超临界锅炉讲稿1

1、能源与机械学院能源与机械学院 孙坚荣孙坚荣烟气除尘技术烟气除尘技术烟气脱硫脱硝技术烟气脱硫脱硝技术其它污染控制新技术其它污染控制新技术洁净煤技术洁净煤技术煤炭加工煤炭加工煤炭转化煤炭转化先进发电技术先进发电技术烟气净化技术等烟气净化技术等煤炭洗选煤炭洗选 型煤型煤水煤浆水煤浆煤炭气化煤炭气化煤炭液化煤炭液化高效超临界发电高效超临界发电常压循环流化床常压循环流化床加压流化床联合循环加压流化床联合循环整体煤气化联合循环整体煤气化联合循环工程热力学将水的临界状态点的参数定义为：压力为22.13MPa, 374.15C。当水的状态参数达到临界点时，在饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的二相区存在。与

2、较低参数的状态不同，这时水的传热和流动特性等也会存在显著的变化。当水蒸气参数值大于上述临界状态点的压力和温度值时，则称其为超临界参数。 超临界定义：2 2、超超临界定义：、超超临界定义： 日本的定义为压力大于日本的定义为压力大于24.2MPa,或温度达到或温度达到593；丹麦定义为压力大于丹麦定义为压力大于27.5MPa；西门子公司的观点是应从材料的等级来区分超临界和超西门子公司的观点是应从材料的等级来区分超临界和超超临界机组等等。超临界机组等等。我国电力百科全书则将超超临界定义为：蒸汽参数高于我国电力百科全书则将超超临界定义为：蒸汽参数高于27MPa。综合以上观点，一般将超超临界机组设定在蒸

3、汽压力大综合以上观点，一般将超超临界机组设定在蒸汽压力大于于25MPa，蒸汽温度高于，蒸汽温度高于580的范围的范围 不同蒸汽参数机组经济性比较不同蒸汽参数机组经济性比较( (锅炉出口参数锅炉出口参数) )机组类型机组类型蒸汽压力蒸汽压力MPa蒸汽温度蒸汽温度电厂效率电厂效率%供电煤耗供电煤耗g/kWh亚临界亚临界17.0540/54038324超临界超临界25.5567/56741300高温超临界高温超临界25.0600/60044278超超临界超超临界30.0600/600/60048256高温超超临界高温超超临界30.070057215电厂 项目蒸汽参数机组效率,%投运年份丹麦 Vesk

4、 电厂 407 MW25.1 MPa,560 /56045.31992法国 STAUDINGE 厂 550 MW25 MPa,540 /56042.51992德国 ROSTOCK 电厂 559 MW25 MPa,540 /56042.51994韩国 500 MW24 MPa,538 /53841日本松蒲电厂 1000 MW25.2 MPa,598 /596441997丹麦 Nordjylland 电厂 410 MW28.5 MPa,580 /580/580471998西门子设计 400-1000 MW27.5 MPa,589 /600451999欧洲 Future 33.5 MPa,610 /

5、630502005欧洲 Future 40.0 MPa,700 /72052-552015 常规超临界机组常规超临界机组（conventional supercritical）超超临界机组超超临界机组（ultra supercritical）主汽压力主汽压力:24Mpa左右左右,主汽和再热汽温度主汽和再热汽温度:540-560效率比亚临界机组高效率比亚临界机组高2%左右左右煤耗煤耗290300g/千瓦时千瓦时主汽压力主汽压力:25-35Mpa及以上，及以上，主汽和再热汽温度主汽和再热汽温度:580-600及以上，及以上，效率比常规超临界机组高效率比常规超临界机组高4%左右左右超超临界机组热效率

6、可以达到超超临界机组热效率可以达到45%以上，煤耗低到以上，煤耗低到270g/千瓦时千瓦时 1.外高桥第三电厂21000MW 上锅（SBWC）-阿尔斯通公司（API，USA）2.华能玉环电厂21000MW 哈锅（HBC）-三菱公司（MHI，JAPAN）3.华电国际邹县发电厂四期21000MW东锅（DBC）-巴布科克-日立公司（BHK，JAPAN）国内最早的百万等级典型超超临界压力锅炉：国内最早的百万等级典型超超临界压力锅炉：最大连续蒸发量B-MCR 2950 t/h额定蒸汽压力（过热器出口） 26.25 MPa(a)额定蒸汽温度 605 再热蒸汽蒸汽流量（B-MCR/BRL） 2457/227

7、9 t/h再热器进口/出口蒸汽压力（B-MCR） 5.27/5.07 MPa(a)再热器进口/出口蒸汽温度（B-MCR） 359/ 603 给水温度（B-MCR） 298 双炉膛直流燃烧器双切圆燃烧方式双炉膛直流燃烧器双切圆燃烧方式 纵切面 0.0 m+ 126.3 m660MW超临界超临界机组机组 给水泵给水泵 省煤器省煤器 水冷壁水冷壁 过热器过热器 螺旋围绕上升管屏式螺旋围绕上升管屏式 压力压力 22.115MPa 温度温度 374.15超临界压力下朗肯循环过程的TS图主要工质物性参数主要工质物性参数 变化规律变化规律l超临界压力下定压比热超临界压力下定压比热Cp具有最大值时的温度为具有

8、最大值时的温度为拟临界拟临界温度温度或或类临界温度。类临界温度。l在在临界温度临界温度和和类临界温度类临界温度附近，工质的各主要参数发生附近，工质的各主要参数发生比较大的变化。比容比较大的变化。比容(密度密度)变化很大。变化很大。二二. 直直流锅炉的水动力特性流锅炉的水动力特性n 水动力特性研究强制流动时蒸发受热面并列管的压力降与流量间的关系，关注蒸发受蒸发受热面工作热面工作的安全性及的安全性及可靠性。可靠性。n 直流锅炉蒸发受热面内的水动力特性的三个问题：（1）水动力不稳定性；（2）脉动；（3）热偏差。 1、水动力不稳定性问题、水动力不稳定性问题u当蒸发受热面进出联箱两端压差一定的条件下，管

9、内可当蒸发受热面进出联箱两端压差一定的条件下，管内可能出现多种不同的流量，即能出现多种不同的流量，即水动力特性出现多值性水动力特性出现多值性，这，这样的流动特性就是不稳定的。样的流动特性就是不稳定的。u危害：流量小的管子，管内对流换热系数小，冷却差，危害：流量小的管子，管内对流换热系数小，冷却差，管壁温度高，有可能造成炉管失效损坏。管壁温度高，有可能造成炉管失效损坏。 pG GG GGG1G3G2pP= Plz+g(h2-h1)+ w(w2-w1)huhunvKGgfvGdlp2222)(huvhuv)()()(23wCwBwAp)(Gfp )(Gfp 特例：当0i，进口水无欠焓时，A=0，B

10、 改变符号，即，)()(2wCwBp可知：二次曲线为单值性，总是稳定的可知：二次曲线为单值性，总是稳定的0)(2)(3)(2CwBwAwdpdAACBBw332如果，032 ACB，则不存在实根，即没有极值存在，可得：146. 7qhi 1ar46.7i w (1.3-1.5) w*有利于有利于水动力特性水动力特性趋向稳定趋向稳定。 g + g l当质量流速增加时，重位压差的影响减少，水动力特当质量流速增加时，重位压差的影响减少，水动力特性趋向于水平管圈的水动力特性性趋向于水平管圈的水动力特性 ;l当质量流速小时，重位压差的影响大，水动力特性趋当质量流速小时，重位压差的影响大，水动力特性趋向于

11、自然循环管子的水动力特性向于自然循环管子的水动力特性 。管间脉动管间脉动管屏间脉动管屏间脉动脉动的类型脉动的类型全炉脉动全炉脉动 ，热水段、蒸发段、过热段都在作热水段、蒸发段、过热段都在作周期性波动，在交界处附近壁温周期性变化，最大波动周期性波动，在交界处附近壁温周期性变化，最大波动甚至达到甚至达到150 ，因而使管子产生因而使管子产生疲劳破坏疲劳破坏 。 。 2021-12-11Principles of BoilerPage 91w 。 加节流圈；采用逐步扩大的管径（省加节流圈；采用逐步扩大的管径（省煤器采用较小管径）煤器采用较小管径）。 增加呼吸联箱，使压力均衡。增加呼吸联箱，使压力均衡

12、。pjpii pjpjpjpjGAqi ppppGAqi GAqppjpjpjppGAqGAq pjpqqq pjpAAA pjpGGG 热负荷分布不均匀。热负荷分布不均匀。锅炉炉膛中沿宽度方向烟气的速度场、温度场和热流分锅炉炉膛中沿宽度方向烟气的速度场、温度场和热流分布不均匀是造成水冷壁并联管组吸热不均匀的主要原因布不均匀是造成水冷壁并联管组吸热不均匀的主要原因 。和机组容量，炉内燃烧、流动工况，燃烧器布置和运行和机组容量，炉内燃烧、流动工况，燃烧器布置和运行方式，负荷变化，煤种变化等有关。方式，负荷变化，煤种变化等有关。水平管圈水平管圈pppjpjGvzvz 热负荷的影响热负荷的影响（热效

13、流量偏差）（热效流量偏差）结构的影响结构的影响工质在受热面进口处的焓值的影响工质在受热面进口处的焓值的影响压力的影响压力的影响垂直管圈垂直管圈l重位压差的影响类似于自然循环自补偿作用的影响，使重位压差的影响类似于自然循环自补偿作用的影响，使重位压差有减轻或改善流量不均的作用重位压差有减轻或改善流量不均的作用l重位压差占流动阻力比例愈大，其影响愈大，流量不均重位压差占流动阻力比例愈大，其影响愈大，流量不均愈小。决定因素是质量流速，它取决于锅炉的负荷。愈小。决定因素是质量流速，它取决于锅炉的负荷。2pjpjpjPpjpppjpjG)w(zHgv1vzvz 加节流圈加节流圈w p第一类传热第一类传热

14、管内管内2 2减小，壁温升高。减小，壁温升高。 )d/l ,d,p,x,(fqnnlj p第二类传热第二类传热管内管内2减小，壁温升高的传热减小，壁温升高的传热时，时， 与热负荷有关。与热负荷有关。时，时， 与压力、质量流速和管径有与压力、质量流速和管径有关。关。u第一类传热第一类传热u第二类传热第二类传热u在在p=23MPa，w = 400kg/(m2.s)1 q=698kW/m2；2 q=6580kW/m2；3 q=465kW/m2；4 q=349kW/m2l使用内螺纹管或扰流子使用内螺纹管或扰流子提高质量流速提高质量流速w推迟传热恶化推迟传热恶化 提高界限含汽率，使得传热提高界限含汽率，

15、使得传热恶化出现在低热负荷区，从而降低壁温。恶化出现在低热负荷区，从而降低壁温。l使用较好的材料使用较好的材料 如如SA213-T23钢钢 ，耐温极限可达耐温极限可达460。 螺旋围绕上升管屏式螺旋围绕上升管屏式现场水冷壁的布置图冷灰斗水冷壁螺旋管圈水冷壁垂直膜式壁 螺 旋 水 冷 壁 出 口 集 箱 垂 直 水 冷 壁 进 口 集 箱 垂 直 水 冷 壁 进 口 集 箱 螺 旋 水 冷 壁 出 口 集 箱 螺旋膜式壁 过渡段水冷壁厂内组装过渡段水冷壁安装后tsinLN 式中：式中：N 并列管子根数；并列管子根数；L 炉膛周界炉膛周界 螺旋管上升角；螺旋管上升角；t 水冷壁管子节距水冷壁管子节

16、距 tsinLN 螺旋管圈型水冷壁关键参数：螺旋管圈型水冷壁关键参数： 管子根数管子根数式中：式中：N 并列管子根数；并列管子根数；L 炉膛周界炉膛周界 螺旋管上升角；螺旋管上升角；t 水冷壁管子节距水冷壁管子节距 螺旋管圈数量与炉膛周界关系的几何原理如上图所示。在管间节距不变的情况下，如要保持螺旋管的根数不变，那么炉膛周界L减少，螺旋角就要增加。如何保持炉膛周界不变，那么螺旋角减小，管子根数亦减小。在管径一定的条件下管子根数N决定了水冷壁的质量流速。 当螺旋角。达到最大值90度时、螺旋管就变成垂直管了。此时，N = Lt，并列管子根数最大，相应质量流速也最小。举例：上海石洞口二电厂直流锅炉螺

17、旋管圈型水冷壁关键参数举例：上海石洞口二电厂直流锅炉螺旋管圈型水冷壁关键参数： 上升角度（上升角度（13. 95 0） 并联管数（并联管数（ 316根根） 盘旋圈数盘旋圈数（1.74圈）圈） 管径管径385.6mm 节距节距 54mm 材质材质 13CrMo44 质量流速（质量流速（MCR） 2824.6 kg/(m2.s)炉膛水冷壁 下部螺旋盘绕上升 上部垂直上升 两者间由过渡水冷壁转换连接。 均为膜式结构过渡段水冷壁管屏过渡段水冷壁管屏从倾斜布置的水冷壁转换到垂直上升的水冷壁就需要过渡从倾斜布置的水冷壁转换到垂直上升的水冷壁就需要过渡结构，即过渡段水冷壁。结构，即过渡段水冷壁。l 螺旋水冷

18、壁出口管几乎每间隔螺旋水冷壁出口管几乎每间隔1根管子直接上升成为垂根管子直接上升成为垂 直水冷壁，另直水冷壁，另1根抽出到炉外，进入螺旋水冷壁出口集根抽出到炉外，进入螺旋水冷壁出口集 箱，再由连接管从螺旋水冷壁出口集箱引入到垂直水冷箱，再由连接管从螺旋水冷壁出口集箱引入到垂直水冷 壁进口集箱，由垂直水冷壁进口集箱拉出两倍引入螺旋壁进口集箱，由垂直水冷壁进口集箱拉出两倍引入螺旋 管数量的管子进入垂直水冷壁，螺旋管与垂直管的管数管数量的管子进入垂直水冷壁，螺旋管与垂直管的管数 比为比为 3:1。这种结构的过渡段水冷壁可以把螺旋水冷壁。这种结构的过渡段水冷壁可以把螺旋水冷壁 的荷载平稳地传递到上部水

19、冷壁。的荷载平稳地传递到上部水冷壁。l 过渡段水冷壁管子规格过渡段水冷壁管子规格38.16.7，材料为，材料为SA-213T2。 垂直膜式水冷壁炉膛后墙出口集箱螺旋膜式水冷壁水平刚性梁垂直刚性梁垂直搭接板螺旋水冷壁刚性梁炉顶设大包。炉顶设大包。在前墙水冷壁管排与顶棚管交接在前墙水冷壁管排与顶棚管交接处采用小罩壳密封结构。在过热处采用小罩壳密封结构。在过热器、再热器受热面管排穿顶棚处器、再热器受热面管排穿顶棚处采用套筒式密封结构和波纹管膨采用套筒式密封结构和波纹管膨胀接头的焊接密封结构。在屏式胀接头的焊接密封结构。在屏式过热器区域，除穿顶棚处外，顶过热器区域，除穿顶棚处外，顶棚管排采用焊接膜式管

20、屏结构。棚管排采用焊接膜式管屏结构。 为了防止在一次密封上因局部焊为了防止在一次密封上因局部焊接不周造成泄漏接不周造成泄漏,在顶棚管上和在顶棚管上和过热器、再热器穿顶棚处还可采过热器、再热器穿顶棚处还可采用用高温微膨胀耐火可塑料高温微膨胀耐火可塑料作为炉作为炉顶密封的补充措施。在大屏穿顶顶密封的补充措施。在大屏穿顶棚区域还设置了密封小罩壳。棚区域还设置了密封小罩壳。 过热器、再热器管排穿顶棚处过热器、再热器管排穿顶棚处密封结构示意图密封结构示意图垂直管屏垂直管屏水冷壁布置水冷壁布置（一次上升）（一次上升）结构特点结构特点水冷壁全部为垂直管屏（膜式水冷壁），因此可以不必水冷壁全部为垂直管屏（膜式

21、水冷壁），因此可以不必采用结构复杂的张力板来解决下部炉膛水冷壁的重量传递采用结构复杂的张力板来解决下部炉膛水冷壁的重量传递问题。问题。 由于垂直水冷壁具有始终保持正向流动的特性，即较由于垂直水冷壁具有始终保持正向流动的特性，即较 高流动稳定性，而且当个别管子吸热增加时，通过该管的高流动稳定性，而且当个别管子吸热增加时，通过该管的工质流量也会自动增加，即具有自然循环的补偿特性，因工质流量也会自动增加，即具有自然循环的补偿特性，因此对保证沿水冷壁宽度方向工质温度的均匀性和防止个别此对保证沿水冷壁宽度方向工质温度的均匀性和防止个别管子因负荷过热而导致膜态沸腾有利。管子因负荷过热而导致膜态沸腾有利。水

22、冷壁分成上、下二部分，水冷壁分成上、下二部分，下部水冷壁包括冷灰斗，上、下部水冷壁包括冷灰斗，上、下部水冷壁之间装设一圈中下部水冷壁之间装设一圈中间混合集箱过渡，即间混合集箱过渡，即。水冷壁采用焊接膜。水冷壁采用焊接膜式壁，炉膛部分水冷壁采用式壁，炉膛部分水冷壁采用内螺纹管，内螺纹管区域如内螺纹管，内螺纹管区域如图。图。 采用内螺纹管采用内螺纹管 试验表明，内螺纹管即使采用光管水冷试验表明，内螺纹管即使采用光管水冷壁一半的质量流量（壁一半的质量流量（15001500kg/mkg/m2 2s s）就可以避免就可以避免在燃烧器局部高负荷区发生偏离核态沸腾在燃烧器局部高负荷区发生偏离核态沸腾（DNB

23、DNB），），即即避免产生膜态沸腾避免产生膜态沸腾，而且在上炉，而且在上炉膛低热负荷、高干度区出现膛低热负荷、高干度区出现“蒸干蒸干”（Dry Dry outout即即DRODRO）时，管子壁温的上升也比光管小时，管子壁温的上升也比光管小得多，即可以控制得多，即可以控制“蒸干蒸干”时的壁温在钢材时的壁温在钢材允许的范围内。允许的范围内。 内螺纹管的结构参数见下表内螺纹管的结构参数见下表+20%-0%5.8mm材质SA213T12螺纹宽度（纵向）及公差8.5mm1.04mm管子外径及公差28.6 mm0.15 mm螺纹高度0.85mm0.3mm最小壁厚及公差螺纹节距21.55mm3.18mm螺纹

24、头数4鳍片（扁钢）材质15CrMo螺纹导角30鳍片宽15.9mm螺纹宽度（环向）及公差4.8mm0.6mm鳍片厚6mm内螺纹管的结构参数（玉环资料）内螺纹管的结构参数（玉环资料） 项目单位水冷壁（炉膛部分）管子规格（外径平均壁厚）出口管接头28.65.8；上部水冷壁28.65.8；中部水冷壁28.65.8；下部水冷壁28.65.8；进口管接头42.76节距（横向/纵向）/44.5材质/SA-213T12；SA-213T12；SA-213T12；SA-213T12；SA-210C相应的材质重量kg7990；260400；390000；169400；2570最高设计压力MPa.g30.6；32.2

25、；32.2；32.2；32.2运行压力（BMCR）MPa.g28.3；29.97出口工质温度（BMCR）421最高金属壁温438；450；460；430；371材质适用温度限530；530；530；530；420节流孔圈移到水冷壁集箱外面的水冷壁节流孔圈移到水冷壁集箱外面的水冷壁管入口段，入口短管采用管入口段，入口短管采用42.742.76 6的的较粗管子，在其嵌焊入节流孔圈，可以较粗管子，在其嵌焊入节流孔圈，可以保证孔圈有足够的节流能力，按照水平保证孔圈有足够的节流能力，按照水平方向水冷壁的热负荷分配和结构特点，方向水冷壁的热负荷分配和结构特点，调节各回路水冷壁管中的流量，以保证调节各回路水

26、冷壁管中的流量，以保证水冷壁出口工质温度的均匀性，并防止水冷壁出口工质温度的均匀性，并防止个别受热强烈和结构复杂的回路与管段个别受热强烈和结构复杂的回路与管段产生产生DNBDNB（膜态沸腾）和出现壁温不可膜态沸腾）和出现壁温不可控制的控制的DRODRO（干涸）现象。干涸）现象。 玉环电厂超超临界锅炉水冷壁玉环电厂超超临界锅炉水冷壁汽水系统流程描述汽水系统流程描述 为了降低顶棚包墙系统阻力以及保证复杂的后水为了降低顶棚包墙系统阻力以及保证复杂的后水冷壁回路的可靠性，采用了二次旁路。冷壁回路的可靠性，采用了二次旁路。第一次旁路是后水冷壁的工质不经顶棚而流经折焰第一次旁路是后水冷壁的工质不经顶棚而流经折焰角、水平烟道斜坡、水平烟道二侧墙和后水吊挂管后角、水平烟道斜坡、水平烟道二侧墙和后水吊挂管后再用连接管送往顶棚出口集箱。再用连接管送往顶棚出口集箱。 第二次旁路则是由顶棚出口集箱引出的工质并非第二次旁路则是由顶棚出口集箱引出的工质并非全部送往后烟道包墙管，而是有一部份通过旁通管直全部送往后烟道包墙管，而是有一部份通过旁通管直接送往后包墙管出口集箱与后烟道包墙系统汇合后全接送往后包墙管出口集箱与后烟道包墙系统汇合后全部引入汽水分离器。部引入汽水分离