超(超)臨界鍋爐及其關(guān)鍵技術(shù)2014

超（超）臨界鍋爐及其

關(guān)鍵技術(shù)主講：劉彤教授華北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院+86-10-61772819liut@主要內(nèi)容一、超（超）臨界鍋爐的優(yōu)越性二、超（超）臨界機組的關(guān)鍵技術(shù)三、超（超）臨界機組運行特性超臨界、超超臨界機組定義水的臨界壓力：22.12MPa，

臨界溫度：374.15℃常規(guī)的亞臨界機組:16.7MPa，溫度為538/538℃超臨界機組：一般主汽壓力24MPa及以上,主汽和再熱汽溫度540-560℃超超臨界機組：一般主汽壓力28MPa及以上或主汽和再熱汽溫度580℃以上

一、超臨界鍋爐機組的優(yōu)越性

經(jīng)濟性（節(jié)能降耗）可靠性環(huán)保特性4947454341393735102015253035蒸汽參數(shù)MPa(初溫℃/再熱溫℃/再熱溫℃)

不同蒸汽參數(shù)、再熱次數(shù)和參數(shù)對發(fā)電廠供電熱效率的影響亞臨界540℃/540℃

超臨界566℃/566℃

高超臨界593℃/593℃

600℃/600℃/600℃

566℃/566℃/566℃

700℃/720℃/720℃

%

率效熱電供廠電發(fā)

部分超（超）臨界機組經(jīng)濟性舉例電廠

項目蒸汽參數(shù)機組效率,%投運年份丹麥Vesk電廠407MW25.1MPa,560℃/560℃45.31992法國STAUDINGE廠550MW25MPa,540℃/560℃42.51992德國ROSTOCK電廠559MW25MPa,540℃/560℃42.51994韓國500MW24MPa,538℃/538℃41石洞口二廠600MW24.2MPa,538℃/566℃41.091992日本松蒲電廠1000MW25.2MPa,598℃/596℃441997丹麥Nordjylland電廠410MW28.5MPa,580℃/580℃/580℃471998西門子設(shè)計400-1000MW27.5MPa,589℃/600℃>451999歐洲FutureⅠ33.5MPa,610℃/630℃>502005歐洲FutureⅡ40.0MPa,700℃/720℃52-552015平圩電廠600MW(亞臨界)17MPa,537℃/537℃36.91989超?（超）臨界機組的可靠性美國初期蒸汽參數(shù)過高，當(dāng)時冶金工業(yè)難以提供滿足31MPa，621/566/566℃的合理鋼材，投運后事故頻繁，可靠性、可用率低，后降低參數(shù)運行，取得了比較滿意的業(yè)績。原蘇聯(lián)在發(fā)展超臨界機組的初期，因缺少經(jīng)驗和選用參數(shù)過高，使其可靠性低。經(jīng)改進(jìn)和完善，超臨界機組的可用率與亞臨界機組差別不大。1980年美國公布的71臺超臨界機組和27臺亞臨界機組運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，兩類機組可用率已沒有差別。日本早期的超臨界機組可用率大多數(shù)在99%以上。德國機組的可靠性數(shù)據(jù)表明，機組可靠性與可用率與參數(shù)之間沒有必然的聯(lián)系。我國華能石洞口二廠兩臺600MW超臨界機組投運后第二年可用系數(shù)可達(dá)到90.8%和93.97%。目前超臨界機組的可用率與亞臨界機組相當(dāng)?；痣姍C組參數(shù)提高給人類帶來的、、、

一次再熱，煙煤比較過去的電廠節(jié)省燃料大于10%減少污染排放大于10%超臨界機組的參數(shù)為：壓力大于24MPa溫度大于540/560C硫資源化脫硫高效、綠色發(fā)電技術(shù)高效發(fā)電超臨界機組聯(lián)合循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)煤炭加工與轉(zhuǎn)化流化床FBC整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)IGCC可再生能源發(fā)電及核電煙氣凈化灰渣及廢水資源化空冷機組煙氣循環(huán)流化床脫硫其它節(jié)水技術(shù)燃料電池微型燃?xì)廨啓C太陽光發(fā)電風(fēng)力發(fā)電潔凈發(fā)電節(jié)水發(fā)電分布式電源新型發(fā)電以煤氣化為核心以發(fā)電為核心各種煤清潔利用方式相對評分比較表注：10分為滿分利用方式環(huán)保節(jié)能運行投資成熟總和順次型煤78101010451原煤加工洗選煤879910432CFBC

95989404流化床PFBC98658367超（超）臨界機組799710423IGCC108668385氣化86656318CMW86878376燃料轉(zhuǎn)化液化85455279其他清潔技術(shù)9

二、超臨界鍋爐的技術(shù)特點容量參數(shù)爐型燃燒方式水冷壁型式

1.容量

從技術(shù)可行性、設(shè)計制造模式、國外業(yè)績及與國外合作問題、技術(shù)經(jīng)濟等問題考慮，超臨界鍋爐選擇1000MW及以下容量都是可行的。一般采用1000MW和600MW兩個容量等級。

1000MW等級超超臨界機組方案具有效率高、單位千瓦投資省、人員少、維護(hù)費用低及同容量電廠建設(shè)周期短，建筑用地少等綜合優(yōu)點，同時也適應(yīng)我國電力工業(yè)的發(fā)展和符合電網(wǎng)對機組容量的需求，將成為反映我國電力工業(yè)技術(shù)水平的代表性機組。

考慮到我國地區(qū)及電網(wǎng)的差異及條件，常規(guī)超臨界（24.2MPa/566℃/566℃

）600MW機組，以及600MW等級超超臨界機組，更能適應(yīng)我國廣大內(nèi)陸地區(qū)的低背壓條件、適用于國內(nèi)各個電網(wǎng)條件，適用于現(xiàn)有的設(shè)備運輸條件，并可與1000MW等級容量機組形成系列化。

600MW等級超臨界、超超臨界機組將成為我國電力工業(yè)的主力機組。2.超臨界機組蒸汽參數(shù)

超臨界機組的熱效率比亞臨界機組的高2％～3％左右，而超超臨界機組的熱效率比常規(guī)超臨界機組的高4％左右。在超超臨界機組參數(shù)范圍的條件下主蒸汽壓力提高1MPa，機組的熱耗率就可下降0.13％～0.15%;主蒸汽溫度每提高10℃，機組的熱耗率就可下降0.25％～0.3O％；再熱蒸汽溫度每提高10℃，機組的熱耗率就可下降0.15％～0.20％；在一定的范圍內(nèi)，如果增加再熱次數(shù)，采用二次再熱，則其熱耗率可較采用一次再熱的機組下降1.4％～1.6％。亞臨界和超臨界的效率和熱耗pLS（MPa)tLS（C)tRH（C)tFFW（C)效率QEXH亞臨界循環(huán)16.6540540250基礎(chǔ)基礎(chǔ)超臨界循環(huán)25.0540565565290+3%+4%-6%-8%超超臨界循環(huán)（1）27.0580600300+6%-11%超超臨界循環(huán)（2）28.0600620300+7%-13%比較常規(guī)汽輪發(fā)電機凈輸出3.爐型大型超臨界煤粉鍋爐的整體布置主要采用Π型布置和塔式布置，也有T型布置方式。鍋爐布置型式（a）Π形布置；(b)無水平煙道Π形；(c)雙折焰角Π形；(d)箱形布置(e)塔形布置；(f)半塔形布置鍋爐整體布置型式的選擇

由于T型布置蒸汽系統(tǒng)復(fù)雜，鋼材耗量大，我國發(fā)展超超臨界鍋爐一般在Π型布置和塔式布置中選擇。根據(jù)具體電廠、燃煤條件、投資費用、運行可靠性及經(jīng)濟性等方面，進(jìn)行全面地技術(shù)經(jīng)濟比較選定。另外，鍋爐布置型式與燃燒方式有一定關(guān)系，兩者應(yīng)合理搭配。4.燃燒方式

煤粉的燃燒方式，主要有四角（六角，八角）切向燃燒方式，墻式燃燒方式（前墻燃燒和對沖燃燒）和W型火焰燃燒方式（也稱拱式燃燒）三種。

CE鍋爐直流燃燒器600MW機組CE鍋爐WR型均等配風(fēng)直流燃燒器的結(jié)構(gòu)中心風(fēng)一次風(fēng)/粉混合物二次風(fēng)三次風(fēng)低NOX軸向旋流燃燒器氣流分布簡圖

LNASB的設(shè)計準(zhǔn)則如下：增大燃料揮發(fā)份的釋放速率，以獲得最大的揮發(fā)物成生量。在燃燒的初始階段形成一個缺氧的區(qū)域，最大限度地減少NOX的生成，但同時又提供適量的氧氣以維持火焰的穩(wěn)定。改善燃料富集區(qū)域的滯留時間和溫度水平，以最大限度地減少NOX的生成。增加焦碳粒子在燃料富集區(qū)域的滯留時間，以降低焦碳粒子中氮氧化物形成的傾向。及時補充過?？諝庖源_保充分燃盡。雙調(diào)風(fēng)燃燒器CF/SF低NOx型雙調(diào)風(fēng)燃燒器內(nèi)、外二次風(fēng)道均裝有調(diào)節(jié)擋板。二次風(fēng)總量則由均流孔板外部的可移式套筒擋板控制。內(nèi)套筒可以通過手動調(diào)節(jié)機構(gòu)使錐形頭部前后移動。作用是使一次風(fēng)量與一次風(fēng)速獨立可調(diào)，達(dá)到控制一次風(fēng)與二次風(fēng)的混合時機和火焰形狀。圖4-29燃燒器風(fēng)量、燃燒量調(diào)節(jié)系統(tǒng)5.水冷壁型式

變壓運行超臨界直流鍋爐水冷壁有兩種型式，一種是內(nèi)螺紋垂直管屏；另一種是爐膛下部用螺旋管圈，上部用垂直管。

螺旋管圈水冷壁爐管現(xiàn)有兩種型式，一種是光管，另一種是內(nèi)螺紋管。后者是為了強化傳熱、防止傳熱惡化。可使水冷壁運行更安全，更可靠。但是，內(nèi)螺紋管水冷壁的成本將增加10％一15％。采用螺旋管水冷壁具有如下的優(yōu)點：1）蒸發(fā)受熱面采用螺旋管圈時，管子數(shù)目可按設(shè)計要求而選取，不受爐膛大小的影響，可選取較粗管徑以增加水冷壁的剛度；2）螺旋管圈熱偏差小，工質(zhì)流速高，水動力特性比較穩(wěn)定，不易出現(xiàn)膜態(tài)沸騰，又可防止產(chǎn)生偏高的金屬壁溫；3）無中間混合聯(lián)箱，不會產(chǎn)生汽水混合物不均勻分配的問題；4）可采用光管，不必有制造工藝較復(fù)雜的內(nèi)螺紋管，而可實現(xiàn)鍋爐的變壓運行和帶中間負(fù)荷的要求。5）不需在水冷壁入口處和水冷壁下集箱進(jìn)水管上裝設(shè)節(jié)流圈以調(diào)節(jié)流量；6）螺旋形管圈對燃料的適應(yīng)范圍比較大，可燃用揮發(fā)分低、灰分高的煤；7）能變壓運行，快速啟停，能適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的頻繁變化，調(diào)頻性能好。螺旋管圈雖有以上優(yōu)點，但它的結(jié)構(gòu)與制造工藝復(fù)雜，故制造與安裝比較困難，所需工期較長。水冷壁的形式和流體溫度內(nèi)螺紋垂直管屏水冷壁特點優(yōu)點：水冷壁阻力較小，可降低給水泵耗電量，其水冷壁的總阻力僅為螺旋管圈的一半左右。與光管相比，內(nèi)螺紋管的傳熱特性較好。安裝焊縫少，減少了安裝工作量和焊口可能泄漏機率，同時縮短了安裝工期。水冷壁本身支吊，且支承結(jié)構(gòu)和剛性梁結(jié)構(gòu)簡單，熱應(yīng)力小，可采用傳統(tǒng)的支吊型式。維護(hù)和檢修較易，檢查和更換管子較方便。比螺旋管圈結(jié)渣輕。缺點：水冷壁管徑較細(xì)，內(nèi)螺紋管相對于光管來說價格較高，一般高出10％～15％。需裝設(shè)節(jié)流孔圈，增加了水冷壁和下集箱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，節(jié)流圈的加工精度要求高，調(diào)節(jié)較為復(fù)雜。機組容量會受垂直管屏管徑的限制，對容量較小機組，其爐膛周界相對較大，無法保證質(zhì)量流速。6.超臨界鍋爐的啟動系統(tǒng)內(nèi)置式啟動系統(tǒng)：啟動完畢后，并不從系統(tǒng)中切除而是串聯(lián)在鍋爐汽水流程內(nèi)，因此它的工作參數(shù)(壓力和溫度)要求比較高，但控制閥門可以簡化。外置式啟動系統(tǒng)：鍋爐啟動完畢后與系統(tǒng)分開，工作參數(shù)(壓力和溫度)的要求可以比較低，但控制閥門要求較高。1000t/h直流鍋爐外置式啟動旁路系統(tǒng)直流鍋爐內(nèi)置式啟動旁路系統(tǒng)

啟動分離器布置在爐膛水冷壁出口，分離器與水冷壁、過熱器之間的連接無任何閥門。一般在（35%~37%）MCR負(fù)荷以下，由水冷壁進(jìn)入分離器的為汽水混合物，分離器出口蒸汽直接進(jìn)入過熱器，疏水通過疏水?dāng)U容器回收工質(zhì)或通過除氧器回收工質(zhì)和熱量。當(dāng)負(fù)荷大于（35%~37%）MCR負(fù)荷時，分離器中全部是蒸汽，呈干態(tài)運行。此時內(nèi)置式分離器相當(dāng)于一個蒸汽聯(lián)箱，必須承受鍋爐全壓，這是與外置式分離器的最大不同點。

內(nèi)置式分離器啟動系統(tǒng)可以分為擴容器型、帶循環(huán)泵型和疏水熱交換型幾種。帶循環(huán)泵的系統(tǒng)優(yōu)點是：1）增加了水冷壁管內(nèi)水的重量流速，提高了啟動和低負(fù)荷時水冷壁蒸發(fā)段的運行可靠性。由于水冷壁管的重量流速增加，從而可以選用較粗的水冷壁管，降低水冷壁的加工成本和鋼材耗量。2）在啟動過程中回收熱量。如采用簡易系統(tǒng)，則再循環(huán)流量部分的飽和水要進(jìn)入除氧器或冷凝器，在負(fù)荷率極低時，這部分流量接近35%BMCR流量，除氧器或冷凝器不可能接收如此多的工質(zhì)及熱量，只有排入大氣擴容器，造成大量的熱量及工質(zhì)的損失。3）在啟動過程中回收工質(zhì)。與簡易啟動系統(tǒng)相比，帶循環(huán)泵的啟動系統(tǒng)可以回收工質(zhì)，采用再循環(huán)泵，可以將再循環(huán)流量與給水混合后泵入省煤器，從而可以節(jié)省由于此部分流量進(jìn)入擴容器后膨脹、蒸發(fā)而損失的工質(zhì)。4）開啟循環(huán)泵進(jìn)行水沖洗。采用再循環(huán)泵系統(tǒng)，可以用較少的沖洗水量與再循環(huán)流量之和獲得較高的水速，達(dá)到?jīng)_洗的目的。5）在鍋爐啟動初期，渡過汽水膨脹期后，鍋爐不排水，節(jié)省工質(zhì)與熱量。6）汽水分離器采用較小壁厚，熱應(yīng)力低，可使鍋爐啟動、停爐靈活。鍋爐爐前沿寬度方向垂直布置4只汽水分離器，其進(jìn)出口分別與水冷壁和爐頂過熱器相連接。每個分離器筒身上方切向布置4根不同內(nèi)徑的進(jìn)口管接頭、2根至爐頂過熱器管接頭，分離器筒身下方設(shè)有一個疏水管接頭。啟動分離器為圓形筒體結(jié)構(gòu)，直立式布置。其進(jìn)出口分別與水冷壁和爐頂過熱器相連接。每個分離器筒身上方切向布置4根不同內(nèi)徑的進(jìn)口管接頭、2根至爐頂過熱器管接頭，分離器筒身下方設(shè)有一個疏水管接頭。分離器內(nèi)設(shè)有阻水裝置和消旋器。分離器結(jié)構(gòu)簡圖啟動分離器貯水罐結(jié)構(gòu)簡圖三、超臨界鍋爐機組運行特點（1）低負(fù)荷滑壓運行丹麥和歐洲的超臨界機組的良好性能是基于低負(fù)荷滑壓運行，即主汽壓力隨著負(fù)荷的降低而降低，日本的部分超超臨界機組也是低負(fù)荷滑壓運行。（2）

負(fù)荷變化范圍超臨界機組的負(fù)荷可在10％－100％BMCR之間變動，鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷約30％BMCR，在約35%BMCR以上時純直流運行。

（3）負(fù)荷變動率

盡管對超超臨界機組要求的負(fù)荷變化范圍很大，負(fù)荷變動率也很高，但由于超超臨界機組的高效率只有在高參數(shù)、高負(fù)荷時才顯示出來，同時由于超超臨界機組厚壁部件熱應(yīng)力對負(fù)荷變動率的限制，因此，超臨界機組在運行中應(yīng)盡可能帶高負(fù)荷，并盡量避免大幅度和快速變動負(fù)荷；而通常降負(fù)荷時的負(fù)荷變動率要比升負(fù)荷時要求的更嚴(yán)一些。負(fù)荷變動/燃料煤油或氣50％－90％MCR4％MCR/min8％MCR/min20％－50％MCR及90％－100％MCR2％MCR/min4％MCR/min（4）負(fù)荷階躍對于超臨界機組，在70％－95％MCR負(fù)荷范圍內(nèi)，能做到5％額定負(fù)荷的負(fù)荷階躍，其中2．5％以上在5秒內(nèi)完成，其余2．5％在30