超临界循环流化床锅炉技术讲座课件

超临界锅炉技术讲座山西电力科学研究院2015年2月山西电力科学研究院主要内容一、前言二、超临界机组锅炉技术特点三、超临界锅炉的典型事故案例13个四、半干法脱硫技术现状和存在问题五、SNCR脱销技术应用的案例分析六、新技术、新工艺出现的重大事故七、超低排放技术改造有哪些技术问题应重视超临界锅炉------白正刚各位同行:大家好！下面我就超临界锅炉技术和相关内容进行介绍。国际上超临界、超超临界技术总体上属上世纪80、90年代技术。1992年我国首次整套引进超临界机组，国产化消化制造技术，我国超（超）临界机组发展步入快车道。据不完全统计，到2014年底我国已投产运行超临界机组，总量已超全世界同类机组总容量的一半。根据国家发改委要求，60万kW级超临界机组已是常规燃煤火电机组建设的最低门槛，拟建在建机组均为超临界或超超临界机组，100万kW级机组则均为超超临界机组，我国的火力发电技术已经进入了超临界和超超临界时代。超临界机组------白正刚主要内容一、“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、国产超临界循环流化床锅炉主要特点一、“临界点”是怎么回事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、温度关系超临界压力下朗肯循环过程的T—S图sA1223456BT0超临界锅炉的优势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800329.23l2.94.93部分超临界机组运行经济指标统计数据微观解释

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)的工况炉内蒸汽温度不低于593℃或蒸汽压力不低于31MPa被称为超超临界。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

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800329.23l2.94.9310年前2003年度全国超临界机组运行经济指标统计数据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。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。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。直流锅炉的水动力特性水动力不稳定性脉动热偏差水动力不稳定性（多值性）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，即水动力特性出现多值性，这样的流动特性就是不稳定的。流量小的管子，管内对流换热系数小，冷却差，管壁温度高，有可能造成受热面超温损坏。水动力不稳定性的影响因素水冷壁工质入口焓值压力热负荷工质入口焓值的影响水冷壁进口工质热焓大于1256.04kJ/kg后，水动力不稳定性减弱但低负荷及高加切除后，水冷壁入口焓值降低，出现不稳定性锅炉热负荷的影响锅炉热负荷越高，水动力不稳定性越弱因此，防止水动力不稳定性对锅炉安全的影响，尤其在低负荷和启动时要注意脉动在管屏两端压差相同，当给水量和流出量总量基本不变的情况下，管屏里管子流量随时间作周期性波动，这种现象称为管间脉动。整体脉动屏间脉动管间脉动（最为多见）管屏两端压差相同的情况下，管屏间管子中的有些流量在增加，另外一些管子的流量减少同一根管子，给水量随时间作周期性波动，蒸发量也随时间作周期性波动，它们的波动相位差为180°脉动是不衰减的对于垂直上升管屏，也有管间脉动现象发生。且对脉动更敏感，更加严重脉动的特点脉动的原因第一瞬间：热负荷的突增，使该处汽量增多，汽泡增大，局部压力升高，将其前、后工质分别向管圈进、出口两端推动，因而进口水流量减少而出口蒸汽量增加第二瞬间：由于局部压力升高，相应的饱和温度也高，每千克水加热到沸点的吸热量也增加，蒸汽产量下降，而此时进水量少而排出工质多；局部压力接着降低，增加了管子进口压力与局部压力间的压差，因而进水量又增加，与此同时，排出的蒸汽量也减少。脉动危害发生这种管间脉动时，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，最大波动甚至达到150℃，因而使管子产生疲劳破坏。消除脉动的措施增大管内工质质量流量ρw

增大热水段阻力－加节流圈，采用逐步扩大的管径（省煤器采用较小管径）压力升高可减少脉动，故在低负荷及启动时要保证足够的启动流量和启动压力并保持燃烧工况的稳定性及炉内温度尽可能均匀，以防止发生脉动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。热偏差的危害直流锅炉工质在水冷壁中全部蒸发，热偏差会对传热恶化造成很大的影响。因为水冷壁出口工质温度已过热，所以水冷壁热偏差对水冷壁管子及过热器安全有很大的影响，不可忽视超临界压力时，工质不存在恒定的饱和温度，偏差管工质温度差别更高。热偏差锅炉的其他受热面都是由许多并联管子组成。其中每根管子的结构、热负荷和工质流量大小不完全一致，工质焓增也就不同，这种现象称为热偏差。热偏差系数减小受热不均匀（螺旋管圈的优势所在）减小结构不均匀加节流圈（垂直管屏UP直流炉）增大管内工质质量流量ρw消除及减轻热偏差的措施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。例如，蒸汽中铜铁、二氧化硅等固形物的溶解度是随着蒸汽比重的减少而增大，因而，在超临界压力下，即使温度不高，铜铁、二氧化硅等固形物的溶解度也很高，为防止蒸发受热面和汽机叶片上结垢，超临界锅炉需100%凝结水精处理，除盐和除铁。17.控制系统复杂控制系统复杂，调节装置的费用较高。汽温调节困难。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，受热面的加热段、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。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。六、国产超临界锅炉主要特点1、超临界锅炉采用循环流化床2、取消了启动循环泵（高温型、价格昂贵）3、未见有效的全厂失电锅炉受热面超温的保护措施和设备。4、配置了管式预热器。5、配置了半干法脱硫系统6、配置了SNCR脱销系统7、基本未见成熟的运行业绩8、设计、安装、调试、生产准备、检修等无经验

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

螺旋管水冷壁优点：1、可以获得足够的管内质量流速。2、管间热偏差小，（螺旋上升、热负荷稳定)3、抗燃烧干扰能力强。4、适应机组变压运行。5、水冷壁入口可以不设节流圈螺旋水冷壁的缺点：1、承重能力差，要设计附加悬吊系统。2、制造成本高，点火室、过渡段等结构复杂、制造工艺难度大。3、螺旋管圈炉膛四角上需要大量单弯头焊接对口，工地吊装次数增加，安装工作难度大、量大。4、螺旋管长、阻力大，增加了给水泵功耗。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。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

七、超临界锅炉的钢材及性能1、新型钢材的研发是超临界机组发展的基础和保证2、分析研究超超临界机组蒸汽参数和锅炉关键部件选用钢材及其经验，对我国超超临界机组的设计、制造和安全稳定运行有着重要的意义2.

超超临界锅炉对钢材性能的要求热强度高抗高温烟气氧化腐蚀抗高温汽水介质腐蚀可焊性和工艺性良好超临界锅炉关键部件材料要求与选择重点是：水冷壁、高温管道与联箱、末级过热器、再热器工艺性能应满足：1、高温强度性能2、烟气侧的腐蚀性能3、汽水侧的氧化性能4、制造、加工、热处理、异种材料焊接等对钢材性能的要求：满足部件工作温度的需要具有高的持久强度、蠕变强度或抗松弛性能，金相组织稳定，无常温脆性和长期时效脆性抗蒸汽氧化、烟气腐蚀及应力腐蚀易于冷、热加工异钟钢焊接工艺能保证其应有的性能相对低的材料价格超、超超临界锅炉用钢分为两大类1、铁素体钢（包括珠光体、贝氏体和马氏体及其两相钢）2、奥氏体钢奥氏体钢比铁素体钢具有更高热强性，但膨胀系数大、导热性能差、抗应力腐蚀能力低、工艺性差，热疲劳和低周疲劳（特别是厚壁件）性能也比不上铁素体钢，且成本高3.

国际上超超临界锅炉用钢材的发展历程和研发计划3.1发展历程超临界机组和超超临界机组是20世纪50年代同时开发的20世纪50、60年代超超临界机组投运后出现了部件损伤事故

美国Eddystone电厂1#超超临界锅炉----发生奥氏体钢17－14CuMo过热器管高温腐蚀，316H奥氏体钢管因出现裂纹和焊接不良等原因损坏或爆管，过热器出口集箱、主蒸汽管调节阀和截止阀出现疲劳裂纹1956年德国投运的超超临界机组----也出现奥氏体钢制部件损伤事故80年代末日本生产的一台34MPa/650℃500MW试验超超临界机组----出现奥氏体钢高压转子热裂纹等问题.有关的分析报告认为超超临界机组不存在原则性的设计和制造技术问题，而是对材料技术认识不足,过分依赖于奥氏体钢，使蒸汽参数在24.1MPa、538℃--566℃停留了20多年.80年代由于低铬耐热钢和改良型9％～12％Cr铁素体型钢的研制及成功应用发展了蒸汽参数593℃以上的超超临界技术，促进超超临界机组的发展，并降低了超超临界机组锅炉的造价目前这些新型钢已在欧洲及日本数十个电厂得到应用，主蒸汽温度已610℃4.

超超临界蒸汽参数和锅炉用钢分析

欧美日等超临界及超超临界机组锅炉用钢基本上处于同一档次，只是同一钢种各国牌号表达方式不同。（1）低铬耐热钢1.25％Cr-0.5%Mo(SA213T11)2.25Cr-1Mo(SA213 T22/P22)1Cr-Mo-V(12Cr1MoV)9％～12％Cr系的Cr-MoCr-Mo-V钢(法国EM12、德国X20、瑞典HT9、日本HCM9M、美国SA213T9等)其允许主汽温度为538℃～566℃（2）改良型9％～12％Cr铁素体－马氏体钢9Cr-1Mo（SA335，T91/P91）

一般用于566℃～593℃的蒸汽温度范围，允许主汽温度610℃，再热汽温度625℃；壁温：锅炉625℃～650℃，汽机：600℃～620℃60年代起应用80年代美国在此基础上开发出T91钢，用于制造锅炉过热器、再热器并投入运行同钢种大口径管牌号为P91，用于制造集箱和管道日本和欧洲对T91钢又加以改良，使其具有更高的蠕变断裂强度、断裂韧性、抗热腐蚀性、可加工性和可焊性改进型的T91钢，提高了使用温度，可用于600℃～650℃；由于其强度的提高，可减少管壁厚度。其综合性能使T91和P91钢成为主蒸汽温度由566℃过渡至600℃的关键材料，可部份替代TP304H制造过热器与再热器管,有明显的经济效益NF616是改良型钢种之一，具有更高的高温强度，并具备T91的特性（3）新型奥氏体耐热钢18Cr-8Ni系：如在SA213、TP304H、TP347H基础上发展的TP347HFG、Super304H、TempaloyA-1等20-25Cr系：HR3C、NF709、TempaloyA-3等使用壁温650℃～750℃，可用于汽温高达600℃的过热器与再热器，有足够的蠕变断裂强度和很好的抗高温腐蚀性能例如，丹麦蒸汽参数29MPa/582℃/580℃/580℃的超超临界机组锅炉材料为：蒸发受热面13CrMo44，过热器和再热器管SA213、TP347H，过热器和再热器管集箱P91或P92超级304H

（Super304H）它在TP304H基础上调整化学成分而研发的钢种，具有高的持久强度，600℃～700℃许用应力比TP347H高25%具有良好的组织稳定性具有的抗蒸汽氧化性与TP347H相当可焊性好，裂纹敏感性低于TP347H细晶粒TP347H钢是对传统的金属学理论的突破与同钢种粗晶粒钢相比提高了耐蒸汽腐蚀性许用应力也提高20%细晶粒钢需经过两次高温处理：（a）软化处理：加热到1250℃或1300℃（b）固溶处理：加热到1200℃细晶粒组织能加快Cr通过晶界的扩散迁移，并与氧形成一层细密的富Cr氧化层（Cr2O3）从而防止蒸汽氧化(4)复合管和表面喷涂复合管和表面喷涂含Cr或陶瓷的材料用于更高工作温度的过热器、再热器复合管是两种材料套在一起的钢管，内层钢管满足强度要求，外层钢管（厚1mm～2mm）满足抗腐蚀要求在现有高强度的耐热钢（含Cr不超过18%）外面套一圈25%～50%Cr的高铬钢，可提高高温下的抗蚀性，满足锅炉金属温度700℃～750℃的需要（5）有缝管（卷板焊接管）有缝管（卷板焊接管）在国外已得到广泛应用水冷壁、省煤器及低温过热器等部件的小口径管钢管直径超过热轧、热扩轧机生产能力的集箱和蒸汽导管试验及运行表明，焊接管在内外表面质量与公差等方面优于无缝管，性能不亚于无缝管，且价格便宜10%～20%（有缝内螺纹管便宜10%～15%）5.

我国电站材料技术现状

及超超临界锅炉材料的发展

5.1

我国电站材料技术现状与国外600℃蒸汽温度参数的超超临界机组相比，用材差距较大的是汽轮机用钢，锅炉用钢差距较小，对600℃/600℃参数用材料已掌握并使用过锅炉受热面（过热器、再热器、水冷壁、省煤器）用钢。但用于高温区段——TP304H、（1Cr18Ni9）和TP347H（1Cr19Ni11Nb）——国外已改用Super304H和TP347HFG，后两者比TP347H

650℃的许用应力分别高30%和20%集箱、导管材料大量用P91（10Cr9Mo1VNb）、P92、P122钢，这些钢种的研究在我国起步较晚，热加工工艺等尚需研究用于580℃的铬钼钒低合金12Cr1MoV钢——经验比较多5.2我国电站锅炉材料的发展（1）锅炉过热器管12Cr1MoV钢我国制造锅炉的主力钢种与国外用的T22、10CrMo910钢相比，具有较高的热强性能、组织稳定性能及良好的抗氧化性能，工艺性能比T22略差已掌握其工艺特点，易于制造，金属温度不超过580℃的受热面管，用12Cr1MoV钢均有把握。12Cr2MoWVTiB（也称钢研102）钢曾用于600℃～620℃受热面管，运行实践表明，该钢达到或略超过620℃时氧化速度很快在启动和运行过程中，难勉超过金属设计使用温度，后建议该钢用于设计温度600。在570℃～595℃内，有足够的抗氧化性能，比12Cr1MoV有较高的许用应力，性能价格比好且经实践考验的低合金热强钢种10Cr9Mo1VNb钢（T91）已引进并列入我国高压锅炉无缝管标准，我国生产的10Cr9Mo1VNb钢在规格、尺寸、化学成分、金相组织、力学性能（含高温瞬时力学性能）、持久强度等都达到或超过技术指标弯管、焊接工艺性能良好适于用作600℃～650℃受热用于590℃～650℃时，许用