3.1　供熱鍋爐的基本構造和性能參數

供熱鍋爐由汽鍋和爐子兩大部分組成。燃料在爐子中燃燒，將化學能轉化為熱能；所產生的燃燒產物——高溫煙氣則通過汽鍋金屬受熱面將熱量傳遞給汽鍋內溫度較低的水，水被加熱或進而沸騰汽化，產生蒸汽或特定參數的熱水。鍋爐房設備是保證鍋爐源源不斷地生產蒸汽或熱水而設置的，諸如輸煤除渣機械、儲油和加壓加熱設備、燃氣調壓裝置、送引風機、水泵和測量控制儀表等，使鍋爐安全可靠、經濟有效地為用戶提供蒸汽或熱水。

3.1.1　鍋爐的構成

鍋爐是由一系列的設備構成，大體可分為主要部件和輔助設備兩個方面。 

鍋爐的主要部件有： 

①燃燒設備　將燃料和燃燒所需空氣送入爐膛并使燃料著火穩定，燃燒良好。

②爐膛　保證鍋爐燃料燃盡并使出口煙氣溫度冷卻到對流受熱面能夠安全工作的數值。

③爐墻　是鍋爐的保護外殼，起密封和保溫作用。小型鍋爐的重型爐墻也可起支承鍋爐部件的作用。 

④鍋筒　將鍋爐各受熱面聯結在一起并和水冷壁、下降管等組成水循環回路。鍋筒儲存汽水，可適應負荷變化，內部設有汽水分離裝置以保證汽水品質，直流鍋爐無鍋筒。 

⑤水冷壁　是布置在爐膛內的輻射受熱面。它直接與火焰接觸，保護爐墻，同時吸收燃料釋放的熱量，降低爐膛溫度，調節爐膛的出口溫度，是鍋爐的主要受熱面。 

⑥空氣預熱器　加熱燃料用的空氣，以加強著火和燃燒；吸收煙氣余熱，降低排煙溫度，提高鍋爐效率。 

⑦省煤器　利用鍋爐尾部煙氣的熱量加熱給水，以降低排煙溫度，并起到節約燃料的作用。 

⑧構架　支承和固定鍋爐部件。

鍋爐的輔助設備主要有： 

①引風設備　通過引風機和煙筒將鍋爐運行中產生的煙氣送往大氣。 

②除塵設備　除去鍋爐煙氣中的飛灰。 

③燃料供應設備　存儲和運輸燃料功能。 

④給水設備　由給水泵將經過水處理設備處理后的給水送入鍋爐。 

⑤除塵除渣設備　從鍋爐中除去灰渣并運走。 

⑥送風設備　通過送風機將空氣預熱器加熱后的空氣輸往爐膛及磨煤裝置應用。

⑦自動控制設備　自動檢測、程序控制、自動保護和自動調節。

3.1.2　供熱鍋爐的基本構造

按鍋爐爐內燃燒過程的氣體動力學原理，鍋爐有四種不同的燃燒方式，對應于四種不同類型的鍋爐：火床燃燒方式和層燃爐、火室燃燒方式和室燃爐、旋風爐燃燒方式和旋風爐、流化床燃燒方式和流化床鍋爐。供熱鍋爐以層燃爐和室燃爐為主，流化床鍋爐在燃用劣質燃料時采用，旋風爐極少在供熱鍋爐上應用。

圖3-1所示為一臺燃煤的SHL型供熱鍋爐，也稱雙鍋筒橫置鏈條爐排鍋爐。

圖3-2所示為一臺燃油（氣）的WNS型供熱鍋爐。

對圖3-1所示的SHL型燃煤供熱鍋爐，汽鍋的基本構造是由鍋筒（又稱汽包）、管束、水冷壁、集箱和下降管等組成的一個封閉汽水系統；爐子包括煤斗、爐排、爐膛、擋渣器、送引風裝置等，是燃燒設備。

對圖3-2所示的WNS型燃油（氣）鍋爐，僅有汽鍋，沒有管內走水的管束；爐子由爐膛、燃燒器和浸在水空間的煙管組成。

此外，為了保證鍋爐的正常工作和安全，蒸汽鍋爐還必須裝設安全閥、水位表、高低水位警報器、壓力表、主汽閥、排污閥、止回閥等熱工儀表和自控設備；還有為消除受熱面上積灰以利傳熱的吹灰器，以提高鍋爐運行的經濟性。

3.1.3　供熱鍋爐的工作過程

供熱鍋爐的工作包括三個同時進行著的過程：燃料的燃燒過程、煙氣向水（或蒸汽）的傳熱過程和水的受熱汽化過程（蒸汽的產生過程）。

（1）燃料的燃燒過程

對于圖3-1所示的SHL型燃煤供熱鍋爐，供熱鍋爐的爐子位置在汽鍋的前下方，此種鏈條爐排爐是供熱鍋爐中應用較為普遍的一種燃燒設備。燃料在加煤斗中借自重下落到爐排面上，爐排借電動機通過變速齒輪箱減速后由鏈輪來帶動，猶如皮帶運輸機，將燃料帶入爐內。燃料一面燃燒，一面向后移動；燃燒需要的空氣由風機送入爐排腹中風倉后，向上穿過爐排到達燃料層，進行燃燒反應形成高溫煙氣。燃料最后燒盡成灰渣，在爐排末端被擋渣器（俗稱老鷹鐵）鏟除于灰渣斗后排出，這整個過程稱為燃燒過程。

對于圖3-2所示WNS型燃油（氣）供熱鍋爐，其燃燒過程與SHL型燃煤供熱鍋爐不同，它沒有爐排，在臥置的鍋筒內有一具有彈性的波形火筒，火筒前端配置燃油或燃氣燃燒器，火筒向后通過煙箱與煙管（又稱火管）管束相連，火筒與煙管均浸沒在鍋筒內的水空間里。從燃燒器噴入的燃料和空氣的混合物在火筒內即可完成燃燒過程生成煙氣向后流動。

燃燒過程進行得完善，是鍋爐正常工作的根本條件。要保證良好的燃燒必須要有高溫環境、必需的空氣量和空氣與燃料的良好混合接觸。為了保證鍋爐內燃燒的持續正常進行，還得連續不斷地供應燃料、空氣和排出煙氣、灰渣，為此，就需要配備送、引風設備和運煤出渣設備。

（2）煙氣向水（汽等工質）的傳熱過程

燃料在爐膛內燃燒釋放出大量熱量，產生高溫煙氣，爐內溫度極高。圖3-1中，在爐膛的四周墻面上，都布置一排水管，俗稱水冷壁。高溫煙氣與水冷壁進行強烈的輻射換熱，將熱量傳遞給管內工質。隨后在引風機和煙囪的引力作用下，煙氣向爐膛上方流動。煙氣流出煙窗（爐膛出口）并掠過防渣管后，就沖刷蒸汽過熱器——一組垂直布置的蛇形管受熱面，使汽鍋中產生的飽和蒸汽在其中受煙氣加熱而過熱。煙氣流經過熱器后又掠過連接在上、下鍋筒間的對流管束，在管束間設置了折煙墻使煙氣呈“S”形曲折地橫向沖刷，再次以對流方式將熱量傳遞給管束內的工質。煙氣的溫度沿途降低，最后進入尾部煙道，與省煤器和空氣預熱器內的工質進行熱交換后，以經濟的較低煙溫排出鍋爐。省煤器實際上是給水預熱器，它和空氣預熱器一樣，都設置在鍋爐尾部（低溫）煙道，以降低排煙溫度，提高鍋爐效率，從而節省了燃料。

對于圖3-2中的臥式內燃室燃燒爐來說，浸沒在水中的火筒內壁是主要的輻射受熱面，是第一回程，煙氣經尾部煙箱進入左、右兩側煙管，向爐前流動，是第二回程。煙氣至前煙箱匯集后，進入火筒上部的煙管向后流動，即為第三回程。因為沒有省煤器和空氣預熱器，最后排煙溫度略高于SHL型。

（3）水的受熱和汽化過程

蒸汽的生產過程，主要包括水循環和汽水分離過程。經過水處理的鍋爐給水是由水泵加壓，先流經布置在尾部煙道中的省煤器而得到預熱，然后進入汽鍋。

圖3-1所示的SHL型燃煤供熱鍋爐工作時，汽鍋中的工質是處于飽和狀態下的汽水混合物。位于煙溫較低區段的對流管束因受熱較弱，汽水工質的密度較大；而位于煙氣高溫區的水冷壁和對流管束，因受熱強烈，相應地工質的密度較小；從而密度大的工質從上流入下鍋筒或下集箱，而密度小的工質向上流入上鍋筒，形成了鍋水的自然循環。此外，為了組織水循環和進行疏導分配的需要，于爐墻外還設有不受熱的下降管，借以將工質引入水冷壁的下集箱，而通過上集箱的汽水引出管將汽水混合物導入上鍋筒。借助上鍋筒內裝設的汽水分離設備，以及在鍋筒本身空間里的重力分離作用，將汽水混合物進行分離；蒸汽在上鍋筒頂部引出后進入蒸汽過熱器中，而分離下來的水仍回落到上鍋筒下半部的水空間。汽鍋中的水循環保證了與高溫煙氣相接觸的金屬受熱面得以冷卻而不會燒壞，是鍋爐能長期安全可靠運行的必要條件。汽水混合物的分離設備則是保證蒸汽品質和蒸汽過熱器可靠工作的必要設備。

在圖3-2所示的WNS型燃油（氣）供熱鍋爐中，靠汽鍋中的受熱面布置，最高溫的爐膽布置在汽鍋的最下面，往上是溫度依次降低的第二回程煙管和第三回程煙管，因此水空間下部受熱強、上部受熱弱，下部受熱強的水向上流動，上部受熱弱的水向下流動，形成了較規則的自然對流和循環，借助汽鍋上部裝設的汽水分離設備，以及汽空間中的重力分離作用，使汽水混合物得到了分離；蒸汽在鍋筒頂部引出后進入汽缸或者直接送往用戶，分離下來的水仍繼續循環蒸發。

3.1.4　供熱鍋爐的性能參數

為了表示鍋爐的構造、燃用燃料、燃燒方式、容量大小、參數高低以及運行經濟性等特點，常用下列的鍋爐基本特性參數來描述。

（1）蒸發量、熱功率

蒸發量是指蒸汽鍋爐每小時所生產的額定蒸汽量，用以表征蒸汽鍋爐容量的大小；如為生產熱水的鍋爐，其容量可用額定熱功率來表征。

所謂額定蒸發量或者額定熱功率是指鍋爐在額定蒸汽參數（壓力、溫度）、額定給水溫度和使用設計燃料時，保證一定熱效率條件下的最大連續蒸發量（或產熱量）。蒸發量常用符號D來表示，單位為t/h（或kg/s），供熱鍋爐的蒸發量一般為0.1～65t/h。熱功率常用符號Q來表示，單位是MW。熱功率與蒸發量之間的關系，可用式（3-1）表示：

Q=0.000278D（h_q-h_gs）　　        （3-1）

式中　Q——鍋爐的熱功率，MW；

D——鍋爐的蒸發量，t/h；

h_q——蒸汽的焓，kJ/kg；

h_gs——給水的焓，kJ/kg。

對于熱水鍋爐，

　　        （3-2）

式中　G——熱水鍋爐每小時送出的水量，t/h；

h'_rs——鍋爐進水的焓，kJ/kg；

h″_rs——鍋爐出水的焓，kJ/kg。

（2）蒸汽（或熱水）參數

鍋爐的蒸汽參數是指鍋爐出口處蒸汽的額定壓力（表壓力）和溫度。額定壓力和溫度是鍋爐設計時規定的蒸汽壓和溫度。對生產飽和蒸汽的鍋爐來說，一般只標明蒸汽壓；對生產過熱蒸汽（或熱水）的鍋爐，則需標明壓力和蒸汽（或熱水）的溫度。蒸汽壓常用符號P表示，單位為MPa；蒸汽溫度常用符號t表示，單位是℃或K。

鍋爐的蒸汽壓和溫度是指過熱器主汽閥出口處的過熱蒸汽壓和溫度。對于無過熱器的鍋爐，用主汽閥出口處的飽和蒸汽壓力和溫度表示。鍋爐給水溫度是指進省煤器的給水溫度，對無省煤器的鍋爐指進鍋爐鍋筒的水的溫度。對產生飽和蒸汽的鍋爐，蒸汽的溫度和壓力存在一一對應的關系。其他鍋爐，溫度和壓力不存在這種對應關系。

供熱鍋爐的容量、參數，既要滿足生產工藝上對蒸汽的要求，又要便于鍋爐房的設計、鍋爐配套設備的供應以及鍋爐本身的標準化，因而要求有一定的鍋爐參數系列。我國目前所用的蒸汽鍋爐參數系列見表3-1，熱水鍋爐參數系列見表3-2。表中標有符號“△”處所對應的參數即為優先選用的鍋爐系列。鍋爐設計時的給水溫度有三種，分別是20℃、60℃和104℃，后者是除氧后的溫度，可結合用戶的具體情況選定。

（3）受熱面蒸發率、受熱面發熱率

鍋爐受熱面是指汽鍋和附加受熱面等與煙氣接觸的金屬表面積，即煙氣與水（或蒸汽）進行熱交換的表面積。受熱面面積的大小，工程上一般以煙氣放熱的一側為基準來計算，用符號H表示，單位為m²。

1m²受熱面每小時所產生的蒸汽量稱為鍋爐受熱面的蒸發率，用D/H ［kg/（m²·h）］表示。但各受熱面所處的煙氣溫度水平不同，它們的受熱面蒸發率也有很大的差異。例如爐內輻射受熱面的蒸發率可達80kg/（m²·h）左右，對流管受熱面的蒸發率只有20～30kg/（m²·h）。因此，對整臺鍋爐的總受熱面來說，這個指標只反映蒸發率的一個平均值。鑒于各種型號鍋爐的參數不盡相同，為便于比較，將1個標準大氣壓下的干飽和蒸汽（焓值為2680kJ/kg）作為標準蒸汽，將鍋爐的實際蒸發量D換算為標準蒸汽蒸發量D_bz，受熱面蒸發率就可用D_bz/H表示，其換算公式為：

　　        （3-3）

對于熱水鍋爐，通常采用受熱面發熱率這個指標來表征，它指的是1 m²熱水鍋爐受熱面每小時所生產的熱功率（或熱量），用符號Q/H表示，單位為MW/m²。

供熱蒸汽鍋爐，D/H一般在30～40kg/（m²·h）；熱水鍋爐的Q/H，一般在0.02325MW/m²。

受熱面蒸發率或發熱率越高，則表示傳熱好，鍋爐所耗金屬量少，鍋爐結構也緊湊。這一指標常用來表示鍋爐的工作強度，但還不能真實反映鍋爐運行的經濟性；如果鍋爐排出的煙氣溫度很高，D/H值雖大，但未必經濟。

3.1.5　鍋爐的評價指標

鍋爐的評價指標通常用經濟性、可靠性及機動性三項指標來表示。

（1）經濟性

鍋爐的經濟性主要指熱效率、成本、煤耗和廠用電量等。

①熱效率　鍋爐的熱效率是表征鍋爐運行經濟性的主要指標，是指鍋爐每小時有效利用于生產熱水或蒸汽的熱量占輸入鍋爐全部熱量的百分數，即鍋爐的有效利用熱量Q₁占輸入熱量Q_r的百分比，

　　        （3-4）

鍋爐的有效利用熱量Q₁是指單位時間內工質在鍋爐中所吸收的總熱量，包括水和蒸汽吸收的熱量以及排污水和自用蒸汽所消耗的熱量。而鍋爐的輸入熱量Q_r是指隨每千克或每立方米燃料輸入鍋爐的總熱量以及用外來熱源加熱燃料或空氣時所帶入的熱量。

鍋爐熱效率高，說明這臺鍋爐在燃用1kg相同燃料時，能生產更多參數相同的熱水或蒸汽，因此能節約燃料。目前我國生產的燃煤供熱鍋爐，其熱效率在60%～85%，燃油、燃氣供熱鍋爐，其熱效率在85%～92%。

實踐證明，如果鍋爐的蒸發量降低到額定蒸發量的60%時，鍋爐的熱效率會比額定蒸發量時的熱效率低10%～20%。只有鍋爐的蒸發量在額定蒸發量的80%～100%時，其熱效率為最高。因此，鍋爐在額定蒸發量的80%～100%范圍內才最為經濟。

②成本　鍋爐的成本一般用鋼材消耗率來表示，即鍋爐單位蒸發量所耗用的鋼材的重量，單位為t/（t·h）。目前生產的供熱鍋爐的鋼材消耗率在2～6t/（t·h）左右。

鍋爐參數、循環方式、燃料種類及鍋爐部件結構對鋼材消耗率均有影響。增大單機容量和提高蒸汽參數是減少金屬消耗量和投資費用的有效途徑。

在保證鍋爐安全、可靠、經濟運行的基礎上應合理降低鋼材消耗率，尤其是耐熱合金鋼材的消耗率。鍋爐鋼架占大型鍋爐金屬耗量很大比重，用水泥立柱不僅可大量節省鋼材，而且可在現場澆灌，建設周期比鋼結構縮短。

③耗電量　供熱鍋爐產生1t 蒸汽或熱水耗用電的度數［kW·h/（t·h）］，稱為鍋爐的耗電量。

計算鍋爐耗電量時，除了鍋爐本體配套的輔機外，還涉及破碎機、篩煤機等輔助設備的耗電量。耗電量的多少與鍋爐輔機設備的配置選型密切相關，尤其是燃料制備系統，還受燃料品種、燃燒方式的影響。目前生產的供熱鍋爐的耗電量一般在10kW·h/（t·h）左右。

鍋爐不僅要求熱效率高，而且也要求鋼材消耗量低，運行時耗電量少。但是，這三個方面常是相互制約的，因此，衡量鍋爐總的經濟性應從這三方面綜合考慮，切忌片面性。

（2）可靠性

鍋爐可靠性常用下列三種指標來衡量。

①連續運行時間，即兩次檢修之間的運行時間，h；

②；

③。

（3）機動性

隨著現代社會生活方式的變化，用戶對鍋爐的運行方式提出了更多的新要求，也就是要求鍋爐運行有更大的靈活性和可調性。機動性的要求是：快速改變負荷，經常停運及隨后快速啟動的可能性和最低允許負荷下持久運行的可靠性。這些要求已成為鍋爐產品的重要性能指標。另外，對于燃煤鍋爐，煤質降低、燃用劣質燃料和燃料品種改變等都會降低機組的機動性。