锅炉原理第10章

超临界直流锅炉一、超临界锅炉工作原理1.工作原理及过程工质依靠给水泵的压头一次通过预热、蒸发、过热各受热面而加热成为过热蒸汽。

给水流量G＝蒸发量D给水泵省煤器水冷壁过热器

2.直流锅炉的特点

本质特点无汽包工质一次通过各受热面，强迫流动受热面无固定界限水冷壁中工质流动特点受热不均对流动影响水动力多值性有脉动现象给水泵压头大传热过程特点在水冷壁中工质干度x

由01，因此第二类传热恶化一定出现热化学过程特点要求给水品质高控制调节过程特点直流锅炉对自动控制系统要求高，原因如下：负荷变动时，直流锅炉的蓄热能力较低，依靠自身炉水和金属蓄热或放热来减缓汽压波动的能力较低

直流锅炉必须同时调节给水量和燃料量，以保证物质平衡和能量平衡，才能稳定汽压和汽温。所以直流锅炉对燃料量和给水量的自动控制系统要求高。启动过程特点设有启动旁路启动速度快在启动过程中，有工质膨胀现象启动一开始，必须建立启动流量和启动压力设计、制造、安装特点直流锅炉适用于任何压力蒸发受热面可以任意布置节省金属制造方便二、超临界锅炉的水动力特性水的临界状态点的参数：压力为22.115MPa,374.15C。当水蒸汽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。当水的压力到超临界压力以上时，工质特性发生较大的变化，汽水密度差趋于0，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。滑压运行时，压力可能为亚临界压力及以下。1.主要工质物性参数变化规律超临界压力下定压比热Cp具有最大值时的温度为拟临界温度或类临界温度。在临界温度和类临界温度附近，工质的各主要参数发生比较大的变化。25MPa下物性参数2.水冷壁的水动力稳定性分析超临界直流锅炉在直流负荷以下和启动过程中，炉膛水冷壁进口为未饱和水，出口为汽水混合物，由于两相介质密度的差异，将可能出现水动力不稳定问题，主要表现为多值性和脉动。多值性在亚临界压力下，在汽水双相蒸发区内，同一片管组的各管子在相同的压差下运行,管组中的管子结构和受热情况均相同，不同管子内的介质流量的大小和流动方向可能表现出很大的差异，在同一压差下会出现3种不同的流量，并联蒸发管发生多值性流动时，部分流量小的管子出口工质温度过高而引起管壁超温。因此在设计时将根据管组的结构参数和热负荷进行阻力计算，然后作出流动特性曲线来判断是否具有多值性。水平管圈特性方程

在一定的热负荷下，管屏的压差与质量流量的关系式。管内工质流动阻力ΔP=ΔPlz=ΔPrs+ΔPzfG=ρw特性曲线产生原因产生原因在某区段（如曲线2的cd段），随着ρw增加，Lrs增加，Lzf减小，使得D减小，相应的x也减小；而且x减小影响程度比ρw增加影响程度大。因此，随着ρw增加，ΔPrs

增加的值比

ΔPzf减小的值少。影响因素工质进口欠焓压力热负荷热水段阻力解决办法减少蒸发受热面（水冷壁）入口欠焓

提高蒸发受热面的压力水冷壁入口处装节流圈

提高水冷壁入口的质量流速

垂直管圈垂直管屏的水动力特性，必须考虑重位压差的影响重位压差的影响对水动力特性的影响有利于水动力特性趋向稳定

ΔP=ΔPlz+ΔPzw

ΔPzw=Hrs

ρrsg+Hzf

ρzfg

当质量流速增加时，垂直管中重位压差的影响减少，这时的水动力特性趋向于水平管圈的水动力特性;当质量流速小时，垂直管中重位压差的影响大，这时的水动力特性趋向于自然循环管子的水动力特性。在超临界压力下在大比热区考虑到管内工质沿截面的不等温性；在大比热区温度的微小变化会引起动力粘度较大的变化，从而引起摩擦阻力系数较大的变化，也有可能出现水动力多值性的问题。蒸发受热面中流体的脉动现象

在两端管屏两端压差相同，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。动态不稳定水动力特性：脉动静态不稳定水动力特性：多值性脉动脉动是直流锅炉蒸发受热面中另一种水动力不稳定现象。分为整体脉动、管屏脉动和管间脉动，经常发生的是管组内管间的水力脉动。脉动引起金属壁温波动，使管子产生疲劳破坏；脉动还使并联各管出现较大的热偏差，可能造成部分管子超温。消除管间水力脉动的方法是提高工质质量流速和提高加热段与蒸发段的阻力比。特点：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，更加严重管间脉动分析脉动产生机理脉动现象是当流量G大时，蒸发量D小；流量G小时，蒸发量D大

脉动现象解释在管子中间某一点一定存在着一个压力峰。当某点压力P’高时，进水端压差（P1-P’）下降，流量G减少，当P’大大增加时，可能引起水倒流；出口端压差（P’-P2）增加，蒸发量D增大。当某点压力下降时，进水端压差增加，流量G增加；出口端压差减小，D减小。

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。并联各管会出现很大的热偏差，当超过容许的热偏差值时，也将使管子超温过热而损坏。

消除脉动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）

减少蒸发段阻力－增加呼吸联箱，呼吸联箱处使压力均衡合适的压力和热负荷

1.热偏差定义水冷壁并联管组中个别管圈内工质焓增Δi与整个管组工质平均焓增Δipj之比值Δr称为热偏差。热力不均匀、水力不均匀、结构设计布置不均匀及加工和安装不均匀均可影响水冷壁热偏差。直流锅炉水冷壁中，因蒸汽含量高，在高热负荷条件下，亚临界压力运行时可能发生膜态沸腾，在超临界压力可能发生类膜态沸腾。因此，应尽可能减少热偏差。三、蒸发受热面中热偏差2.特点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，且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。3.影响因素

热力不均匀

水力不均匀

结构不均匀4.消除及减轻措施减小受热不均匀减小结构不均匀减小受热不均对热偏差的影响

加节流圈

增大管内工质质量流量ρw管内工质沿着长度方向吸热并且含汽率的增加，工质的流动结构也相应发生变化。由于流动结构不同，传热特性不同，以及管内工质温度的变化，则管壁温度也随之变化。局部出现膜态沸腾或出现蒸干，使得管内换热减弱，在蒸发受热面管段某一处会出现壁温的峰值，甚至使管子烧坏。这两种现象统称为传热恶化。四、蒸发受热面中传热恶化现象1.临界压力以下传热恶化类型第一类传热恶化当热负荷较高（大于某个值）时，可能出现核态沸腾直接过渡到膜态沸腾的现象，称为偏离核沸腾，或用DNB（DeparturefromNucleateBoiling）来表示

。管内α2减小，壁温升高。第二类传热恶化所谓第二类传热恶化是发生在环状流动或者汽雾状流动情况下，因水膜撕破或“蒸干”所造成的管内α2减小，壁温升高的传热恶化现象。2.超临界直流锅炉传热恶化特点第一类传热恶化可能出现第二类传热恶化一定出现在大比热区内，也会发生传热恶化，称为类膜态沸腾。

在大比热区，比容（密度）的变化相当大，工质的温度几乎不变；在管子内壁面附近工质密度比中心处小3～4倍，在流动截面上存在不均匀性，出现最小的传热系数。当热负荷高时，出现传热恶化。3.解决传热恶化措施对于直流锅炉，避免传热恶化是不可能的，主要的办法是推迟和抑制。使用较好的材料如SA213-T23钢，耐温极限可达460℃推迟传热恶化提高界限含汽率，使得传热恶化出现在低热负荷区，从而降低壁温抑止传热恶化

提高ρw使用内螺纹管或扰流子五、超临界锅炉的启动系统1.单元制机组的启停启动：锅炉由静止状态转变成运行状态的过程称为启动。停运：是启动的反过程，即由带负荷状态转变成静止状态。锅炉的启动分为：冷态启动：停炉时间t>72h温态启动：10<t<72h热态启动：1<t<10h极热态启动：t<1h单元制机组锅炉停运类型：滑参数停运定参数停运事故停运锅炉的启停过程是一个不稳定的变化过程，过程中锅炉工况的变化很复杂。锅炉启动停运是锅炉机组运行的重要阶段，必须进行严密监视，优化各种工况，建立最佳的启动停运指标，以保证锅炉安全经济启停。

2.直流锅炉启动特点为保证受热面安全工作，直流锅炉启动一开始就必须建立启动流量和启动压力在启动过程中，顺次出来的工质是水、水蒸汽，为减少热量损失和工质损失，装设了启动旁路系统直流锅炉没有汽包，升温过程可以快一些，即直流锅炉启动快

3.超临界直流锅炉的启动特性

1）启动流量和压力启动时的最低给水流量称为启动流量，它由水冷壁安全质量流速来决定；启动流量一般为（25%～35%）MCR给水流量。

锅炉启动时的压力称为启动压力。不同类型的直流锅炉建立启动压力和启动流量的方法是不同的锅炉类型启动压力建立方法水冷壁启动质量流速建立方法螺旋管圈、内置分离器的直流锅炉燃烧加热水冷壁逐渐产汽升压点火前由给水泵建立启动流量螺旋管圈、内置分离器的直流锅炉；有辅助循环泵燃烧加热水冷壁逐渐产汽升压点火前由给水泵和辅助循环泵共同建立启动流量一次上升型直流锅炉给水泵建立压力点火前由给水泵建立启动流量启动质量流速和启动压力建立方法

2）升温速度

无汽包，允许升温速度比汽包锅炉高。超临界、大容量直流锅炉的联箱、汽水分离器等部件的壁面较厚，故升温速度也受到一定的限制

3）启动水工况锅水中杂质除了来自给水，还有管道系统及锅炉本体内的沉积被溶入锅水。每次启动要对管道系统和锅炉本体进行冷、热态循环清洗；以保证水工况满足安全运行要求。4）受热面区段变化与工质膨胀

直流锅炉启动过程水的加热、蒸发及汽的过热三个受热面段是逐渐形成的。整个过程历经三个阶段：第一阶段：启动初期，全部受热面用于加热水。特点为工质相态没有发生变化，锅炉出水流量等于给水流量。

第二阶段：受热面分为水加热和水汽化两个区段。

第三阶段：锅炉出口工质变成过热蒸汽时，锅炉受热面形成水加热、水汽化及蒸汽的过热三个区段。

工质膨胀

由第一阶段转变为第二阶段的过渡期，锅炉排出工质流量远大于给水流量的现象称为工质膨胀现象。工质膨胀是直流锅炉启动过程中的重要现象。影响启动过程汽水膨胀的主要因素：启动压力、给水温度、锅炉蓄水量、燃料投入速度及吸热量的分配。了解工质膨胀特性，为直流锅炉拟定启动曲线，以使锅炉安全渡过膨胀期及锅炉启动系统设计提供了依据。

5）热量与工质回收

启动过程中锅炉排放水、汽量是很大的，造成工质与热量的损失。因此，应考虑采取一定的措施对排放工质与热量进行回收；例如将水回收入除氧水箱或凝汽器，蒸汽回收入除氧水箱、加热器或凝汽器。

4.超临界锅炉的启动旁路系统

1）旁路系统组成过热器旁路；过热器旁路是针对直流锅炉单元机组的启动特点而设置的，为直流锅炉单元机组特有的系统

汽轮机旁路系统；不但用于直流锅炉单元机组还用于汽包锅炉单元机组上。

功能（1）辅助锅炉启动（2）协调机炉工况（3）热量与工质回收（4）安全保护类型（1）内置式分离器启动系统：正常运行时分离器参与系统工作（2）外置式分离器启动系统：正常运行时分离器不参与系统工作2）启动旁路系统的功能和类型内置式分离器启动系统大致可分为：（1）扩容器式（大气式、非大气式2种）（2）启动疏水热交换器式（3）再循环泵式（并联和串联2种）

石洞口二电厂1、2号机组启动旁路系统1-除氧器水箱；2-给水泵；3-高压加热器；4-给水调节阀；5-省煤器、水冷壁；6-启动分离器；7-过热器；8-再热器；9-高压旁路阀；10-再热器安全阀；11-低压旁路阀；12-大气扩容器；13-疏水箱；14-疏水泵；15-冷凝器；16-凝结水泵；17-低压加热器

扩容器式①冷态启动当水质不合格和冷态、温态启动过程中，可将进人启动分离器的疏水通过AA阀排至大气式疏水扩容器。通过AA阀控制启动分离器的水位②冷态和温态启动时，AN阀辅助AA阀排放启动分离器的疏水；当AA阀关闭后，由AN和ANB阀共同排除启动分离器疏水，并控制启动分离器水位。③利用ANB阀回收工质和热量，即使在冷态启动工况下，只要水质合格和满足ANB阀的开启条件，即可通过ANB阀疏水进人除氧器水箱。ANB阀保持启动分离器的最低水位。带启动疏水热交换器的启动系统1-除氧器水箱；2-给水泵；3-压加热器；4-给水调节阀；5-启动疏水热交换器；6-省煤器；7-水冷壁；8-启动分离器；9-分离器水位控制阀(ANB阀)；10-分离器水位阀（AN阀）；11-分离器疏水阀（AA阀）；12-疏水箱；13-冷凝器；14-疏水泵；15-低压加热器；16-旁路隔绝阀汽水分离器的疏水通过启动疏水热交换器后分为两路：其中一路经ANB阀9流入除氧器水箱；另一路经过并联的AN阀10和AA阀11流入冷凝器前的疏水箱，而后进入冷凝器。启动疏水热交换器，在省煤器及水冷壁中吸收了烟气热量的汽水分离器疏水和锅炉给水进行热交换，减少了启动疏水热损失。2种再循环泵启动系统的布置1-给水调节阀；2-旁路给水调节阀；3-再循环泵；4-流量调节阀；5-混合器；6-省煤器；7-水冷壁8-启动分离器；9-疏水和水位调节阀西柏坡电厂启动旁路系统DG1900/25.4-II1型超临界机组直流锅炉启动系统

邹县1000MW超超临界锅炉启动系统流程图在启动过程中回收更多的工质和热量。如采用不带循环泵的简易系统，则由分离器分离下来的饱和水将被排入除氧器或冷凝器，在负荷极低时，这部分饱和水接近30%BMCR的流量，除氧器和冷凝器不可能接收如此多的工质和热量，只有排入大气扩容器，造成大量工质的损失；采用再循环泵的系统可以用再循环泵将分离出来的这部分饱和水再打回到给水管道，与给水混合重新进入到省煤器—水冷壁系统进行再循环，因而不会导致工质和热量的损失，只有在水清洗阶段因水质不合格才排往大气扩容系统。带循环泵的启动系统的优点能节约冲洗水量。采用再循环泵，可以采用较少的补水与再循环流量混合得到足够的冲洗水流量，获得较高的水速，以达到冲洗的目的，因此与不带循环泵的简易系统相比，节省了补水量。在锅炉启动初期，渡过汽水膨胀期后，由于采用了再循环泵，锅炉不需排水，节省了工质与热量。循环泵的压头可以保证启动期间水冷壁系统水动力的稳定性和较小的温度偏差。对于经常启停的机组，采用再循环泵可避免在热态或极热态启动时因进水温度较低而造成对水冷壁系统的热冲击而降低锅炉寿命。在启动过程中主汽温度容易得到控制。在锅炉启动时，进入省煤器的给水有一部分是由温度较高的再循环流量组成，给水温度高，进入水冷壁的工质温度也相应提高，炉膛吸热量减少，炉膛的热输入也相应减少，此时虽然过热蒸汽流量很低，但由于炉膛的输入热量较少，故过热蒸汽温度容易得到控制，并与汽机入口要求相匹配。在锅炉启停及低负荷运行期间，汽水分离器湿态运行，起汽水分离作用；在锅炉正常运行期间，汽水分离器只作为蒸汽通道。在启动时将蒸汽从水中分离出来位置：炉前，垂直水冷壁混合集箱出口筒身：规格Ф876×98，材料SA-336F12，直段高度2.890m，总长为4.08m内件：消旋器、阻水装置封头：锥形，上下各1引入管：6根，切向向下倾斜15°引出管：汽（上部）、水（下部）各1根数量：2只/台炉汽水分离器序号名称1筒身2汽侧封头3水侧封头4管接头5手孔管接头6热电偶插座筒身：规格Ф972×111（保证内径Ф750），材料为SA-336F12，直段高度17.5m，总长为18.95m内件：阻水装置封头：锥形，上下各1引入管：2根引出管：汽（上部）、水（下部）各1根数量：1只/台炉，考虑水位控制的稳定性汽水分离器贮水罐二、启动过程东锅超临界锅炉的冷态启动程序

1）低压管路清洗：①确认各阀门状态（开或闭）②开启冷凝水泵③清洗冷凝器和除氧器之间的低压管路④持续清洗直至冷凝器入口水混浊度低于3ppm

2）炉前段清洗：清洗高压加热器段管路。

3）锅炉上水①对锅内加水；②加水至水位到达启动分离器贮水罐预标高。4)炉水启动排污循环①用辅助蒸汽加热除氧器，保证除氧器出口水温在80℃左右；②继续向锅内加水。同时打开启动排污阀（361阀）排放炉水直至启动分离器出口水优质于下列指标值：铁质＜500μg/L或浑浊度≤3油脂≤1μg/LpH值≤9.5

5)炉水循环①保持炉水循环直至省煤器入口水质优于下列指标值：电导率

≤1µs/cmFe≤100μg/LpH值9.3～9.56)燃烧器点火① 确认启动油管路状态。启动通风系统，保证二次风量大于37％B-MCR风量(吹扫)；② 启动锅炉给水泵（BFP）；③ 维持锅炉给水流量高于25%B-MCR流量并重置锅炉主燃料（MFT）；④ 当省煤器入口水质条件达到下列要求时，燃烧器点火；

电导率

≤1µs/cm Fe≤100μg/L PH9.3～9.5⑤

当因炉水量的增加导致分离器水位变高时，打开汽水分离器贮水罐溢流调节阀，维持分离器贮水罐水位。

7) 锅炉升温加压

①当分离器中产生蒸汽时，汽机旁路阀③、④应处在自动操作状态；

②燃料量调节阀控制燃料量提升锅炉温度；

③开启启动分离器贮水罐溢流调节阀②，维持启动分离器贮水罐水位；④

主蒸汽压力达到最低要求压力时，高压汽机旁路阀③控制主蒸汽压力；

⑤

通过低压汽机旁路阀④的调节使再热蒸汽压力达到要求值。

8)热态清洗① 确认炉水循环状态下的水质；② 通过启动分离器贮水罐溢流调节阀②检测循环炉水的水质，此时停止锅炉升温、升压。9)汽轮机送汽① 蒸汽条件满足汽机供汽条件（高压汽机旁路阀③控制主蒸汽压力大于最小要求值）；② 启动汽机（中压缸）；10)并网① 提高汽机转速；② 同步调节汽机转速至3000rpm，然后给汽机带初负荷。

③增加燃油量；④启动一次风机和开始加热磨煤机；11)升负荷①

启动磨煤机供应煤粉；②在约20％负荷时，关闭高低压（HP/LP）汽机旁路阀；③启动分离器贮水罐水位下降时，关闭启动分离器贮水罐溢流调节阀②；④

湿态完全转换到干态后，锅炉进入直流运行。12)常规运行（直流运行）① 30%负荷以上时自动滑压运行开始；② 提高煤粉流量，同时减少燃油流量；③ 机组在90%及以上负荷下全压状态运行。启动分离器系统为内置式，锅炉负荷小于30%BMCR的最低直流负荷时，启动系统为湿态运行，分离器起汽水分离作用，分离出来的过热蒸汽进入过热器，水则通过水连通管进入分离器贮水箱，通过再循环系统再循环；当机组工质膨胀时，贮水箱中的水由两只水位控制阀（WDC阀，也即分离器疏水调节阀）排入锅炉扩容系统或汽机冷凝器系统（根据炉水水质情况决定），锅炉负荷达到30%BMCR后，锅炉运行方式由再循环模式转入直流运行模式，启动系统也由湿态转为干态，即分离器内已全部为蒸汽，它只起到一个中间集箱的作用。哈锅启动系统1）锅炉给水系统、水冷壁和省煤器以及高低压辅机的冷态和热态清洗，将冲洗水排往扩容器，并根据水质情况进行回收或排掉。2）满足锅炉的冷态、温态、热态和极热态启动的需要，直到锅炉达到30%BMCR最低直流负荷，由再循环模式转入直流方式运行为止。3）只要水质合格，启动系统即可完全回收工质及其所含热量，包括水冷壁汽水膨胀阶段在内的启动阶段的工质回收。启动系统的功能4）锅炉在从启动开始，经锅炉点火直至汽机进汽前给水泵供给相当于5%BMCR的给水，而再循环泵则一直提供25%BMCR的再循环水量，二者相加，使启动阶段在水冷壁中维持30%的流量作再循环运行以冷却水冷壁和省煤器系统不致超温，通过分离器疏水调节阀（WDC阀）控制分离器贮水箱中的水位，通过泵出口再循环阀（BR阀）调节再循环流量。当锅炉产汽量达到5%BMCR时，分离器水位调节阀（WDC阀）全关，随着负荷继续上升，再循环流量逐渐关小，给水流量逐步增大，以与锅炉产汽量匹配，当负荷达到30%（最低直流负荷）时，再循环阀全关，锅炉转入直流运行。5）锅炉转入直流运行时，启动系统处于热备用状态。6）启动分离器也能起到在水冷壁系统与过热器之间的温度补偿作用，均匀分配进入过热器的蒸汽流量。初次启动或长期停炉后启动前进行冷态和温态水冲洗。总清洗水量可达25-30%BMCR，除由给水泵提供一小部分外，其余由循环泵提供。水冲洗的目的是清除给水系统、省煤器系统和水冷壁系统中的杂质，只要停炉时间在一个星期以上，启动前必须进行水冲洗。采用再循环泵后，由于再循环水也可利用作为冲洗水，因此节省了冲洗水的耗量。启动初期（～5%BMCR）：给水泵以相当于5%BMCR的流量向锅炉给水维持启动系统30%BMCR的流量流过省煤器和水冷壁，保证冷却省煤器和水冷壁不致超温，並保证水冷壁系统的水动力稳定性。