1000MW塔式锅炉与Π型锅炉的技术特点比较分析.doc

1000MW超超临界塔式锅炉与型锅炉的技术特点比较分析摘 要：文章对1000MW超超临界塔式锅炉与型锅炉的水冷壁、过热器和再热器的主要结构特点进行对比与分析，总结出各自的优缺点。关键词：超超临界塔式锅炉；超超临界锅炉；再热裂纹；节流圈Compare and analysis of technical features of 1000MW Ultra-supercritical tower-type boiler and -type boilerChengJiang1 Wanghongbo2Guangdong TaiShan Power Plant Co,ltd.,TaiShan,Guangdong 529228Abstract: The paper compares the main structure features of waterwall、superheater and reheater of 1000MW Ultra-supercritical tower-type boiler with Ultra-supercritical -type boiler, and summarizes the advantages and defects of Ultra-supercritical tower boiler and Ultra-supercritical boiler.Keywords: Ultra-supercritical tower-type boiler Ultra-supercritical -type boiler reheat crack Throttling ring1、前言自国内首台1000MW超超临界机组投产运行以来，目前我国已有多台超超临界1000MW机组投入运行或者再建中。国内目前投产的超超临界机组选用的是国外三大锅炉厂的技术，日本三菱公司、日本日立公司、ALSTOM技术。下面对某电厂1000MW超超临界机组塔式锅炉与某电厂1000MW超超临界机组型锅炉主要特点进行比较分析，总结出各自的优缺点。2、某电厂1000MW超超临界机组型锅炉结构特点某电厂1000MW超超临界机组锅炉采用的是哈尔滨锅炉厂有限责任公司引进的三菱重工业株式会社锅炉技术，锅炉是超超临界变压运行直流锅炉，采用平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构型锅炉。采用反向双切园燃烧方式，内螺纹管垂直上升膜式水冷壁、循环泵启动系统、一次中间再热。炉膛水冷壁采用焊接膜式壁、内螺纹管垂直上升式，全部为垂直管屏，管材均为15CrMoG，在上下炉膛之间装设了一圈中间混合集箱以消除下炉膛工质吸热与温度的偏差。水冷壁下集箱采用216mm的小直径集箱，并将节流孔圈移到水冷壁集箱外面的水冷壁管入口段，入口短管采用42.76的较粗管子，在其嵌焊入节流孔圈。过热器系统采用四级布置，沿蒸汽流程依次为水平与立式低温过热器、分隔屏过热器、屏式过热器和末级过热器；再热器分成低温再热器和末级再热器二级，低温再热器为水平布置，二级再热器为立式布置，过、再热器及其部件由于烟温较高均采用顺流、顺列布置。在尾部竖井的前、后分竖井的下部各装有一级省煤器，省煤器为顺列布置，以逆流方式与烟气进行热交换。3、某电厂1000MW机组塔式锅炉特点介绍某电厂21000MW超超临界压力塔式直流锅炉是在引进德国ALSTOM公司1000MW超超临界直流炉，单炉膛塔式布置、四角切向燃烧、摆动喷嘴调温、平衡通风、全钢架悬吊结构、露天布置、循环泵启动系统、采用机械刮板捞渣机固态排渣的锅炉。炉膛由管子膜式壁组成，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式。锅炉上部的炉内受热面全部为水平布置，穿墙结构为金属全密封形式。水冷壁在整个高度方向分为螺旋管圈和垂直管圈两部分。螺旋管圈的倾斜角度是26.2103度，螺旋管圈材料为SA213T12和SA213T23。垂直管圈管径为材料为SA213T23。省煤器受热面位于锅炉上部第一烟道出口处，水流方向是从下向上流动，省煤器管排沿炉膛宽度方向从左到右水平布置，省煤器受热面分为二组。过热器系统按蒸汽流向分为四级：悬吊管过热器、第一级过热器、第二级过热器、第三级过热器，全部为水平布置。再热器系统由第一级再热器和第二级再热器两级组成。全部沿炉膛宽度方向从左到右水平布置。过热器出口配置100%高压旁路系统。再热器出口设置了65%低压旁路系统。4、塔式锅炉与型锅炉主要特点比较分析4.1锅炉整体布置形式不同4.1.1型锅炉设计为单炉膛后竖井双烟道结构，炉内水平受热面布置在由包墙过热器包覆的后竖井双烟道中，而炉内立式受热面则布置在炉膛上方与出口处。锅炉炉膛出口通过90度转弯转向到后竖井，炉膛中的烟气由下到上流经受热面，而后竖井中烟气由上到下流经受热面。型锅炉此种布置形式其主要优点是：锅炉高度相对较低，易于安装，尾部烟气向下流动、有利于吹灰，炉膛内部受热面为立式布置空间较大，检修较方便。型锅炉此种布置形式其缺点是：锅炉占地面积大，因烟气有2次转弯，导致锅炉尾部受热面烟温偏差较大，对后部低温对流受热面局部磨损较塔式炉大；水冷壁特别是上部后水冷壁回路复杂，其热力与水力偏差较塔式炉大。4.1.2塔式锅炉未设计后竖井，所有的受热面全部水平布置在由水冷壁包覆的炉膛上方，炉膛出口为烟道，其内未布置受热面，烟气自下而上流过炉内受热面。塔式锅炉其主要优点是：（1）水冷壁回路简单，不仅炉膛各墙水冷壁间热力与水动力偏差小，而且后水冷壁回路也特别简单。（2）无烟气转向问题，烟气温度和流速分布相比型炉更为均匀，烟温偏差可大大减小，并且能减轻对流受热面的结渣和烟侧磨损，另外利于减小各级受热面烟气侧的热偏差，通常热偏差系数均可控制在1.1左右。塔式锅炉主要缺点是：锅炉布置较高约128m，增加了锅炉房地基费用，锅炉安装相对较困难，另外锅炉内部受热面全部为水平布置，管排间距离较小检修困难。4.2燃烧器布置方式与再热器气温调节方式不同。4.2.1某电厂型锅炉燃烧器共48只，布置于前后墙上，形成二个反向双切园，以获得沿炉膛水平断面较为均匀的空气动力场。而某电厂塔式锅炉采用的是四角切园燃烧方式，沿炉膛四角高度方向共布置燃烧器。反向双切园燃烧方式除具有四角单切圆燃烧方式的优点外，还能有效降低气流的残余旋转，使炉膛出口烟温分布均匀，其主要缺点是煤粉管道布置较复杂。4.2.2某电厂塔式锅炉蒸汽温度调节手段有三种：煤水比调节、喷水进行调节、燃烧摆动方式调节；但某电厂型锅炉汽温调节方式除了上述三种方式外，对再热器气温一种主要的调温方式是用布置在尾部分隔烟道中的调温挡板调节，此调温方式运行简单可靠，调节反映速度较快，调温灵敏，同时避免了采用摆动燃烧器长期以来存在不能正常摆动的问题，为型锅炉一个主要的特点之一。4.3水冷壁系统的设计型式与材料选用不同。4.3.1某电厂塔式锅炉下炉膛采用螺旋管圈，上炉膛采用垂直管圈。此种结构的水冷壁其主要优点是：（1）水冷壁沿炉膛四周热偏差较小，对煤种和燃烧方式变化的敏感性较小也不需采用内螺纹管和节流孔圈。（2）相同炉膛周界条件下，通过改变螺旋管圈倾角，可以任意选择水冷壁管子数量，水冷壁管内质量流速的选取范围广，采用内螺纹管可以确保质量流速具有足够的安全裕度和控制较低的汽水阻力。（3）采用较高质量流速设计，且进口不需装设节流圈，螺旋管圈水冷壁的传热、流量分配和介质出口温度等不会受到燃烧器、磨煤机切换等工况的影响，对煤种变化、炉膛结渣以及机组负荷变化所引起的吸热量的变化适应性好，变负荷、变压运行能力强。主要缺点:（1）水冷壁阻力较大，采用螺旋管圈水冷壁，即适当加大螺旋倾角（26.210），在保证运行可靠的前提下，适当降低质量流速1。（2）螺旋管圈水冷壁需要采用较复杂的荷载传递结构，需要在螺旋管圈与上炉膛垂直管屏之间焊上形状复杂的张力板，刚性梁附件需要直接与管子焊接，因此水冷壁管之间以及管子与承力焊件之间的各种应力分布较复杂，对运行启停要求较为严格。（3）螺旋管圈制造与安装难度相对垂直管圈较大。4.3.2某电厂型锅炉采用垂直内螺纹管，并在水冷壁进口处设计了节流圈调节一次上升垂直内螺纹管圈水冷壁。此种结构的水冷壁其主要优点：（1）垂直管水冷壁不易结渣，而螺旋管圈易于导致粘结灰渣，吹灰器的效果也较螺旋管圈为好。（2）从水动力特性角度出发，垂直水冷壁具有始终保持正向流动的优点，即具有部分自然循环炉的自补偿能力。（3）另一个突出优点是可以采用较低的质量流速，阻力较低易于制造和安装；正的流量特性、本生负荷可降低到20，从而使锅炉具有更好的运行特性。（4）由于垂直水冷壁管安装焊缝对接时只需在轴向调正，且水冷壁垂直荷载靠水冷壁管本身承受，因此水冷壁管之间以及管子与承力焊件之间的温差很小，无论是正常运行或负荷震荡期间的热应力均较小，因此延长了使用寿命。（5）压降小，动力消耗少，管子容易更换，运行费用较低，同时制造安装费用较低。其主要缺点：（1）管子根数由炉膛周界确定，质量流速只能通过改变管径的办法进行有限调节，维持较高水平的质量流速非常困难。质量流速下降将可能导致传热恶化，安全裕度小。（2）高低热负荷区域，管间吸热存在很大差异，须通过进口节流圈调节以达到一定的均匀性。（3）节流圈为针对锅炉某一负荷、某一煤种而设计。由于节流圈的固有特性，对所有负荷进行流量合理分配、调节较为困难；机组运行一段时间，节流圈将不可避免地结垢，偏离设计值。对煤种变化、炉膛结渣等所引起的炉膛热负荷变化适应性较差。（4）须在现场调整节流圈进行流量分配，节流圈的现场调整困难，所需时间也较长。（5）由于其水冷壁在其进口处设计了节流圈，其节流圈的孔径较小容易被堵塞，这对整个系统的洁净度要求非常高。（6）为装设节流孔圈，需采用大直径的水冷壁下集箱。针对上述缺点和根据运行经验，锅炉厂近年来对垂直管圈水冷壁作了改进，一是取消大直径的水冷壁下集箱，节流孔圈装于下集箱进口管子上，便于安装和调试，同时为了减少水冷壁出口温度偏差，已加装了中间混合集箱。4.3.2从水冷壁材料选用上，某电厂塔式锅炉水冷壁主要材料为T23钢，而某电厂型锅炉水冷壁选用的全部为15CrMo材料。两者材料的工艺性能、使用性能差别较大。T23（HCM2S）钢是在T22（2.25Cr-1Mo）钢的基础上吸收了102钢的优点改进的，600时的强度比T22高93，在高温性能方面较15CrMo钢具有突出优势，是主汽温度在620度以下的较佳选择材料，但从目前在已投产1000MW塔式锅炉机组中水冷壁中T23钢的使用情况来看，不少锅炉使用T23钢制造的水冷壁管焊接部位水压试验或运行时就发生了连续多处泄漏事故。目前大多数专家分析认为造成泄露最主要的原因是由于该钢焊接后的再热裂纹倾向大引发的泄露2。所以在T23钢作为水冷壁材料时必须要制定出与其特点相适应的安装、焊接工艺避免再热裂纹产生，其对工艺性能要求较高增加了其制造与安装成本。与T23钢相比，15CrMo钢是一种比较成熟的钢种，其工艺性能非常优良，具有良好的焊接、加工制作能力，焊接前不需预热、焊后不需要热处理，从制造与施工出发是非常理想的材料，但其高温性能较T23钢差，用在1000MW超超临界机组锅炉水冷壁上为了满足其高温性必须要增加其壁厚，并且增加壁厚后锅炉水冷壁重量也增加较多，其管径变的较细因此对煤种的变化和炉内空气动力场及温度场的变化较为敏感。另外某电厂1000MW型锅炉水冷壁采用的是厚壁15CrMo钢管，其厚径比大于0.2，对于厚径比大于0.2的钢管目前常规的检测手段不能检测到内壁存在的制造缺陷。4.4炉内受热面布置形式不同4.4.1某电厂塔式锅炉炉内受热面全部为沿炉膛宽度方向从左到右水平布置。塔式锅炉炉内受热面结构全部为水平布置的结构特点，其主要优点：（1）由于炉内受热面全部采用卧式布置，可顺利疏水，所有的受热面可全部参加酸洗、停炉保养和启动时蒸汽通畅流动，因此可提高对流受热面的使用寿命。（2）水平布置的受热面其垂直管段较短，高温受热面运行中产生的氧化皮脱落时不会集中堆积，另外可以对炉内受热面进行水冲洗将脱落的氧化皮冲洗干净。（3）塔式锅炉炉内受热面进口未设计有节流圈，避免了因存在节流孔，易发生异物堵塞爆管，对系统的洁净度要求较有节流圈的立式过热器低。其主要缺点：（1）由于炉内受热面全部为水平布置，管排间距较小，较易飞灰磨损与挂渣。（2）燃烧灰份较高的煤时，炉膛上部水平布置的过热器容易大量积灰并塌落，则会引起炉膛内燃烧不稳定，甚至灭火。（3）安装、检修较困难。4.4.2某电厂型锅炉则有立式与水平两种布置形式。炉内立式布置的受热面其主要优点是：（1）立式过热器的横向节距较宽，有效防止管屏挂渣。（2）安装、检修较方便。其主要缺点：（1）立式布置的受热面，不能进行疏水，不能参加酸洗。（2）高温产生的氧化皮脱落时容易集中堆积到管排底部弯头处，容易造成氧化皮脱落集中堆积造成的爆管事故。（3）立式受热面由多根管子并绕制而成，管屏长度较长，另外每根管子的长度和弯头数量有所区别，设计上为了保证每根管子的流量均匀，根据计算都在入口集箱上设置节流孔，杂物非常容易在节流孔处发生堵塞，这对系统的洁净度要求非常高。4.5旁路系统的配置某电厂塔式锅炉，过热器出口配置了100%高压旁路系统，再热器出口设置了65%低压旁路系统，取消锅炉过热器出口安全阀。而某电厂的型锅炉，过热器与再热器出口设置40%旁路系统，锅炉主汽导管装有1只弹簧式安全阀，4只PCV阀，在二只汽水分离器蒸汽引出管的连通管中装有7只过热器入口弹簧安全阀。100%大旁路与40%的小旁路相比，其主要优点：（1）锅炉气温速度提高快，启动时间短，除了能多发电外，启动过程总能量损失小。（2）取代安全阀。100%的高压旁路通常在3s内可完全打开，可完全消除因高压安全阀动作后产生的高强度噪音，且能最大限度的回收工质。（3）可实现停机不停炉。（4）确保汽轮机启动的蒸汽品质。使用大容量旁路，机组整组启动前，先经过一个“带旁路启动”过程，其热负荷通常要达到45%BMCR甚至更高。在此过程中，采取加大炉水的置换力度及投入凝结水精处理系统等措施以逐步提高汽水品质，可以彻底杜绝低标准蒸汽对汽轮机通流部分所造成的伤害，这对高参数，大容量的汽轮机尤为重要。（5）替代冲管。采用100%BMCR的高低压旁路，在带旁路启动阶段，锅炉进行适当时间的高负荷运行，可起到相当于冲管的效果。（6）大大减轻汽轮机固体颗粒侵蚀固体颗粒侵蚀（SPE），是超（超）临界机组面临的主要问题之一，较多地发生在锅炉启动阶段。锅炉通过带旁路启动，减缓了启动过程中过热器等蒸汽管道的温度变化，减少了固体颗粒的剥离，同时把启动过程中产生的固体颗粒直接排入凝汽器