超超临界机组》教材讲解.ppt

超临界机组专题,安徽电力公司培训中心 安徽电气工程职业技术学院 何 鹏,第一部分 概述,电力发展趋势,2004年我国燃煤发电机组的标准供电煤耗为379克千瓦时，与世界先进水平相差50克千瓦时至60克千瓦时。因此，提高煤转化效率，节约煤炭资源，是未来煤电发展的重要目标，是实现煤电可持续发展的重要保障。,提高电厂煤炭利用效率的途径，主要是提高发电设备的蒸汽参数。随着科技的进步，煤电的蒸汽参数已由低压、中压、高压、超高压、亚临界、超临界、高温超临界，发展到了超超临界和高温超超临界；发电净效率也由低压机组的20%，增加到了超超临界机组的48%；发电煤耗从500克/千瓦时下降到了250克/千瓦时。,机组运行压力、温度的提高带来的变化是连锁的，通常机组效率每提高1%，二氧化碳的排放就会减少2%。如果超超临界机组能比常规亚临界机组效率提高7%，二氧化碳的排放量就可以减少14%。,据预测，到2020年，我国煤电装机容量将新增2.4亿千瓦，如果新增煤电机组的90%都采用超超临界发电技术，那么我国每年可减少二氧化硫排放180万吨左右，减少氮氧化物排放90万吨左右，这相当于2001年我国发电企业排放总量的23%。,何为超临界机组？有哪些特点？与同类比较优点是什么？,超临界机组是指火力发电厂机组主蒸汽压力大于水的临界压力（22.12MPa）的机组。 超临界再分为常规超临界（SC）（24MPa/540560）和高效超临界(超超临界)机组（USC）（蒸汽温度不低于593或蒸汽压力不低于31 MPa被称为超超临界）。,蒸汽初参数与机组效率关系的一种估计,从目前世界火力发电技术水平看，提高火力发电厂效率的主要途径是提高蒸汽的参数，即提高蒸汽的压力和温度。发展超临界和超超临界火电机组，提高蒸汽的参数对于提高火力发电厂效率的作用是十分明显的。 如：亚临界机组的蒸汽压力及蒸汽温度为17MPa/540，其电厂效率为38%，供电煤耗为324克/kW.h; 超临界机组的蒸汽压力及蒸汽温度为25.5MPa/567，其电厂效率为41%，供电煤耗为300克/kW.h;,超超临界机组的蒸汽压力及蒸汽温度为2531MPa/600，其电厂效率为48%，供电煤耗为256克/kW.h;国外已经有蒸汽压力及蒸汽温度更高的机组，如高温超超临界机组，其压力达到31MPa甚至更高，温度达到700及以上，其电厂效率可达57%及以上，供电煤耗为216克/kW.h或更低。,超临界机组和亚临界机组特点比较,超临界机组是指主蒸汽压力高于临界压力（22.13MPa）的锅炉和汽轮发电机组，它具有如下特点： (1） 热效率高、热耗低。超临界机组比亚临界机组可降低热耗2.5，故可节约燃料，降低能源消耗和大气污染物的排放量。 (2）超临界压力时水和蒸汽比容相同，状态相似，单相的流动特性稳定，没有汽水分层和在中间集箱处分配不均的困难，并不需要象亚临界压力锅炉那样用复杂的分配系统来保证良好的汽水混合，回路比较简单。 (3) 超临界锅炉水冷壁管道内单相流体阻力比亚临界汽包炉双相流体阻力低。 (4) 超临界压力下工质的导热系数和比热较亚临界压力的高。 (5） 超临界压力工质的比容和流量较亚临界的小，故锅炉水冷壁管内径较细，汽机的叶片可以缩短，汽缸可以变小，降低了重量与成本。,(6）超临界压力直流锅炉没有大直径厚壁的汽包和下降管，制造时不需要大型的卷板机和锻压机等机械，制造、安装、运输方便。同时取消汽包而采用汽水分离器，汽水分离器远比亚临界锅炉的汽包小，内部装置也很简单，制造工艺也相对容易，相应地降低了成本。 (7）启动、停炉快。超临界压力直流锅炉不存在汽包上下壁温差等安全问题，而且其金属重量和储水量小，因而锅炉的储热能力差，所以其增减负荷允许的速度快，启动、停炉时间可大大缩短。一般在较高负荷（80100）时，其负荷变动率可达10/min。 (8) 超临界压力锅炉适宜于变压运行。 (9）超临界锅炉机组的水质要求较高，使水处理设备费用增加，例如蒸汽中铜、铁和二氧化硅等固形物的溶解度是随着蒸汽比重的减小而增大，因而在超临界压力下，即使温度不高，铜、铁和二氧化硅等的溶解度也很高，为防止它在锅炉蒸发受热面及汽机叶片上结垢，超临界锅炉需100的凝结水精处理，除盐除铁。 (10）超临界压力锅炉的蓄热特性不及汽包炉，外界负荷变动时，汽温、汽压变化快而必须有相当灵敏可靠的自动调节系统，锅炉机组的自控水平要求也较高一些。,超临界机组也存在着一些不足： (1) 超临界压力锅炉由于参数高，锅炉停炉事故的概率比亚临界多，降低了设备的可用率和可靠性。另外，超临界压力锅炉出现管线破裂和起动阀泄漏故障时影响较大。 (2)超临界压力锅炉虽然热效率高，但锅炉给水泵、循环泵却要消耗较多的电耗，压力参数的提高又会增加系统的漏泄量，实际上对热效率的提高和热耗的减少都会有一定的影响。 (3)超临界压力锅炉为了保证水冷壁和过热器的冷却，启动时要建立一定的启动压力和流量，为此要配置一整套专用的启动旁路系统，因而启、停的操作较复杂，热损失也大。 (4) 超临界直流锅炉水冷壁的安全性较差。直流锅炉的水冷壁出口处，工质一般已微过热，故管内会发生膜态沸腾，自然循环有自补偿特性，而直流炉没有这种特性，因此，直流炉水冷壁管壁的冷却条件较差，较易出现过热现象。,600MW超临界主机的一些特殊要求,(1) 锅炉部分 由于超临界锅炉的温度和压力比亚临界锅炉高，因此对锅炉提出了一些特殊的要求： 超临界锅炉受热面工作条件就较亚临界锅炉为差，故对于受热面钢种、管道规格等选择上提出较高的要求。尤其是过热器管选择时，更应注意所用钢材的抗腐蚀性和晶粒度指标。沁北电厂采用SUS347替代在亚临界压力锅炉上常用的SUS321，就是考虑到SUS321的晶粒度大，易形成氧化层（Fe3O4），脱落后将引起汽轮机的“硬粒冲蚀”的问题。,保证锅炉在各种工况下水动力的可靠性，在各种负荷下，从超临界压力到亚临界压力广泛的运行工况范围内，各水冷壁出口温度上下幅度须限定在规定范围内，确保水动力稳定性不受破坏；尤其当水冷壁悬吊管系中设有中间联箱时，必须采取措施避免在启动分离器干湿转换、工质为两相流时，联箱中出现流量分配不均匀而使悬吊管温差超限，导致悬吊管扭曲变形等问题。 超临界变压运行锅炉水冷壁对炉内热偏差的敏感性较强，当采用四角切园燃烧方式时必须采取有效的消除烟气温度偏差的措施（锅炉出口两侧最大烟温差不得大于50）。沁北电厂采用前后墙对冲燃烧的方式。,(2)汽轮机部分 对于汽轮机本体来说，由于超临界压力机组是由直流炉供汽，溶解于蒸汽中的其他物质较多，蒸汽在汽轮机的通流部分做功后压力降低，原先在高压下溶解的物质会释放出来，产生固体硬粒冲蚀。针对超临界机组固体硬粒冲蚀这一突出问题哈尔滨汽轮机厂采取了对通流部件进行表面硬化处理；从防磨角度优化通流部分进汽角度，减轻对叶片的冲蚀；采用全周进汽和调节汽门合理管理系统AMS以降低启动流速，减小硬粒冲击能量等。,超临界汽轮机由于主蒸汽参数及再热蒸汽参数的提高，特别是温度的提高，一些亚临界机组使用的材料，已不能适应超临界汽轮机的工作状况，因此，在选材问题给予了高度重视。主汽调节阀壳体和主蒸汽管采用9%Cr锻钢，以适应主蒸汽温度和压力变化的要求。低压缸进汽温度由亚临界的320升至370，亚临界使用的普通30Cr2Ni4MoV转子材料的长期时效脆性敏感性高，不能满足长期安全运行的要求。因此采用了超纯30Cr2Ni4MoV转子材料，降低材料的长期时效脆性敏感性，使超临界的低压转子能够长期安全运行。 结构设计上采取防止蒸汽旋涡振荡的措施，避免由于高压缸入口压力高、汽流密度大，使调节级复环径向间隙处发生蒸汽旋涡振荡所引起的轴承不稳定振动。通常以高压调节级处出现蒸汽振荡的可能性最大，设计上采用有成熟经验的叶型，并进行动强度核算，避免轮系振动频率与喷嘴尾迹扰动力频率重合所产生的共振。,超临界机组发展现状,美国是发展超临界发电技术最早的国家。世界第一台超超临界参数机组（125MW，31.03MPa，621/565/538）于1957年在美国投运。美国投运的超临界机组占大型火电机组的30%以上，容量以500800MW为主。美国拥有超临界机组两个世界之最，即最大单机容量1300MW和最高蒸汽参数（费城电力公司EDDY-STONE电厂的#1机组，蒸汽参数为34.5MPa，649/566/566）。近年来，美国GE公司还为日本设计制造了蒸汽参数分别为26.6Mpa/577/600和25Mpa/600/610的超超临界机组。,俄罗斯是发展超临界机组最坚决的国家。1963年，前苏联第一台300MW超临界机组投入运行，机组参数为23.5Mpa/580/565。现在共有超临界机组200多台，占总装机容量的50%以上，其300MW以上容量机组全部采用超临界参数。目前，俄罗斯研制的新一代大型超超临界机组采用参数为2830Mpa/580600。,日本采用引进、仿制、创新的技术发展路线。日本的超临界机组占常规火电机组装机容量的60%以上，其450MW以上机组全部采用超临界参数，最初投运的两套超超临界机组由三菱公司设计，容量700MW、蒸汽参数34.5Mpa/620/650。,我国于上世纪80年代后期开始从国外引进超临界机组，第一台超临界机组于1992年6月投产于上海石洞口二厂（2600MW，25.4MPa，541/569）。目前我国已经投产的超临界机组共计10余台。2006年，我国首批国产超超临界百万千瓦机组（华能玉环电厂一期工程）相继投运，标志着我国电力工业技术装备水平和制造能力进入新的发展阶段。,部分超临界机组可靠性举例,部分超临界机组可靠性举例,部分超临界机组经济性举例,第二部分 超临界锅炉,超临界锅炉工作原理及基本型式,1 基本工作原理 一、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,管内三类受热面无固定分界点,G 工质流量 Kg i 工质进口欠焓 KJ/Kg q 管子平均热负荷 KW/m2 r 蒸发潜热 KJ/Kg d 管内径 m 沿直流锅炉管子工质的状态和参数不断变化,二、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0 1，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,2 蒸发受热面主要形式 一、早期采用的形式 本生型，即多次串联垂直上升管屏式 苏尔寿式，即多行程迂回管屏式 拉姆辛型，即水平围绕上升管圈式式,垂直上升管屏式 1-垂直管屏；2-过热器；3-外置式过渡区；4-省煤器；5-空气预热器； 6-给水如口；7-过热蒸汽出口；8-烟气出口,回带管屏式 1-水平回带管屏；2-垂直回带管屏；3-过热蒸汽出口；4-过热器； 5-外置式过渡区；6-省煤器；7-给水入口；8-空气预热器；9-烟气出口,水平围绕管圈式 1-省煤器；2-炉膛进水管；3-水分配集箱；4-燃烧器；5-水平围绕管圈； 6-汽水混合物出口集箱；7-对流过热器；8-壁上过热器；9-外置式过渡区；10-空气预热器,二、现代直流锅炉采用的形式 由于锅炉向大容量、高参数发展；采用了膜式水冷壁；滑参数运行和给水处理技术发展。因此直流锅炉形式有了很大的变化。 一次垂直上升管屏式（UP型） 炉膛下部多次上升、炉膛上部一次上升管屏式（FW型） 螺旋围绕上升管屏式,UP型垂直上升管屏水冷壁,UP型垂直上升管屏包括一次上升和上升-上升,一次上升型（a） 给水一次流经全部四面墙水冷壁管屏，没有下降管，管屏沿高度分为上、中和下部三个辐射区，各区段之间设有混合器，用以消除平行管子间的热偏差 系统简单，流动阻力小，可采用全悬吊结构，水力特性较为稳定,上升-上升型（b） 炉膛下部高热负荷区域布置两个串联回路，用于提高管内工质质量流速以避免流动异常和传热恶化,（a）（b）,一次垂直上升管屏式（UP型）,FW型垂直上升管屏水冷壁,多次垂直上升管屏 炉膛下部高热负荷区域，炉外加设下降管，形成多次垂直上升；在上部较低热负荷区，仍采用一次垂直上升管屏,FW型垂直上升管屏为多次垂直上升管屏,多次垂直上升管屏的特点 既可保证高热负荷区有较高的质量流速，达到充分冷却的目的；又可减少水冷壁的流动阻力 有不受热的下降管，工质流程长，系统阻力较大,FW型,螺旋管圈型水冷壁,螺旋管圈型水冷壁 由若干根水冷壁组成管带，沿炉膛四面倾斜上升，无水平段，各管带均匀地分布在炉膛四壁，任一高度上所有管带的受热几乎完全相同,螺旋管圈型水冷壁的特点 炉膛四周热负荷不均不会增大工貭热偏差，热偏差较小 可根据需要获得足够高的工质质量流速，可减轻传热恶化的影响,螺旋管圈型水冷壁,工质焓值较高的管段处在热负荷较低的炉膛上部，对防止管壁超温有利 无下降管及中间联箱，金属耗量小 缺点是大机组沿炉膛高度管带中各管之间热偏差较大，制造安装困难，工作量大，承重能力差，悬吊难,螺旋围绕上升管屏式,水冷壁设计及布置,炉膛周界尺寸是由燃烧的条件决定的，它取决于炉膛的净热输入，燃料的种类和特性、燃烧器的型式和布置。对垂直管水冷壁而言，炉膛周界长度、管子直径、管间节距决定了它的重量流速的大小。在定的炉膛周界情况下，如采用垂直布置的水冷壁管，其管子根数基本固定，管子直径不能过细，为了保证水冷壁管子的安全，必须保证一定的工质流量，所以垂直管圈的重量流速大小是受到严格限制的。 炉膛周界尺寸的增加与锅炉容量的增加是不成正比例的。因此容量较小的直流锅炉水冷壁往往存在着单位容量炉膛周界尺寸过大，水冷壁管子内难以保证足够的重量流速。300Mw容量的锅炉水冷壁不能设成一次垂直上升型管圈；600MW容量的锅炉在负荷低于60%左右时重量流速也显得不足（这里指的是采用较粗的管子且无多次上升垂直直管圈，即采用UP型一次上升水冷壁结构），根据苏尔寿公司的经验，燃煤锅炉水冷壁设计成一次上升垂直管圈的极限容量最小应该在700MW以上。,解决炉膛周界和重量流速之间矛盾的方法一般有下述四种：（1）采用小管径和多次混合的水冷壁（如上锅300MWUP锅炉，采用内径11mm的管子）。（2）水冷壁采用工质再循环（低倍率和复合循环锅炉）。（3）采用多次上升管圈型水冷壁（FW型锅炉）。（4）采用螺旋管圈型水冷壁。,螺旋管圈水冷壁的特点,螺旋管圈的一大特点就是能够在炉膛周界尺寸定的条件下，通过改变螺旋升角来调整平行管的数量，保证容量较小的锅炉并列管束数量较小，从而获得足够的工质重量流速，使管壁得到足够的冷却。消除传热恶化对水冷壁管子安全的威胁。,螺旋管圈与垂直管圈两者重量流速比较 螺旋管圈数量与炉膛周界关系的几何原理图,螺旋管圈水冷壁的特点,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N亦减小。在管径一定的条件下管子根数N决定了水冷壁的重量流速。 当螺旋角达到最大值90时，螺旋管就变成垂直管了。此时，N=L/t，并列管子根数最大。,采用螺旋管圈水冷壁主要优点如下: （1）能根据需要获得足够的重量流速，保证水冷壁的安全运行。 （2）管间吸热偏差小，特别是对于容量比较小的锅炉，并列管子根数少，同时由于沿炉膛高度方向的热负荷变化平缓，因而热偏差小，螺旋管在盘旋上升的过程中，管子绕过炉膛整个周界、即途经宽度上热负荷大的区域又途经热负荷小的区域，因此就螺旋管的各管，以整个长度而言吸热偏差很小。据有关资料介绍，当螺旋管盘绕圈数为1.52.0圈时，其吸热偏差不会超过0.5%（冷灰斗也采用螺旋管圈）。 （3）抗燃烧干扰的能力强。在前墙的吸热量增加15%，右侧墙保持不变，而后墙的吸热量减少10%，左侧墙亦减少5%时，螺旋管圈的吸热偏差仍不会超过1%，其出口温度偏差在15之内。而相同情况下垂直管圈管间的吸热量偏差就会毫无缓冲地落在+15%-15之间。,（4）如果只考虑流量调节,可以不设置水冷壁进口的分配节流圈。垂直管圈为了减少热偏差，在水冷壁进口要按照沿宽度上的热负荷分布曲线设计配置流量分配节流圈。这种节流圈一方面增加了水冷壁的阻力降，而且节流圈对不同的负荷表现出的特性有差别,给水冷壁的设计带来很大复杂性。由于螺旋管吸热偏差很小，冷灰斗也采用螺旋的螺旋管圈，水冷壁管的阻力损失大大降低。 （5）适应于锅炉变压运行。螺旋管圈在变压过程中可以解决低负荷时汽水两相分配不均的问题,同时它能在低负荷时维持足够的重量流速,适合于变压运行。,2.螺旋管圈水冷壁的特点,采用螺旋管圈水冷壁主要有以下几点缺点。 （1）因为螺旋管圈的承重能力弱，需要附加的炉室悬吊系统。 （2）螺旋管圈制造成本高。它的螺旋冷灰斗、燃烧器水冷套以及螺旋管至垂直管屏的过渡区等部组件结构复杂，制造困难。 （3）螺旋管圈炉膛四角上需要进行大量单弯头焊接对口，工地吊装次数的增加，因而给工地安装增加了难度和工作量。 （4）螺旋管圈管子长度较长，阻力较大，增加了给水泵的功耗。 采用螺旋管圈水冷壁虽然可以获得足够的管内质量流速，但也带来了水冷壁的支撑问题。所以国产600MW超临界压力直流锅炉的设计关键是：确定管内质量流量，防止传热恶化导致管壁温度过高；解决螺旋水冷壁炉膛的支撑，即刚性梁的设计。,DBC/BHK/BHDB,锅炉水冷壁结构设计,炉膛四周水冷壁的结构设计重点考虑解决和避免以下问题： （1）随着负荷降低，工作条件极为恶劣的水冷壁中，质量流速也按比例下降。在直流方式下，工质流动的稳定性受到影响，为了防止出现流动的多值性不稳定现象，须限定最低直流运行负荷时的质量流速； （2）在进入临界压力点以下低负荷运行时，与亚临界机组一样，必须重视水冷壁管内两相流的传热和流动，要防止发生膜态沸腾导致水冷壁管金属超温爆管； （3）负荷降低后，炉膛水冷壁的吸热不均将加大，须注意防止它引起水冷壁管圈吸热不均导致温度偏差增大； （4）在整个变压运行中，蒸发点的变化，使单相和两相区水冷壁金属温度将变化，须注意水冷壁及其刚性梁体系的热膨胀设计，并防止频繁变化引起承压件上出现疲劳破坏； （5）由于降低负荷后，省煤器段的吸热量减少，按B-MCR工况设计布置的省煤器在低负荷时有可能出现出口处汽化，它将影响水冷壁流量分配，导致流动工况恶化。,锅炉水冷壁结构设计,炉膛中下部及冷灰斗均采用螺旋盘绕的水冷壁结构，使其在各种工况特别是启动和低负荷工况下让各水冷壁管内具有足够的质量流速，管间吸热均匀，防止亚临界压力下出现偏离核态沸腾（DNB），超临界压力下出现类膜态沸腾（DNB），减小炉膛出口工质温度偏差，以及水动力不稳定等传热恶化工况。水冷壁具有足够的动压头，也可避免如停滞、倒流、流动多值性等水循环不稳定问题的发生。这种布置结构简单，维护工作量小，即不需要变径的节流圈或阀门，同时也不必在水冷壁进口设专门给水流量平衡调节分配装置。 整个炉膛四周为全焊式膜式水冷壁，炉膛由下部螺旋盘绕上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁两个不同的结构组成，两者间由过渡水冷壁转换连接，炉膛角部为圆弧过渡结构。炉膛冷灰斗的倾斜角度为55。炉膛水冷壁总体布置见图4-9。 炉膛下部水冷壁（包括冷灰斗水冷壁、中部螺旋水冷壁）都采用螺旋盘绕膜式管圈，从水冷壁进口到折焰角水冷壁下标高处。螺旋水冷壁管全部采用六头、上升角60的内螺纹管。螺旋冷灰斗的结构如图4-10所示。,图4-9 水冷壁总体布置图,图4-10 螺旋冷灰斗的结构,3 本机组特点 一、结构与技术特性 本厂600MW机组采用的是DG1950/25.4型直流锅炉 。是东方锅炉（集团）股份有限公司与日本巴布科克-日立公司及东方-日立锅炉有限公司合作设计、联合制造的600MW超临界本生直流锅炉。该锅炉为超临界参数变压直流本生型锅炉，一次再热，前后墙对冲燃烧，单炉膛，尾部双烟道结构，采用挡板调节再热汽温，固态排渣，全钢构架，全悬吊结构，平衡通风，露天布置。,水冷壁及水循环系统特性 启动旁路系统特性 二、设计考虑与布置特点 设计指导原则 布置特点 三、变压运行优点,600MW超临界压力直流锅炉 水冷壁系统（石洞口二厂1900t/h）,炉膛总高度（自进口集箱至顶棚）为62125mm，宽度为18816mm、深度为16576mm 水冷壁在标高47882mm处由螺旋管向垂直管屏的过渡，上部为垂直管屏；下部为螺旋管圈，由316根平行管组成，以双头螺旋的形式盘旋上升，螺旋升角为13.9498度。 螺旋冷灰斗前后墙的垂直倾角为40，后水冷壁折焰角伸入炉膛的深度为4368mm（占炉膛深度约14），折焰角上方的出口烟窗的平均高度约14000mm左右,l-水冷壁进口环形集箱；2-螺旋冷灰斗；3-螺旋管圈；4-中间混合集箱；5-垂直管屏；6-折焰角；7-折焰角出口集箱；9-后水冷壁悬吊管进口集箱；10-后水冷壁悬吊管；11-水冷壁出口集箱；12-水冷壁出口连接管道；13-启动分离器；14-分离器出口连接管道,600MW超临界压力直流锅炉 水冷壁系统（石洞口二厂1900t/h）,省煤器出口的工质炉膛下部环形进口集箱 螺旋管圈中间混合集箱垂直管屏连接管汽水分离器 分离出来蒸汽由汽水分离器四根引出管引入过热器系统；水排入疏水扩容器实现工质回收,过热器结构和布置方式 根据传热方式，过热器可分为对流式、辐射式和半辐射式，而再热器通常都是对流式，在亚临界控制循环锅炉中也采用辐射式和半辐射式再热器。 辐射式过热器布置在炉膛的炉壁上，直接吸收炉膛辐射热，它的结构和水冷壁相似，只有管径可能不同。半辐射式过热器布置在炉膛上方，同时吸收炉膛的辐射热和烟气的对流传热，常由许多根做成“U”形的管子排成一个平面的管屏，因此又称屏式过热器。屏式过热器是系统安全运行中的薄弱环节。,过热器的基本结构示例图 1.锅筒；2.在炉膛壁上的二行程辐射式过热器；3. 炉膛出口处屏式过热器；4. 立式对流过热器； 5. 卧式对流过热器； 6. 顶棚过热器；7. 喷水减温器； 8. 过热蒸汽 出口集箱； 9. 悬吊管进口集箱； 10. 悬吊管出口集箱；11. 过热器悬吊管； 14. 燃烧器壁孔,分5级： 顶棚过热器 包墙过热器 低温过热器 屏式过热器 高温过热器,再热器系统 分2级： 低温再热器 高温再热器,过热汽温及再热汽温的调节 过热器及再热器作用：由于受材料的限制，锅炉的过热汽温度停留在540550的水平。仅提高压力而不相应的提高蒸汽温度，过热蒸汽在汽轮机膨胀作功后湿度很大，会影响汽机的安全，因此通常是将蒸汽在汽轮机作一部分功后送回到锅炉再加热，然后再回到后面的汽轮机作功，这样可降低汽轮机末级叶片中蒸汽湿度，电站的热效率还可进一步提高。再热器的作用就是布置在锅炉中加热从汽轮机引回来的蒸汽。 汽温的调节方式可分为蒸汽侧和烟气侧。蒸汽侧主要是喷水减温，在高温蒸汽中喷入高纯度的除盐水，水滴的汽化使蒸汽的温度降低。调节喷入的水量，可以达到调节汽温的目的。烟气侧主要是通过改变锅炉内辐射受热面和对流受热面吸热量分配比例的方法来调节蒸汽温度，主要有烟气再循环、调节燃烧器倾角等方式。为保证经济性，再热蒸汽常采用烟气侧调温。,二、汽温特性及调节 过热汽温 影响因素,煤水比、给水温度、过量空气系数、火焰中心位置、受热面 粘污,调节特点 调节煤水比为主调节手段；辅以喷水减温 再热汽温 三、过热器运行问题（略）,2 尾部受热面,省煤器 后竖井后烟道低过下方，顺列布置。 给水单侧（炉右侧）引入，单根下水连接管（炉右侧）引出。 蛇形管：50.87.1（SA-210C），光管，4管圈绕，横向节距114.3mm，168排，上下两组逆流布置。 省煤器进口集箱：50888，SA106C；省煤器出口集箱50888，SA106C。 省煤器系统重量由包墙系统引出的汽吊管悬吊。 省煤器管束与四周墙壁间设有阻流板，每组上两排迎流面及边排和弯头区域设置防磨盖板。,空气预热器 采用32#,VI型回转式空气预热器，每台锅炉配置两台三分仓空预器。 转子直径为13506mm，正常转数为0.99r/min，预热器采用反转方式，即一次风温低，二次风温高， 受热面自上而下分为三层，其高度分别为300+800,800,300mm。 热端和中间段蓄热元件由定位板和波形板交替叠加而成，钢板厚度0.6mm，高度为300+800+800mm,材料为Q215-A.F。冷端蓄热元件由1.2mm 厚垂直大波纹的定位板和平板构成，高度为300mm。（冷端蓄热元件采用低合金耐腐蚀钢板。）,空气预热 器分解图,空气预热器,第六章 超临界锅炉的水动力特性,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 滑压运行时，压力为亚临界压力及以下,1 受热面壁温及安全性 一、壁温计算 理想情况,实际情况,二、超临界压力下管壁温度 2在一定情况下较大 保证安全工作的原则,2 水动力不稳定性 一、超临界压力下工质的特性 超临界指工质参数 临界参数 临界压力Pc 22.129 MPa 临界温度t c 374.15 加热过程 ： 未饱和水,干饱和蒸汽,过热蒸汽,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。见图,二、管内汽液两相流型 随着干度 x 的增加，两相流型逐渐变化。,（a）泡状流； （b）弹状流； （c）环状流； （d）雾状流,三、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，有可能造成炉管失效损坏。 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P = P lz = P rs + Pzf,推导可得,G = w,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w 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w 增加影响程度大。因此，随着w 增加， P rs 增 加的值比 Pzf 减小的值少。,单值性条件,影响因素 工质进口欠焓 压力 热负荷 热水段阻力,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 水冷壁人口处装节流圈 提高水冷壁入口的质量流速,w (1.3-1.5) w*,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,P = P lz + Pzw,Pzw = Hrs rs g + Hzf zf g 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。,3 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 一、脉动种类 整体脉动 屏间（屏带或管屏）脉动 管间脉动 特点：,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,二、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。,压力峰 压力峰形成,压力峰下降,压力重新形成,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 w 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,4 蒸发受热面中热偏差 一、热偏差 定义 并列管组中各管，因为各管子的结构尺寸、内部阻力系数和热负荷可能各不相同，因此每根管子中蒸汽的焓增也就不同，这种现象叫做热偏差。 热偏差系数,二、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。,三、影响因素 热力不均匀 热负荷分布不均匀。锅炉炉膛中沿宽度方向烟气的速度 场、温度场和热流的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 。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。,水力不均匀 水平管圈,热负荷的影响 结构的影响 工质在受热面进口处的焓值的影响 压力的影响,水力不均匀 垂直管圈,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；重位压差占流动阻力比例愈大，其影响愈大，流量不均愈小。决定重位压差占总流动阻力比例的因素是质量流速，它取决于锅炉的负荷。负荷增加，重位压差在总阻力中所占份额减少，即锅炉在高负荷时，重位压差作用减小，流动特性表现出强迫流动特性。当锅炉在低负荷时，重位压差在总阻力中所占份额增大，重位压头作用增大，流动更多地表现出自然循环特性。在负荷较低时，有可能导致出现流动的停滞和倒流。,四、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 w,5 蒸发受热面中传热恶化现象 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 。,管内工质流动沸腾传热工况,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。 一、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 （Departure from Nucleate Boiling）来表示 。管内2减 小，壁温升高。,特征参数 临界热负荷 q lj 影响q lj的因素： 质量流速、含汽率、压力、管子内径和管子长度与内径的 比值,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2减小，壁温升高 的传热恶化现象。 特征参数 界限干度（质量含汽率） x jx 汽流中的水滴还湿润管壁时， x jx与热负荷有关。 汽流中的水滴没有润湿管壁时， x jx与压力、质量流速和管径有关,二、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34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，出现传热额恶化。,超临界压力下传热恶化实验曲线 p=23MPa，w = 400kg/(m2.s) 1 q=698kW/m2；2 q=6580kW/m2；3 q=465kW/m2；4 q=349kW/m2,三、解决传热恶化措施 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w 使用内螺纹管或扰流子,内螺纹管 (a) 单头 (b) 多头 (c) 优化结构,(a),(b),(c),6 蒸发受热面运行中注意问题 一、管子烧坏（爆管） 影响安全性因素 水动力多值性 停滞及倒流 脉动 热偏差 传热恶化 两相流体分配不均 水平管汽水分层 给水品质 管内工质热化学问题 运行操作中问题,2. 防爆措施 二、热膨胀问题 保证tb 50 ,第九章 超临界锅炉的启停,1 概述 一、单元制机组的启停 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 温态启动 热态启动 极热态启动。,与600MW超临界机组配套的超临界直流锅炉，启动时间 ： 冷态启动 56小时左右 温态启动 23小时 热态启动 11.5小时 极热态启动 1小时,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。,二、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,2 超临界直流锅炉的启动特性 一、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,启动质量流速和启动压力建立方法,二、升温速度 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 三、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。,四、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。,五、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。,3 超临界锅炉的启动旁路系统 一、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,二、启动旁路系统的功能和类型 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 内置式分离器启动系统 外置式分离器启动系统,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,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,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,三、某电厂DG1900/25.4-II1型超临界机组直流锅炉启动系统 由启动分离器、贮水罐、水位控制阀（361阀）等组成。,位置：炉前，垂直水冷壁混合集箱出口 筒身：规格87698（保证内径680），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,汽水分离器贮水罐,筒身：规格972111（保证内径750），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,4 超临界锅炉的冷态启动 一、启动前的准备工作 见教材 二、启动过程 三、启动曲线 对于不同类型的锅炉，应当根据其具体的设备条件，通过启动试 验，确定升压各阶段的温升值或升压所需要的时间，由此即可制定 出锅炉启动曲线，用以指导锅炉启动时的升压升温操作。,1）低压管路清洗： 确认各阀门状态（开或闭） 开启冷凝水泵 清洗冷凝器和除氧器之间的低压管路 持续清洗直至冷凝器入口水混浊度低于 3 ppm,2）炉前段清洗： 清洗高压加热器段管路。,3）锅炉上水 对锅内加水； 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 用辅助蒸汽加热除氧器，保证除氧器出口水温在80左右； 继续向锅内加水。同时打开启动排污阀排（361阀）放炉水直至启动分离器出口水优