（工程热物理专业论文）大型超临界、超超临界锅炉低nox燃烧系统研究.pdf

浙江大学博 七 学位论文 关键词:超临界;超超临界;空气分级;低n o s 燃烧:数值模拟 浙江大学博士学位论文 ab s t r a c t c o a l i s t h e p r e d o m i n a n t p r im a ry e n e r g y i n c h i n a a n d i t i s d e t e r m i n e d t h a t c o a l - b a s e d p o w e r c o n s t i t u t e s t h e l a r g e s t p r o p o r t i o n i n t h e p o w e r m i x o f c h in a . ma n y k i n d s o f p o l l u t a n t s a r e e m i tt e d d u r i n g c o a l c o m b u s t i o n i n t h e p o w e r s t a t i o n , w h i c h h a s b e e n th e b i g g e s t p o l l u t i o n s o u r c e i n c h i n a . t h e s u p e r c r i t i c a l a n d u lt r a - s u p e r c r i t i c a l t h e r m a l p o w e r u n i t s , w i t h h i g h e f f i c i e n c y a n d l o w e m i s s i o n s , i s t h e p r e f e r e n t i a l c h o i c e f o r c h i n a t o d e v e l o p c l e a n c o a l p o w e r - g e n e r a t i o n t e c h n o l o g y . t h i s w o r k w a s i n v o l v e d in t h e s t u d y o n t h e l o w n o , c o m b u s t i o n s y s t e m s e q u ip p e d r e s p e c t i v e l y i n t h e 6 0 0 m w c a p a c i t y s u p e r c r i t i c a l a n d 1 0 0 0 mw c a p a c i t y u l t r a - s u p e r c r i t i c a l b o i l e r s i t i s d e m a n d e d t h a t t h e p r i m a r y a i r a n d c o a l p o w d e r c a n b e e v e n l y d i s t r ib u t e d a m o n g t h e b u r n e r s t o p r e v e n t s l a g , h i g h t e m p e r a t u r e c o r r o s i o n a n d i n c o m p l e t e c o m b u s t i o n , i t i s a l s o t h e p r e c o n d i t i o n o f l o w n o . e m i s s i o n . p u l v e r i z e d c o a l d i s t r i b u t o r i s u s e d f o r t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e a ir a n d c o a l p o w d e r i n t h e d i r e c t - fi r e d p u l v e r iz i n g s y s t e m . i n t h i s w o r k , t h e d i s t r ib u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p u l v e r i z e d c o a l d i s t r i b u t o r e q u ip p e d i n a 1 0 0 0 mw c a p a c i t y u l t r a - s u p e r c r i t i c a l b o i l e r w a s s t u d i e d in d e t a i l b y m e a n s o f e x p e r im e n t s a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n . e x p e r i m e n t s w e r e c a r r i e d o u t t o e v a l u a t e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e d i s t r i b u t o r w h e n t h e l e n g t h o f t h e s t r a i g h t e n t ry d u c t w a s a l t e r e d . t h e e ff e c t o f t h e i n s t a l l a t i o n m a n n e r o f t h e p r e f i x e d c u r v e d d u c t w a s a l s o i n v e s t i g a t e d . t h e t e s t s r e s u l t s s h o w t h a t t h e d i s t r i b u t o r w o r k e d b e tt e r w h e n fi x e d v e rt i c a l l y , w it h t h e c u r v e d d u c t i n s t a l l e d a t r i g h t a n g l e t o i t . i n t h i s w o r k , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y w a s a p p l i e d t o s i m u l a t e t h e t u r b u l e n t fl o w , c o a l c o m b u s t i o n a n d n o , f o r ma t i o n p r o c e s s i n t h e f u rna c e o f a 1 0 0 0 m w c a p a c i t y b o i l e r . t h e c a r b o n c o n t e n t o f fl y a s h u n d e r d i ff e r e n t c o n d i t i o n w a s a l s o e v a lu a t e d d u r i n g t h e s i m u l a t i o n . t h e 1 0 0 0 mw c a p a c i t y b o i l e r s t u d i e d h e r e i s a d u a l c i r c l e t a n g e n t i a l fi r i n g s i n g l e c h a m b e r b o i l e r , w i t h t h e l o w n o , c o n c e n t ri c fi r i n g s y s t e m ( l n c f s ) i s a p p l i e d t o r e d u c e n o , e m i s s i o n . f r o m t h e n u m e r i c a l s i mu l a t i o n t h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s w as o b t a i n e d . t h e a e r o d y n a m i c f i e l d i s n e a r l y s y mme t r i c a l i n t h e f u rna c e a n d t h e h e a t l o a d i s u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d , w h i c h c o n d u c e s t o r e d u c e t h e o u t l e t v e l o c i ty a n d t e m p e r a t u r e d e v i a t i o n o f fl u e g as . t h e n o , e m i s s i o n c a n b e r e d u c e d t o 3 0 0 m g / n m 3 w it h t h e u s e o f a ir s t a g in g i n t h e l n c f s s y s t e m . s u c h d e e p a i r s t a g i n g m a y l e a d t o t h e d a n g e r o u s h i g h t e m p e r a t u r e c o r r o s i o n a n d s e r i o u s f u r n a c e s l a g . i n o r d e r t o g e t a h i g h e r c a r b o n b u m- o u t a n d h i g h e r n o , r e d u c t i o n e f f i c i e n c y , t h e fl u x d i s t r i b u t i o n b e t w e e n t h e p r i m a ry a i r a n d s o f a s h o u l d b e o p t i m i z e d . t h i s w o r k i n t r o d u c e t h e c o m b u s t i o n c o m m i s s i o n i n g p r o c e s s a n d p e r f o r m a n c e t e s t s o f t w o d o m e s t i c 6 0 0 mw c a p a c i t y s u p e r c r i t i c a l b o i l e r s . t h e l o w n o , a x i a l s w i r l b u rne r t e c h n o l o g y a n d l n c f s s y s t e m a r e a p p l i e d i n t h e t w o b o i l e r s r e s p e c t i v e l y . t h e t e s t s r e s u lt s s h o w t h a t t h i s t w o a d v a n c e d c o m b u s t i o n t e c h n o l o g y h as a d v a n t a g e s o f g o o d l o w l o a d fl a m e s t a b i l i t y , h i g h c o m b u s t i o n e f f i c i e n c y a n d l o w n o , e mi s s i o n s . t h e o p t i m a l o p e r a t i o n s c h e m e s o f t h e c o m b u s t i o n s y s t e m s w e r e d e t e r m i n e d d u r i n g t h e t e s t s . t h e c o m b u s t i o n a n d n o , e m i s s i o n s c h a r a c t e r i s t i c s o f o n e o f t h e b o i l e r s w as a l s o s i m u l a t e d a n d t h e r e s u l t s w e r e c o n s i s t e n t w i t h t h e p e r f o r ma n c e t e s t s w e l l . 浙江大学博上学位论文 k e y w o r d s : s u p e r c r i t i c a l ; u l t r a - s u p e r c r i t i c a l : a i r s t a i n g : l o w n o , c o m b u s t i o n ; nu me r i c a l s i mu l a t i o n 学号 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表 或 撰 写过 的 研 究 成果， 也 不 包 含 为 获 得 止 拆 竺 达 j兰或 其 他 教 育 机构的 学 位或 证书 而使 用过的材料.与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名:签字日期:年月日 学位论文版权使用授权书 本学 位 论 文 作 者 完 全了 解丛 至 兰 人星 上有 关 保留 、 使 用 学 位 论 文的 规定， 有 权 保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授 江大学 可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索， 可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名:导师签名: 签字日期:年月日签字 日期:年月日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 第一章 总论 第一章 总 论 随着国民经济的快速发展， 我国电力工业也取得了高速增长。 根据中国电力 工业统计数据， 到2 0 0 6 年底全国发电总装机容量为6 .2 2 亿千瓦， 年发电量2 8 3 4 4 亿k wh ，按照国民经济和社会发展“ 十一五” 计划和2 0 2 0 年远景目 标的要求，到 2 0 2 0 年全国 装机容量将达到1 1 亿千瓦 q 煤炭在我国的一次能源消费构成中占 据主导地位， 因此电力工业的发展也以 煤电为主。在2 0 0 6 年6 .2 2 亿千瓦的总装机容量中，火电占7 7 . 8 2 ;到了2 0 2 0 年，煤电在总装机容量中的比例仍将达到 5 5 %左右。然而，我国目前的煤电机 组还存在诸多问 题， 制约着电 力工业的发展。主要表现在12 川 : ( 1 )大批低效率的小机组在运行，煤耗低、高效的机组所占比率低。由于 机组平均容量小， 参数低， 经济性差， 2 0 0 3 年全国6 mw 以上机组平均供电煤耗 为3 8 1 g / ( k w-h ) ， 发电 煤耗为3 5 4 g / ( k w-h ) ， 与世界经济发达国 家相比，高出 约 5 0 g / ( k w-h ) 。 ( 2 )火电机组的污染物排放严重。我国燃煤污染防治技术起步较晚，大部 分机组难以 达到排放标准。燃煤锅炉所排放的s 0 2 占全国排放量的 8 7 。而随 着燃煤机组的大幅度增加， n o x 的排放总量也将继续增长， 如果不采取有效措施， 在未来5 - 1 0 年内， n o a 排放总量将超过s 仇，成为电 力行业第一大酸性气体污 染物。 ( 3 )调峰能力不足。由于火电机组的品种比较单一，尤其是燃煤的国 产大 机组都是按基本负荷设计的， 因此机组的调峰性能较差， 给电网调峰造成很大困 难。 近年来我国用电结构发生变化， 相当一部分电网调峰电源不足， 系统调峰困 难。 大力发展高参数、 大容量、 低污染的超临界和超超临界锅炉是解决以 上问 题、 实现煤电 工业可持续发展的最切实可行而有效的途径之一。 超临界机组 ( s c )发电技术于2 0 世纪5 0年代初在美国问世，己 经有了几 十年的发展历史。相比于超临界机组，超超临界机组 ( u s c )的蒸汽参数更高， 机组热效率也得以进一步提升， 单机容量可达百万千瓦级。 近十几年来， 世界上 许多发达国家都在积极开发和应用超超临界发电技术. 目 前， 超临界和超超临界 机组在国际上都已是商业化的成熟发电技术， 在可用率、 可靠性和机组寿命等方 面可以和亚临界机组媲美。超临界和超超临界机组不仅可以显著提高机组热效 率，还具有低污染物排放的特点。通过加装尾部烟气脱硫装置，采用先进的低 n o , 技术等措施， 超临界和超超临界机组可以 满足日 益严格的污染物排放标准。 此外， 超超临界燃煤发电技术还有很大的发展潜力， 随着新材料的开发、 设计技 术和生产工艺的进步及系统的不断优化， 机组的参数等级和运行水平还可进一步 第一章 总论 提高，机组热效率也会更高。 发展超临界和超超临界机组发电技术有利于提高燃煤机组的平均热效率、 降 低整体发电 煤耗， 进一步改善我国的电源结构、 增强电网调峰的稳定性和经济性， 同时还能大幅度减少二氧化碳和其他污染物的排放， 保护生态环境， 提高环保水 平5 -6 1 。因此，在国家能源政策的调整和环境保护法律法规不断颁布实施的推动 下， 我国高参数、 大容量超临界、 超超临界燃煤发电机组将得到蓬勃发展，以高 效超临界、 超超临界机组取代常规燃煤机组是我国电力行业一项刻不容缓的重要 任 务 17 1 1 . 1超临界、超超临界机组的定义及特点 1 . 1 . 1超临界、 超超临界机组的蒸汽参数 从水的物性来讲， 只有超临界和亚临界之分， 当机组的工质参数超过水的临 界点时， 都可以称为超临界状态。 超超临界是人为的一种区分， 也称为优化的或 高效的超临界参数乙目 前超超临界与超临界的划分界限尚无国际统一的标准， 现 在常规的超临界机组采用的蒸汽参数为2 4 . 1 mp a , 5 3 8 c / 5 6 6 0c 。 国际上通常把 汽机进口 汽压高于2 7 m p a 或蒸汽温度高于5 8 0 的机组定义为超超临界机组 $ 1 随着科技的进步，新材料的开发，预计到 2 0 1 5年火电机组的蒸汽参数可达 4 0 m p a , 7 0 0 c / 7 2 0 c / 7 2 0 c 9 1 o 1 . 1 .2超临界和超超临界 机组的 优点 ( 1 )热效率高 机组的蒸汽参数是决定机组热经济性的重要因素。 一般压力为 1 6 . 6 - 3 1 . 0 m p a .温度在 5 3 5 二 6 0 0的范围内，压力每提高 1 m p a ， 机组的热效率上升 0 . 1 8 % 0 .2 9 %;新蒸汽温度或再热蒸汽温度每提高 1 0 0c ， 机组的热效率就提高 0 .2 5 / , 0 .3 %1 9 1 . 超临界、 超超临界压力参数火力发电是有效利用能源的一项新技术， 其工质 的压力、 温度均超过以往任何参数的机组， 可大幅度提高机组热效率， 从而降低 发电煤耗和发电 耗水量。 根据实际运行的燃煤机组的经验， 亚临界机组( 1 7 mp a , 5 3 8 c / 5 3 8 c )的净效率约为3 7 0/ 6 - 3 8 %，超临界机组 ( 2 4 m p a , 5 3 8 0c / 5 3 8 c )的 净效率约为4 0 % -4 1 ， 超超临界机组( 2 8 m p a , 6 0 0 0c / 6 0 0 0c )的净效率约为 4 4 % , 4 5 % b 。 另据 有关 资 料显 示 10 ， 在欧盟 和美国的 超 超 临界 发 展计 划中， 在 进一步提高机组蒸汽参数后，机组的热效率可以达到5 0 %以上。 2 )能够符合较高的环保要求 由于提高了机组热效率， 减少了单位发电量的燃料消耗， 超临界机组可以大 大降低c o : 的排放， 特别是参数更高的超超临界机组， 其c 0 2 排放量可以比亚 临界机组降低近 2 0 %. 第一章 总论 此外，由于采取了脱硫脱硝等减排措施， 超临界和超超临界机组在降低s 0 2 和n o x 排放等方面也具有比 较明显的 优势。 以国内建成运行的玉环电厂l 0 0 0 m w 超超临界机组为例3 1 ，通过设置烟气脱硫装置，s o : 排放浓度可以控制在 8 2 - 1 3 0 m g / n m 3 : 采 用 低氮 燃烧技 术， n o 二 排 放 浓度 在4 0 0 m g / n m 3 以 下， 并预留 s c r脱氮装置的 位置， 必要时可进一步降 低n q排放浓度;设有高效电气除尘 装置， 粉 尘 排放 浓度 为2 0 - 3 5 m g / n m 3 . 上 述数 据都 低于国 家对新建 燃煤电 厂的 大气污染物排放标准， 玉环电厂将建成一座具有世界水平的高效、 洁净燃煤电厂。 ( 3 ) 超临界和超超临 界机组的 单机容量大1 1 , 2 , 4 , 1 0 1 超临界机组蒸汽压力高、比容小， 汽机高压缸叶片短， 且极间压差大， 为保 证内效率，适宜采用大容量设计。国际上，超临界机组的容量一般都在 6 0 0 mw 以上， 超超临界机组的单机容量则达到了 百万千瓦级的水平。 单机容量大， 这使 得超临界、 超超临界发电技术与当前的其他洁净煤技术( 包括循环流化床燃烧发 电技术和整体煤气化联合循环发电技术等) 相比， 可以 很大程度上降低机组的单 位造价。 1 . 1 . 3超临界、 超超临界机组的技术特点 18 - 2 0 1 ( 1 )工质热物性特点 水的临界压力为2 2 . 1 1 5 mp a ，临界温度为3 4 7 . 1 2。在超过这一临界点后， 将看不见汽液共存的蒸发现象， 水将从液态直接变成汽态， 而且在超临界状态下， 水和蒸汽的物性参数完全相同， 也不存在密度差。 所以超临界、 超超临界机组只 能采用直流循环方式， 水在锅炉管中加热、 蒸发和过热后直接向汽轮机供汽， 不 存在汽包。 由于工质在锅炉各受热段内流动时的阻力损失都由给水泵来克服， 超 临界和超超临界机组需要较高的水泵压头，给水泵功率消耗大。 ( 2 )采用新型高温耐热钢 超临界机组的高参数对材料提出了很高的要求， 所用材料应具有足够的持久 强度、 蠕变极限及屈服极限， 还应具有较好的抗氧化性、 耐腐蚀性及良好的焊接 性能和加工性能， 并具有合适的热膨胀、 导热及弹性系数。 对于5 3 8 级的汽温， 一般采用1 0/ a - 2 % c r m o 钢， 5 6 6 级的汽温采用9 % c r 钢。 对于6 0 0 级的超超临界 锅炉， 其高温段的受热面应采用奥氏体不锈钢， 主蒸汽管道及集箱采用9 %c r im e 对于6 5 0 以 上的 汽温则应采用高温合金材料。 对于水冷壁管，由 于其温度水平 较低，对超临界锅炉可应用0 . 5 % c r m。 钢，对超超临界锅炉应用1 %c r mo 钢。 ( 3 )锅炉启动系统 超临界及超超临界机组采用直流锅炉。 直流锅炉在启动前必须建立一定的启 动流量和启动压力， 强迫工质流经受热面， 使其得到冷却。 超超临界直流锅炉的 启动流量一般选取为额定流量的 3 0 % - 3 5 %a月 一 麦超超临界锅炉的启动流量为 3 0 % mc r 。 我国引进前苏联超临界锅炉的启动流量为3 0 % mc r 。 石洞口二厂a b b 第一章 总论 超临界锅炉的启动流量为 3 5 % m c r 。日 本超临界锅炉启动流量选取得较小，一 般为 2 5 0/ 3 0 %mc r. 由于没有汽包作为汽水固定的分界点， 直流锅炉是水在锅炉管中加热、 蒸发 和过热后直接向汽轮机供汽， 在启停或低负荷运行过程中从水冷壁和过热器出来 的只是热水或汽水混合物，不允许进入汽轮机。 因此， 直流锅炉必须配套特有的 启动系统， 以保证锅炉启停和低负荷运行期间水冷壁的安全和正常供汽。 启动旁 路系统主要是指启动分离器及与之相连和并联的汽水管道、 阀门等， 根据运行方 式，可分为外置式和内置式2 种。 相比于外置式启动系统， 内置式系统无需分离器解列或投运操作， 从根本上 消除了汽温波动问题， 更适合于机组调峰， 因而在世界各国超临界及超超临界锅 炉上得到了广泛应用。 ( 4 ) 变压运行 现代超临界和超超临界机组采用复合变压运行的方式， 即在高负荷时保持额 定的蒸汽压力， 在低负荷时保持最低允许的供汽压力， 在中间负荷时采用变压运 行。 也即在高负荷及低负荷区， 负荷调节采用改变汽轮机调节阀开度的方式， 而 蒸汽压力保持不变; 在中间负荷范围，采用变压运行，用改变锅炉主蒸汽压力的 方式调节负荷。这种复合变压运行方式可使机组在高负荷运行时保持额定压力， 具有最佳的循环效率和良 好的负荷调节性能; 在中间负荷， 采用变压运行， 使汽 轮机通流部分的容积流量基本不变， 保持较高的内效率， 并使汽轮机高压缸的蒸 汽温度保持稳定， 因而热应力较小， 具有快速变负荷的能力; 在低负荷时定压运 行可防止压力过低出现流动不稳定等问题， 因而具有最佳的综合性能。 这样， 采 用变压运行可使机组具有夜间停机、 快速启动以及频繁启停和变负荷的能力， 并 使机组在高负荷及低负荷时均保持高的效率， 以及具有更低的最小负荷， 从而满 足中间负荷和调峰的要求，因而是现代超临界、超超临界机组的主要运行型式。 ( 5 )水冷壁结构形式 对超临界变压运行锅炉， 水冷壁结构型式主要集中在螺旋管圈水冷壁和由内 螺纹管组成的垂直管水冷壁两种型式。 其它的结构型式如多次垂直上升， 垂直上 升下降和多组水平回绕上升等管圈型式，由于在变压运行时，两相流分配困难， 因而仅适用于定压运行锅炉. 螺旋管圈是围绕炉膛上升，对每根管子在炉膛中的吸热量基本上是均等的， 炉膛内热负荷沿宽度、 深度和高度的分布不均匀基本上对它没有影响， 所以它最 大的优点是水冷壁出口的温度十分均匀， 其温差可以做到1 0 以内。 螺旋管圈水 冷壁进口无需设立节流圈，比较简单。 螺旋管圈需要较高的质量流速， 一般要比 垂直管圈高4 0 % - 5 0 %，因而它的流动阻力较大，比垂直管圈高0 . 5 - 1 . o m p a 。另 外，它的设计、制造、安装和支吊均比较复杂，现场的焊口相应也多些。此外， 第一章 总论 它对防止低灰熔点煤的结渣比垂直管圈稍差. 垂直管圈是一次上升，结构十分简单， 质量流速比螺旋管圈低，阻力小， 且 在低负荷下有一定的自 补偿能力， 它的设计、 制造、 安装和支吊均比较简单。 其 水冷壁的水动力是按7 5 %负荷设计， 1 0 0 %和3 0 %负荷进行壁温校核， 一般垂直管 圈的锅炉大都采用四角切圆燃烧方式， 由于炉膛内存在热负荷不均匀， 引起的水 冷壁出口的温度偏差要比螺旋管圈大得多，一般要达3 0 - 5 0 0c ，水冷壁进口要设 置节流圈， 并且首次启动中往往还需对节流圈进行局部调整。 由于其水冷壁出口 壁温和偏差要高于螺旋管圈，所以水冷壁出口的材质要好于螺旋管圈，如采用 t 2 3的材料。在垂直管圈中还有一种是在水冷壁中间设置混合集箱，如近年来 日 本三菱公司新设计投运的就有中间混合集箱， 它可以 做到水冷壁出口 温度偏差 小于2 5 ，但是其结构十分复杂，重量和焊口增加不少。 螺旋管圈和垂直管圈各有特点，都能适应超临界和超超临界锅炉运行的需 要。 采用先进的低n o x 燃烧系统 现代超临界、超超临界锅炉一般都配备先进的燃烧系统，以降低 n o s 的排 放和飞灰中可燃物的含量。 在采用直流嫩烧器切圆燃烧方式的超临界和超超临界锅炉中， 主要通过一二 第一章 总论 次风偏置、 加设燃尽风喷口 来实施炉内的径向 和轴向空气分级， 从而实现低n o , 排放。 美国c e 公司设计的低n o , 同轴燃烧系统 ( l n c f s )就是典型的代表。 而美国的 b 由于美国煤价较低，机组运行经济性不显著; 适宜带基本负荷的大量核电机组迅速投产，而当时的超临界机组调峰能力较差， 不能适应调峰需要。 为了提高机组可用率，后来发展的超临界机组多采用2 4 . i m p a / 5 3 8 c / 5 3 8 0c ( 个别采用5 4 1 0c - 5 4 3 0c ) ， 二次再热时用5 5 2 0c / 5 6 6 c ，并不断完善。 这种蒸汽 参数保持了2 0余年。到上世纪8 0年代，针对燃料价格上涨，环境保护要求日 益严格的现状，美国电力研究所 ( e p r i )在总结了前期超临界机组运行经验和 教训后， 根据当时的技术水平， 对超临界机组蒸汽参数和容量等进行了可行性优 化研究， 认为在技术方面不需 要作突破的 条件下， 机组采用3 1 m p a / 5 6 6 0c - 5 9 3 0c / 5 6 6 0c - 5 9 3 0c 蒸汽参数、二次再热、容量7 0 0 - 8 0 0 mw为最佳;并重新开发了蒸 汽参数为3 1 m p a / 5 9 3 c / 5 9 3 0c / 5 9 3 的二次再热超超临界机组。 但是，由 于美国 电力工业大力发展高效的燃气蒸汽联合循环， 上述研究成果未能得到实施， 却在 亚洲和欧洲某些国家得到了应用。 到1 9 9 2年，美国在役的1 0 7 台8 0 0 m w及以上火电机组均为超临界机组， 最大单机容量为 1 3 0 0 mw e 1 9 9 9年，美国能源部提出了发展先进发电技术的 vis i o n 2 l 计划。 其中， 对于超超临界技术， 主要是开发3 5 m p a / 7 6 0 0c / 7 6 0 0c / 7 6 0 0c 的超超临界火电机组， 使其热效率高于5 5 % 污染物排放比亚临界机组减少3 0 % . 1 .2 .1 .3 s c和u s c在日本的发展 日本发展超临界技术采用引进、仿制、创新的技术路线，自1 9 6 7 年从美国 第一章 总论 引进第一台超临界机组( 6 6 0 m w, 2 4 . 1 2 m p a , 5 3 8 0c / 5 6 6 0c) 开始， 到 1 9 8 5年 底已 有 7 7台超临界机组投入运行。其中，包括多台 7 0 0 m w 和 l 0 0 0 mw 超临 界 变压运 行机组。 机组的 参 数一 般为2 4 . 1 m p a / 5 3 8 0c / 5 6 6 0c ( 个别为5 6 6 0c / 5 6 6 0c ) e 由于采用美国的成熟技术， 4 5 0 mw 以上机组全部采用超临界参数， 超临界机组 占总装机容量的绝大多数，故供电煤耗为世界最低水平之前列。 由 于提高蒸汽参数可进一步提高热效率，日 本在 2 4 . 1 m p a / 5 3 8 c / 5 6 6 超临 界机组己经成熟的基础上，制订了超超临界计划。第一步将蒸汽参数提高到 3 1 m p a / 5 6 6 *c / 5 6 6 *c / 5 6 6 0c ， 第二步再提高到3 4 m p a / 5 9 3 0c / 5 9 3 0c / 5 9 3 0c ，并结合 美国e p r i 的研究成果成功开发了超超临界机组。因此，日 本最初投运的2 套超 超临界机组， 只提高主蒸汽压力而未提高其温度， 由于主蒸汽压力和温度不匹配， 故采用两次再热以防汽轮机末级蒸汽湿度过高。 二次再热虽是成熟技术， 但系统 复杂，与传统 2 4 a mp a , 5 6 6 0c / 5 6 6 一次再热相比，其热效率提高约 5 %;与 2 4 .5 m p a / 6 0 0 0c / 6 0 0 一次再热等级超临界机组相比，热效率仅提高0 .5 %，而机 组制造成本显著提高， 缺乏市场竞争力。 所以， 近年来各公司都转向开发高温度 参数的超临界机组。 目 前， 日 本蒸汽温度参数最高的机组是2 0 0 0 年在橘湾电厂投运的2台由i hi 设计的 1 0 5 0 m w, 2 5 . 5 m p a / 6 0 0 0c / 6 1 0 超临界机组。日 本正在酝酿开发参数为 3 4 .5 m p a / 6 2 0 0c / 6 5 0 0c 的超超临界机组。 1 .2 . 1 .4欧盟的s c和u s c技术发展情况 德国是研究、 制造超临界机组最早的国家之一， 1 9 5 6 年就投运了1 台8 8 m w, 3 4 m p a / 6 1 0 0c / 5 7 0 0c / 5 7 0 的超超临界机组。目前，德国己投运和在建的超临界 机组近2 0 台。 1 9 9 8 年和2 0 0 1 年月 一 麦投 运了2台由 丹麦f l s m i lj y b w e 设计制 造、 蒸汽 参数分别为2 9 mp a / 5 8 2 0c / 5 8 0 0c / 5 8 0 0c 和 3 0 . 5 mp a / 5 8 2 0c / 6 0 0 的4 1 5 mw 超超 临界机组， 分别安装于n o r d j y l l a n d s v a e r k e t ( n v v 3 ) 和a v e d o r e ( a v v 2 )电厂， 前者燃煤， 后者燃气。 在海水冷却的 情况下( 凝 汽器背压 2 .3 k p a ) ， 其热效率分 别达到4 7 % 和4 9 %，是迄今为止世界上热效率最高的火电机组。 欧盟超超临界机组的再热方式的发展与日本类似，除丹麦 2台超超临界机 组采用二次再热外， 其他超超临界机组也都采用一次再热。 与日本不同的是主蒸 汽压力和温度都进一步提高( 3 0 . 5 m p a / 5 8 0 0c / 6 0 0 0c ) ， 其热效率与2 9 m p a , 5 8 0 0c 二次再热机组基本相同。根据欧盟的高参数燃煤电站发展计划，预计到2 0 0 5 年 将投运热效率为5 0 %以上的3 3 . 5 mp a / 6 1 0 0c / 6 3 0 机组， 到2 0 1 5 年将投运热效率 达 5 2 % - 5 5 %的4 0 . o mp a / 7 0 0 0c / 7 2 0 c 机组。 1 . 2 . 1 . 5俄罗斯的s c和u s c技术发展概况 1 9 6 3 年， 前苏联第一台3 0 o mw超临界机组投入运行， 参数为2 3 .5 mp a / 5 8 0 0c 第一章 总论 / 5 6 5 0c 。由于蒸汽参数偏高，超过大量可使用的材料水平， 加上设计、 制造质量 等原因， 投运初期出现了高温腐蚀等问题。 后经改进和不断完善， 并将蒸汽温度 降为5 4 0 c / 5 4 0 0c ， 才使机组达到较好的水平， 其可靠性与超高压参数机组相当。 但是，在超临界蒸汽参数下，3 0 0 mw机组容量偏小，汽轮机通流部分气动损失 大、 效率 低， 其总体经济水平 仍偏低。 其后投运的5 0 0 m w, 8 0 0 m w和1 2 0 0 m w 机组基本上也采用了上述参数( 3 0 0 m w 与 5 0 0 mw 机组也有采用 5 6 5 0c / 5 7 0 0c 的 ) 。不过， 5 0 0 m w 燃煤机组由于可用率低及热耗高而没有大量应用;8 0 0 m w 和 1 2 0 0 mw机组只有燃油和燃气，而且 1 2 0 0 mw机组的可用率也较低。 前苏联所有3 0 0 mw 及以上容量机组全部采用超临界参数， 因此， 其超临界 机组达2 0 0余台，占总装机容量5 0 % 以上，且大多数为3 0 0 mw 机组。经长期 试验研究， 俄罗斯现己拥有一套比较完整的超临界技术。目前， 俄罗斯新一代大 型超超临界机组采用参数为2 8 - 3 0 m p a , 5 8 0 c - 6 0 0 c . 1 .2 . 2国外百万千瓦级超超临界锅炉的发展和现状3 3 -0 0 百万千瓦级的大容量火电机组从 6 0年代在美国的兴起，7 0年代开始逐渐 衰退， 至8 0 , 9 0年代在日 本又崛起的经历，以及国外大容量机组锅炉的运行和 技术发展经验均值得我国借鉴。 下面主要介绍美国和日 本大容量机组锅炉的发展 情况。 本世纪6 0 , 7 0年代是美国火电行业的黄金时代。由于不断增加单机功率和 提高蒸汽参数， 大容量、 高参数火电 机组不断涌现， 单机容量迅速突破1 0 0 0 m w o 首台1 0 0 0 mw 以上发电机组于 1 9 6 5年投运， 装于c o n s o l i d a t e e d i s o n电力公司 的r a v e n s w o o d火电厂， 其锅炉由c e公司设计制造。 c e , b t e mp a l o y a a 2 1 ，可用于3 0 m p a 以上6 3 0 0c 的蒸汽参数。 总体来说，日本的大容量火电机组锅炉具有以下几个主要技术特点: ( 1 ) 锅炉型式和燃烧方式锅炉为单炉膛， 采用四角燃烧或八角燃烧方 式， 如 三菱重工业公司采用的是无分隔墙的八角燃烧单炉膛，它由 2个四角燃烧炉膛 组合而成。 ( 2 ) 高蒸汽参数。日 本的 锅炉设计自1 9 5 9年开始采用 5 6 3 的蒸汽 参数， 沿用至 1 9 9 3年，以后采用 5 9 3 的蒸汽参数。目前，常用的超临界压力机组的 蒸汽参数为2 4 . 1 mp a / 5 9 3 0c / 5 9 3 或2 4 . 1 mp a / 5 9 3 0c / 5 9 3 c / 5 9 3 0c o ( 3 ) 采用变压运行技术，由 再循环烟气量控制炉膛吸热量，由 后烟道挡板控 制再热蒸汽温度。 1 .2 .3 超临 界和 超超临 界技 术在国内 的 发 展1 , 8 ,13 1 我国从上世纪 8 0年代后期开始重视发展超临界机组，在近 1 0几年中，我 国三大锅炉厂通过技术引进和大量的研究工作， 已完全掌握了超临界锅炉的制造 技术， 具备了批量生产超临界锅炉的能力， 因此我国加快发展超临界机组的条件 己 经成熟。 目 前我国超临界机组的订货己 超过1 0 0 套， 在近几年内 将会陆 续投运. 在此基础上，我国超超临界机组也开始发展， 除 6 0 0 mw 机组外， 将重点 第一章 总论 发展 l 0 0 0 mw 的机组。由原国家电力公司和中国华能集团公司牵头的国家 8 6 3 计划“ 超超临界燃煤发电技术” 研究课题， 围绕我国超超临界机组的关键技术开展 专题研究，攻克了 超超临界机组的技术选型、锅炉关键技术、汽轮机关键技术、 烟气净化技术、 电站设计与运行技术， 为我国超超临界机组的设计、 制造、 建设、 运行奠定了良 好的基础， 玉环电厂作为该课题的依托项目， 已率先在国内建设和 运行 l 0 0 0 mw超超临界机组。 目前， 我国超超临界机组的发展实行国内制造企业牵头， 引进国外合作方技 术制造的模式。主要的制造厂商包括:东方锅炉厂 ( 国外技术支持方日 立) 、哈 尔滨锅炉厂 ( 国 外技术支持方:6 0 0 m w 超超临界锅炉三井巴 布柯科、l 0 0 0 m w 超超临界锅炉三菱重工) 、上海锅炉厂 ( 国外技术支持方阿尔斯通) ， 东方汽轮机 厂 ( 国外技术支持方日 立) 、哈尔滨汽轮机厂 ( 国外技术支持方: 6 0 0 m w超超临 界汽轮机三菱重工、l 0 0 0 mw超超临界汽轮机东芝) 、上海汽轮机厂 ( 国外技术 支持方西门子) 。 国内制造的 l 0 0 0 mw 超超临界机组的新汽参数为:上汽 2 6 . 2 5 mp a -2 7 . 0 0 mp a / 6 0 0 c / 6 0 0 0 c， 哈汽、 东汽2 5 mp a / 6 0 0 0 c / 6 0 0 0c， 保证热耗率小于7 3 6 0 k j / k wh , 居国际先进水平:6 0 0 mw超超临界汽轮机的新汽参数为:2 5 mp a / 6 0 0 0c / 6 0 0 0 c , 保证热耗率不高于7 4 2 4 k j / k wh ，同样为国际先进水平。 至2 0 0 6 年底，国内l 0 0 0 mw超超临界机组的订单已达2 8 台， 6 0 0 mw级机 组的订单总共 1 2 台。 浙江玉环 l 0 0 0 mw超超临界机组是我国首台引进国外技术 制造的超超临界机组。 第一期2 台l 0 0 0 m w机组己分别于2 0 0 6 年1 1 月和1 2 月 投入运行。 机组保证热耗率7 3 1 6 k j / k wh ; 运行发电 煤耗2 8 4 g / k wh ， 运行厂用电 率 ( 含脱硫装置)为5 .2 ，供电 煤耗3 0 0 g / k wh 。山 东邹县l 0 0 0 m w超超临界 机组的锅炉为引进日 本日 立公司技术， 由东方锅炉有限公司和东方汽轮机有限公 司成套供货， 并于2 0 0 6 年 1 2月投入运行。 此外，由上海锅炉厂承担的上海外高 桥二厂2台l 0 0 0 mw机组、 哈尔滨锅炉厂承担的2 台l o o o mw机组也将于2 0 0 8 年起陆续投运。 1 ,3超临界、超超临界锅炉的低n o , 燃烧系统 燃烧设备是锅炉的关键设备。 对燃烧器本身而言， 无论是直流型的还是旋流 型的， 在技术上现在均已经很成熟和先进，它对组织炉内良 好燃烧、 低负荷稳燃 和降低n o x 都没有问题。 直流燃烧器切圆燃烧和旋流燃烧器前墙或对冲燃烧是目前应用最为广泛的 煤粉燃烧方式。 在国外， 只要锅炉制造厂一经确定， 其燃烧器的型式也就确定了， 因为他们都有各自 的 传统技术4 q ， 例如: 美国 c e公司 技术的 特点 之一就 是采用