超临界锅炉概述

技术专题介绍1600MW超临界机组郑州电力高等专科学校杨建华超临界锅炉技术概述引子前面展示的就是超临界机组，它是近几年来迅速发展的一种大型燃煤火力发电机组。我们在学习中可能会有以下问题：–1.超临界锅炉中的“超临界”是什么意思？它和直流锅炉是一回事吗？–2.超临界锅炉有什么优势？–3.超临界锅炉有什么特点？和亚临界机组有什么不同的地方？主要内容一、“临界点”是怎么回事二、“超临界”是什么意思？三、超临界锅炉和直流锅炉是一回事吗四、超临界锅炉有什么优势五、直流锅炉的技术特点六、国产超临界锅炉主要特点一、“临界点”是怎么回事水在加热过程中存在一个状态点——临界点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；而如果压力在临界压力或临界压力以上时，水在加热的过程中就没有汽水共存状态而直接从水转变为蒸汽。临界点的主要影响参数是压力，水的临界点压力为22.115MPa。ST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，要么全部为气（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、温度关系水和汽之间的区别仅在于分子间距离水和汽之间的区别仅仅是分子间距离分子间距离在一定距离范围内就称为水分子间距离超过这个界限就称为汽温度/℃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，处于液态水的状态。随着温度的升高，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膨胀，或比容增大。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，则水在这瞬间就全部由水变成了蒸汽，之后的加热过程中，水蒸汽温度升高，分子间距离继续增大，宏观上水蒸气体积膨胀，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（大于）临界点压力（22.12MPa)的工况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循环倍率超临界压力锅炉水冷壁出口蒸汽干度为１；亚临界压力汽包锅炉水冷壁出口蒸汽干度为０.１６－０.２５；超高压汽包锅炉水冷壁出口蒸汽干度为０.１２５－０.２。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，超临界压力机组比亚临界机组热效率提高2—3%。电厂名称容量MW供电煤耗g/kWh发电煤耗g/kWh厂用电率%华能南京电厂300324.5309.84.53华能营口电厂320337.2320.74.90华能伊敏电厂500329.53l1.25.55国华盘山电厂500331.O3l1.16.0石洞口电厂600308.2297.13.6绥中电厂800329.23l2.94.932003年度全国超临界机组运行经济指标统计数据二、污染排放低，保护环境–低NOx排放–低CO2排放五、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，直流炉从冷态启动到满负荷运行，变负荷速度可提高一倍左右。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锅炉本体金属消耗量最少，锅炉重量轻。一台300MW自然循环锅炉的金属重量约为5500t～7200t，相同等级的直流炉的金属重量仅有4500t～5680t，一台直流锅炉大约可节省金属2000t。加上省去了汽包的制造工艺，使锅炉制造成本降低。4.水泵压头高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％。所需的给水泵压头高，既提高了制造成本，又增加了运行耗电量。5.需要专门的启动系统直流锅炉启动时约有30％额定流量的工质经过水冷壁并被加热，为了回收启动过程的工质和热量并保证低负荷运行时水冷壁管内有足够的重量流速，直流锅炉需要设置专门的启动系统，而且需要设置过热器的高压旁路系统和再热器的低压旁路系统。加上直流锅炉的参数比较高，需要的金属材料档次相应要提高，其总成本不低于自然循环锅炉。6.需要汽水分离器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，在高负荷时切换为纯直流运行，汽水分离器作为通流承压部件。7.需要较高的质量流速为了达到较高的质量流速，必须采用小管径水冷壁。这样，不但提高了传热能力而且节省了金属，减轻了炉墙重量，同时减小了锅炉的热惯性。8.热惯性小水冷壁的金属储热量和工质储热量最小，即热惯性最小，使快速启停的能力进一步提高，适用机组调峰的要求。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或管子超温。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，水冷壁管内工质的重量流速在MCR负荷时提高到2000㎏/（㎡·s）以上。加上管径减小的影响，使直流锅炉的流动阻力显著提高。600MW以上的直流锅炉的流动阻力一般为5.4MPa～6.0MPa。10.汽温调节汽温调节的主要方式是调节燃料量与给水量之比，辅助手段是喷水减温或烟气侧调节。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。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，汽水比容变化增大；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。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而变。因此，热偏差对水冷壁管壁温度的影响作用显著增大。14.存在传热恶化的可能变压运行的超临界参数直流炉，在亚临界压力范围和超临界压力范围内工作时，都存在工质的热膨胀现象。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.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。16.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。17.控制系统复杂控制系统复杂，调节装置的费用较高。六、国产超临界锅炉主要特点1.采用П型布置形式2.螺旋管圈水冷壁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.采用回转式空气预热器６.采用直吹式制粉系统７.采用轴流式风机1.采用П型布置形式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。锅炉∏型布置和塔型布置的比较布置简图世界上烟煤型锅炉典型布置日本超临界燃煤锅炉均采用此种布置方式主要用于褐煤型锅炉-高灰份适合600MW-1050MW超临界燃煤变压锅炉概念缺乏1000MW超临界燃煤变压锅炉经验业绩结构与安装具备成熟的结构技术及众多业绩，可靠性高需研究大容量超临界锅炉可靠性再热器采用喷水及燃烧器摆动调温，对经济性和煤适应性有影响。煤适应性好（采挡板调节再热汽温）性能及运行DBC/BHK/BHDB2.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性能优越、成熟可靠的水冷壁自由选择管子尺寸和数量：布置与选择管径灵活，易于获得足够的质量流速螺旋管圈水冷壁所需管子根数和管径，可通过改变管子水平倾斜角度来调整，使之获得合理的设计值，以确保锅炉安全运行与水冷壁自身的刚性。管子根数大大减少，而且这种减少水冷壁管子根数的办法不加大管子之间的节距，使管子和肋片的金属壁温在任何工况下都安全。内螺纹螺旋管圈水冷壁:采用内螺纹管，提高水冷壁安全裕度技术特点：采用管螺旋管圈控制合理的设计平均质量流速，防止亚临界状态下的传热恶化，提高高负荷下的安全裕度。选取较高的质量流速较高的流速可以确保更高的传热性能和流动可靠性，确保水冷壁有较高的安全性和较大的安全裕度。BRLMCR051015202530350500100015002000250030003500主蒸汽流量,t/h压力,MPag-5001,0001,5002,0002,5003,0003,5004,0004,500质量流速(kg/m2s)过热器出口压力省煤器进口压力设计平均质量流速临界质量流速内螺纹管TubeSufficientMargin足够的裕量光管30%MCR50％THA70%THABRL结论：通过采用内螺纹管及选取合适的质量流速，水冷壁安全裕度得到极大的提高，汽水阻力仅增加约10%。螺旋水冷壁垂直水冷壁混合集箱垂直水冷壁入口集箱半炉膛混合，减少吸热偏差小，适应变压运行内螺纹螺旋管圈水冷壁:充分均匀混合的中间过渡水冷壁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螺旋管圈水冷壁:管间吸热偏差小，适应变压运行燃烧器燃烧器燃烧器燃烧器水冷壁出口介质温度垂直管布置水冷壁螺旋上升式水冷壁热负荷前墙侧墙后墙侧墙前墙侧墙后墙侧墙流向流向螺旋管在盘旋上升的过程中，每根管子都经过炉膛下部高热负荷区域的整个周界，途经宽度方向不同热负荷分布的区域。因此，螺旋管的每个管子，以整个长度而言，热偏差很小内螺纹螺旋管圈水冷壁:不需设置水冷壁进口节流圈垂直水冷壁+内螺纹管螺旋水冷壁+内螺纹管负荷变化和煤种变化适应性对比流量调整困难(进口节流圈)采用高质量流速，且质量流速可以自由调整。炉膛水冷壁型式节流圈为针对锅炉某一负荷、某一煤种而设计。由于节流圈的固有特性，对所有负荷进行流量合理分配、调节较为困难；机组运行一段时间，节流圈将不可避免地结垢，偏离设计值。对煤种变化、炉膛结渣等所引起的炉膛热负荷变化适应性较差。采用较高质量流速设计，且进口不需装设节流圈，螺旋管圈水冷壁的传热、流量分配和介质出口温度等不会受到燃烧器、磨煤机切换等工况的影响。对煤种变化、炉膛结渣以及机组负荷变化所引起的吸热量的变化适应性好，变负荷、变压运行能力强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：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。