超臨界鍋爐技術(shù)介紹

600MW超臨界鍋爐技術(shù)介紹 主講人 楊國忠2006年9月 主要介紹內(nèi)容 超臨界參數(shù)機(jī)組發(fā)展現(xiàn)狀及效率超臨界參數(shù)鍋爐設(shè)計特點與亞臨界技術(shù)差別超臨界鍋爐技術(shù)分類 SBWL超臨界技術(shù)特點超臨界機(jī)組的加工 安裝 調(diào)試 運行和維護(hù)工作的要求超臨界鍋爐運行性能反饋 超臨界參數(shù)機(jī)組發(fā)展現(xiàn)狀及效率 超臨界與超超臨界 超臨界是物理概念 22 13MPa 374 15 C 超超臨界是 90年代提出 工程產(chǎn)品商業(yè)性的概念1993年 日本最早提出壓力 24 2MPa 溫度 593 C 丹麥認(rèn)為壓力 27 5MPa 1998年 兩臺29MPa兩次再熱1997年西門子認(rèn)為采用 600 C材料 的機(jī)組來區(qū)分 我國電力百科全書認(rèn)為壓力 27MPa 2003年 863 超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù) 課題設(shè)定為壓力 25MPa 溫度 580 C 第一次大規(guī)模發(fā)展 美國 美國發(fā)展以超超臨界參數(shù)起步1959年投運的320MW 34 5 649 566 566 至今仍在運行1959年GE公司125MW 31 621 566 538 1975年停運80 90年美國大規(guī)模的改造和優(yōu)化 解決可靠性問題參數(shù)回到超臨界 溫度小于566度 壓力25MPa以下 高效潔凈燃煤電廠的設(shè)計理念 所有環(huán)節(jié) 所有可采用的先進(jìn)技術(shù)提高效率 電廠總的熱效率提高到43 47 熱電聯(lián)供超過55 考慮環(huán)保的效益 更大的冷端投入 與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)綜合利用 普遍熱電聯(lián)供 必須具有調(diào)峰能力 進(jìn)一步提高參數(shù) 700 C計劃 開始實施 高效潔凈燃煤電廠的設(shè)計理念 德國BOA電廠舉例 全面的提高效率措施 參數(shù) 冷端優(yōu)化 煙氣利用 循環(huán)及輔助系統(tǒng) 與亞臨界600MW比電廠熱效率提高7 7 環(huán)保 改進(jìn)燃燒 脫硫 除塵 脫硝 超臨界參數(shù)效率比較 CO2排放比較 超臨界參數(shù)鍋爐設(shè)計特點與亞臨界技術(shù)差別 600MW超臨界 亞臨界機(jī)組熱耗比較 以16 7Mpa 538 538oC亞臨界參數(shù)為基準(zhǔn)壓力為24 1Mpa 538 538oC熱耗值下降約2 0 壓力為24 1Mpa 538 566oC熱耗值下降約2 3 壓力為24 1Mpa 566 566oC熱耗值下降約2 9 壓力為24 1Mpa 538 538 538oC熱耗值下降約4 0 壓力為31 0Mpa 538 538oC熱耗值下降約3 0 壓力為31 0Mpa 538 538 538oC熱耗值下降約4 8 壓力為31 0Mpa 538 566 566oC熱耗值下降約5 8 超臨界鍋爐設(shè)計特點 超臨界鍋爐必然是直流鍋爐 因此與汽包爐相比在汽水系統(tǒng)方面有很大區(qū)別 在水冷壁設(shè)計方面有更大區(qū)別 在鍋爐運行方面也有所區(qū)別 超臨界鍋爐總體設(shè)計 超臨界鍋爐汽水系統(tǒng)設(shè)計 超臨界鍋爐的爐膛和燃燒器布置 鍋爐啟動系統(tǒng)設(shè)計 600MW超臨界鍋爐材料選擇 超臨界鍋爐對水質(zhì)要求 超臨界鍋爐對自控要求 超臨界鍋爐總體設(shè)計 超臨界鍋爐的總體設(shè)計 與亞臨界汽包爐相比 主要區(qū)別在于爐膛水冷壁系統(tǒng)和鍋爐啟動系統(tǒng) 當(dāng)然 超臨界鍋爐汽壓汽溫比較高 因此在蒸發(fā)吸熱與過熱吸熱的比例方面也有所不同 理論上需要更多的過熱器 再熱器受熱面 因此在水冷壁上部 上輻射 作為輻射過熱器 超臨界鍋爐的爐膛設(shè)計 與亞臨界汽包爐沒有什么區(qū)別 主要取決于燃料特性和燃燒方法 鍋爐總體的熱平衡計算和效率計算也沒有什么區(qū)別 超臨界鍋爐汽水系統(tǒng)設(shè)計 一 水冷壁系統(tǒng)從水冷壁中的質(zhì)量流速可以看出 汽包爐的重量流速較低 例如自然循環(huán)MCR工況時約1100 1200kg m2 s 控制循環(huán)鍋爐MCR時約950 1050kg m2 s 超臨界直流鍋爐MCR達(dá)2808kg m2 s 石洞口600MW機(jī)組 對于CC 鍋爐在各種負(fù)荷下水冷壁都有循環(huán)泵打循環(huán) 質(zhì)量流速都能保證 所以水冷壁很安全 而自然循環(huán)的質(zhì)量流速依靠自然循環(huán)壓頭而生成 因此低負(fù)荷時質(zhì)量流速很低 變負(fù)荷時 質(zhì)量流速也隨之升高 超臨界直流爐水冷壁內(nèi)的質(zhì)量流速幾乎與鍋爐負(fù)荷成正比 循環(huán)倍率為1 但為保證起動時最低流量一般有一最小流量流速 保證起動及低負(fù)荷時水冷壁安全運行 例如600MW 最低質(zhì)量流速 850kg m2 s 超臨界鍋爐汽水系統(tǒng)設(shè)計 二 過熱器 再熱器系統(tǒng)過熱器系統(tǒng) 超臨界鍋爐壓力 溫度提高后 必須會使管壁厚度增加 這使鍋爐受壓件重量增加 并使金屬蓄熱過大不利于快速起停和調(diào)峰 另一方面 超臨界鍋爐蒸汽比容大大低于亞臨界蒸汽 這樣便可采用較小口徑管子 達(dá)到降低壁厚 減少重量的目的 從傳熱學(xué)和應(yīng)力分析角度來看 也不希望采用壁厚較大的管子作受熱面 特別是在熱負(fù)荷較高或溫度變化較頻繁的區(qū)域 因此 超臨界鍋爐一般都采用較小口徑的管子再熱器系統(tǒng) 與常規(guī)亞臨界鍋爐設(shè)計相同 超臨界鍋爐的爐膛和燃燒器布置 超臨界鍋爐的爐膛設(shè)計與亞臨界鍋爐一樣 都是取決于燃料特性和燃燒方式 但是由于直流爐具有無固定的汽水分界點這一特性 爐膛的設(shè)計 容積或高度 可以比汽包爐更為自由 例如對于低灰融點的煤 爐膛需要大一些 直流爐就沒有什么限制 而汽包爐則擔(dān)心過多的蒸發(fā)受熱面會影響出口汽溫偏低 因而要采取減少省煤器或設(shè)置壁式過熱器 壁式再熱器等措施來平衡輻射和對流吸熱之比 這樣會使設(shè)計復(fù)雜 熱面增加 有時還會影響鍋爐效率 當(dāng)省煤器太少時 有可能使排煙溫度升高 鍋爐效率下降 雖然直流爐對爐膛的設(shè)計比較自由 但另一方面 則要求對爐膛的熱力計算更為準(zhǔn)確 這是因為爐膛吸熱量 或爐膛出口煙溫 的大小 不但與出口汽溫有關(guān) 還與水冷壁的溫度工況直接有關(guān) 例如水冷壁的出口介質(zhì)溫度 混合聯(lián)箱處的溫度 以及各種工況下的水冷壁壁溫都與爐膛吸熱量的準(zhǔn)確性有關(guān) 當(dāng)爐膛出口煙溫存在較大偏差時 往往會使水冷壁的安全運行帶來困難 有時還要調(diào)整對流 輻射受熱面的吸熱比例 通常 在省煤器或過熱器 例如高溫過熱器 熱面布置時 留有增減受熱面的余地 如果爐膛吸熱量太多 就減少省煤器 爐膛吸熱量太少 就增加省煤器和過熱器 燃燒器的布置也同樣是根據(jù)燃料特性和燃燒方式而定的 但是對于超臨界直流鍋爐 總體上希望燃燒器的布置要拉開一些 適當(dāng)減小燃燒器區(qū)域壁面熱負(fù)荷 并進(jìn)一步防止過大的熱負(fù)荷分布偏差 從而減小水冷壁的熱偏差 在燃燒器具體設(shè)計時 還要與水冷壁設(shè)計配合 使水冷套設(shè)計更為合理 鍋爐啟動系統(tǒng)設(shè)計 直流鍋爐在啟動時 需要投入啟動系統(tǒng) 以便將汽水分離 保證過熱器入口只通入飽和蒸汽 直流鍋爐啟動系統(tǒng)分內(nèi)置式系統(tǒng)和外置式系統(tǒng)二大類型 目前大多采用內(nèi)置式起動系統(tǒng) 在內(nèi)置式系統(tǒng)中 啟動分離器的位置 通常設(shè)置在水冷壁的出口 從汽水流程來講 類似于汽包爐汽包的位置 分離器的入口參數(shù)在鍋爐總體設(shè)計時需要加以明確 在鍋爐運行時 利用該點汽溫作為中間點溫度來調(diào)節(jié)煤水比 使鍋爐出口汽溫穩(wěn)定 在鍋爐最低直流運行負(fù)荷時 分離器入口參數(shù)在微過熱60 100KJ kg左右 而在超臨界滿負(fù)荷工況 該點溫度在420至430 左右 對于25MPa的超臨界機(jī)組 600MW超臨界鍋爐材料選擇 水冷壁材料 管子15CrMo SA 213T12 12Cr1MoV T22鰭片材料SA387Gr12過熱器材料 包復(fù)管15CrMo分隔屏12Cr1MoV T23 T91后屏T23 T91 TP347H末過T23 T91 TP347H過熱器集箱及管道 12Cr1MoV SA335P91再熱器材料 低再SA 210C15CrMo 12Cr1MoV T23集箱及管道 12Cr1MoV SA335P91省煤器 SA 210C 超臨界鍋爐對水質(zhì)要求 鍋爐主要運行點對水質(zhì)的要求鍋爐進(jìn)水水質(zhì)應(yīng)滿足 除氧器出口水質(zhì)的含鐵量500PPb 應(yīng)進(jìn)行排放 含鐵量 500PPb時進(jìn)行回收 啟動鍋爐疏水泵 建立循環(huán)清洗 當(dāng)循環(huán)清洗進(jìn)行到省煤器入口水質(zhì)含鐵量 50PPb 分離器出口含鐵量 100PPb時 鍋爐予清洗完成可以點火 鍋爐點火時省煤器入口給水品質(zhì)須達(dá)到表1啟動過程欄參數(shù) 汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前 省煤器進(jìn)口給水品質(zhì)應(yīng)達(dá)到如下要求 電導(dǎo)率25 us cm 1Fe PPb 50SiO2 PPb 25Na PPb 20在汽機(jī)沖轉(zhuǎn)至50 MCR負(fù)荷間 省煤器給水品質(zhì)和蒸汽品質(zhì)達(dá)到如下要求 省煤器進(jìn)口給水 Fe 30PPbCu 5PPbSiO2 30PPb50 負(fù)荷時蒸汽品質(zhì)達(dá)到 Fe 30PPbSiO2 40PPb30 負(fù)荷以上可將AVT模式切換成CWT模式 加氧系統(tǒng)投入運行 省煤器進(jìn)口水的PH設(shè)定值從 9 4轉(zhuǎn)換到 8 5 通常系統(tǒng)中加氧設(shè)有兩個點 一點在冷凝水管道 冷凝水高純度水處理裝置出口 一點在給水管道 除氧器出口 加氧流量分別按冷凝水流量的氧量調(diào)節(jié)閥和省煤器進(jìn)口氧量100 150PPb信號來調(diào)節(jié) 超臨界鍋爐對水質(zhì)要求 當(dāng)鍋爐點火及正常運行時省煤器入口水質(zhì)指標(biāo)推薦如下表 超臨界鍋爐對自控要求 超臨界鍋爐與亞臨界汽包鍋爐在自動控制方面有所不同 其實質(zhì)是直流鍋爐與汽包鍋爐之間的差別1 汽包鍋爐 給水量 燃料量 汽溫控制等相對獨立 給水 水位 燃料 產(chǎn)汽量 汽壓 噴水 汽溫2 直流鍋爐中 由于沒有汽包 蒸發(fā)與過熱受熱面之間沒有固定的分界線 當(dāng)給水量或燃料量變化時都會引起蒸發(fā)量 汽溫和汽壓的同步變化 相互有牽制 關(guān)系密切 隨著超臨界機(jī)組蒸汽壓力的升高 直流鍋爐中間點汽溫 通常取起動分離器出口汽溫 和過熱器出口汽溫控制點的溫度變動慣性增加 亦即比熱增加 時常數(shù)和延遲時間相應(yīng)增大 在燃料或給水量擾動時 超臨界鍋爐的蒸汽溫度變化具有更大慣性 在超臨界機(jī)組起動和低負(fù)荷運行期間 必須投入啟動旁路系統(tǒng) 因此也增加了鍋爐啟動系統(tǒng)對控制的要求超臨界鍋爐更難于控制 情況更復(fù)雜了一些 在規(guī)定的運行工況下 必須維持某些比例常數(shù) 而在變工況下必須使這些比例按一定規(guī)律變化 而在起動和低負(fù)荷時 要求更大幅度地改變這些比例 以得到寬范圍領(lǐng)域的自動控制 通常這些比例是 給水流量 蒸汽流量 熱量輸入 給水流量 噴水流量 給水流量 過熱器吸熱 再熱器吸熱超臨界機(jī)組與相同容量的亞臨界汽包爐相比 自動化系統(tǒng)的規(guī)模 即所需的自動控制和儀表裝置大致相同 但超臨界鍋爐更為復(fù)雜一些 要求自控設(shè)計人員與鍋爐設(shè)計人員配合 了解直流鍋爐運行特點 運用更先進(jìn)的控制理論和更完美的控制策略 超臨界鍋爐技術(shù)分類 SBWL超臨界技術(shù)特點 超臨界鍋爐的發(fā)展簡史和技術(shù)從屬關(guān)系 Sulzer型 瑞士 1929年始 水冷壁無中間集箱 帶立式汽水分離器多彎道垂直管帶 升降回帶 多彎道水平管帶 水平回帶 水平螺旋圍繞 上部常為垂直上升 1965年 新型的一次垂直上升Benson型 德 同期 帶中間集箱多回路系統(tǒng) 無汽水分離器 常帶蒸發(fā)器多次上升 下降 一次上升大容量爐的一次上升 垂直和螺旋 超臨界鍋爐的發(fā)展簡史和技術(shù)從屬關(guān)系 SBWL600MW超臨界鍋爐技術(shù)特點 水冷壁管圈形式 螺旋管圈 加中間混合集箱燃燒方式 四角切圓燃燒啟動系統(tǒng)形式 簡單疏水系統(tǒng) 帶再循環(huán)泵系統(tǒng)調(diào)溫方式 過熱蒸汽煤水比 兩級噴水調(diào)溫再熱蒸汽 燃燒器擺動 鍋爐總體布置 側(cè)視圖 SBWL600MW超臨界鍋爐技術(shù)特點 啟動系統(tǒng) 簡單疏水?dāng)U容 啟動系統(tǒng) 帶循環(huán)泵 1 鍋爐本體設(shè)有兩個膨脹中心 分別在水冷壁后墻前后各900mm的位置 運行時爐膛部分以第一個膨脹中心為原點進(jìn)行膨脹 水平煙道及后煙井以第二個膨脹中心為原點進(jìn)行膨脹 2 過熱器受熱面采用小口徑管 由于超臨界鍋爐壓力高 如再采用大口徑管子勢必要使管壁厚度大大增加 導(dǎo)致金屬蓄熱過大 無法適應(yīng)超臨界直流鍋爐快速啟停的要求 采用小口徑管適當(dāng)提高受熱面的蒸汽壓降 可有效降低流動帶來的偏差 3 不同的受熱面懸吊型式a 低溫再熱器進(jìn)口集箱采取用懸吊管懸吊的結(jié)構(gòu) 懸吊管由后煙井兩側(cè)墻下集箱引至后煙井兩側(cè)墻上集箱 懸吊管共20根 管徑為 57 15mm b 末級過熱器中間水平段采用跳管支吊型式 4號管和10號管分別穿出爐頂約700mm的距離形成U形支吊結(jié)構(gòu) 3 不同的受熱面懸吊型式c 螺旋段水冷壁懸吊結(jié)構(gòu) 螺旋段水冷壁通過垂直布置的內(nèi)繃帶固定連接 每側(cè)墻各7根 在過渡段附近則通過張力板將力傳遞至爐膛上部垂直水冷壁 張力板的橫向節(jié)距為1500mm 板厚12mm 板寬2 100mm 由平行的兩塊板組成 在兩塊板間間距400 500mm布置的梳形板作為管子與張力板間的連接件 其作用是一方面?zhèn)鬟f水冷壁的重力 另一方面起熱橋的作用 將水冷壁的熱量傳遞給張力板 使張力板的溫度與水冷壁溫度有良好的跟隨性 以減少二者間存在的溫度應(yīng)力 水冷壁荷重通過許多過渡吊耳支吊于爐頂?shù)鯒U及支撐在鋼架上 這種支吊方式有助于吊點負(fù)荷的均勻分布及調(diào)整 也有利于上部出口集箱不承受重的載荷 水冷壁懸吊結(jié)構(gòu) 出口 3 不同的受熱面懸吊型式d 折焰角處的懸吊結(jié)構(gòu)由于水平煙道底部布置了延伸側(cè)墻過熱器底部受熱面 后墻水冷壁經(jīng)折焰角后直接在爐膛出口拉稀成后墻屏管引出 每6根折焰角管 S 56 34 93 對應(yīng)5根后墻屏管 S1 336 S2 46 34 93 和1根懸吊管 54 水冷壁后墻則通過彈簧吊架固定在懸吊管上 而不是采用大管徑懸吊管直接懸吊的結(jié)構(gòu) 4 過熱蒸汽采用二級噴水減溫 減溫水量為過熱蒸汽流量的4 和煤水比調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對汽溫的調(diào)節(jié) 過熱器第一級噴水布置在分隔屏過熱器出口管道上 第二級噴水布置在后屏過熱器出口管道上 每級減溫設(shè)有兩只減溫器 分別布置在左右兩根連接管道上 左右兩側(cè)的噴水調(diào)節(jié)閥可單獨控制噴水量 有利于兩側(cè)汽溫的調(diào)整 過熱器噴水取自省煤器進(jìn)口管道 再熱蒸汽的調(diào)溫手段為擺動燃燒器和低負(fù)荷過量空氣系數(shù)調(diào)節(jié)和在進(jìn)口裝設(shè)事故緊急噴水 5 水冷壁垂直段和螺旋段的連接方式 從螺旋段到垂直段的穿墻 混合結(jié)構(gòu) 6 ALSTOM公司最新的燃燒器設(shè)計技術(shù) 其燃燒器設(shè)計改進(jìn)主要如下 a 采用CCOFA和SOFA實現(xiàn)對燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)的多級控制 a 采用CCOFA和SOFA實現(xiàn)對燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)的多級控制 b 燃燒器采用不分組的型式 c 帶同心切圓燃燒方式 CFS 的多隔倉輔助風(fēng)設(shè)計 d 燃燒器擺動系統(tǒng)設(shè)計的改進(jìn) e 采用強(qiáng)化著火煤粉噴嘴設(shè)計 f 采用可水平擺動調(diào)節(jié)的SOFA噴嘴設(shè)計控制爐膛出口煙溫偏差 超臨界機(jī)組的加工 安裝 調(diào)試 運行和維護(hù)工作的要求 受壓件材料采購 受熱面管子應(yīng)按最小壁厚方式來采購 大口徑管應(yīng)按保證最小內(nèi)徑方式來采購 水冷壁管應(yīng)按定尺采購 螺旋管超臨界鍋爐制造難點 螺旋管過渡段制造的最大難點在于怎樣防止變形 控制收縮量 避免產(chǎn)生冷裂紋 螺旋水冷壁管排制造的另一問題是焊接收縮 焊接收縮主要有寬度方向及長度方向 長度方向上的焊接收縮量可以采用全長加放足夠余量 焊后再加工到要求尺寸的方法予以補償 寬度方向的收縮量必須控制得十分精確 它直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和工地安裝的可靠性 寬度方向的焊接收縮雖然可以采用試驗法或試生產(chǎn)法來確定 但它還受管材和扁鋼尺寸偏差 焊接參數(shù)波動等因素的影響 有效且必要的措施是嚴(yán)格控制精整后的扁鋼寬度尺寸及拼排后的寬度 寬度尺寸的高精度在超超臨界鍋爐螺旋水冷壁的制造與安裝上具有十分重要的意義 水冷套制造難度大大高于垂直水冷壁中的水冷套 一是構(gòu)成水冷套的管子根數(shù)在螺旋管圈中要多得多 二是螺旋水冷壁中的水冷套由于管子傾斜一角度使水冷套結(jié)構(gòu)復(fù)雜 除了對設(shè)計計算帶來困難之外 每支管子空間彎頭多 彎曲半徑小 直段短 焊接困難 使工藝更為復(fù)雜 所以在制造水冷套時 應(yīng)設(shè)計制造專門的水冷套裝配架 對每根彎管加放一定的工藝余量 并在裝配架上試裝 校正 最后進(jìn)行裝焊 另外裝焊后的水冷套 由于焊接變形大 校正工作難度很高 制造時除采取上述工藝措施外 運用藥芯焊絲焊接 選用合理的焊接順序是十分必要的 螺旋水冷壁管屏在爐膛四角處呈成排彎結(jié)構(gòu) 即各側(cè)墻管屏上均帶有一個成排彎頭 在工地組裝時 四側(cè)墻的管屏直接連接而成整體 螺旋水冷壁管屏的成排彎 不同于垂直管排的成排彎 即彎曲線與管子中心線成一角度 即螺旋角 成排彎時應(yīng)嚴(yán)格控制