1000MW超超临界塔式锅炉与Π型锅炉的技术特点比较分析

1、1000MW超超临界塔式锅炉与型锅炉的技术特点比较分析程江1 王洪波2（广东神华国华粤电台山发电 ， 广东 台山）摘 要：本文对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

2、 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 a

3、nd 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，

4、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

5、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。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。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。再热器的进口导管上装有8只弹簧式安全阀，在再热器的出口导管上装有2只弹簧式安全阀。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

6、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。锅炉上部沿着烟气流动方向依次分别布置有一级过热器、三级过热器、二级再热器、二级过热器、一级再热器、省煤器。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。所有受热面能够完全疏水干净。锅炉出口的前部、左右两侧和炉顶部分也是由管子膜式壁构成，但是这些地方的管子内部是空的，没有流体介质。除了水冷壁集箱之外，所有集箱都布置在锅炉上部的前后墙部位上。这些

7、炉前/后的集箱一端由悬吊管支承，另一端搁支在炉前/后墙水冷壁之上。锅炉共计48只直流式燃烧器分12层布置于炉膛下部四角，在炉膛中呈四角切圆方式燃烧。过热器汽温通过煤水比调节和两级喷水来控制。再热器汽温采用燃烧器摆动调节，一级再热器进口连接管道上设置事故喷水，一级再热器出口连接管道设置有微量喷水作为辅助调节。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。第二级再热蒸汽出口管道上布置了4台安全阀。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。水冷壁在整个高度方向分为螺旋管圈和垂直管圈两部分。

8、螺旋管圈段又分为螺旋管圈冷灰斗和常规螺旋管圈；垂直管圈分成下部垂直管圈和上部垂直管圈。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。过热器系统按蒸汽流向可分为四级：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。其中主受热面为三级。第一级过热器和第三级过热器布置在炉膛的上部，主要吸收炉膛内的辐射热量。第二级过热器布置在两级再热器之间，靠对流传热吸收热量。第一、第二级过热器呈逆流布置、第三级过热器顺流布置。过热器系统的汽温调节采用燃料/给水比和两级八点喷水减温，在第一和第二级过热器之间、第二和

9、第三级过热器之间设置二级喷水减温。本锅炉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。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：(1)锅炉占

10、地面积大。(2)因烟气有2次90度转弯，导致锅炉尾部受热面烟温偏差较大，转向室后的低温对流受热面局部磨损较塔式炉大。(3)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。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，烟气自下而上垂直流动，消除了型锅炉中因有二次90度转弯（炉膛出口和尾部转向室）而导致的烟侧偏差，并且能减轻对流受热面的结渣和烟侧磨损也是有利的。（2）由于锅炉采用塔式布置

11、，可使炉膛出口处烟气笔直通向上部对流受热面，无烟气转向问题，因此，烟气温度和流速分布相比于双烟道布置的锅炉更为均匀，烟温偏差可大大减小，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，增加了锅炉房地基的费用，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。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。每层共布置8只燃烧器，前墙布置四只燃烧器，后墙布置四只燃烧器。八只燃烧器为反向双切圆摆动式燃

12、烧器。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了48只燃烧器，燃烧器能实现上下摆动。反向双切园燃烧方式除了具有四角单切圆燃烧方式优点外，还能有效降低气流的残余旋转，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。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

13、型式与材料选用不同。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

14、。主要缺点:（1）水冷壁阻力较大，上海锅炉厂为了降低厂用电耗，近年来采用了所谓低阻力的螺旋管圈水冷壁，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。（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。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

15、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，不需要螺旋管圈水冷壁那样需要采用较复杂的荷载传递结构，也不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，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

16、命。（5）压降小，使得动力消耗少，管子容易更换，从而使运行费用较低。（6）制造、安装相对简单。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，

17、特别对于切圆燃烧锅炉，因水冷壁管的吸热量偏差较大，且不同负荷工况下炉膛热负荷分布存在差异，故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，不少电厂曾经因为设计了节流圈发生了多次异屋堵塞爆管的事故。（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，哈锅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。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

18、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，与102钢相当，但由于C含量降低，加工性能和焊接性能优于102钢。与15CrMo钢相比，T23钢强度高，尤其是在高温性能方面较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，使用在1000MW超超临界机组锅炉水冷壁中可大大降低其壁厚，减少其水冷壁钢的用量，是未来大容量高参数锅炉水冷壁首先用钢。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，使用

19、T23钢制造的水冷壁管焊接部位连续多次发生泄露事故，主要泄漏为管子的对接焊缝和管子与鳍片、管子与上部填块角焊缝均发现裂纹，不少锅炉水压试验时就发生了多处泄漏事故。泄露的原因与安装、焊接工艺选择不当密不可分。国内不少机构与专家参与进行泄露原因的分析，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。所以现在T23钢作为水冷壁材料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

20、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，不少使用厚径比大于0.2的15CrMo钢管的电厂曾多次发生过因制造中内壁存在缺陷引发的爆管事故。4.4炉内受热面布置形式不同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

21、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，此种布置方式成功解决了因高温受热面氧化皮脱落集中堆积造成的爆管事故。（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

22、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。电厂型锅炉则有立式与水平两种布置形式（省煤器、低温过热器、一级再热器水平布置在锅炉后竖井中，高温过热器与高温再热器则立式布置于炉膛上方及出口处）。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）某电厂型锅炉炉内立式受热面由多根管子

23、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，由于超超临界以上锅炉压力高，一般设计上都采用小口径管，这就造成管子内径很小，加上设计节流孔后，节流孔的孔径就更小，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。某电厂曾异物堵塞在节流孔处引发多次爆管事故。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

24、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。这种高压旁路采用了高可靠性设计，故可取代过热器安全门。采用这种配置方式，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。从理论上来说，只要汽轮机凝结水及循环水等系统运行正常，在任何电负荷下都能保证停电不停机，停机不停炉以及轻易的实现FCB。并且在汽轮机、发电机或主变压器高负荷跳闸的情况下，锅炉不受快速甩负荷甚至M

25、FT的冲击。在停机或FCB后，锅炉可平缓的降负荷。若汽轮发电机或电网的故障很快被消除，则立即可再次启动汽轮发电机及在并网后迅速加负荷。（4）确保汽轮机启动的蒸汽品质。在新机组的调试阶段，允许蒸汽品质低于正常的运行标准。通过不同负荷阶段的“洗硅”等调试步骤，不断改善汽水品质以逐步达到生产标准。在此过程中，不可避免的造成大量的低标准的蒸汽侵袭入汽轮机。但大容量旁路则可避免这一问题产生。机组整组启动前，先经过一个“带旁路启动”过程，锅炉的蒸汽借道旁路系统构成循环，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。经过数天甚至数

26、周的时间，直至蒸汽品质达到标准后才允许冲转汽轮机。这一方法不仅仅是应用于基建阶段，事实上，机组的每次冷态启动都必须先带旁路运行，待汽水品质合格后方能冲转汽轮机。用这种方法，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。在新机组的调试阶段，锅炉要通过酸洗及冲管等措施，对锅炉的受热面和主、再热汽管道进行清洗，彻底清除系统内的垢物和杂质，确保汽轮机的通流部分不受其伤害。但是在锅炉冲管期间，由于大量蒸汽持续的排向大气，产生很高分贝的噪声，对环境产生很不利的影响。在国内，曾有项目的冲管时间长达50多天。近年来，德国等一些欧洲国家的环保立法，禁止一些地区电厂的锅炉冲管。因此，电厂的设计采取了两个措施：一是利用塔式炉的优势，其对流受热面均为水平布置，管内积水可完全排尽。故可对整个锅炉，包括过热器、再热器进行酸洗及大流量水冲洗，尽可能的在酸洗阶段清除管内积垢及杂质。二是采用100%BMCR的高低压旁路，在带旁路启动阶段，锅炉进行适当时间