电厂锅炉设备及系统.

电厂锅炉设备及系统能源与环境工程学院动力工程系孙坚荣第一节火力发电厂基本生产过程及锅炉的作用电力是一个国家经济发展的基础，是国民经济的先行官。与其他能源相比，电力具有很大的优越性，它效率高，便于控制和远距离传输，使用方便，所以现代社会发展对电力的依赖程度越来越高，电气化程度是衡量一个国家现代化水平的重要标志之一。但电力不是一种天然能源，必须由其他能源转换而成。大规模的电能生产一般在电站中进行。目前的发电方式主要有火力发电、水力发电和核能发电等。由于我国的能源以煤为主，所以火力发电是我国目前主要的发电方式，占我国发电总量的70％左右。利用燃料燃烧进行发电的设备称为火力发电机组，主要有三大设备组成：锅炉、汽轮机和发电机。火力发电机组的发电过程如以下示意图所示。上海石洞口第二发电厂电厂锅炉的作用由图所述，在火力发电厂的生产过程中存在着三种形式的能量转换：在锅炉中：燃料的化学能转变为热能；在汽轮机中：热能转变为机械能；在发电机中：机械能转变为电能。锅炉是火力发电厂三大主机中最基本的能量转换设备。其作用是利用燃料在炉内燃烧释放的热能加热给水，产生规定参数(温度、压力)和品质的蒸汽，送往汽轮机做功。我国电厂锅炉的燃料主要是煤。将煤磨制成煤粉，然后送入锅炉炉膛中燃烧，这种锅炉便是煤粉炉。第二节电厂锅炉的构成和工作过程以及各部件作用一.电厂锅炉的构成电厂锅炉机组是由锅炉本体、辅助系统及设备部件等构成的。锅炉锅炉本体辅助设备锅炉机组锅炉的汽水系统，用以完成水变成蒸汽的吸热过程。由汽包，下降管，联箱，导管及各热交换受热面等承压部件组成锅炉的燃烧系统，用以完成煤的燃烧过程。由炉膛，燃烧器，烟道，炉墙构架等非承压部件组成。送风机，引风机，燃料供应及制备、除灰、除渣、测量与控制等。电站煤粉锅炉机组组成2/4锅炉本体主要包括“锅”和“炉”两部分，“锅”部分：省煤器、汽包、下降管、水冷壁、过热器再热器、进出口联箱及汽水联通管道等。“炉”部分：炉膛、燃烧设备、空气预热器、烟道和风道等。此外，锅炉本体还包括用来固定和悬吊锅炉部件、受热面、炉墙等设备的构架(包括平台扶梯)。辅助系统包括：燃料供应系统、煤粉制备系统、给水系统、通风系统、除尘除灰系统、吹灰系统，水处理系统、测量及控制系统和烟气脱硫系统等。各个辅助系统都配有相应的附属设备和控制装置。下图为配300MW发电机组的煤粉炉布置图电厂超临界锅炉受热面的布置示意图电厂锅炉受热面内工质流程示意图由于火电站设备繁多，工艺流程复杂，直接由人工控制则很难保证各设备及系统的正常运行，因此现代火电站均配有先进的计算机集散控制系统（DCS），同时配有机组的数据采集系统（DAS）,协调控制系统（CCS），其下还包括很多子系统。另外锅炉还有燃烧安全监控系统（FSSS）或燃烧器管理控制系统（BMS）等等。为了方便生产过程的监控和管理，电厂还配有监控信息系统（SIS）2.电厂锅炉的工作过程电厂锅炉的工作过程可以分成两大系统的工作过程，即燃烧系统和汽水系统的工作过程。以下示意图便是电厂锅炉的燃烧系统和汽水系统的流程。燃烧系统由燃烧设备、制粉系统和风烟系统等组成，完成燃料在炉内的燃烧和高温烟气对受热面的传热过程。燃烧设备主要由炉膛、燃烧器和点火装置组成，要求达到燃烧效率高，燃烧稳定和连续，污染物的排放量低，运行调节方便等目的。制粉系统由磨煤机及其辅助部件构成，其任务是将原煤磨制成一定细度的煤粉，并将其送入炉膛进行燃烧。制粉系统主要有直吹式和中间储仓式两种，目前直吹式制粉系统得到广泛应用。风烟系统由送风机、引风机和风道及烟道组成，其任务是向炉内送入足够的空气，满足燃料完全燃烧所需的氧气，并及时将燃烧产生的烟气排出。目前电厂锅炉常采用平衡通风方式，即引风量略大于送风量，维持炉内一定的微负压，汽水系统由给水系统、蒸发系统和过热系统及再热系统组成，分别完成水的加热、蒸发和过热三个阶段的任务。给水系统的受热面主要是省煤器，给水在进入锅炉前先经过该受热面，吸收烟气的热量，使排烟温度降低，锅炉效率提高而节省燃料，因而该受热面就称为省煤器．蒸发系统由汽包、下降管、水冷壁和联箱及联通管道组成，其受热面为水冷壁，吸收炉膛中的辐射热，将下降管送入的水蒸发成饱和蒸汽。过热系统由不同型式的过热器及减温器组成，其工作任务是把水冷壁所产生的饱和蒸汽过热到一定温度的过热蒸汽，同时在锅炉允许的负荷波动保持过热蒸汽温度在正常范围内。再热系统由不同型式的再热器及减温器组成，其工作任务是把汽轮机高压缸的排汽再次加热，再送至汽轮机中压缸继续做功，以提高循环效率，并减少汽轮机末端的蒸汽湿度，保证汽轮机的安全。水冷壁→启动分离器→顶棚过热器→包墙过热器→低温过热器→一级减温→屏式过热器→二级减温→高温过热器→汽轮机锅炉过热蒸汽系统第三节电厂锅炉的特征和分类一、锅炉容量与参数1..锅炉容量锅炉容量即锅炉蒸发量，它是反映锅炉生产能力大小的基本特性数据。常用符号D表示，单位为T/H。在大型锅炉中，锅炉容量又分为额定蒸发量和最大连续蒸发量。蒸汽锅炉的额定蒸发量（BECR）是指在额定蒸汽参数、额定给水温度、使用设计燃料并保证热效率时所规定的蒸汽量。锅炉的最大连续蒸汽量(BMCR)是指在额定蒸汽参数、额定给水温度、使用设计燃料，长期连续运行时所达到的最大蒸汽量。一般BMCR=(1.03一1.2)BECR。例如某电厂配600MW发电机组的锅炉(BMCR)为1900T/H2.蒸汽参数锅炉蒸汽参数是说明锅炉蒸汽规范的特性数据，一般指锅炉过热器出口处的蒸汽温度和蒸汽压力(表压力)，分别用符号P和t表示，单位分别为MPa和℃。锅炉设计时所规定的蒸汽压力和温度称为额定蒸汽压力和额定蒸汽温度。对于具有再热器的锅炉，蒸汽参数还应包括再热蒸汽压力、再热蒸汽温度和再热蒸汽流量。以下表格示出我国电站锅炉的蒸汽参数和容量二、锅炉的分类和型号(一)锅炉分类锅炉的分类方法很多，主要有以下几种。1．按锅炉容量分类2．按锅炉的蒸汽压力分类我国300MW火力发电机组的锅炉绝大多数采用亚临界参数，而600MW以上的机组则多采用超临界参数。3．按炉内燃烧方式分类锅炉有四种不同的燃烧方式，对应于四种不同的锅炉，即火床炉、旋风炉、室燃炉和循环流化床炉，大型电厂锅炉通常采用室燃炉和循环流化床炉。(1)室燃炉。燃料以粉状、雾状或气态随同空气喷入炉膛中进行燃烧的方式称为火室燃烧方式，用火室燃烧方式来组织燃烧的锅炉称为室燃炉。如果是燃用煤的话，则称为煤粉炉火床炉室燃炉在室燃炉中，粉状、雾状燃料颗粒随同空气一烟气流作连续的运动，燃料颗粒悬浮在空气一烟气流中，连续流过炉子空间，并在悬浮状态下着火、燃烧，直至燃尽。所以室燃炉燃烧方式也叫悬浮燃烧方式，燃烧效率很高。煤粉炉、燃油锅炉和燃气锅炉都属于室燃炉。特别是煤粉锅炉，它是现代大中型电站锅炉的主要形式。煤粉炉一般采用的燃烧方式是直流燃烧器四角布置切圆燃烧方式、旋流燃烧器前后墙布置对冲燃烧方式和W型火焰燃烧方式下图是典型的煤粉炉采用的燃烧方式，即采用直流燃烧器四角布置切圆燃烧方式，燃燃器喷口布置在炉膛四个角上，将煤粉和空气以一定的角度喷入炉膛，在炉内形成旋转火炬。空气和煤粉在炉内混合强烈，着火条件优越，燃烧稳定，有利于煤粉的完全燃烧。(2)循环流化床锅炉流化床燃烧方式就是燃料颗粒在大于临界风速(由固定床转化为流化床的风速)的空气流速作用下，在流化床上呈沸腾状态的燃烧方式。这种燃烧方式有明显的优点，即能够燃用劣质煤和污染物排放少等，40多年来发展很快，应用范围已从中、小型的工业锅炉发展到较大型的电站锅炉。循环流化床锅炉性能在很多方面都可与煤粉炉相比美，在减少污染方面还优于煤粉炉，可以大大减少硫氧化物和氮氧化物气体的排放，所以循环流化床锅炉出现以后，立刻受到国内外的高度重视，并得到迅速发展，可望成为新一代高效率、低污染的电站燃煤锅炉机组。特别在我国，电站锅炉以燃煤为主，而且主要是劣质煤，燃料量的增大会引起更大的环境污染问题，因此促进了此类锅炉的发展。下图为循环流化床锅炉的简图和工作原理图4．按锅炉蒸发受热面内工质的流动方式分类按工质在蒸发受热面内的流动方式可以将锅炉分成：自然循环锅炉、强制循环锅炉和直流锅炉(1)自然循环锅炉。蒸发受热面内的工质，依靠下降管中的水和上升管中的汽水混合物之间的密度差所产生的压力差进行循环的锅炉，称为自然循环锅炉。(2)控制循环锅炉。控制循环锅炉都是在自然循环锅炉的基础上发展起来的，蒸发受热面内的工质除了依靠下降管中的水和上升管中的汽水混合物之间的密度差所产生的压力差以外，主要依靠锅水循环泵的压头进行循环的锅炉，称为控制循环锅炉。自然循环汽包锅炉具有汽包，利用下降管和上升管中工质密度差产生工质循环强制循环具有汽包和循环泵，利用循环回路中工质密度差和循环泵压头工质循环4/5锅炉蒸发受热面中工质流动方式(3)直流锅炉。给水靠给水泵的压头，一次通过锅炉各受热面产生蒸汽的锅炉，称为直流锅炉，直流锅炉的特点是没有汽包，整台锅炉由许多管子并联，然后用联箱连接串联组成。在给水泵压头的作用下，工质依顺序一次通过加热、蒸发和过热受热面。进口的工质是水，出口工质则是符合设计要求的过热蒸汽。由于所有受热面内工质流动是靠给水泵的压头来推动的，所以在直流锅炉中，受热面中工质都是强制流动。直流锅炉既可用于临界压力以下的锅炉，又可用于临界压力以上的锅炉，而超临界压力时只能采用直流锅炉。锅炉类型直流锅炉无汽包，给水靠给水泵压头一次通过各受热面产生蒸汽低倍率循环锅炉无汽包，具有汽水分离器和再循环泵，主要靠再循环泵实现工质再循环5/5(二)锅炉型号锅炉型号是指锅炉产品的容量、参数、性能和规格，常用一组规定的符号和数字来表示。我国电厂锅炉型号一般用四组字码表示，其表达形式如下：AA×××／×××一×××／×××一△×第一组符号是制造厂家(HG表示哈尔滨锅炉厂，SG表示上海锅炉厂，DG表示东方锅炉厂)；第二组数字分子是锅炉容量，单位T／H，分母数字为锅炉出口过热蒸汽压力，单位MPa；第三组数字分子分母分别表示过热蒸汽温度和再热蒸汽温度，单位℃；最后一组中，符号表示燃料代号，而数字表示锅炉设计序号。煤、油、气的燃料代号分别是M、Y、Q，其他燃料代号是T。例如，SG1025／18.2一540／540一PM7型表示上海锅炉厂制造，容量为1025t／h，过热蒸汽压力为18.2MPa，过热蒸汽温度为540℃，再热蒸汽温度为540℃,设计燃料为贫煤，设计序号为7(该型号锅炉为第7次设计)。另外，根据锅炉的布置方式，工质在蒸发受热面中的流动方式等，可以称为型布置控制循环亚临界煤粉炉。第四节电厂锅炉的发展趋势目前国内外电厂锅炉的发展方向主要是高效、低污染、以及满足机组调峰的需要。1.增大锅炉单机容量和提高蒸汽参数。要做到高效利用燃料，节省有限的能源，其主要的方向就是增大锅炉单机容量和提高蒸汽参数。近几十年来，世界发达国家的电力工业得到了飞速发展，特别是计算机控制技术和耐高温金属材料的开发和应用，为电厂锅炉向高参数、大容量、高自动化发展提供了强有力的技术支持。目前，在工业发达的国家中，与600MW汽轮发电机组配套的2000t／h超临界压力的大型电厂锅炉已相当普遍。美国1972年就已有与1300MW配套的4400t／h超临界压力的锅炉投入运行，日本1974年就已有与1000MW汽轮发电机组配套的3180T／H超临界压力的锅炉投入运行。前苏联于1981年投运了一台1200MW的超临界压力直流锅炉，锅炉容量为3950t／h。扩大锅炉的容量可使发电容量迅速增长以适应生产发展的需要，同时也可以使基建投资下降，设备费用降低，减少运行费用以及节约金属材料消耗。在其他条件相同时，锅炉容量增大1倍，钢材使用率可减少5％～20％，所需管理人员也可相应减少。随着机组容量的增大，提高电厂的热效率就变得更为迫切，提高蒸汽参数和采用蒸汽再热是提高电厂热效率的有效措施。目前世界主要工业国家大容量机组锅炉采用的压力，一般均为