超(超)临界锅炉及其关键技术2014

超（超）临界锅炉及其

关键技术主讲：刘彤教授华北电力大学能源与动力工程学院+86-10-61772819liut@主要内容一、超（超）临界锅炉的优越性二、超（超）临界机组的关键技术三、超（超）临界机组运行特性超临界、超超临界机组定义水的临界压力：22.12MPa，

临界温度：374.15℃常规的亚临界机组:16.7MPa，温度为538/538℃超临界机组：一般主汽压力24MPa及以上,主汽和再热汽温度540-560℃超超临界机组：一般主汽压力28MPa及以上或主汽和再热汽温度580℃以上

一、超临界锅炉机组的优越性

经济性（节能降耗）可靠性环保特性4947454341393735102015253035蒸汽参数MPa(初温℃/再热温℃/再热温℃)

不同蒸汽参数、再热次数和参数对发电厂供电热效率的影响亚临界540℃/540℃

超临界566℃/566℃

高超临界593℃/593℃

600℃/600℃/600℃

566℃/566℃/566℃

700℃/720℃/720℃

%

率效热电供厂电发

部分超（超）临界机组经济性举例电厂

项目蒸汽参数机组效率,%投运年份丹麦Vesk电厂407MW25.1MPa,560℃/560℃45.31992法国STAUDINGE厂550MW25MPa,540℃/560℃42.51992德国ROSTOCK电厂559MW25MPa,540℃/560℃42.51994韩国500MW24MPa,538℃/538℃41石洞口二厂600MW24.2MPa,538℃/566℃41.091992日本松蒲电厂1000MW25.2MPa,598℃/596℃441997丹麦Nordjylland电厂410MW28.5MPa,580℃/580℃/580℃471998西门子设计400-1000MW27.5MPa,589℃/600℃>451999欧洲FutureⅠ33.5MPa,610℃/630℃>502005欧洲FutureⅡ40.0MPa,700℃/720℃52-552015平圩电厂600MW(亚临界)17MPa,537℃/537℃36.91989超�（超）临界机组的可靠性美国初期蒸汽参数过高，当时冶金工业难以提供满足31MPa，621/566/566℃的合理钢材，投运后事故频繁，可靠性、可用率低，后降低参数运行，取得了比较满意的业绩。原苏联在发展超临界机组的初期，因缺少经验和选用参数过高，使其可靠性低。经改进和完善，超临界机组的可用率与亚临界机组差别不大。1980年美国公布的71台超临界机组和27台亚临界机组运行统计数据表明，两类机组可用率已没有差别。日本早期的超临界机组可用率大多数在99%以上。德国机组的可靠性数据表明，机组可靠性与可用率与参数之间没有必然的联系。我国华能石洞口二厂两台600MW超临界机组投运后第二年可用系数可达到90.8%和93.97%。目前超临界机组的可用率与亚临界机组相当。火电机组参数提高给人类带来的、、、

一次再热，烟煤比较过去的电厂节省燃料大于10%减少污染排放大于10%超临界机组的参数为：压力大于24MPa温度大于540/560C硫资源化脱硫高效、绿色发电技术高效发电超临界机组联合循环多联产煤炭加工与转化流化床FBC整体煤气化联合循环IGCC可再生能源发电及核电烟气净化灰渣及废水资源化空冷机组烟气循环流化床脱硫其它节水技术燃料电池微型燃气轮机太阳光发电风力发电洁净发电节水发电分布式电源新型发电以煤气化为核心以发电为核心各种煤清洁利用方式相对评分比较表注：10分为满分利用方式环保节能运行投资成熟总和顺次型煤78101010451原煤加工洗选煤879910432CFBC

95989404流化床PFBC98658367超（超）临界机组799710423IGCC108668385气化86656318CMW86878376燃料转化液化85455279其他清洁技术9

二、超临界锅炉的技术特点容量参数炉型燃烧方式水冷壁型式

1.容量

从技术可行性、设计制造模式、国外业绩及与国外合作问题、技术经济等问题考虑，超临界锅炉选择1000MW及以下容量都是可行的。一般采用1000MW和600MW两个容量等级。

1000MW等级超超临界机组方案具有效率高、单位千瓦投资省、人员少、维护费用低及同容量电厂建设周期短，建筑用地少等综合优点，同时也适应我国电力工业的发展和符合电网对机组容量的需求，将成为反映我国电力工业技术水平的代表性机组。

考虑到我国地区及电网的差异及条件，常规超临界（24.2MPa/566℃/566℃

）600MW机组，以及600MW等级超超临界机组，更能适应我国广大内陆地区的低背压条件、适用于国内各个电网条件，适用于现有的设备运输条件，并可与1000MW等级容量机组形成系列化。

600MW等级超临界、超超临界机组将成为我国电力工业的主力机组。2.超临界机组蒸汽参数

超临界机组的热效率比亚临界机组的高2％～3％左右，而超超临界机组的热效率比常规超临界机组的高4％左右。在超超临界机组参数范围的条件下主蒸汽压力提高1MPa，机组的热耗率就可下降0.13％～0.15%;主蒸汽温度每提高10℃，机组的热耗率就可下降0.25％～0.3O％；再热蒸汽温度每提高10℃，机组的热耗率就可下降0.15％～0.20％；在一定的范围内，如果增加再热次数，采用二次再热，则其热耗率可较采用一次再热的机组下降1.4％～1.6％。亚临界和超临界的效率和热耗pLS（MPa)tLS（C)tRH（C)tFFW（C)效率QEXH亚临界循环16.6540540250基础基础超临界循环25.0540565565290+3%+4%-6%-8%超超临界循环（1）27.0580600300+6%-11%超超临界循环（2）28.0600620300+7%-13%比较常规汽轮发电机净输出3.炉型大型超临界煤粉锅炉的整体布置主要采用Π型布置和塔式布置，也有T型布置方式。锅炉布置型式（a）Π形布置；(b)无水平烟道Π形；(c)双折焰角Π形；(d)箱形布置(e)塔形布置；(f)半塔形布置锅炉整体布置型式的选择

由于T型布置蒸汽系统复杂，钢材耗量大，我国发展超超临界锅炉一般在Π型布置和塔式布置中选择。根据具体电厂、燃煤条件、投资费用、运行可靠性及经济性等方面，进行全面地技术经济比较选定。另外，锅炉布置型式与燃烧方式有一定关系，两者应合理搭配。4.燃烧方式

煤粉的燃烧方式，主要有四角（六角，八角）切向燃烧方式，墙式燃烧方式（前墙燃烧和对冲燃烧）和W型火焰燃烧方式（也称拱式燃烧）三种。

CE锅炉直流燃烧器600MW机组CE锅炉WR型均等配风直流燃烧器的结构中心风一次风/粉混合物二次风三次风低NOX轴向旋流燃烧器气流分布简图

LNASB的设计准则如下：增大燃料挥发份的释放速率，以获得最大的挥发物成生量。在燃烧的初始阶段形成一个缺氧的区域，最大限度地减少NOX的生成，但同时又提供适量的氧气以维持火焰的稳定。改善燃料富集区域的滞留时间和温度水平，以最大限度地减少NOX的生成。增加焦碳粒子在燃料富集区域的滞留时间，以降低焦碳粒子中氮氧化物形成的倾向。及时补充过剩空气以确保充分燃尽。双调风燃烧器CF/SF低NOx型双调风燃烧器内、外二次风道均装有调节挡板。二次风总量则由均流孔板外部的可移式套筒挡板控制。内套筒可以通过手动调节机构使锥形头部前后移动。作用是使一次风量与一次风速独立可调，达到控制一次风与二次风的混合时机和火焰形状。图4-29燃烧器风量、燃烧量调节系统5.水冷壁型式

变压运行超临界直流锅炉水冷壁有两种型式，一种是内螺纹垂直管屏；另一种是炉膛下部用螺旋管圈，上部用垂直管。

螺旋管圈水冷壁炉管现有两种型式，一种是光管，另一种是内螺纹管。后者是为了强化传热、防止传热恶化。可使水冷壁运行更安全，更可靠。但是，内螺纹管水冷壁的成本将增加10％一15％。采用螺旋管水冷壁具有如下的优点：1）蒸发受热面采用螺旋管圈时，管子数目可按设计要求而选取，不受炉膛大小的影响，可选取较粗管径以增加水冷壁的刚度；2）螺旋管圈热偏差小，工质流速高，水动力特性比较稳定，不易出现膜态沸腾，又可防止产生偏高的金属壁温；3）无中间混合联箱，不会产生汽水混合物不均匀分配的问题；4）可采用光管，不必有制造工艺较复杂的内螺纹管，而可实现锅炉的变压运行和带中间负荷的要求。5）不需在水冷壁入口处和水冷壁下集箱进水管上装设节流圈以调节流量；6）螺旋形管圈对燃料的适应范围比较大，可燃用挥发分低、灰分高的煤；7）能变压运行，快速启停，能适应电网负荷的频繁变化，调频性能好。螺旋管圈虽有以上优点，但它的结构与制造工艺复杂，故制造与安装比较困难，所需工期较长。水冷壁的形式和流体温度内螺纹垂直管屏水冷壁特点优点：水冷壁阻力较小，可降低给水泵耗电量，其水冷壁的总阻力仅为螺旋管圈的一半左右。与光管相比，内螺纹管的传热特性较好。安装焊缝少，减少了安装工作量和焊口可能泄漏机率，同时缩短了安装工期。水冷壁本身支吊，且支承结构和刚性梁结构简单，热应力小，可采用传统的支吊型式。维护和检修较易，检查和更换管子较方便。比螺旋管圈结渣轻。缺点：水冷壁管径较细，内螺纹管相对于光管来说价格较高，一般高出10％～15％。需装设节流孔圈，增加了水冷壁和下集箱结构的复杂性，节流圈的加工精度要求高，调节较为复杂。机组容量会受垂直管屏管径的限制，对容量较小机组，其炉膛周界相对较大，无法保证质量流速。6.超临界锅炉的启动系统内置式启动系统：启动完毕后，并不从系统中切除而是串联在锅炉汽水流程内，因此它的工作参数(压力和温度)要求比较高，但控制阀门可以简化。外置式启动系统：锅炉启动完毕后与系统分开，工作参数(压力和温度)的要求可以比较低，但控制阀门要求较高。1000t/h直流锅炉外置式启动旁路系统直流锅炉内置式启动旁路系统

启动分离器布置在炉膛水冷壁出口，分离器与水冷壁、过热器之间的连接无任何阀门。一般在（35%~37%）MCR负荷以下，由水冷壁进入分离器的为汽水混合物，分离器出口蒸汽直接进入过热器，疏水通过疏水扩容器回收工质或通过除氧器回收工质和热量。当负荷大于（35%~37%）MCR负荷时，分离器中全部是蒸汽，呈干态运行。此时内置式分离器相当于一个蒸汽联箱，必须承受锅炉全压，这是与外置式分离器的最大不同点。

内置式分离器启动系统可以分为扩容器型、带循环泵型和疏水热交换型几种。带循环泵的系统优点是：1）增加了水冷壁管内水的重量流速，提高了启动和低负荷时水冷壁蒸发段的运行可靠性。由于水冷壁管的重量流速增加，从而可以选用较粗的水冷壁管，降低水冷壁的加工成本和钢材耗量。2）在启动过程中回收热量。如采用简易系统，则再循环流量部分的饱和水要进入除氧器或冷凝器，在负荷率极低时，这部分流量接近35%BMCR流量，除氧器或冷凝器不可能接收如此多的工质及热量，只有排入大气扩容器，造成大量的热量及工质的损失。3）在启动过程中回收工质。与简易启动系统相比，带循环泵的启动系统可以回收工质，采用再循环泵，可以将再循环流量与给水混合后泵入省煤器，从而可以节省由于此部分流量进入扩容器后膨胀、蒸发而损失的工质。4）开启循环泵进行水冲洗。采用再循环泵系统，可以用较少的冲洗水量与再循环流量之和获得较高的水速，达到冲洗的目的。5）在锅炉启动初期，渡过汽水膨胀期后，锅炉不排水，节省工质与热量。6）汽水分离器采用较小壁厚，热应力低，可使锅炉启动、停炉灵活。锅炉炉前沿宽度方向垂直布置4只汽水分离器，其进出口分别与水冷壁和炉顶过热器相连接。每个分离器筒身上方切向布置4根不同内径的进口管接头、2根至炉顶过热器管接头，分离器筒身下方设有一个疏水管接头。启动分离器为圆形筒体结构，直立式布置。其进出口分别与水冷壁和炉顶过热器相连接。每个分离器筒身上方切向布置4根不同内径的进口管接头、2根至炉顶过热器管接头，分离器筒身下方设有一个疏水管接头。分离器内设有阻水装置和消旋器。分离器结构简图启动分离器贮水罐结构简图三、超临界锅炉机组运行特点（1）低负荷滑压运行丹麦和欧洲的超临界机组的良好性能是基于低负荷滑压运行，即主汽压力随着负荷的降低而降低，日本的部分超超临界机组也是低负荷滑压运行。（2）

负荷变化范围超临界机组的负荷可在10％－100％BMCR之间变动，锅炉最低稳燃负荷约30％BMCR，在约35%BMCR以上时纯直流运行。

（3）负荷变动率

尽管对超超临界机组要求的负荷变化范围很大，负荷变动率也很高，但由于超超临界机组的高效率只有在高参数、高负荷时才显示出来，同时由于超超临界机组厚壁部件热应力对负荷变动率的限制，因此，超临界机组在运行中应尽可能带高负荷，并尽量避免大幅度和快速变动负荷；而通常降负荷时的负荷变动率要比升负荷时要求的更严一些。负荷变动/燃料煤油或气50％－90％MCR4％MCR/min8％MCR/min20％－50％MCR及90％－100％MCR2％MCR/min4％MCR/min（4）负荷阶跃对于超临界机组，在70％－95％MCR负荷范围内，能做到5％额定负荷的负荷阶跃，其中2．5％以上在5秒内完成，其余2．5％在30