常水位下200mm,以免蒸汽由筒底穿出。为防止筒底排水中带出蒸汽进入下降管，在筒底都装有托盘。在汽包内顶部蒸汽引出管之前装置多孔板，目的是利用节流作用使蒸汽空间的饱和蒸汽沿汽包长度和宽度分布均匀，提高分离效率。多孔板是由3-4mm厚的钢板制成，孔径为10mm。旋风分离器如下：

04汽包工作过程

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（1）从锅炉来的汽水混合物经过汽包上部上升管进入汽包内部，沿着汽包内壁与弧形衬板形成的狭窄的环形通道流下，使汽水混合物以适当的流速均匀的传热给汽包内壁，这样克服了锅炉启停时汽包上下壁温差过大的困难，可以较快的启动。

（2）进入汽包的汽水混合物分别进入汽水旋风分离器，利用改变流动方向时的惯性进行惯性分离，这是汽水混合物的第一次分离。

（3）被分离出来的蒸汽仍带有不少水分，从分离器顶部进入波形板分离器，它装在旋风分离器顶部，带有部分水滴的蒸汽在波形板间的缝隙中流动，利用使水黏附在金属壁面上形成水膜往下流。

（4）二次分离后的蒸汽最后经过蒸汽清洗，利用水的密度差进行重力分离，这是三次分离。

（5）蒸汽经过三次分离后，达到了蒸汽质量标准，再由汽包顶部饱和蒸汽管引往屏式过热器。

05汽包上安全阀

汽包上的安全阀为了保险起见，当锅炉容量大于0.5t时，需要安装两个安全阀，且两安全阀的整定压力不同，整定值低的是控制过热蒸汽的，高的是控制汽包压力的；一旦超压，整定值低的先起跳，以此来保证过热器不被烧坏。

安全阀须为开式阀帽，通过空气流通散热，避免弹簧等受热变形。

安全阀配有扳手，以防安全阀无法正常起跳时，人为开启安全阀泄压，避免事故发生。

安全阀采用波纹管式安全阀使其平衡背压的能力有所增强，避免背压影响安全阀的起跳压力，保证安全阀可靠起跳，且能够使阀芯内件与高温/腐蚀性介质相隔离。

06蒸汽清洗装置

蒸汽清洗的基本原理：是让含盐量低的清洗给水与含盐量高的蒸汽相接触，使蒸汽中溶解的盐分转移到清洗的给水中，从而减少蒸汽溶盐，同时，又能使蒸汽携带炉水中的盐分转移到清洗的给水中，从而降低蒸汽的机械携带含盐量，使蒸汽的品质得到改善。蒸汽污染的危害：含盐量超标的蒸汽会引起汽轮机、锅炉等热力设备结盐垢，会造成过热器热交换受阻，管壁超温，排烟温度升高，炉效降低；蒸汽管道阀门动作失灵、漏泄；会使汽轮机的蒸汽通流截面减小，喷嘴和叶片的粗糙度增加，甚至改变喷嘴和叶片的形线，从而使汽轮机的阻力增加，出力和效率降低；若积盐不均匀还会引起轴系振动，甚至造成事故。由此可见蒸汽品质对机组安全的重要性。

07汽包排污

汽包排污多采用采用连续排污+定期排污。

（1）连续排污主要用于排出汽包上部的浓缩水，主要目的是为了防止锅炉水的含盐量和含硫量过高，排污部位多设在汽包水浓缩最明显的地方，即汽包水位下200—300mm处。通常根据汽包水水质分析指标调整连续排污量。

（2）定期排污又称间断排污，即每间隔一定时间从锅炉底部沉积的水渣、污垢、间断排污一般8 ～24小时排污一次，每次排0. 5～1分钟时间，排污率不少于1％，间断排污以频繁、短期为好，可使汽包水均匀浓缩，有利于提高蒸汽质量。

08汽包为何加药

锅炉给水尽管经过严格处理，但不可能将杂质彻底除净，给水还会带入锅内一部分杂质。随着锅水的不断蒸发浓缩，锅水含盐浓度逐渐提高，有可能引起内部结垢。为防止结垢，运行中要往锅水中连续加入药品，药品与锅水中的钙、镁盐类发生化学、物理作用，生成非粘结性的松散水渣，沉积到下部，通过定期排污放到锅炉外。

加入锅水的药品通常是Na3PO4（磷酸三钠），经过稀释后由加药泵打入锅炉汽包的锅水中。锅水中加入磷酸三钠，除使锅水中钙、镁盐类生成非粘结性的松散水渣外，还可起到校正锅水碱性的作用，使锅水的PH值维持在规程规定的范围之内 。

09事故放水

事故放水管是不可能把汽包中的水放光的。事故放水管的作用是当出现满水事故或汽水共腾及泡沫共腾时，用它紧急排放锅水，迅速恢复水位。事故放水管上端在汽包内，上口与汽包正常水位平齐。一旦出现上述情况时，迅速打开事故放水门，使多余的水排放出去，恢复正常水位。由于有锅水在事故放水孔浮起的现象，水位可放到比正常水位略低的位置，但锅水不会被放光。汽包中的水虽然不会被放光，但打开事故放水门后，必须严密监视水位，一旦正常水位出现，应立即关闭事故放水门。否则，会通过事故放水管放出大量饱和蒸汽，这除了造成不必要的工质和热量损失外，还使进入过热器的蒸汽量减小，会给过热器的安全带来威胁。

10汽包内部装置

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11汽包炉与直流炉

11.1汽包锅炉的主要优点：

（1）由于汽包内储有大量的水，有较大的储热能力，能缓冲负荷变化时引起的汽压变化；

（2）汽包炉由于有固定的水、汽和过热汽分界线，故负荷变化时引起过热汽温变化小；

（3）由于汽包内具有蒸汽清洗装置，故对给水品质要求低。

汽包锅炉主要缺点：

（1）金属耗量大；（2）对调节反应滞后；（3）只能用在临界压力以下的工作压力。

直流锅炉的主要优点：

（1）金属耗量小；（2）启停时间短，调节灵敏；（3）不受压力限制，既可用于亚临界压力锅炉，也可用于超临界压力锅炉。

直流锅炉的主要缺点：

（1）对给水品质要求高；（2）给水泵电耗量大；（3）对自动控制系统要求高；（4）必须配备专用的启动旁路。

11.2直流锅炉的特点：

水的临界点22.15MPa、374.15℃，大于这个压力，超临界机组。蒸汽压力超过27MPa，超超临界火电机组。由于超临界压力下无法维持自然循环即不能采用汽包锅炉，直流锅炉成为唯一型式。超临界机组不仅煤耗大大降低，污染物排污量也相应减少，经济效益十分明显。超临界机组与亚临界汽包锅炉结构和工艺过程有着显著不同，其特点：

1、超临界直流炉没有汽包环节，给水经加热、蒸发和变成过热蒸汽时一次性连续完成，随着运行工况不同，锅炉将运行在亚临界或超临界压力下，蒸发点会自发的在一个或多个加热区段内移动，汽水之间没有一个明确的分界点。这要求更为严格保持各种比值的关系（如给水量/蒸汽量、燃料量/给水量及喷水量/给水量等）。对直流锅炉来说，热水段、蒸发段和过热段受热面之间是没有固定界限的。这是直流炉的运行特性与汽包炉有较大区别的基本原因。

2、由于没有储能作用的汽包环节，锅炉的蓄能显著减小，负荷调节的灵敏性好，可实现快速启停和调节负荷，适合变压运行。但汽压对负荷变动反映灵敏，变负荷性能差，汽压维持比较困难。

3、直流炉由于汽水是一次完成，因而不象汽包炉那样。汽包在运行中除作为汽水分离器外，还作为煤水比失调的缓冲器。当煤水比失去平衡时，利用汽包中的存水和空间容积暂时维持锅炉的工质平衡关系，以保持各断受热面积不变。

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11.3直流炉的运行特性

动态特性指给水量、燃料量、功率（调门开度）变化而其他条件不变情况下蒸汽流量、汽温、汽压的变化。

1．给水量

给水量扰动时，在其他条件不变的情况下，给水量增加。由于壁面热负荷未变化，故热水段都要延长，蒸汽流量逐渐增大到扰动后的给水流量。过渡过程中，由于蒸汽流量小于给水流量，所以工质贮存量不断增加。随着蒸汽流量的逐渐增大和过热段的减小，出口过热汽温渐渐降低，但在汽温降低时金属放出贮热，对汽温变化有一定的减缓作用。汽压则随着蒸汽流量的增大而逐渐升高。值得一提的是，虽然蒸汽流量增加，但由于燃料量并未增加，故稳定后工质的总吸热量并未变化，只是单位工质吸热量减小（出口汽温降低）而已。

当给水量扰动时，蒸发量、汽温和汽压的变化都存在时滞。这是因为自扰动开始，给水自入口流动到原热水段末端时需要一定的时间，因而蒸发量产生时滞，蒸发量时滞又引起汽压和汽温的时滞。

2. 燃料量

燃料量扰动时，在其他条件不变的情况下，燃料量增加，蒸发量在短暂延迟后先上升，后下降，最后稳定下来与给水量保持平衡。其原因是，在变化之初，由于热负荷立即变化，热水段逐步缩短；蒸发段将蒸发出更多的饱和蒸汽，使过热蒸汽流量增大，其长度也逐步缩短，当蒸发段和热水段的长度减少到使过热蒸汽流量重新与给水量相等时，即不再变化。在这段时间内，由于蒸发量始终大于给水量，锅炉内部的工质储存量不断减少（一部分水容积渐渐为蒸汽容积所取代）。

燃料量增加，过热段加长，过热汽温升高，已如前述。但在过渡过程的初始阶段，由于蒸发量与燃烧放热量近乎按比例变化，再加以管壁金属贮热所起的延缓作用，所以过热汽温要经过一定时滞后才逐渐变化。如果燃料量增加的速度和幅度都很急剧，有可能使锅炉瞬间排出大量蒸汽。在这种情况下，汽温将首先下降，然后再逐渐上升。

蒸汽压力在短暂延迟后逐渐上升，最后稳定在较高的水平。最初的上升是由于蒸发量的增大，随后保持较高的数值是由于汽温的升高（汽轮机调速阀开度未变）。

3．功率（调门开度）

这里功率扰动是指主汽调门动作取用部分蒸汽，增加汽轮机功率，而燃料量、给水量不变化的情况，若调速汽门突然开大，蒸汽流量立即增加，汽压下降。汽压没有像蒸汽流量那样急剧变化。这是由于当汽压下降时，饱和温度下降，锅炉工质“闪蒸”、金属释放贮热，产生附加蒸发量，抑制汽压下降。随后，蒸汽流量因汽压降低而逐渐减少，最终与给水量相等，保持平衡，同时汽压降低速度也趋缓，最后达到一稳定值。

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11.4直流炉运行参数调节

1、直流锅炉汽压控制

机组负荷增加时，汽机调门开大，蒸汽流量立即增加，使得汽轮机功率也同样立即增加。由于锅炉给水流量和燃烧率还未变化，蒸汽流量和汽轮机功率的暂时增加是由于蒸汽压力下降而使锅炉放出蓄热引起。由于直流锅炉蓄热能力小，压力下降的速度大一些。稳定后汽压维持在偏低的数值，这是需要增加给水量和燃料量来维持主汽压力的下降，保持汽机的调门开度不能波动太大。

2、直流锅炉汽温控制

汽温调节的主要方式是调节给煤量与给水量之比，辅助手段是喷水减温或烟气侧调节。由于没有固定的汽水分界面，随着给水流量和燃料量的变化，受热面的省煤段、蒸发段和过热段长度发生变化，汽温随着发生变化，汽温调节比较困难。

过热汽温控制。过热蒸汽温度是由煤/水比和两级喷水减温来控制。取自过热器的减温水取自高加出口和省煤器的出口联箱，每级减温器喷水量为该负荷下的3%主蒸汽流量。系统在35%～100%BMCR负荷范围内维持出口汽温在569±5℃。在20%BMCR负荷以下不允许投喷水。如果喷水调节阀关闭超过10秒之后且过热汽温低于控制的目标值，则应关闭每个隔离阀。

再热汽温控制。滑压运行时，在50%～100%BMCR负荷之间，再热器出口蒸汽温度控制在569±5℃。正常运行期间，再热蒸汽温度由布置在尾部烟道中的烟气挡板控制。两个烟道的挡板以相反的方向动作。烟气挡板的连杆有一个执行器，可调节满行程限制值，使之在关闭位置下至少有20%的烟气量通过。再热汽温偏低时，再热器烟道挡板向全开位置调整，以减小再热器烟道阻力，增加通过再热器烟道烟气量，提高再热汽温。在负荷低于约85%时再热器挡板全开。过热器烟道挡板向关闭位置调整可增大过热器烟道阻力，这样将增加通过再热器对流受热面的烟气量以提高再热器出口汽温。（过再热器烟气挡板正常运行时两个开度之和必须大于120）

烟气挡板系统的响应有一定的滞后性，在瞬变状态时，可以投布置在冷再管道上的事故减温器。

1)水煤比

水煤比越高，主汽温越低；反之，主汽温越高

2)给水温度

给水温度低时（如高加切除），燃料量不变时，主汽温度会下降，负荷也会下降

3)过量空气系数

过量空气系数大时，由于炉膛吸热为辐射型吸热，温度对其影响较大，所以过多的冷风进入炉膛导致炉膛吸热量减小，造成过热器进口温度降低；反之，过热汽温增高

4)火焰中心高度

火焰中心高度上移时，导致炉膛吸热量减小，造成过热器进口温度降低；反之，过热汽温增高

5)受热面结渣

水冷壁受热面结渣，主汽温有所下降；过热器受热面结渣，主汽温明显下降

3、直流锅炉燃烧控制

燃烧器区域的过量空气系数是随锅炉负荷变化的，并受投运磨煤机数量的影响。燃烧器区域的风量是指经过燃烧器进入锅炉的风量，包括运行燃烧器的一次风，二次风，未运行燃烧器的漏风/冷却风和所有燃烧器的中心风。停运燃烧器的漏风量是由二次风挡板最小位置决定的，并随着该负荷下热二次风道与炉膛负压之间的压差而变化。根据氧量信号操纵燃烧器风室风量和燃烬风量两者的比例，使燃烬风系统旋转趋势最小。

4、直流锅炉给水控制

锅炉给水系统配置了一台30%容量的电动泵和两台50%容量的汽动泵。在低负荷和启动时，用电动给水泵或气泵前置泵进行锅炉启动上水，用给水旁路控制阀调整给水流量。一旦该阀开启大于75%，应将旁路切至给水主路运行。两台汽动泵运行时，一台泵甩负荷，负荷降低至50%以下，燃烧率、减温水量相应的降低，此时给水量应等于送出的蒸汽流量。 点此去资料库下载本篇资料

低负荷运行时，给水流量和压力降低，受热面入口的工质欠焓增大，容易发生水动力不稳定。由于给水流量降低，水冷壁流量分配不均匀性增大；压力降低，汽水比容变化增大；工质欠焓增大，会使蒸发段和省煤段的阻力比值发生变化。

11.5直流锅炉与汽包炉在加减负荷和温度调节过程时，有什么区别？

直流炉与汽包炉的负荷增减时，燃料与给水量都要随之增减。但是，由于汽包水容积的作用，汽包炉在调节过程中不需要严格保持给水与燃料量的固定比例。当给水与燃料只有一个变化时，只能引起锅炉出力或汽包水位的变化，而对过热气温的影响不大。这是因为汽包炉的过热器受热面是固定的，过热器入口处蒸汽参数（饱和蒸汽）变化不大。

在直流炉中，负荷变化时，应同时变更给水和燃料量，并严格保持其固定比例，否则给水或燃料量的单独变化、或给水与燃料量不按比例的同时变化都会导致过热气温的大幅度变化。这是因为直流炉的加热、蒸发、和过热三段的分界点有了移动，即三段受热面面积发生变化，因而必然会引起过热气温变化。

所以，严格保持燃料量与给水量的固定比例是直流锅炉与汽包炉在调节上最根本的区别。

另汽压的调节（即锅炉产汽量）：对于汽包炉，由于汽包有一定的储水容积，故其给水与汽压没有直接关系，而给水量按水位变化进行调节。但对于直流炉，其产汽量直接由给水量来定，因而燃料量的变化不能引起锅炉出力的变化，只有变动给水量才会引起锅炉蒸发量的变化。显然，当调节给水以保持压力稳定时，必然引起过热汽温的变化，因而在调压过程中，必须校正过热汽温。也就是说：给水调压、燃料配合给水调温，抓住中间点，喷水微调，这是直流锅炉运行调节的基本原则。点此去资料库下载本篇资料

来源：电力工程学