第五章超臨界鍋爐工作原理及基本型式

1、第五章 超臨界鍋爐工作原理及基本型式超臨界鍋爐的工作原理根據(jù)鍋爐蒸發(fā)系統(tǒng)中汽水混合物流動(dòng)工作原理進(jìn)行分類，鍋爐可分為自然循環(huán)鍋爐、強(qiáng)制循環(huán)鍋爐和直流鍋爐三種。若蒸發(fā)受熱面內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)是依靠下降管中水與上升管中汽水混合物之間的密度差所形成的壓力差來(lái)推動(dòng)，此種鍋爐為自然循環(huán)鍋爐；若蒸發(fā)受熱面內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)是依靠鍋水循環(huán)泵壓頭和汽水密度差來(lái)推動(dòng)，此種鍋爐為強(qiáng)制循環(huán)鍋爐；若工質(zhì)一次性通過(guò)各受熱面，此種鍋爐為直流鍋爐。直流鍋爐是由許多管子并聯(lián)，然后再用聯(lián)箱連接串聯(lián)而成。它可以適用于任何壓力，通常用在工質(zhì)壓力16MPa的情況，且是超臨界參數(shù)鍋爐唯一可采用的爐型。1.直流鍋爐的工作原理直流鍋爐依靠給水泵的壓頭

2、將鍋爐給水次通過(guò)預(yù)熱、蒸發(fā)、過(guò)熱各受熱面而變成過(guò)熱蒸汽。直流鍋爐的工作原理如圖5-1所示。 圖5-1直流鍋爐的工作原理示意圖在直流鍋爐蒸發(fā)受熱面中，由于工質(zhì)的流動(dòng)不是依靠汽水密度差來(lái)推動(dòng)，而是通過(guò)給水泵壓頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，工質(zhì)一次通過(guò)各受熱面，蒸發(fā)量D等于給水量G，故可認(rèn)為直流鍋爐的循環(huán)倍率KG/D1。直流鍋爐沒(méi)有汽包，在水的加熱受熱面和蒸發(fā)受熱面間，及蒸發(fā)受熱面和過(guò)熱受熱面間無(wú)固定的分界點(diǎn)，在工況變化時(shí)，各受熱面長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化。沿直流鍋爐管子工質(zhì)的狀態(tài)和參數(shù)的變化情況示于圖5-2： 圖5-2 直流鍋爐管子工質(zhì)的狀態(tài)和參數(shù)的變化情況圖5-2直流鍋爐管子工質(zhì)的狀態(tài)和參數(shù)的變化阻力，工質(zhì)的壓力沿受熱面長(zhǎng)度

3、不斷降低；工質(zhì)的焓值沿受熱面長(zhǎng)度不斷增加；工質(zhì)溫度在預(yù)熱段不斷上升，而在蒸發(fā)段由于壓力不斷下降，工質(zhì)溫度不斷降低，在過(guò)熱段工質(zhì)溫度不斷上升。2.直流鍋爐的特點(diǎn)2.1直流鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直流鍋爐無(wú)汽包，工質(zhì)一次通過(guò)各受熱面，且各受熱面之間無(wú)固定界限。直流鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在蒸發(fā)受熱面和汽水系統(tǒng)上。直流鍋爐的省煤器、過(guò)熱器、再熱器、空氣預(yù)熱器及燃燒器等與自然循環(huán)鍋爐相似。2.2直流鍋爐適用于壓力等級(jí)較高的鍋爐根據(jù)直流鍋爐的工作原理，任何壓力的鍋爐在理論上都可采用直流鍋爐。但實(shí)際上沒(méi)有中、低壓鍋爐采用直流型，高壓鍋爐采用直流型的較少，超高壓、亞臨界壓力等級(jí)的鍋爐可較廣泛地采用直流型，而超臨界壓力的

4、鍋爐只能采用直流型。中低壓鍋爐容量較小，儀表較簡(jiǎn)單，自動(dòng)化控制水平較低，對(duì)給水品質(zhì)的要求不高，自然循環(huán)工作可靠，在經(jīng)濟(jì)上采用自然循環(huán)較合理。當(dāng)壓力超過(guò)14MPa時(shí)，由于汽水密度差越來(lái)越小，采用自然循環(huán)的可靠性降低。自然循環(huán)鍋爐的最高工作壓力大約在1920MPa左右。當(dāng)壓力等于或超過(guò)臨界壓力時(shí)，由于蒸汽的密度與水的密度一樣，汽水不能靠密度差進(jìn)行自然循環(huán)，只能采用直流鍋爐。2.3直流鍋爐可采用小直徑蒸發(fā)受熱面管且蒸發(fā)受熱面布置靈活直流鍋爐采用小直徑管會(huì)增加水冷壁管的流動(dòng)阻力，但由于水冷壁管內(nèi)的流動(dòng)為強(qiáng)制流動(dòng)，且采用小直徑管大大降低了水冷壁管的截面積，提高了管內(nèi)汽水混合物的流速，因此保證了水冷壁管的

5、安全。由于直流鍋爐內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)為強(qiáng)制流動(dòng)，蒸發(fā)管的布置較自由，允許有多種布置方式，但應(yīng)注意避免在最后的蒸發(fā)段發(fā)生膜態(tài)沸騰或類膜態(tài)沸騰。在工作壓力相同的條件下，水冷壁管的壁厚與管徑成正比，直流鍋爐采用小管徑水冷壁且不用汽包，可以降低鍋爐的金屬耗量。與自然循環(huán)鍋爐相比，直流鍋爐通常可節(jié)省約2030的鋼材。但由于采用小直徑管后流動(dòng)阻力增加，給水泵電耗增加，因此直流鍋爐的耗電量比自然循環(huán)鍋爐大。2.4直流鍋爐的給水品質(zhì)要求高直流鍋爐沒(méi)有汽包，不能進(jìn)行鍋內(nèi)水處理，給水帶來(lái)的鹽分除一部分被蒸汽帶走外，其余將沉積在受熱面上影響傳熱，使受熱面的壁溫有可能超過(guò)金屬的許用溫度，且這些鹽分只有停爐清洗才能除去，因此

6、為了確保受熱面的安全，直流鍋爐的給水品質(zhì)要求高。通常要求凝結(jié)水進(jìn)行100的除鹽處理。2.5直流鍋爐的自動(dòng)控制系統(tǒng)要求高直流鍋爐無(wú)汽包且蒸發(fā)受熱面管徑小，金屬耗量小，使得直流鍋爐的蓄熱能力較低。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，依靠自身爐水和金屬蓄熱或放熱來(lái)減緩汽壓波動(dòng)的能力較低。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，直流鍋爐必須同時(shí)調(diào)節(jié)給水量和燃料量，以保證物質(zhì)平衡和能量平衡，才能穩(wěn)定汽壓和汽溫。所以直流鍋爐對(duì)燃料量和給水量的自動(dòng)控制系統(tǒng)要求高。2.6直流鍋爐的啟停和變負(fù)荷速度快為了保證受熱面的安全工作，且為了減少啟動(dòng)過(guò)程中的工質(zhì)損失和能量損失，直流鍋爐須設(shè)啟動(dòng)旁路系統(tǒng)。直流鍋爐由于沒(méi)有汽包，在啟停過(guò)程及變負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中的升、降溫速

7、度可快些，啟停時(shí)間可大大縮短，鍋爐變負(fù)荷速度提高。超臨界鍋爐的基本形式 超臨界參數(shù)機(jī)組能夠較大幅度提高循環(huán)熱效率，降低發(fā)電煤耗，但同時(shí)需提高對(duì)金屬材料的要求和金屬部件的焊接工藝水平。目前超超臨界機(jī)組的蒸汽壓力已提高到2531MPa，溫度控制在540600之間。前蘇聯(lián)境內(nèi)超臨界機(jī)組數(shù)量及總?cè)萘烤邮澜缡孜?，美?guó)、德國(guó)、日本等國(guó)也擁有相當(dāng)數(shù)量的超臨界機(jī)組，其中日本是世界上超臨界機(jī)組技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家，其超臨界機(jī)組可實(shí)現(xiàn)變壓運(yùn)行。1.早期直流鍋爐的型式在上世紀(jì)二十年代，瑞士、德國(guó)及前蘇聯(lián)就開(kāi)始采用直流鍋爐。由于當(dāng)時(shí)鍋爐的容量小，蒸汽參數(shù)低，且控制技術(shù)和水處理技術(shù)差，直流鍋爐的發(fā)展較慢。直到上世紀(jì)六十年代

8、，由于鍋爐向大容量、高參數(shù)發(fā)展，且采用了膜式水冷壁和滑參數(shù)運(yùn)行，給水處理技術(shù)也得到提高，因此直流鍋爐得到較快發(fā)展。直流鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在蒸發(fā)受熱面和汽水系統(tǒng)兩方面上，根據(jù)蒸發(fā)受熱面的結(jié)構(gòu)不同，早期直流鍋爐有三種基本型式，即多次串聯(lián)垂直上升管屏式(本生式)、回帶管圈式(蘇爾壽式)及水平圍繞上升管圈式(拉姆辛)式。這三種型式直流鍋爐的結(jié)構(gòu)如圖5-3、圖5-4、圖5-5所示。 圖5-3垂直上升管屏式 1垂直管屏；2過(guò)熱器；3外置式過(guò)渡區(qū)；4省煤器；5空氣預(yù)熱器；6給水出口；7過(guò)熱蒸汽出口；8煙氣出口 圖5-4回帶管屏式 1水平回帶管屏；2垂直回帶管屏；3過(guò)熱蒸汽出口；4過(guò)熱器；5外置式過(guò)渡區(qū)；

9、6省煤器；7給水入口；8空氣預(yù)熱器；9煙氣出口 圖5-5水平圍繞管圈式 1省煤器；2爐膛進(jìn)水管；3水分配集箱；4燃燒器；5水平圍繞管圈；6汽水混合物出口集箱；7對(duì)流過(guò)熱器；8壁上過(guò)熱器；9外置式過(guò)渡區(qū)；10空氣預(yù)熱器1.1本生式本生式直流鍋爐的蒸發(fā)受熱面由多組垂直布置的管屏構(gòu)成，管屏又由幾十根并聯(lián)的上升管和兩端的聯(lián)箱組成。每個(gè)管屏寬1.22米，各管屏間用23根不受熱的下降管連接，相互串聯(lián)。本生式的直流鍋爐具有熱偏差不大、安裝組合率高、制造方便等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)為金屬耗量較大、對(duì)滑壓運(yùn)行的適應(yīng)性較差。1.2蘇爾壽式蘇爾壽式直流鍋爐的蒸發(fā)受熱面由多行程回帶管屏構(gòu)成。依據(jù)回帶迂回方式的不同可回帶。蘇爾壽

10、式鍋爐具有布置方便、金屬耗量較少優(yōu)點(diǎn)。由于此種鍋爐很少采用中間聯(lián)箱，兩聯(lián)箱間的管子很長(zhǎng)，管子間及管屏間的熱偏差很大；另外還具有制造困難、垂直升降回帶不易疏水排氣、水動(dòng)力穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)。1.3拉姆辛式拉姆辛式直流鍋爐的蒸發(fā)受熱面由多根并聯(lián)的水平或微傾斜管子沿爐膛周界盤旋而上構(gòu)成。拉姆辛式直流鍋爐具有水動(dòng)力較穩(wěn)定、熱偏差較小、金屬耗量較少、疏水排氣方便，適宜滑壓運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。但此種支吊困難，膨脹問(wèn)題不易解決，現(xiàn)場(chǎng)組裝工作量大。2.現(xiàn)代直流鍋爐的型式現(xiàn)代直流鍋爐有三種主要型式：一次垂直上升管屏式（UP型）；爐膛下部多次上升、爐膛上部一次上升管屏式(FW型)；螺旋圍繞上升管屏式。2.1一次垂直上升管屏

11、式直流鍋爐(通用壓力鍋爐)美國(guó)拔柏葛鍋爐公司首先采用一次垂直上升管屏式直流鍋爐(UP型)，此種鍋爐是在本生鍋爐的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，鍋爐壓力既適用于亞臨界也適用于超臨界。水冷壁有三種型式：適用于大容量的亞臨界壓力及超臨界壓力鍋爐的一次上升型；適用于較小容量的超臨界鍋爐的上升上升型；適用于較小容量亞臨界壓力鍋爐的雙回路型。由于一次上升型垂直管屏采用一次上升，各管間壁溫差較小，適合采用膜式水冷壁；一次上升垂直管屏有一次或多次中間混合，每個(gè)管帶入口設(shè)有調(diào)節(jié)閥，質(zhì)量流速約為20003400kg(m2.s)，可有效減少熱偏差；一次上升型垂直管屏還具有管系簡(jiǎn)單、流程短、汽水阻力小、可采用全懸吊結(jié)構(gòu)、安裝方便

12、的優(yōu)點(diǎn)。但由于一次上升型垂直管屏具有中間聯(lián)箱，不適合于作滑壓運(yùn)行，特別適合于600MW及以上的帶基本負(fù)荷的鍋爐。圖5-6為上海鍋爐廠生產(chǎn)的第二代300MW鍋爐。該鍋爐容量為1025th，額定壓力為1666MPa。水冷壁為一次上升型，平均質(zhì)量流速為2020kg(m2.s)。冷灰斗采用22X5.5光管，下中輻射區(qū)采用25X6光管、下輻射四個(gè)切角管屏采用25X7內(nèi)螺紋管。各級(jí)間混合充分，兩相流動(dòng)在混合器及分配箱中汽液分配較均勻。 圖56 1025t/h亞臨界壓力直流鍋爐 1前屏過(guò)熱器；2后屏過(guò)熱器；3高溫過(guò)熱器；4第二級(jí)再熱器；5第一級(jí)過(guò)熱器；6低溫再熱器引出管；7低溫過(guò)熱器；8省煤器；9調(diào)節(jié)擋板；

13、10空氣預(yù)熱器2.2螺旋式水冷壁直流鍋爐此種鍋爐是西德等國(guó)為適應(yīng)變壓運(yùn)行的需要發(fā)展起來(lái)的一種型式。水冷壁采用螺旋圍繞管圈，由于管圈間吸熱較均勻，在蒸汽生成途中可不設(shè)混合聯(lián)箱，因此鍋爐滑壓運(yùn)行時(shí)不存在汽水混合物分配不均問(wèn)題。 圖5-7 265MW的蘇爾壽螺旋式水冷壁直流鍋爐布置圖。空氣預(yù)熱器；2大梁；3省煤器進(jìn)口聯(lián)箱；4空氣及煙氣擋板；5省煤器；6環(huán)形風(fēng)道；7第一級(jí)再熱器；8末級(jí)過(guò)熱器；9第二級(jí)再熱器；10屏式過(guò)熱器；11中間混合聯(lián)箱；12測(cè)流量管；13螺旋式水冷壁；14啟動(dòng)熱交換器；15燃燒器；16煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)圖57 265MW機(jī)組的蘇爾壽螺旋式水冷壁直流鍋爐，由于螺旋管圈承受荷重的能力差，

14、有時(shí)在鍋爐上部采用垂直上升管屏。圖58為上海石洞口二廠引進(jìn)的600MW機(jī)組鍋爐簡(jiǎn)圖。該鍋爐為中國(guó)的首次采用的超臨界參數(shù)鍋爐，水冷壁下部采用螺旋圍繞管圈，上部采用一次上升垂直管屏，兩者間采用中間混合聯(lián)箱。鍋爐壓力隨負(fù)荷而變，在034負(fù)荷時(shí)，鍋爐壓力為10.2MPa；在3489時(shí)，鍋爐壓力為10.225.1MPa；在89100負(fù)荷時(shí)，鍋爐壓力為25.125.4MPa。石洞口二廠600MW機(jī)組于1992年投入運(yùn)行，運(yùn)行初期測(cè)得的發(fā)電煤耗率為281.2g(kWh)，熱效率為42，顯示了明顯的經(jīng)濟(jì)效率。 圖58石洞口二廠引進(jìn)的600MW機(jī)組鍋爐簡(jiǎn)圖1爐膛灰斗；2螺旋水冷壁；3過(guò)渡件；4垂直水冷壁；5折焰

15、角及管屏；6延伸側(cè)墻；7A尾部包覆管及管屏；7B爐頂管；8省煤器；9大屏過(guò)熱器；10后屏過(guò)熱器；11末級(jí)過(guò)熱器；12一級(jí)再熱器；13末級(jí)再熱器；14汽水分離器；15集箱； 16連接導(dǎo)管2.3爐膛下部多次上升，上部一次上升管屏式直流鍋爐(FW型)爐膛下部多次上升、上部一次上升管屏式直流鍋爐是美國(guó)福斯特蕙勒（FW）公司以本生型鍋爐為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的一種型式。該類型鍋爐的蒸發(fā)受熱面采用較大管徑，由于爐膛下部熱負(fù)荷較高，通常下部采用23次垂直上升管屏，使每個(gè)流程的焓增量減少，且各流程出口的充分混合可以減少管子間的熱偏差；而爐膛上部熱負(fù)荷低，且工質(zhì)比容大，故采用一次上升管屏。爐膛上、下部間由于采用了中間混

16、合，故不適合滑壓運(yùn)行。此種類型鍋爐適合300600MW容量的機(jī)組。圖59為600MW的FW型燃油超臨界壓力直流鍋爐爐膛受熱面布置圖。 圖59 600MW鍋爐的FW型直流鍋爐爐膛受熱面布置圖3DG3000/26.15-1型鍋爐的型式鄒縣1000MW超超臨界鍋爐采用日本BHK公司技術(shù)，由BHK進(jìn)行性能設(shè)計(jì)并提供鍋爐的性能保證，東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司和東方-日立鍋爐有限公司共同進(jìn)行鍋爐的基本設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)和鍋爐制造供貨。DG3000/26.15-1型鍋爐是復(fù)合變壓運(yùn)行的超超臨界本生直流鍋爐，一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道結(jié)構(gòu)，采用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、平

17、衡通風(fēng)、露天布置、前后墻對(duì)沖燃燒，燃用濟(jì)北礦區(qū)煤。爐膛水冷壁分上下兩部分，下部水冷壁采用全焊接的螺旋上升膜式管屏，螺旋水冷壁管采用了內(nèi)螺紋管，上部水冷壁采用全焊接的垂直上升膜式管屏，螺旋水冷壁與上部垂直水冷壁的過(guò)渡方式采用中間混合集箱形式。螺旋管圈水冷壁部分，剛性梁由垂直剛性梁和水平剛性梁構(gòu)成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，剛性梁體系及爐墻等的自重荷載完全由垂直搭接板支吊，采用了可膨脹的帶張力板的垂直剛性梁支承系統(tǒng)，下部爐膛和冷灰斗的荷載能傳遞給上部垂直水冷壁。剛性梁和水冷壁之間相互不直接焊接，可以相對(duì)滑動(dòng)。爐膛水冷壁采用懸掛結(jié)構(gòu)，整個(gè)水冷壁和承壓件向下膨脹，由于水冷壁的四周壁溫比較均勻，因此水冷壁與垂直搭接板之間

18、相對(duì)脹差較小，剛性梁與水冷壁相對(duì)滑動(dòng)。爐膛寬度為33973.4mm，深度為15558.4mm，高度為64000mm。水冷壁中介質(zhì)向上流動(dòng)。冷灰斗的角度為55°，除渣口的喉口寬度為1289.7mm。從水冷壁進(jìn)口到折焰角下一定距離的爐膛下部水冷壁（包括冷灰斗水冷壁）采用螺旋盤繞膜式管圈，中部螺旋水冷壁管的傾角為23.578°，螺旋盤繞膜式管圈均采用材料15CrMo、厚度6.4mm、雙面坡口扁鋼。水冷壁前墻和側(cè)墻螺旋管與垂直管的管數(shù)比為1：2。后墻的螺旋管與前墻、側(cè)墻有所不同，每?jī)筛菪苡幸桓苯由仙秊榇怪彼浔?，垂直水冷壁進(jìn)口集箱引出的管子數(shù)與螺旋管數(shù)之比為1：1。上爐膛水冷壁采用結(jié)構(gòu)和制造較為簡(jiǎn)單的垂直管屏，由上部管屏、折焰角管屏、水平煙道包墻管屏和凝渣管四部分組成。水冷壁出口工質(zhì)匯入上部水冷壁出口集箱