壳管式锅炉

壳管式锅炉不同类型的概述，包括布局、传热和蒸汽释放的考虑因素，以及压力和出力限制。

壳管式锅炉可定义为所有传热表面均包含在钢制壳体内的锅炉。壳管式锅炉也可称为”烟管”或”火管”锅炉，因为燃烧产物通过锅炉管，再将热量传递给周围的锅炉水。

壳管式锅炉中使用了几种不同的管排组合，涉及锅炉炉膛热量在排放前所经过的有效流程数。 图3.2.1a和3.2.1b展示了典型的两流程锅炉配置。 图3.2.1a显示了一种干背式锅炉，其中热气体通过锅炉外壳板上的耐火衬里腔室进行转向。 图3.2.1b展示了通过湿背式锅炉配置实现热气体转向的更高效方法。转向腔室完全包含在锅炉内部。这允许更大的传热面积，也允许锅炉水在炉膛热量最大的位置——腔室壁的末端——被加热。 需要注意的是，燃烧气体在进入转向腔室之前应至少冷却至420°C（对于普通钢锅炉）和470°C（对于合金钢锅炉）。超过此温度将导致管端板过热和开裂。锅炉设计者已考虑到这一点，如果考虑使用不同燃料，这是一个重要要点。 已开发出多种不同类型的壳管式锅炉，下面将更详细地介绍。

兰开夏锅炉

Sir William Fairbairn于1844年从Trevithick的单烟道康沃尔锅炉发展出兰开夏锅炉。虽然目前只有少数仍在运行，但它们曾经无处不在，是当今使用的复杂高效锅炉的前身。 兰开夏锅炉由一个大型钢壳组成，通常长5至9米，其中穿过两根大口径炉膛管，称为烟道。每根烟道的一部分是波纹状的，以在锅炉受热时吸收膨胀，并防止在压力下塌陷。在每根烟道的入口处，即锅炉前端安装了炉膛。通常，炉膛设计为燃烧煤炭，可手动或自动添煤。 燃烧产生的热气态产物从炉膛通过大口径波纹烟道流出。热烟道气体中的热量被传递到围绕这些烟道的水中。 锅炉置于砖砌结构中，该结构将从烟道出来的热气流导向锅炉下方，通过锅炉壳底部传热，然后沿锅炉两侧返回，最后通过烟囱排出。 这两条侧面烟道在锅炉后部汇合并通入烟囱。 这些流程旨在从热产物气体中提取最大量的能量后再释放到大气中。 后来，通过增加省煤器提高了效率。气体流在第三流程后通过省煤器进入烟囱。省煤器加热给水并提高了热效率。 兰开夏锅炉的缺点之一是反复的加热和冷却，以及由此产生的膨胀和收缩，会破坏砖砌结构和烟道。这导致空气渗入，扰乱炉膛通风。 由于使用大量材料和建造砖砌结构所需的人工，这些锅炉现在制造成本非常高。 这些锅炉的大尺寸和大水容量具有若干显著优势：

• 突然的大蒸汽需求，例如矿井卷扬机启动，可以轻松承受，因为由此产生的锅炉压力降低会从处于饱和温度的锅炉水中释放大量闪蒸。这些锅炉可能是手动添煤的，因此对锅炉压力下降和更多燃料需求的响应会很慢。
• 大量的水意味着虽然蒸发速率可能变化很大，但水位的变化速率相对较慢。水位控制同样是手动的，操作员会启动往复式蒸汽驱动给水泵，或调节给水阀以维持所需水位。
• 低水位报警只是一个随水位下降的浮子，当达到预定水位时打开蒸汽汽笛的端口。
• 相对于蒸发速率的大水面积意味着从水面释放蒸汽的速率（以每平方米千克数表示）较低。这种低速意味着，即使水中含有高浓度的总溶解固体（TDS），蒸汽和水颗粒也有充分的机会分离并向工厂供应干燥蒸汽。 随着控制系统、材料和制造技术变得更加精密、可靠和经济高效，锅炉设备的设计也在不断变化。

经济型锅炉（两流程、干背）

两流程经济型锅炉的尺寸仅为同等兰开夏锅炉的一半左右，但热效率更高。它有一个圆柱形外壳，内含两根大口径波纹炉膛烟道作为主燃烧室。热烟道气体从两根炉膛烟道在锅炉后部排出，进入砖砌结构（干背），然后被引导穿过排列在大口径炉膛烟道上方的大量小口径管。这些小口径管为水提供了大面积的加热表面。烟道气体从锅炉前端排出，进入引风机，再被送入烟囱。

经济型锅炉（三流程、湿背）

经济型锅炉的进一步发展是创造了三流程湿背式锅炉，这是当今使用的标准配置（见图3.2.4）。 随着材料和制造技术的进步，这种设计不断演变：引入了更薄的金属管，允许容纳更多管子，提高了传热速率，并使锅炉本身更加紧凑。 三流程湿背式经济型锅炉的典型传热数据如表3.2.3所示。

快装锅炉

20世纪50年代初，英国燃料和电力部资助了改善锅炉设备的研究。这项研究的成果是快装锅炉，它是在三流程经济型湿背式锅炉基础上进一步发展而来的。大多数情况下，这些锅炉被设计为使用油而非煤。 快装锅炉之所以如此命名，是因为它作为一个完整的包装交付，包含燃烧器、液位控制、给水泵以及所有必要的锅炉附件和安装件。一旦运抵现场，只需连接蒸汽、水和排污管路、燃料供给和电气连接即可投入运行。 发展还对特定出力下锅炉的物理尺寸产生了重大影响：

• 制造商希望使锅炉尽可能小，以节省材料并保持其产品竞争力。
• 使锅炉尽可能小有助于提高效率；锅炉越小，表面积越小，损失到环境中的热量就越少。
• 在一定程度上，普遍的保温意识和现代保温材料的高性能减轻了这个问题。
• 用户希望锅炉尽可能小，以最小化锅炉房所需的占地面积，从而增加其他用途的可用空间。
• 尺寸较小的锅炉（对于相同的蒸汽出力）往往资本成本更低。表3.2.4展示了这一点以及其他因素。

容积热释放率（kW/m3）

该因素通过总热输入除以锅炉中的水容积来计算。它有效地将最大负荷下释放的蒸汽量与锅炉中的水量相关联。该数值越低，锅炉中的储备能量越大。 注意现代锅炉相对于兰开夏锅炉的数值大约增大了八倍，表明储存能量减少了类似的数量。这意味着现代锅炉中可用的储存能量减少了。这一发展得益于能够快速响应并采取适当措施保护锅炉和满足需求的控制系统。

蒸汽释放速率（kg/m2s）

该因素通过每秒产生的蒸汽量除以水面积来计算。该数值越低，水颗粒从蒸汽中分离并产生干燥蒸汽的机会越大。 注意现代锅炉的数值大约增大了三倍。这意味着蒸汽和水滴分离的机会减少了。 高TDS水平的水会使情况更加恶化，精确控制对于效率和干燥蒸汽的生产至关重要。 在负荷快速增加时，锅炉将经历压力下降，这反过来意味着蒸汽密度降低，甚至更高的蒸汽释放速率将发生，锅炉将输出越来越湿的蒸汽。

四流程锅炉

四流程设备在理论上具有最高的热效率，但燃料类型和运行条件可能限制其使用。当这种设备在低负荷下使用重质燃油或煤炭燃烧时，从燃烧气体的传热可能非常大。结果，出口烟气温度可能降至酸露点以下，导致烟道和烟囱以及锅炉本身的腐蚀。四流程锅炉设备还承受更高的热应力，特别是在突然发生大负荷波动时；这可能导致锅炉结构内的应力裂纹或失效。因此，四流程锅炉并不常见。

逆焰/套管式锅炉

这是传统锅炉设计的一种变体。燃烧室呈套管形状，燃烧器从中心向下射入火焰。火焰在燃烧室内折返至锅炉前端。烟管围绕套管，将烟气输送至锅炉后部和烟囱。

壳管式锅炉的压力和出力限制

锅炉上可能承受的应力受国家标准限制。最大应力将发生在圆柱体的圆周周围。这称为”环向”或”周向”应力。该应力值可使用公式3.2.1计算： 由此可以推断，环向应力随直径增大而增加。为弥补这一点，锅炉制造商将使用更厚的板材。然而，更厚的板材更难卷制，板厚超过32mm时可能需要进行应力消除。 锅炉制造的一个问题是壳体板材的卷制。如图3.2.7和3.2.8所示的锅炉制造商的卷板机无法弯曲板材的端部，因此会留下平面：

• 辊A向下调节以减小曲率半径。
• 辊B和C由电机驱动，拉动板材通过卷板机。
• 卷板机无法弯曲板材的端部。 当板材焊接在一起并加压时，壳体将呈现圆形横截面。当锅炉停机时，板材将恢复到”卷制后”的形状。这种循环可能导致疲劳裂纹出现在距离壳体焊缝一定距离处。这是锅炉检验员关注的问题，他们会定期要求拆除所有锅炉保温层，然后使用样板来确定锅炉壳体曲率的准确性。 显然，这个问题在频繁循环的锅炉上更令人担忧，例如每天晚上停机、每天早上重新点火的锅炉。

压力限制

通过炉膛管的传热是通过传导进行的。厚板不如薄板传热快，这是自然规律。较厚的板材也能够承受更大的力。 这在炉膛管中尤为重要，因为火焰温度可能高达1800°C，必须在以下两者之间取得平衡：

• 较厚的板材，具有足够的结构强度来承受锅炉内部压力产生的力。
• 较薄的板材，能够更快地传递热量。 将板材厚度与结构强度联系起来的方程是公式3.2.1： 公式3.2.1表明，随着板材厚度减小，在相同锅炉压力下应力增大。 将板材厚度与传热联系起来的方程是公式2.5.1： 公式2.5.1表明，随着板材厚度减小，传热增加。通过变换两个方程以反映板材厚度。 对于任何一台锅炉，如果传热速率（q_dot）增加，最大允许锅炉压力就会降低。 炉膛管壁厚度在18mm至20mm之间达到折衷。这转化为壳管式锅炉约27 bar的实际压力限制。

出力限制

壳管式锅炉作为快装设备制造，所有辅助设备均固定安装到位。制造完成后，快装锅炉必须运输到现场，在英国通过公路运输的最大锅炉出力约为27000 kg/h。 如果需要超过27000 kg/h的出力，则使用多台锅炉并联安装。然而，这具有提供更好的供应安全性和改善设备调节比的优势。

总结

当今高效且响应迅速的壳管式锅炉是150多年来以下方面发展的成果：

• 锅炉和燃烧器设计。
• 材料科学。
• 锅炉制造技术。
• 控制系统。 为保证其成功和高效运行，用户必须：
• 了解工厂的工况、环境和需求特性，并将这些条件准确地告知锅炉制造商。
• 提供有利于良好运行和维护的锅炉房布局和安装。
• 选择允许锅炉安全高效运行的控制系统。
• 选择能够支持锅炉以所需压力和流量向工厂供应干燥蒸汽的控制系统。
• 确定所使用的燃料，如有必要，确定燃料储备的安全存放地点和方式。 壳管式锅炉的优势：
• 整个设备可以作为完整包装购买，只需固定到基础上，并连接水、电、燃料和蒸汽系统即可调试。这意味着安装成本最低。
• 这种包装方式也意味着快装壳管式锅炉易于搬迁。
• 壳管式锅炉含有大量处于饱和温度的水，因此具有大量储存能量，可用于应对短期快速施加的负荷。 这在储存水中的能量被消耗后可能需要一些时间才能恢复储备的情况下也可能是一个缺点。
• 壳管式锅炉的结构通常较为简单，这意味着维护简单。
• 壳管式锅炉通常有一根炉膛管和一个燃烧器。这意味着控制系统相当简单。
• 虽然壳管式锅炉可以设计和建造为在高达27 bar的压力下运行，但大多数在17 bar或更低的压力下运行。这种相对较低的压力意味着相关辅助设备容易以有竞争力的价格获得。 壳管式锅炉的缺点： 包装原则意味着约27000 kg/h是壳管式锅炉的最大出力。如果需要更多蒸汽，则需要将多台锅炉连接在一起。 壳管式锅炉结构中使用的大直径圆柱体有效地将其工作压力限制在约27 bar。如果需要更高的压力，则需要使用水管式锅炉。