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蒸汽发生器

蒸汽发生器

蒸汽发生器（Steam generator）俗称锅炉，是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。其工作原理基于能量转换，即将存储在各种燃料如煤炭、木材中的化学能转化为蒸汽热能。它不仅为火力发电系统提供动力能源，而且在诸如机械、化工、造纸等工农业领域也发挥着重要的作用。

最早的蒸汽动力设备可以追溯到公元10年，在亚历山大港由赫伦所提出的蒸汽涡轮。1700年，初级的蒸汽发生器技术诞生，1867年，随着对流锅炉的发展，蒸汽发生器工业开始出现。同年乔治·巴斯科和史蒂文·威尔科克斯首次申请了他们的锅炉设计专利，为蒸汽发生器工业的发展奠定了基础。1884年，Sir Charles Parsons建造了第一个蒸汽涡轮发电机，并在两年后通过冷凝涡轮提高了其效率。1957年，Babcock \u0026 Wilcox设计并建造了美国第一个商业超临界蒸汽发生器，标志着蒸汽动力技术的重要进步。20世纪70年代世界上最大的自然循环锅炉单台容量已达850兆瓦。2018年，中国首台高温气冷堆核电站示范工程石岛湾2号蒸汽发生器顺利完成壳程和管程气压试验，标志着全球首台高温气冷堆核电站蒸汽发生器完成主体制造工作。

蒸汽发生器由炉膛、水冷壁、过热器、省煤器等构成，可按照结构，燃料，循环方式，燃烧方式，排渣方式，炉膛烟气，锅炉数目的不同进行分类，蒸汽发生器的现代发展主要集中在超临界技术、能效优先、热回收蒸汽发生器设计、循环流化床锅炉技术、锅炉的灵活性以及A-USC技术的全球发展等领域。

发展历程

起源

最早的蒸汽动力设备可以追溯到公元10年，在亚历山大港由赫伦所提出的蒸汽涡轮，在该设备之中，蒸汽通过中空旋转轴供应到中空旋转球，然后通过两个相反的弯曲管出现，但该设备并没有什么实质性的用处。

蒸汽时代

1690年，法国工程师巴本制成了第一台活塞式蒸汽机。初步的蒸汽发生器技术开始发展。

1698年，英国铁匠托马斯·塞维利在物理学家罗伯特·胡克的帮助下，发明了世界上第一台实用的蒸汽泵，用于矿山排水。

1763年，英国机修工瓦特在维修纽科门蒸汽机时，萌发了改进和设计蒸汽机的念头。他相继发明和设计了一系列器件，并于1769年制造出第一台样机，其能效比纽科门蒸汽机提高了五倍以上。

17世纪60年代，世界上第一台铜质球形锅炉诞生，其压力仅 9.81~19.62kPa。

1830年左右，在掌握了钢管的生产和胀管技术之后，世界上出现了火管锅炉。这种锅炉是的金属耗量较低，但需要很大的砌体。烟气流出火筒后再流过火管，称为苏格兰船用锅炉。其形状和尺寸可与轮船机舱配合较好，锅炉本身也较轻，所以一直在船舶上使用。

1865年，李鸿章开办江南机器制造总局，兼办船舶锅炉修造业务。

1867年，随着对流锅炉的发展，蒸汽发生器工业开始出现。George Babcock和Steven Wilcox被认为是蒸汽发生器的创始人之一，他们在1867年首次申请了他们的锅炉设计专利，该设计使用了耐火砖墙结构内的管道来产生蒸汽。

不断发展

1907年，Stirling锅炉公司与Babcock \u0026 Wilcox公司合并，推出了H型Stirling锅炉，并成为当时畅销的锅炉之一。改锅炉采用砖块设置设计，并使用三个锅筒来帮助水和蒸汽流在整个锅炉中循环

1884年，Sir Charles Parsons建造了第一个蒸汽涡轮发电机，并在两年后通过引入第一个冷凝涡轮来提高了它的效率。

1900年，英国人在上海杨树蒲路开设瑞熔船厂，1903年，该厂分设万隆铁工厂，开始制造双炉胆船用锅炉。

20世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉。

1915年，广东人阮兰生，在上海开办经昌机械铁工厂，1918年造立式锅炉，热水锅炉。

1919年，胡炳生、胡大徽办胡万兴铁工厂，1930年造锅炉。

1920年，为了应对不断增长的炉膛尺寸和温度，锅炉设计转向了“管和瓷砖”设计，这是一个全新且极具革命性的设计，它使用了大直径、间距较大的管壁来帮助降低砖的表面温度。

19世纪中期开始，出现了水管锅炉，这是蒸汽发生器一个历史性的突破。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。

1936年12月，一家公司设计制造了中国第一台2t/h水管锅炉，1935~1949年共生产了41台，77蒸吨锅炉产品。

二战之后

第二次世界大战以后，锅炉工业发展很快。20世纪40年代至60年代，先后采用10兆帕、510℃左右的配50兆瓦发电机组的锅炉。14兆帕左右、540～570℃的配100～200兆瓦发电机组的锅炉。300～600兆瓦发电机组的亚临界压力（17～18.5兆帕）锅炉。

20世纪70年代世界上最大的自然循环锅炉单台容量已达850兆瓦，后来又发展了由辅助循环锅炉和直流锅炉复合而成的复合循环锅炉。

2018年10月，由哈电集团秦皇岛重型装备有限公司承制的高温气冷堆核电站示范工程石岛湾2#蒸汽发生器顺利完成壳程和管程气压试验，标志着全球首台高温气冷堆核电站蒸汽发生器完成主体制造工作。

基本组成

锅炉整体的结构包括锅炉本体、辅助设备和安全装置三部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。

本体结构

燃烧器

燃烧器主要由喷油咀、调风器、点火器等组成。其作用主要是将燃料和燃烧所需空气送人炉膛并使燃料着火稳定，燃烧良好。由于辅助锅炉蒸发量小，炉膛又接近圆形，用汽设备对蒸汽压力稳定性要求不高，故每台锅炉通常只装设一台燃烧器。

炉膛

炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。

炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热。

炉膛设计需要充分考虑使用燃料的特性。每台锅炉应尽量燃用原设计的燃料。燃用特性差别较大的燃料时锅炉运行的经济性和可靠性都可能降低。

此外根据蒸汽发生器类型的不同，炉膛的设计可能会有所不同。例如，炉格燃烧蒸汽发生器的炉膛设计将与粉煤蒸汽发生器和循环流化床蒸汽发生器的设计有所不同，因为这些蒸汽发生器类型存在不同的热动和流动条件。

空气预热器

空气预热器通过减少排放温度来提高锅炉效率和节省燃料消耗。通过从烟气中提取热量以预热冷的环境空气，烟气温度相应地降低。

水冷壁

水冷壁是锅炉的主要辐射受热面，其主要作用是吸收炉膛辐射热加热工质，并用以保护炉墙后水冷壁管的拉稀部分称为凝渣管，用以防止过热器结渣。因其能将水转化为蒸汽，因此通常被称为蒸汽生成管。

锅筒

锅筒是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。

锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件；中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。锅筒上还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。

过热器

过热器是蒸汽锅炉系统的重要组成部分，过热器的作用是将饱和蒸汽加热到额定过热蒸汽温度。并提高热电厂的整体效率。但采用过热器常需使用效果较好的耐热钢材，因此价格比较昂贵，此外，过热器可根据布置位置和传热方式分为对流式，半辐射式和射热辐射式。

省煤器

省煤器是一种换热器，其功能是利用已经通过主锅炉和过热器的烟气中的热能来预热给水，从而提高了锅炉的热效率。在省煤器中，通过使用烟气来预热给水，从而在不将其转换为蒸汽的情况下对给水进行加热。因此，省煤器通常位于过热器之后，并位于给水回路中，其主要目的是减少燃料消耗。

构架

在锅炉整体中，构架是用来支承汽鼓、联箱、受热面、部分或全部炉墙平台、扶梯和其他构件的结构。它应该具有足够的强度、刚度、伸缩性和性。现代炉构架大体可分为支承式和悬吊式两种结构。支承式锅炉构架的特点是锅炉本体主要重量分支承在构架上，并且多为框架式。悬吊式锅炉构架的特点是锅炉本体的主要重量都集中悬吊在炉顶梁格上，其构架多为析架式。

炉墙

锅炉炉墙是锅炉的外壳，它将锅炉的燃烧室及烟道与外界隔绝，可以防止外界冷空气漏入，又能阻止热量散失和烟灰逸出，对于保证锅炉机组的运行经济性，保持环境卫生和保障运行人员的安全有着相当重要的作用。炉墙的结构一般可以分为三层，面向火侧称耐热层，其余两层分别为绝热层和密封层。

辅助设备

锅炉的辅助设备是安装在锅炉本体之外的必备设备,它是供应燃料系统、通风系统、给水系统、除渣除尘系统等装置设备，如球磨机、运煤设备、水泵、水处理装置、鼓风机、引风机、除渣机、除尘机以及吹灰装置等。

燃料供应系统

燃料供应系统设计用于将燃料油输送到锅炉，以便在适当的温度和压力下实现满意的燃烧。系统中的加热器配备有恒温操作的蒸汽供应阀，这些阀可以从燃料油加热器出口的恒温元件中接收冲击，以保持恒定的温度。

燃料供应系统还包括燃烧控制系统，其功能是控制燃料和空气的输入或火焰速率，以保持涡轮机入口处的过热蒸汽压力处于所需值，以满足负载需求。

水处理和供应系统

蒸汽锅炉的水处理系统主要负责去除水中的溶解矿物质、气体和颗粒。每种杂质的去除或处理对于保证锅炉高效运行至关重要。但对于锅炉来说，这些矿物质会造成损害，如导致金属腐蚀和降低传热效率。

为了维持高纯度的给水和补充水流，最佳的锅炉水处理系统主要包括压力过滤器、软化装置、反渗透单元和热脱气器。通用的硬自来水作为蒸汽锅炉的补充水会导致石灰石在锅炉热区沉积。

水处理过程的一部分是添加能够抑制腐蚀的化学品。这一处理对于提高锅炉的效率和延长锅炉的使用寿命非常重要。

水处理后，通过供应泵将处理过的锅炉给水送到锅炉。供水系统保证了锅炉能够持续、稳定地获得必要的水源，以保持锅炉的正常运行和蒸汽的产生。

安全装置

蒸汽发生器的安全装置是指在锅炉受压部件上用来控制锅炉安全和经济运行的一些阀门和仪表装置。主要有安全阀、压力表、水位表、温度仪表、保护装置、排污阀或放水装置、防爆门、锅炉自动控制装置以及常用阀门等。

锅炉安全阀是为了防止锅炉内压力超过规定压力，在锅炉顶部靠近司机室端设置的阀门。当锅炉压力超过规定时，安全阀即自动开启，放出锅炉内蒸汽，降低压力，当降至规定压力时，安全阀即自动关闭，停止放汽降压。

压力表是显示锅炉汽水系统压力大小的仪表。

水位表是用来显示锅筒或锅壳内水位高低的仪表。它是按照连通器内液柱高度相等的原理装设的。水位表的水连管和汽连管分别与锅筒的水空间与汽空间相连接，水位表和锅筒构成连通器，所以水位表显示的水位就是锅筒内的水位。锅炉常用的水位表有玻璃管式和玻璃板式两种。

工作原理

蒸汽发生器的主要工作原理是一种利用燃料燃烧后释放的热能或工业生产中的废热传递给容器内的水，使水达到所需要的温度或一定压力蒸汽的热力设备。锅炉在“锅”与“炉”两部分同时进行，水进入锅炉以后，在汽水系统中锅炉受热面将吸收的热量传递给水，使水加热成一定温度和压力的热水或生成蒸汽，被引出应用。在燃烧设备部分，燃料燃烧不断放出热量，燃烧产生的高温烟气通过热的传播，将热量传递给锅炉受热面，而本身温度逐渐降低，最后由烟囱排出。

分类

蒸汽发生器可按照结构，燃料，循环方式，燃烧方式，排渣方式，炉膛烟气，锅炉数目的不同进行分类。

结构分类

火管锅炉

火管锅炉的特点是其内部燃烧产生的热量通过火管传递给水。在这种结构中，水被装在一个壳体中，而热的烟气通过装有多个管道的壳体传递热量给水。

通常，火管锅炉的构造包括一个由多个管道穿透的水箱，热的烟气从火源通过这些管道，而水箱的形状通常是圆柱形，可以垂直或水平放置。燃料通常在锅炉的底部燃烧，热的烟气通过管道传递热量给水，从而产生蒸汽。

火管锅炉通常适用于低压和小容量的应用，具有紧凑的构造、效率较高的直管设计、较低成本、比较简单的维护和简单的操作。

水管锅炉

水管锅炉与火管锅炉的主要区别在于，水管锅炉的热烟气不通过管道，而是围绕管道流动，而水则流经管道。这意味着水管锅炉是外部燃烧锅炉，而火管锅炉是内部燃烧锅炉。

由于采用了这种设计，水管锅炉可以承受更高的工作压力，产生更高的温度输出，是一种安全可靠的设计。此外，水管锅炉通常具有更大的容量，可以承受更高的压力和温度。

此外，水管锅炉的效率可以通过使用过热器来提高，过热器可以使水管锅炉的效率和容量得到显著提高。

燃料分类

燃煤蒸汽发生器

燃煤蒸汽发生器是基于燃煤运转设备的形式，按照燃烧手段存在的不同，可分为分旋风炉、层燃炉、沸腾式烧炉和室燃炉四种。燃煤锅炉运行中需要燃烧大量的煤炭，致使空气中产生大量的 SO2、NOx 和粉尘。

燃气蒸汽发生器

燃气蒸汽发生器相比较于燃煤锅炉具有一定的优势，根据数据分析，燃气锅炉的工作效率在95%左右，且天然气对大气产生污染较小。同时燃气蒸汽发生器具有配套设备简易，占地面积小，设备维护费用较低等优势。

电蒸汽发生器

电蒸汽发生器是以电力为能源，将其转化成为热能，经由蒸汽发生器转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体的锅炉设备。由于能源结构的调整、北方供暖方式的改革、大气环境改善的急迫性以及蓄热技术的发展，电锅炉在中国北方地区逐渐崛起。

电磁感应蒸汽发生器

电磁感应蒸汽发生器应用了一种新型加热方式，其蒸汽发生装置主要包括电磁加热系统、稳压集水系统、集成控制系统、汽液分离系统、冷却循环回收系统，以上系统的组成，使之能顺利完成进口给水、蒸汽发生、汽水分离等各步骤。电加热蒸汽锅炉相比于采用煤、燃油、燃气为原料的蒸汽锅炉安全性有所改善，并且对环境无污染。但是电加热蒸汽锅炉存在线路复杂、元器件容易老化、加热不均匀、元器件更换不方便等一些缺点，也限制了它的推广和应用。

按循环方式分类

按燃烧方式分类

按排渣方式分类

按炉膛烟气压力分类

按锅筒数目分类

关键技术

电磁感应加热技术

电磁感应加热技术可以加速超高温蒸汽产生设备的发展，电磁感应加热技术能够使其产生超过500°C的高温蒸汽，温度控制精度为±5°C。当超高温蒸汽发生器的热转换效率超过95%的时候，其便具有快速加热和均匀加热的特点，对环保、使用寿命和安全性能具有独特的优势。

高温管二次加热技术

超高温蒸汽产生设备的核心组件之一是能实现二次加热的高温管。为了提高传热率，前端蒸汽通过一个具有两个管壁的夹层结构进行加热。为了延长蒸汽在夹层中的旅程，增加加热时间和实现加热效果，一个直径为3毫米的不锈钢丝被绕在夹层中并呈螺旋形绕制，间距约为120毫米，这样可以使加热过程中的加热更为均匀。

节能技术

随着经济社会的发展和城市化进程的不断加速，人们对生活体验的要求不断提高，一方面为了满足集中供暖，对大型供热锅炉的需求量迅速增加，另一方面全球气候变暖和雾霾现象的加剧又要求减少温室气体和烟尘的排放。而目前大型供热锅炉，主要采用了燃气供热方案，在实际使用的过程中排烟温度高、能量损失大，不仅影响了供热的经济性，而且还加剧了冬天时候的雾霾，难以满足清洁供暖的需求。目前多数锅炉都是在尾部增加了烟气余热回收系统，但受回收技术的限制，烟气余热回收效率低，因此可对锅炉增加新的节能装置，即利用间壁式高效烟气冷凝余热回收装置和吸收式热泵联合对大型过滤的烟气余热进行回收，在换热首站对二次网回水进行提前预热，减少在供热过程中的能量消耗，从而实现对锅炉余热的再利用，减少供热过程中的能量消耗和环境污染。改节能装置能够将排烟温度降低到25℃以下，综合节能率为11.3%，对实现高效、经济、环保供热具有十分重要的意义。

应用领域

水泥生产

在水泥厂或者水泥混凝土制品加工等行业之中，都会用到蒸汽锅炉，如水泥厂需要用高温蒸汽来参与生产，烘干以及养护等，在建材钢筋混凝土方面使用更广泛，需要快速定型烘干，用行业术语就是混凝土蒸养。此外蒸汽锅炉还能够帮助回收并重新利用废热，为水泥生产提供额外的能源，使得水泥工厂能够生成高达20%至30%所需的电力。