超临界锅炉原理及运行.

超临界锅炉原理及运行绪论第一节600MW机组锅炉的类型和发展概况第二节600MW控制循环锅炉第三节600MW自然循环锅炉第四节600MW超临界压力直流锅炉第一节600MW机组锅炉的类型和发展概况600MW级燃煤机组是世界多数工业发达国家重点发展的火电主力机组，在一些国家火力发电机组标准系列中是一个重要的级别。这一容量等级的机组也是目前我国火电建设中大力发展的系列之一。从1985年我国引进的第一台600MW火力发电机组在元宝山电厂投运开始，我国进入了发展600MW火电机组的年代。一、600MW机组锅炉的类型和特性下表列出我国已投运的或在建的几台600MW级锅炉的主要设计特性。序号项目北仑电厂石洞口二厂平圩电厂元宝山电厂伊敏电厂神头二厂蓟县电厂1制造厂或供应商美国燃烧工程公司（CE）美CE瑞士sulzer哈尔滨锅炉厂德国斯坦因缪勒公司苏·波道尔斯克（苏IIk3)捷·斯可达公司苏·波道尔斯克(苏IIk3)2装机台数×容量2×6002×6002×6001×6002×5002×5002×5003炉型倒U型倒U型Π型塔式Π—78T型塔式Π—76T型4投产日期1989199219921990.19851998/995循环方式强制循环汽包炉超临界压力直流炉控制循环汽包炉亚临界压力本生直流超临界压力直流炉低倍率强制循环汽包炉超临界压力直流炉6锅炉容量(MCR工况)(t/h)20081900200818321650165016507主蒸汽压力(MPa)18.2125.317.318.625.017.4625.08主蒸汽温(℃)537541540.65455455405459再热蒸汽流量(t/h)168316131696168813801481136010再热蒸汽压力(进/出)(MPa)3.813/3.635/4.473.49/3.314.36/4.15/4.04.211/4.003/3.911再热蒸汽温度(进/出)(℃)322.2/537338/566313.3/540.6331/545295/545333/540295/54512给水温度(℃)279.7286272.225727525527513排烟温度(℃)13013012514015313913514锅炉效率(%)92.892.5392.3991.589.590.591.515燃料品种晋北烟煤神头府谷晋北烟煤平圩烟煤元宝山褐煤伊敏褐煤平朔洗中煤晋北煤16无油助燃时最低允许负荷(%)30303030503017燃烧室出口温度(℃)9641235108610951050111018燃烧室容积热强度(W/m3)123.4×10398.91×10676.648×10319燃烧室断面热强度1.28×1061.04×1065.61×1060.97×10620过热蒸汽调温方式一级喷水二级喷水二级喷水三级喷水喷水三级喷水喷水21再热蒸汽调温方式燃烧器摆动+喷水同左同左一级喷水汽-汽热交换器高负荷时喷水同左同左22燃料低位发热量Qar,net(kJ/kg)2244122901209341130410790181902245823燃料全水分Mar(%)9.6116.459.8225.123812.4624燃料灰分Aar(%)19.777.1925.2830.0915.637.019.7725可燃基挥发分Vdaf(%)22.8223.5623.0923.744739.332.31可以看出，这些600MW级锅炉基本上是从国外引进或用引进技术进行制造的，它的设备或技术基本引进于美国燃烧工程公司(CE)、拔柏葛公司(B&W)及福斯特·惠勒公司(FW)，许多国家的锅炉设计也都在不同程度上承袭了上述三公司的设计特点。锅炉蒸发系统内工质的流动方式主要有自然循环、控制循环、直流炉及直流复合循环四种。直流炉适合于超临界压力及亚临界压力参数，自然循环及控制循环只适宜于亚临界压力参数。国内目前600MW级锅炉主要有自然循环、控制循环和直流炉三种型式。1．锅炉蒸发系统内工质的流动方式锅炉汽水循环基本方式：流向过热器324561A自然循环B控制循环342437C直流D复合循环3845611—循环泵；2—锅筒；3—省煤器；4—炉膛水冷壁5—节流阀；6—分配集箱；7—给水泵；8—混合器再循环量给水量水冷壁流量10050050100流量100%7A全负荷复合循环锅炉负荷/100%123456图5—2亚临界压力复合循环1234576再循环量给水量10050050100水冷壁流量B部分负荷复合循环锅炉负荷/%1—水冷壁；2---汽水分离器；3---省煤器；4---混合器；5---循环泵；6---控制阀；7---节流阀电站锅炉中采用自然循环锅炉是相当普遍的。拔柏葛公司根据其在亚临界压力直流炉上为防止膜态沸腾而采用内螺纹管的经验，在自然循环汽包炉上亦加用内螺纹管，以保证循环可靠，使其成为保证炉膛水冷壁达到充分冷却的最简单、有效及可靠的方法。(1)自然循环汽包炉自然循环汽包炉的主要特点是流动方式简单、运行可靠。由于自然循环锅炉具有能适应炉膛内吸收热量变化而进行自调节的优点，因此吸收热量最多的管子通过的水量也最多，可防止传热不均匀现象的产生。自然循环不需用循环泵，故投资及运行费用均可减少。在炉膛高热负荷区域为使管子得到充分冷却并维持核态沸腾，需要一定的质量流速，而这种流速随着汽包运行压力的升高而增加。控制循环锅炉是美国燃烧工程公司(CE)的专利，我国哈尔滨锅炉厂和上海锅炉厂也引进此种锅炉的制造技术，第一、二台600MW级的控制循环锅炉已在安徽平圩电厂投运。控制循环锅炉的主要特点是在锅炉循环回路的下降管和上升管之间加装循环泵以提高循环回路的流动压头，因此汽包及上升管、下降管可采用较小的直径。但是加装辅助循环泵，运行时需消耗一定的功率，一般情况下循环泵消耗功率相当于锅炉功率的0.3%-0.4%。(2)控制循环锅炉直流锅炉也是大容量锅炉发展方向之一。特别是采用超临界参数的锅炉，直流锅炉是唯一能采用的锅炉型式。本生型直流锅炉发源于德国，早期本生型锅炉的炉膛蒸发受热面管子是多次上升垂直管屏，用中间混合联箱与不受热的下降管互相串联。通用压力型锅炉(UP炉)是拔柏葛公司在本生炉基础上加以改进的一种炉型。对于UP炉来说一般用于大型超临界压力直流炉，以确保水冷壁管内的质量流速。(3)直流锅炉螺旋管圈水冷壁管圈自炉膛底部沿炉膛四周盘旋上升至炉膛折焰角处，炉膛上部管屏改变为垂直上升管屏，以利于管子穿墙及悬吊结构的布置。螺旋管圈除进出口联箱外，中间不设置混合联箱，这种管圈的优点是热偏差小，且因无中间混合联箱，不会产生汽水混合物的不均匀分配的问题，因此可做成全焊接的膜式水冷壁管圈。复合循环锅炉与一般直流炉相比其优点主要是水冷壁质量流速可按再循环停止时的负荷选取，因此可选用较低的质量流速，以减少流动阻力。启动流量低时，启动系统的容量可按循环泵的工作起始点考虑，相应地可减少投资和启动热损失，锅炉的最低负荷极限可降到10％左右。由于工质流量变化小，温度变化小，相应地减小了温度应力，有利于在低负荷下运行。由于水冷壁的质量流速可由循环泵容量来保证，可避免采用过小直径水冷壁管，可在锅炉出力很低时启动汽轮发电机，因此可不要保护再热器的旁路系统，简化了启动系统。2.燃烧方式CE公司的传统设计方法，即为四角布置直流燃烧器的切圆燃烧方式，再热汽温调节采用摆动燃烧器，配置HP、RP碗式中速磨煤机的直吹式制粉系统。柏葛公司和福斯特·惠勒公司的传统设计方法，即采用旋流燃烧器前墙或前后墙对冲布置方式，制粉系统采用MPS磨煤机或双进双出筒式钢球磨煤机的直吹式系统，再热汽温调节一般采用烟气挡板。（1）四角切圆布置的直流燃烧器1）采用高调节比的煤粉喷嘴高调节比喷嘴高调节比喷嘴的外观切圆燃烧方式的锅炉，水平烟道左右两侧存在一定的速度偏差及温度偏差，随着锅炉容量的增加，水平烟道中的速度偏差及烟温偏差有增大的趋势。通过适当控制一、二次风动压比和使部分射流风反切，将一次风或部分二次风、燃尽风射流与主体旋转气流反切，可以削弱炉膛出口气流残余旋转，降低水平烟道左右侧烟气流速偏差。另外，在两级过热器、再热器之间安装混合联箱或左右交叉系统也是十分必要的，特别是对于再热器(因为再热蒸汽压力低、比热小，汽温偏差更大)更有必要。（2）墙式布置旋流燃烧器1）采用分级燃烧的方式、降低NOx的生成率。将一部分小于化学当量的空气引入燃烧器，而将其余空气由二次风口引入或从中间引入燃烧器，这样可降低燃烧区域的过量氧量，以减少NOx的生成量。目前国内引进的600MW机组的旋流燃烧器为双调节切向叶片式旋流燃烧器，也称为低NOx的燃烧器，其设计的思想是使燃烧过程按二段燃烧方式进行，达到稳燃和遏制NOx生成量的目的。双调节燃烧器就是指内、外二次风的可调。调节内外二次风的挡板和导向叶片，也就改变了内、外二次风的流量比、旋转强度，改变内外二次风间、二次风与煤粉气流间、以及与已着火煤粉气流问的混合，从而调节着火与火焰形状。NOx及SOx的生成同样因内部燃烧区内的氧气浓度低而受到遏制，也同样因外部燃料过稀区域中温度相对较低而受到遏制。因此它与直流燃烧器一样，是通过使生成NOx的两个主要因素——氧浓度及温度不同时具备而达到遏制的目的。3．炉膛结构设计炉膛设计有三个因素。首先炉膛容积应足够大，使燃料完全燃烧，并具有足够的受热面使烟气进人对流烟道前得到充分冷却。其次需将NOx的生成量限制到可被接受的程度。最后应使烟气流量保持均匀，使炉膛出口温度维持稳定，以防锅炉对流受热面产生结渣、堵灰及金属超温等问题。造成炉膛结渣有四个因素：每只燃烧器的热输入量、燃烧器与侧墙及灰斗的距离、炉膛单位截面上的热输入量及燃烧器区域的热负荷。采取下列措施:1)加大炉膛下部尺寸，以降低燃烧器区域的最大热流量；2)维持足够的炉膛受热面使炉膛出口烟气温度降低；3)加大各旋流燃烧器间的间距，加大燃烧器与炉墙及灰斗的间距，以降低炉墙的热流量，减少NOx的生成；4）采用“灰斗下通空气”及“空气屏幕”的方法，使在灰斗倾斜槽及封闭炉墙等处易结渣的地方形成一层由燃烧空气形成的防护层，从而产生氧化气氛，防止结渣及堵灰；5)采用蒸汽吹灰，在蒸汽吹灰不足以解决问题的地方用水力吹灰防止积灰，保持受热面清洁；6)加大管子的横向间距，炉膛出口处的立式管屏最易积灰，其管屏横向节距最小应为91cm。锅炉后部烟道采用光管，管子横向节距不得小于18cm，管子之间距离为10～13cm.二、本体布置型式及特点大型锅炉常见的本体布置型式有以下几种：1．Π形布置Π形布置的主要优点是：（1）锅炉的排烟口在下部，因此，转动机械和笨重设备，如送风机，引风机及除尘器都可布置在地面上，可以减轻厂房和锅炉构架的负载。（2）锅炉及厂房的高度较低。（3）在水平烟道中可以采用支吊方式比较简单的悬吊式受热面。（4）在尾部垂直下降烟道中，受热面易布置成逆流传热方式，强化对流传热。图1－7锅炉布置型式(a)Π形布置；(b)无水平烟道Π形；(c)双折焰角Π形；(d)箱形布置(e)塔形布置；(f)半塔形布置（5）下降烟道中，气流向下流动，吹灰容易并有自吹灰作用。（6）尾部受热面检修方便。（7）锅炉本身以及锅炉和汽轮机之间的连接管道都不太长。但这种型式也有缺点，主要有：（1）占地面积大。（2）由于有水平烟道，使锅炉构架复杂，而且不能充分利用其所有空间来布置受热面。（3）由于有水平烟道，烟气在炉内流动要经两次转弯，造成烟气在炉内的速度场、温度场和飞灰浓度场不均匀，影响传热效果，并导致对流受热面局部飞灰磨损严重。（4）由于锅炉高度低，又要求下降烟道与锅炉高度基本相近，因而在大容量锅炉中，在尾部烟道中要布置足够的尾部受热面便有困难，特别是在燃用低发热值的劣质煤时更显得突出。2．Γ形布置Γ形布置实质上是Π形布置的一种改进，只是取消了Π形布置中的水平烟道，其他则大致相同。布置紧凑，可以节省钢材，而且占地面积小；但尾部受热内的检修不方便。大容量锅炉如果采用管式空气预热器时，因为不便支吊，而且尾部烟道高度不够，就不宜采用这种布置。但如果采用回转式空气预热器时，