超临界锅炉概述

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升力讲坛第二讲发电运行分公司吴立军2012年4月超临界锅炉技术概述主要内容一、“临界点”的概念二、“超临界”的定义三、超临界锅炉和直流锅炉的区别四、超临界锅炉的优势五、直流锅炉的技术特点六、国产超临界锅炉主要特点•临界点——水在加热过程中存在一个状态点•低于临界点压力,从低温下的水加热到过热蒸汽的过程中要经过汽化过程,即经过水和水蒸汽共存的状态•达到临界压力或超过临界压力时,水在加热过程中就没有汽水共存状态而直接从水转变为蒸汽•主要影响临界点的参数是压力,水的临界点压力为22.115MPaST饱和水线饱和汽线临界点水的临界点一、“临界点”常见困惑:水和蒸汽没有区别的状态是怎样的?•压力越高,水蒸汽分子间的距离和液体水分子间的距离的差距越小•从而使得水和水蒸汽之间的物性差别随着压力升高越来越小•直至达到临界压力时,水和水蒸汽没有差别,在同一温度下,要么全部是水,要么全部为汽(其实是很“稠密”的蒸汽)温度/℃压力/bar亚临界超临界水分子密度与压力、温度关系微观解释•临界或超临界压力下,温度较低时,水分子之间的距离紧密,处于液态水状态。随着温度不断升高,分子动能增大,分子间距离逐渐变大,宏观上看就是水的体积不断膨胀,或比容在增大。当达到临界温度时,分子之间的距离大于液体水分子之间距离的上限,则水在这一瞬间就全部由水变成了蒸汽,之后加热的过程中,为水蒸汽温度不断升高,分子间距离继续增大,宏观上表现水蒸气体积膨胀,比容变大。二、“超临界”是什么意思?•当流体的压力和温度超过一定的值(临界点)时,流体会处于一种介乎于液态和气态的中间态,称为超临界态。•对锅炉来说,主蒸汽压力超过临界点压力(22.115MPa),温度超过临界点温度(374.15℃)的工况,称为超临界锅炉。超临界压力下朗肯循环过程的T—S图三、超临界锅炉和直流锅炉是一回事吗•超临界锅炉--从压力上分类•直流锅炉--从有无汽包分类•超临界锅炉一定是直流锅炉•直流锅炉不一定是超临界锅炉,可以是亚临界或以下压力锅炉。直流炉可以适用于任何压力,但如果压力太低,则不如自然循环锅炉,所以一般应用在P≥16MPa的锅炉上。当然超(超)临界参数锅炉必须采用直流型式•常规亚临界机组:16.7MPa,温度538/538℃。•超临界机组:一般主汽压力24MPa及以上,主汽和再热汽温度540-560℃。•超超临界机组:一般主汽压力28MPa及以上或主汽和再热汽温度580℃以上。汽轮发电机组依据额定参数的划分四、超临界锅炉有什么优势•一、热效率高,节约燃料朗肯循环热效率随主蒸汽压力、温度的升高而提高,超临界压力机组由于初参数高,一般较亚临界机组热效率高2—3%。国内超临界300MW火电机组发电煤耗一般为325g/kWh,而国产亚临界机组一般为342g/kWh。我公司煤耗(创优指标):–供电煤耗315g/kWh(纯凝工况)–发电煤耗298g/kWh(纯凝工况)•二、污染排放低,保护环境公司创优指标:–低NOx排放<100mg/m3(“大气准”650mg/m3)–低SO2排放<200mg/m3(“大气准”400mg/m3)五、直流锅炉的技术特点1.取消汽包,能快速启停与自然循环锅炉相比,直流锅炉由于没有厚重的汽包,启动速度得以大大提高,从冷态启动到满负荷运行,较汽包锅炉可提高一倍左右。2.压力适应性广适用于亚临界和超临界以及超超临界压力锅炉。3.金属耗量少•直流锅炉本体金属消耗量少,锅炉重轻。一台300MW自然循环锅炉的金属消耗量约为5500t~7200t,相同等级的直流锅炉金属消耗重量仅有4500t~5680t,同等级的一台直流锅炉较汽包炉大约可节省金2000t。加上省去了汽包的制造工艺,进而使锅炉制造成本降低。4.给水泵压头高•直流锅炉水冷壁的流动阻力全部要靠给水泵来克服,这部分阻力约占全部阻力的25%~30%左右。故所需的给水泵压头高,既提高了制造成本,又增加了运行耗电(汽)量。5.需要专门的启动系统•为了保证锅炉启停与低负荷运行时水冷壁管内有足够的质量流速,不使水冷壁管壁超温,直流锅炉启动时必须保证有30%额定流量的工质连续不断的流经水冷壁,为回收启动过程中的工质和热量,直流锅炉必须设置专门的启动系统。6.汽水分离器•系统中的汽水分离器在低负荷时起汽水分离作用并维持一定的水位。•当锅炉在最小直流负荷点以上运行时,进出分离器的工质全部是蒸汽,不再有水被分离出来,锅炉进入直流运行状态,此时分离器处于干态运行,只做为蒸汽通道使用。7.采用小管径加内螺纹水冷壁•为了避免传化,保护锅炉水冷壁安全不超温,直流锅炉大多采用小管径水冷壁达到较高的质量流速,同时采用内螺纹水壁用以提高受热面的换热强度,改善受热面工作环境。这样以来,虽然提高了传热能力而且节省了金属,减轻了炉墙量,但是由于内螺纹水冷壁加工工艺相对复杂,使得锅炉制造成本增加。8.直流锅炉热惯性小•直流锅炉由于没有汽包,且水冷壁的金属储热量和工质储热量较小,即热惯性小,使锅炉快速启停的能力进一步提高,提高了响应电网对变负荷速率的要求。•但热惯性小也会带来问题,它使水冷壁对热偏差的敏感性增强。当煤质变化或炉内火焰偏斜时,各管屏的热偏差增大,由此引起各管屏出口工质参数产生较大偏差,进而导致工质流动不稳定使个别管壁超温。9.流动阻力大•为保证足够的冷却能力和防止低负荷下发生水动力多值性以及脉动,直流锅炉自点火以后,水冷壁管内工质始终应保持一定的质量流速,加上管径减小的影响,使直流锅炉的流动阻力显著提高。•300MW以上的直流锅炉的流动阻力一般为4.4MPa~5.0MPa。10.汽温调节•直流锅炉汽温调节的主要方式是调节燃料量与给水量之比,即所谓的煤水比。辅助手段是喷水减温或烟气侧挡板调节。•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,要求自动调节程度高。11.容易发生水动力不稳定•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。12.水冷壁可灵活布置•水冷壁可灵活布置,可采用螺旋管圈或垂直管屏水冷壁。采用螺旋管圈水冷壁有利于实现变压运行。•我公司锅炉水冷壁下部采用螺旋管圈(内螺纹),上部采用垂直管屏。13.热偏差影响大•超临界压力直流锅炉水冷壁管内工质温度随吸热量而变,即管壁温度随吸热量变。•因此,热偏差对水冷壁管壁温度的影响作用显著增大。•在水冷壁上间隔布置壁温测点,进行实时监测,防止管壁超温。14.存在传热恶化的可能•变压运行的超临界参数直流锅炉,在亚临界压力范围和超临界压力范围内工作时,都存在传热恶化现象。•在亚临界压力范围内可能出现膜态沸腾;在超临界压力范围内可能出现类膜态沸腾。15.控制系统复杂•控制系统复杂,调节装置的费用较高。16.启停速度受汽机限制•启停速度和变负荷速度受过热器出口集箱的热应力限制,但主要限制因素是汽轮机的热应力和胀差。17.给水品质要求高•直流锅炉要求的给水品质高,要求凝结水进行100%的除盐处理。1.采用П型布置形式。2.水冷壁下部螺旋炉膛,上部垂直炉膛。3.采用前后墙对冲燃烧方式。4.采用新型低氮旋流燃烧器。5.采用豪顿华三分仓回转式空气预热器。6.采用动叶可调轴流式风机。7.采用双进双出直吹式制粉系统。8.锅炉点火方式采用少油点火技术。9.锅炉排渣采用干排渣方式技术。10.同步上烟气脱硝系统。六、我公司锅炉主要特点П型布置是传统普遍采用的方式,烟气由炉膛经水平烟道进入尾部烟道,在尾部烟道通过各受热面后排出。其主要优点是锅炉高度较低,尾部烟道烟气向下流动有自生吹灰作用,各受热面易于布置成逆流形式,对传热有利等。1.采用П型布置形式2.螺旋管圈水冷壁对于超临界变压运行锅炉,螺旋管圈水冷壁是首先应用于超临界变压运行锅炉的水冷壁型式。炉膛水冷壁采用螺旋管圈+垂直管圈方式【即下部炉膛的水冷壁采用螺旋管圈(内螺纹管),上部炉膛的水冷壁为垂直】,保证质量流速符合要求。水冷壁采用全焊接的膜式水冷壁水冷壁采用一次中间混合联箱来实现螺旋管至垂直水冷壁管的过渡现场水冷壁的布置图垂直水冷壁螺旋水冷壁出口垂直水冷壁进口螺旋水冷壁内螺纹管结构螺旋管圈+内螺纹管漩涡效果重力作用管子内表面充满了液体内螺纹螺旋管圈水冷壁:成熟的制造和安装工艺,工地安装方便快捷统计结果:采用螺旋管圈水冷壁的汕头工程600MW超临界锅炉受压件安装焊口数约38000只(螺旋管圈部分约8200只,垂直管圈部分约6400只,共计约14600只)。总的工地受压件安装焊口少于采用垂直管圈水冷壁的600MW超临界锅炉。3.采用前后墙对冲燃烧方式技术特点:本工程采用北京巴威公司生产的双调风旋流低氮燃烧器能够使热量输入沿炉膛宽度方向较均匀分布,随着锅炉容量的增加,一般只须调整炉膛宽度来增加炉膛断面。随着锅炉容量的增加,炉膛的断面也相应增加,可以方便的增加一定数量的燃烧器,保证炉内火焰有较好的充满情况,保证均衡的燃烧热负荷。屏式过热器进口烟气分布炉膛出口烟气温度分布高温过热器进口烟气分布2020℃烟气温度分布高过炉膛出口250kW/m20kW/m2屏过0℃HALF-PAX型燃烧器结构简图该型燃烧器分两部分:一是经浓淡分离装置后约50%的一次风(含粉85%的浓煤粉)进入主燃烧器,二是经偏心管分离出来约50%的一次风(含粉15%淡煤粉进入燃烧器的上方。采用前后墙对冲燃烧方式:避免火焰刷墙,防止炉膛结渣技术特点:消除烟气旋转,单个燃烧器具有良好的燃料、空气分布,独特的燃烧器喉口设计结构,能够避免燃烧器区域结渣和腐蚀。后墙前墙热烟气和灰粒冲刷的几率较小4.采用新型低NOX旋流燃烧器将传统的二次风分为两部分:内二次风和外二次风,这两股风均布置有各自的调风器,以便于在运行调整风量和旋流强度。燃烧用空气沿射流行程逐步分级送入,在射流下游区域完全混合,实现了旋流煤粉燃烧器内部的空气分级燃烧,控制NOx生成量。每台锅炉配置两台容克式三分仓空气预热器布置在锅炉尾部,为于锅炉主钢架范围之外空气预热器按引进丹麦技术设计、制造技术特点:在B-MCR工况下,预热器漏风率投产时不大于6%,运行一年后不大于8%。防止低温腐蚀:如燃料是含硫量小于1.5%的煤,该冷端综合温度不能低于148℃空气预热器冷端选取合理脱碳钢镀搪瓷材料设置有效的清洗装置保证良好的吹灰效果5.采用豪顿华回转式空气预热器空气预热器空气预热器密封密封结构简图我公司空气预热器空气侧与烟气侧为三密封,一次风与二次风之间为双密封,另外还有环向密封、中心轴筒密封。空预器换热元件传热元件盒均制成较小的组件,检修时热端传热元件盒、中间层传热元件盒、冷端传热元件盒全部抽屉式从侧面检修门孔处抽出,安装、更换非常方便。斜波和直槽的定位板交替层叠。直槽与转子轴线方向平行布置,使波纹板和定位板之间保持适当的距离。斜波与直槽呈30°夹角,使得空气或烟气流经换热元件时形成较大的紊流,以改善换热效果。6.采用轴流式风机送风机一次风机空预器烟气入口前接倒L型烟道热二次风到炉膛热一次风到磨煤机冷一次风管道一次风机(任丘)•型式:双级动叶可调轴流式风机•数量:每台炉配置1台。•运行方式:单台风机运行•调节方式:双级动叶调节•生产厂家:沈阳鼓风机厂•轴承润滑:电机为强制油润滑,风机轴承为强制油润滑。送风机(任丘)•型式:动叶可调轴流式风机•数量:每台炉配置1台。•运行方式:单台运行•调节方式:动叶调节•生产厂家:沈阳鼓风机厂•轴承润滑:电机为强制油润滑,风机轴承为油•浴式润滑。引风机(任丘)•型式:双级动叶可调轴流式风机•数量:每台炉配置2台,并且取消增压风机。•运行方式:两台风机并联运行•调节方式:双级动叶调节•生产厂家:成都风机厂•轴承润滑:电机为强制油润滑,风机轴承为强制油润滑。轴流式风机双级动叶7.采用双进双出钢球式直吹式制粉系统双进双出钢球式磨煤机工作原理示意图MGS双进双出磨煤机控制原理•MGS
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