超超临界压力锅炉的发展及应用

超超临界压力锅炉的发展及应用超超临界压力锅炉的发展及应用 节约一次能源，加强环境保护，减少有害气体的排放，降低地球的温室效应，已越来越受到 国内外的高度重视。我国电力总装机容量已逾 3 亿 KW，但火电机组平均单机容量不足 10 万 k W，平均供电煤耗达 399g（kW h），比国外先进水平高 7080g（kW h），高出 25 以上，资源浪费太大，废气排放严重。从目前世界火力发电技术水平来看，提高火电厂效率的 方法除整体煤气化联合循环（IGCC）、增压流化床联合循环（PFBC）外，还有超超临界压力 技术（USC）。我国已经把大幅度提高发电效率、加速发展洁净煤技术的超超临界机组作为我 国可持续发展、节约能源、保护环境的重要措施。 1超超临界压力锅炉的发展 世界上第一台实验性的超临界锅炉是西门子公司根据捷克人马克 本生 1919 年的专利方案 制造的。超超临界机组并不是按步就班由 222MPa、538538向上发展的，蒸汽参数经 历高低高的过程。1949 年原苏联安装了第一台超超临界试验机组，直流锅炉出口参数为 2 94MPa、600（12th），经节流至 15MPa 后通入汽轮机，以后又生产了 294MPa、 650型号为 P100300 的 100MW 机组，作为改造中压机组的前置级。1956 年西德投运 1 台参数为 34MPa、610570570、容量为 88MW 的机组。 美国在 50 年代末投运了 2 台具有代表性的超超临界机组，菲罗电厂 6 号机组，容量为 125M W、参数为 31MPa、621566538；艾迪斯顿电厂 1 号机组，参数为 343MPa、 649566566、容量为 325MW。费城电力公司的这台艾迪斯顿 1 号机从 1960 年开 始按设计参数运行 8 年，后因出现一些故障，主要是材料问题，1968 年起参数降为 31MPa、 610557557。美国一开始就试制这样高参数的超超临界机组，不可避免地频繁发生 事故，故不得不降低参数运行。在开发初期，过高的蒸汽参数超越了当时的技术水平。以后将蒸 汽降至 241MPa、538566，并逐步完善，这种蒸汽参数保持了 20 余年。 日本引进美国的技术并结合欧洲的适合变压运行的本生式直流炉，成功地开发了超超临界机组。 在 1989 年和 1991 年成功地投运 2 台 700MW、31MPa、566566566的机组， 运行情况良好， 可用率水平很高。 1998 年投运主蒸汽和再热蒸汽温度均为 600的原町 2 号 1 000MW 机组，该机组实测发电机端效率达 447。 欧洲在 19951999 年间至少投运 9 台蒸汽压力 285MPa310MPa、温度 54558 7的超超临界机组，在建的还有 10 台，并将蒸汽温度提高至 600以上。其中丹麦已投运的 2 台超超临界机组的热效率可达 4749。 2蒸汽参数的选择 机组的蒸汽参数是决定机组热经济性的重要因素。一般，压力是 166310MPa、温 度在 535600的范围内，压力每提高 1MPa，机组的热效率上升 018029； 新蒸汽温度或再热蒸汽温度每提高 10，机组的热效率就提高 02503；如果采用二 次再热的机组就比一次再热机组的热效率高 1520。现在常规的超临界机组采用的蒸 汽参数为 241MPa、538566。超超临界机组一般采用二次再热，其参数为：310M Pa、566566566或 310MPa、593593593或 345 MPa、64 9593593。超超临界机组的供电端效率见表 1 所示。 随着参数的提高，对材料的要求、产品开发的技术难度、机组的造价也越来越高，比较超超临界 机组的 3 种参数，前 2 种现实性更大些。随着科技的不断发展，到 2005 年超超临界机组的参 数可为 335MPa、610630630；到 2015 年参数可达 40MPa、700720 720。 3超超临界压力锅炉的关键技术 超超临界压力锅炉的关键技术是多方面的，在设计和制造上都有高难技术，如材料的选择、 水冷壁系统及其水动力安全性、受热面布置、二次再热系统汽温的调控等，其中热强度性能高、 工艺性好、价格低廉的材料的开发是最关键的问题。 31材料 早期的超超临界锅炉使用了大量的奥氏体钢， 而奥氏体钢比铁素体钢具有高的热强性， 但热 膨胀系数大、导热性小，抗应力腐蚀能力低、工艺性差，热疲劳和低周疲劳性能（特别是厚壁件） 也比不上铁素体钢，且成本高得多，出现许多奥氏体钢制部件损伤事故。世界各国一直致力于开 发新材料和新工艺，改进和开发新型铁素体钢和改进了奥氏体耐热钢。欧洲开发出用于 625 的新型铁素体钢 E911；美、日等国协作研究了如 912Cr 钢 NF616、HCM12A 和 TB1 2M 等新材料；最近 1520 年新型铁素体马氏体的 912Cr 钢研制开发成功，允许主 蒸汽温度提高至 610，压力达到 30MPa，再热蒸汽温度至 625。特别是 550625铁 素体耐热钢的开发成功降低了超超临界机组造价。 由于蒸汽参数的提高， 高温部件的工作环境更 为恶劣，因此也必须采用更高级的材料来满足要求。 32水冷壁 超超临界压力锅炉的水冷壁系统， 主要集中在螺旋管圈水冷壁和由内螺纹管组成的垂直管圈 型式两种。 螺旋管圈水冷壁可以自由地选择管子的尺寸和数量， 因而能选择较大的管径和保证水 冷壁安全的质量流速， 管圈中的每根管子均同样地绕过炉膛和各个壁面， 因而每根管子的吸热相 同，管间的热偏差最小，适用于变压运行，其缺点是螺旋管圈的制造安装支承等工艺较为复杂及 流动阻力大。 内螺纹管的垂直管圈水冷壁受炉膛沿周界热负荷偏差的影响较大， 除了需要采取一 定的结构措施（例如加装节流装置）使管内工质流量的分配与管外热负荷的分布相适应外，还要 求较高的运行操作水平和自动控制水平。 在开发超超临界压力机组时， 有必要在现有的超临界压 力水冷壁内沸腾传热研究的基础上，扩展实验研究的压力范围，进一步进行试验研究，防止似膜 态沸腾现象，确保水冷壁系统工作的安全性。 33二次再热系统 在设计二次再热锅炉时， 必须考虑到高效率在基本负荷下运行， 决定最佳的再热器受热面布 置和再热蒸汽温度控制方法。 超超临界压力锅炉采用了二次中间再热系统， 蒸汽温度的控制要比 一次再热机组复杂得多。 原则上各种高温手段都可以进行再热温度的调节， 但考虑到在部分负荷 时再热蒸汽温度必须具备能确保设计值蒸汽温度的特性， 负荷变化时， 再热蒸汽温度对设计变化 率必须稳定。 再热蒸汽温度的控制还应考虑到以下两点： （1）为了不降低机组的效率，在正常运行时不用再热器喷水减温。 （2）采用再循环风机来控制再热蒸汽温度会增加电厂的动力消耗。 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 4超超临界压力锅炉实例 41日本川越火力发电厂 川越电厂 1、 2机组是世界上第一台超超临界机组， 采用超超临界压力二级再热系统 （3 1 MPa、566566566）使热效率在发电端达到 419。其锅炉技术参数见表 2 所示。 锅炉为燃用液体天然气，直流变压运行。炉膛为长方形断面，每角有 8 个喷燃器，4 角共计 32 个，喷燃器呈切向布置。在炉膛下部水冷壁管的双相流区域，采用传热性能良好的内螺纹管，内 螺纹管里面有沟槽，工质沿沟槽流动。在炉膛上部，热负荷低的部分，水冷壁采用光管。水冷壁 管垂直上升排列。内螺纹管材料为 STBA23（28559mm），螺纹深度 1mm、宽 5m m，每 10cm 有 4 条螺纹。 对再热蒸汽温度的控制，主要采用烟气再循环的方式。在后部烟道的下部，采用分系统烟气 档板（采用三菱改进型档板控制系统），作为对 2 级再热器进行汽温控制以及降低辅机的动力 消耗。过热器出口集箱和主蒸汽管采用 ASMESA335P91 和 SA182F91 新材料，过热 器管采用具有足够抗水蒸汽氧化特性的 ASMESA213TP347H 细晶粒钢管。超高温高压阀 采用了高温强度性能好的 ASMESA182F91 材料。 从川越电厂的运行情况看，超超临界机组与相同规模的超临界机组相比有着更好的运行特 性，带中间负荷时运行正常，并且热效率一直很高（表 3），自投运以来一直保持着很高的可* 性。 42丹麦诺加兰德火电厂 3 号炉 丹麦诺加兰德火电厂 3机是一台超超临界燃煤供热机组。采用了超超临界蒸汽参数、二次 再热，参数为 29MPa、580580580。该机组的锅炉能适用多种煤种，能带中间负 荷。锅炉为超超临界直流 Benson 塔型，具有螺旋管水冷壁和二次再热器。主蒸汽通过滑压运 行和全开汽轮机调门来调控。锅炉的炉膛截面尺寸为 12251225m，高为 70m。锅炉安 装了 16 个燃烧器和 4 个辅助点火燃烧器。它们是煤、油双燃，并且每个点火燃烧器可带负荷 7 万千瓦（按热值计算）。燃烧器安装在四层的四个角上。一次风系统和烟气再循环一起控制中压 缸出口汽温。在一定条件下，烟气再循环可以引入燃尽风系统以控制锅炉出口烟气的温度。水冷 壁和锅炉的上部通道选用 13CrMo44 材料，是因为需要一种不会在水冷壁的焊接处产生应力释 放的材料。 540以上的过热器管道使用奥氏体合金，采用一种 SA213TP347H 细粒钢，能耐蒸汽氧化 和高温腐蚀。高温区的联箱和连接管由马氏体钢制造，这种钢的性能符合国际标准的强度系数。 美国和前苏联在发展超超临界机组的初期，遇到很多问题，机组的可*性低，主要原因是选 用了过高的参数，超出了当时的技术发展水平（特别是材料）。现在国外改进和开发的材料已满 足了超超临界压力机组的要求，超超临界机组经过不断地完善发展，技术早已成熟。据美国 EP RI 的统计，超超临界机组的可用率已达 90，有的还要高一些，其可用率并不低于超临界机组 和亚临界机组。超超临界机组的热效率高，与常规的超临界机组相比较，至少可节约燃料 4 5（表 1）。运行实践也表明，超超临界机组的变压运