3.1　供热锅炉的基本构造和性能参数

供热锅炉由汽锅和炉子两大部分组成。燃料在炉子中燃烧，将化学能转化为热能；所产生的燃烧产物——高温烟气则通过汽锅金属受热面将热量传递给汽锅内温度较低的水，水被加热或进而沸腾汽化，产生蒸汽或特定参数的热水。锅炉房设备是保证锅炉源源不断地生产蒸汽或热水而设置的，诸如输煤除渣机械、储油和加压加热设备、燃气调压装置、送引风机、水泵和测量控制仪表等，使锅炉安全可靠、经济有效地为用户提供蒸汽或热水。

3.1.1　锅炉的构成

锅炉是由一系列的设备构成，大体可分为主要部件和辅助设备两个方面。 

锅炉的主要部件有： 

①燃烧设备　将燃料和燃烧所需空气送入炉膛并使燃料着火稳定，燃烧良好。

②炉膛　保证锅炉燃料燃尽并使出口烟气温度冷却到对流受热面能够安全工作的数值。

③炉墙　是锅炉的保护外壳，起密封和保温作用。小型锅炉的重型炉墙也可起支承锅炉部件的作用。 

④锅筒　将锅炉各受热面联结在一起并和水冷壁、下降管等组成水循环回路。锅筒储存汽水，可适应负荷变化，内部设有汽水分离装置以保证汽水品质，直流锅炉无锅筒。 

⑤水冷壁　是布置在炉膛内的辐射受热面。它直接与火焰接触，保护炉墙，同时吸收燃料释放的热量，降低炉膛温度，调节炉膛的出口温度，是锅炉的主要受热面。 

⑥空气预热器　加热燃料用的空气，以加强着火和燃烧；吸收烟气余热，降低排烟温度，提高锅炉效率。 

⑦省煤器　利用锅炉尾部烟气的热量加热给水，以降低排烟温度，并起到节约燃料的作用。 

⑧构架　支承和固定锅炉部件。

锅炉的辅助设备主要有： 

①引风设备　通过引风机和烟筒将锅炉运行中产生的烟气送往大气。 

②除尘设备　除去锅炉烟气中的飞灰。 

③燃料供应设备　存储和运输燃料功能。 

④给水设备　由给水泵将经过水处理设备处理后的给水送入锅炉。 

⑤除尘除渣设备　从锅炉中除去灰渣并运走。 

⑥送风设备　通过送风机将空气预热器加热后的空气输往炉膛及磨煤装置应用。

⑦自动控制设备　自动检测、程序控制、自动保护和自动调节。

3.1.2　供热锅炉的基本构造

按锅炉炉内燃烧过程的气体动力学原理，锅炉有四种不同的燃烧方式，对应于四种不同类型的锅炉：火床燃烧方式和层燃炉、火室燃烧方式和室燃炉、旋风炉燃烧方式和旋风炉、流化床燃烧方式和流化床锅炉。供热锅炉以层燃炉和室燃炉为主，流化床锅炉在燃用劣质燃料时采用，旋风炉极少在供热锅炉上应用。

图3-1所示为一台燃煤的SHL型供热锅炉，也称双锅筒横置链条炉排锅炉。

图3-2所示为一台燃油（气）的WNS型供热锅炉。

对图3-1所示的SHL型燃煤供热锅炉，汽锅的基本构造是由锅筒（又称汽包）、管束、水冷壁、集箱和下降管等组成的一个封闭汽水系统；炉子包括煤斗、炉排、炉膛、挡渣器、送引风装置等，是燃烧设备。

对图3-2所示的WNS型燃油（气）锅炉，仅有汽锅，没有管内走水的管束；炉子由炉膛、燃烧器和浸在水空间的烟管组成。

此外，为了保证锅炉的正常工作和安全，蒸汽锅炉还必须装设安全阀、水位表、高低水位警报器、压力表、主汽阀、排污阀、止回阀等热工仪表和自控设备；还有为消除受热面上积灰以利传热的吹灰器，以提高锅炉运行的经济性。

3.1.3　供热锅炉的工作过程

供热锅炉的工作包括三个同时进行着的过程：燃料的燃烧过程、烟气向水（或蒸汽）的传热过程和水的受热汽化过程（蒸汽的产生过程）。

（1）燃料的燃烧过程

对于图3-1所示的SHL型燃煤供热锅炉，供热锅炉的炉子位置在汽锅的前下方，此种链条炉排炉是供热锅炉中应用较为普遍的一种燃烧设备。燃料在加煤斗中借自重下落到炉排面上，炉排借电动机通过变速齿轮箱减速后由链轮来带动，犹如皮带运输机，将燃料带入炉内。燃料一面燃烧，一面向后移动；燃烧需要的空气由风机送入炉排腹中风仓后，向上穿过炉排到达燃料层，进行燃烧反应形成高温烟气。燃料最后烧尽成灰渣，在炉排末端被挡渣器（俗称老鹰铁）铲除于灰渣斗后排出，这整个过程称为燃烧过程。

对于图3-2所示WNS型燃油（气）供热锅炉，其燃烧过程与SHL型燃煤供热锅炉不同，它没有炉排，在卧置的锅筒内有一具有弹性的波形火筒，火筒前端配置燃油或燃气燃烧器，火筒向后通过烟箱与烟管（又称火管）管束相连，火筒与烟管均浸没在锅筒内的水空间里。从燃烧器喷入的燃料和空气的混合物在火筒内即可完成燃烧过程生成烟气向后流动。

燃烧过程进行得完善，是锅炉正常工作的根本条件。要保证良好的燃烧必须要有高温环境、必需的空气量和空气与燃料的良好混合接触。为了保证锅炉内燃烧的持续正常进行，还得连续不断地供应燃料、空气和排出烟气、灰渣，为此，就需要配备送、引风设备和运煤出渣设备。

（2）烟气向水（汽等工质）的传热过程

燃料在炉膛内燃烧释放出大量热量，产生高温烟气，炉内温度极高。图3-1中，在炉膛的四周墙面上，都布置一排水管，俗称水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热，将热量传递给管内工质。随后在引风机和烟囱的引力作用下，烟气向炉膛上方流动。烟气流出烟窗（炉膛出口）并掠过防渣管后，就冲刷蒸汽过热器——一组垂直布置的蛇形管受热面，使汽锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而过热。烟气流经过热器后又掠过连接在上、下锅筒间的对流管束，在管束间设置了折烟墙使烟气呈“S”形曲折地横向冲刷，再次以对流方式将热量传递给管束内的工质。烟气的温度沿途降低，最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热器内的工质进行热交换后，以经济的较低烟温排出锅炉。省煤器实际上是给水预热器，它和空气预热器一样，都设置在锅炉尾部（低温）烟道，以降低排烟温度，提高锅炉效率，从而节省了燃料。

对于图3-2中的卧式内燃室燃烧炉来说，浸没在水中的火筒内壁是主要的辐射受热面，是第一回程，烟气经尾部烟箱进入左、右两侧烟管，向炉前流动，是第二回程。烟气至前烟箱汇集后，进入火筒上部的烟管向后流动，即为第三回程。因为没有省煤器和空气预热器，最后排烟温度略高于SHL型。

（3）水的受热和汽化过程

蒸汽的生产过程，主要包括水循环和汽水分离过程。经过水处理的锅炉给水是由水泵加压，先流经布置在尾部烟道中的省煤器而得到预热，然后进入汽锅。

图3-1所示的SHL型燃煤供热锅炉工作时，汽锅中的工质是处于饱和状态下的汽水混合物。位于烟温较低区段的对流管束因受热较弱，汽水工质的密度较大；而位于烟气高温区的水冷壁和对流管束，因受热强烈，相应地工质的密度较小；从而密度大的工质从上流入下锅筒或下集箱，而密度小的工质向上流入上锅筒，形成了锅水的自然循环。此外，为了组织水循环和进行疏导分配的需要，于炉墙外还设有不受热的下降管，借以将工质引入水冷壁的下集箱，而通过上集箱的汽水引出管将汽水混合物导入上锅筒。借助上锅筒内装设的汽水分离设备，以及在锅筒本身空间里的重力分离作用，将汽水混合物进行分离；蒸汽在上锅筒顶部引出后进入蒸汽过热器中，而分离下来的水仍回落到上锅筒下半部的水空间。汽锅中的水循环保证了与高温烟气相接触的金属受热面得以冷却而不会烧坏，是锅炉能长期安全可靠运行的必要条件。汽水混合物的分离设备则是保证蒸汽品质和蒸汽过热器可靠工作的必要设备。

在图3-2所示的WNS型燃油（气）供热锅炉中，靠汽锅中的受热面布置，最高温的炉胆布置在汽锅的最下面，往上是温度依次降低的第二回程烟管和第三回程烟管，因此水空间下部受热强、上部受热弱，下部受热强的水向上流动，上部受热弱的水向下流动，形成了较规则的自然对流和循环，借助汽锅上部装设的汽水分离设备，以及汽空间中的重力分离作用，使汽水混合物得到了分离；蒸汽在锅筒顶部引出后进入汽缸或者直接送往用户，分离下来的水仍继续循环蒸发。

3.1.4　供热锅炉的性能参数

为了表示锅炉的构造、燃用燃料、燃烧方式、容量大小、参数高低以及运行经济性等特点，常用下列的锅炉基本特性参数来描述。

（1）蒸发量、热功率

蒸发量是指蒸汽锅炉每小时所生产的额定蒸汽量，用以表征蒸汽锅炉容量的大小；如为生产热水的锅炉，其容量可用额定热功率来表征。

所谓额定蒸发量或者额定热功率是指锅炉在额定蒸汽参数（压力、温度）、额定给水温度和使用设计燃料时，保证一定热效率条件下的最大连续蒸发量（或产热量）。蒸发量常用符号D来表示，单位为t/h（或kg/s），供热锅炉的蒸发量一般为0.1～65t/h。热功率常用符号Q来表示，单位是MW。热功率与蒸发量之间的关系，可用式（3-1）表示：

Q=0.000278D（h_q-h_gs）　　        （3-1）

式中　Q——锅炉的热功率，MW；

D——锅炉的蒸发量，t/h；

h_q——蒸汽的焓，kJ/kg；

h_gs——给水的焓，kJ/kg。

对于热水锅炉，

　　        （3-2）

式中　G——热水锅炉每小时送出的水量，t/h；

h'_rs——锅炉进水的焓，kJ/kg；

h″_rs——锅炉出水的焓，kJ/kg。

（2）蒸汽（或热水）参数

锅炉的蒸汽参数是指锅炉出口处蒸汽的额定压力（表压力）和温度。额定压力和温度是锅炉设计时规定的蒸汽压和温度。对生产饱和蒸汽的锅炉来说，一般只标明蒸汽压；对生产过热蒸汽（或热水）的锅炉，则需标明压力和蒸汽（或热水）的温度。蒸汽压常用符号P表示，单位为MPa；蒸汽温度常用符号t表示，单位是℃或K。

锅炉的蒸汽压和温度是指过热器主汽阀出口处的过热蒸汽压和温度。对于无过热器的锅炉，用主汽阀出口处的饱和蒸汽压力和温度表示。锅炉给水温度是指进省煤器的给水温度，对无省煤器的锅炉指进锅炉锅筒的水的温度。对产生饱和蒸汽的锅炉，蒸汽的温度和压力存在一一对应的关系。其他锅炉，温度和压力不存在这种对应关系。

供热锅炉的容量、参数，既要满足生产工艺上对蒸汽的要求，又要便于锅炉房的设计、锅炉配套设备的供应以及锅炉本身的标准化，因而要求有一定的锅炉参数系列。我国目前所用的蒸汽锅炉参数系列见表3-1，热水锅炉参数系列见表3-2。表中标有符号“△”处所对应的参数即为优先选用的锅炉系列。锅炉设计时的给水温度有三种，分别是20℃、60℃和104℃，后者是除氧后的温度，可结合用户的具体情况选定。

（3）受热面蒸发率、受热面发热率

锅炉受热面是指汽锅和附加受热面等与烟气接触的金属表面积，即烟气与水（或蒸汽）进行热交换的表面积。受热面面积的大小，工程上一般以烟气放热的一侧为基准来计算，用符号H表示，单位为m²。

1m²受热面每小时所产生的蒸汽量称为锅炉受热面的蒸发率，用D/H ［kg/（m²·h）］表示。但各受热面所处的烟气温度水平不同，它们的受热面蒸发率也有很大的差异。例如炉内辐射受热面的蒸发率可达80kg/（m²·h）左右，对流管受热面的蒸发率只有20～30kg/（m²·h）。因此，对整台锅炉的总受热面来说，这个指标只反映蒸发率的一个平均值。鉴于各种型号锅炉的参数不尽相同，为便于比较，将1个标准大气压下的干饱和蒸汽（焓值为2680kJ/kg）作为标准蒸汽，将锅炉的实际蒸发量D换算为标准蒸汽蒸发量D_bz，受热面蒸发率就可用D_bz/H表示，其换算公式为：

　　        （3-3）

对于热水锅炉，通常采用受热面发热率这个指标来表征，它指的是1 m²热水锅炉受热面每小时所生产的热功率（或热量），用符号Q/H表示，单位为MW/m²。

供热蒸汽锅炉，D/H一般在30～40kg/（m²·h）；热水锅炉的Q/H，一般在0.02325MW/m²。

受热面蒸发率或发热率越高，则表示传热好，锅炉所耗金属量少，锅炉结构也紧凑。这一指标常用来表示锅炉的工作强度，但还不能真实反映锅炉运行的经济性；如果锅炉排出的烟气温度很高，D/H值虽大，但未必经济。

3.1.5　锅炉的评价指标

锅炉的评价指标通常用经济性、可靠性及机动性三项指标来表示。

（1）经济性

锅炉的经济性主要指热效率、成本、煤耗和厂用电量等。

①热效率　锅炉的热效率是表征锅炉运行经济性的主要指标，是指锅炉每小时有效利用于生产热水或蒸汽的热量占输入锅炉全部热量的百分数，即锅炉的有效利用热量Q₁占输入热量Q_r的百分比，

　　        （3-4）

锅炉的有效利用热量Q₁是指单位时间内工质在锅炉中所吸收的总热量，包括水和蒸汽吸收的热量以及排污水和自用蒸汽所消耗的热量。而锅炉的输入热量Q_r是指随每千克或每立方米燃料输入锅炉的总热量以及用外来热源加热燃料或空气时所带入的热量。

锅炉热效率高，说明这台锅炉在燃用1kg相同燃料时，能生产更多参数相同的热水或蒸汽，因此能节约燃料。目前我国生产的燃煤供热锅炉，其热效率在60%～85%，燃油、燃气供热锅炉，其热效率在85%～92%。

实践证明，如果锅炉的蒸发量降低到额定蒸发量的60%时，锅炉的热效率会比额定蒸发量时的热效率低10%～20%。只有锅炉的蒸发量在额定蒸发量的80%～100%时，其热效率为最高。因此，锅炉在额定蒸发量的80%～100%范围内才最为经济。

②成本　锅炉的成本一般用钢材消耗率来表示，即锅炉单位蒸发量所耗用的钢材的重量，单位为t/（t·h）。目前生产的供热锅炉的钢材消耗率在2～6t/（t·h）左右。

锅炉参数、循环方式、燃料种类及锅炉部件结构对钢材消耗率均有影响。增大单机容量和提高蒸汽参数是减少金属消耗量和投资费用的有效途径。

在保证锅炉安全、可靠、经济运行的基础上应合理降低钢材消耗率，尤其是耐热合金钢材的消耗率。锅炉钢架占大型锅炉金属耗量很大比重，用水泥立柱不仅可大量节省钢材，而且可在现场浇灌，建设周期比钢结构缩短。

③耗电量　供热锅炉产生1t 蒸汽或热水耗用电的度数［kW·h/（t·h）］，称为锅炉的耗电量。

计算锅炉耗电量时，除了锅炉本体配套的辅机外，还涉及破碎机、筛煤机等辅助设备的耗电量。耗电量的多少与锅炉辅机设备的配置选型密切相关，尤其是燃料制备系统，还受燃料品种、燃烧方式的影响。目前生产的供热锅炉的耗电量一般在10kW·h/（t·h）左右。

锅炉不仅要求热效率高，而且也要求钢材消耗量低，运行时耗电量少。但是，这三个方面常是相互制约的，因此，衡量锅炉总的经济性应从这三方面综合考虑，切忌片面性。

（2）可靠性

锅炉可靠性常用下列三种指标来衡量。

①连续运行时间，即两次检修之间的运行时间，h；

②；

③。

（3）机动性

随着现代社会生活方式的变化，用户对锅炉的运行方式提出了更多的新要求，也就是要求锅炉运行有更大的灵活性和可调性。机动性的要求是：快速改变负荷，经常停运及随后快速启动的可能性和最低允许负荷下持久运行的可靠性。这些要求已成为锅炉产品的重要性能指标。另外，对于燃煤锅炉，煤质降低、燃用劣质燃料和燃料品种改变等都会降低机组的机动性。