超臨界參數(shù)鍋爐發(fā)展及燃燒特點

超臨界參數(shù)鍋爐的發(fā)展及燃燒特點工程熱力學將水的臨界狀態(tài)點的參數(shù)定義為：壓力為22.115MPa,374.15C。當水的狀態(tài)參數(shù)達到臨界點時，在飽和水和飽和蒸汽之間不再有汽、水共存的二相區(qū)存在。與較低參數(shù)的狀態(tài)不同，這時水的傳熱和流動特性等也會存在顯著的變化。當水蒸氣參數(shù)值大于上述臨界狀態(tài)點的壓力和溫度值時，則稱其為超臨界參數(shù)。

1、超臨界定義：一、超臨界參數(shù)鍋爐的發(fā)展

2、超超臨界定義：

日本的定義為壓力大于24.2MPa,或溫度達到593℃；丹麥定義為壓力大于27.5MPa；西門子公司的觀點是應從材料的等級來區(qū)分超臨界和超超臨界機組等等。我國電力百科全書則將超超臨界定義為：蒸汽參數(shù)高于27MPa。綜合以上觀點，一般將超超臨界機組設(shè)定在蒸汽壓力大于25MPa，蒸汽溫度高于580℃的范圍

圖1-2-1超超臨界蒸汽循環(huán)對熱效率的提高

第一個階段，是從上個世紀50年代開始，以美國和德國等為代表。當時的起步參數(shù)就是超超臨界參數(shù)，但隨后由于電廠可靠性的問題，在經(jīng)歷了初期超超臨界參數(shù)后，從60年代后期開始美國超臨界機組大規(guī)模發(fā)展時期所采用的參數(shù)均降低到常規(guī)超臨界參數(shù)。直至80年代，美國超臨界機組的參數(shù)基本穩(wěn)定在這個水平。3、發(fā)展的三個階段3、發(fā)展的三個階段：第二個階段，大約是從上個世紀80年代初期開始。由于材料技術(shù)的發(fā)展，尤其是鍋爐和汽輪機材料性能的大幅度改進，及對電廠水化學方面的認識的深入，克服了早期超臨界機組所遇到的可靠性問題。同時，美國對已投運的機組進行了大規(guī)模的優(yōu)化及改造，可靠性和可用率指標已經(jīng)達到甚至超過了相應的亞臨界機組。通過改造實踐，形成了新的結(jié)構(gòu)和新的設(shè)計方法，大大提高了機組的經(jīng)濟性、可靠性、運行靈活性。其間，美國又將超臨界技術(shù)轉(zhuǎn)讓給日本(GE向東芝、日立，西屋向三菱)，聯(lián)合進行了一系列新超臨界電廠的開發(fā)設(shè)計。這樣，超臨界機組的市場逐步轉(zhuǎn)移到了歐洲及日本，涌現(xiàn)出了一批新的超臨界機組。第三個階段，大約是從20世紀九十年代開始進入了新一輪的發(fā)展階段。這也是世界上超超臨界機組快速發(fā)展的階段，即在保證機組高可靠性、高可用率的前提下采用更高的蒸汽溫度和壓力。其主要原因在于國際上環(huán)保要求日益嚴格，同時新材料的開發(fā)成功和和常規(guī)超臨界技術(shù)的成熟也為超超臨界機組的發(fā)展提供了條件。主要以日本(三菱、東芝、日立)、歐洲(西門子、阿爾斯通)的技術(shù)為主。這個階段超超臨界機組的技術(shù)發(fā)展具有以下三方面的特點：3、發(fā)展的三個階段1)蒸汽壓力取得并不太高，多為25MPa左右，而蒸汽溫度取得相對較高，主要以日本的技術(shù)發(fā)展為代表。近期歐洲及日本生產(chǎn)的新機組，大多數(shù)機組的壓力保持在25MPa左右，進汽溫度均提高到了580℃-600℃左右。2)蒸汽壓力和溫度同時都取較高值(28MPa-30MPa，600℃左右)，從而獲得更高的效率。主要以歐洲的技術(shù)發(fā)展為代表，在采用高溫的同時，壓力也提高到27MPa以上。壓力的提高不僅關(guān)系到材料強度及結(jié)構(gòu)設(shè)計，而且由于汽輪機排汽濕度的原因，壓力提高到某一等級后，必須采用更高的再熱溫度或二次再熱循環(huán)。近年來，提高壓力的業(yè)績主要來源于歐洲和丹麥一些設(shè)備制造廠家。3)開發(fā)更大容量的超超臨界機組以及百萬等級機組傾向于采用單軸方案。為盡量減少汽缸數(shù)，大容量機組的發(fā)展更注重大型低壓缸的開發(fā)和應用。日本幾家公司和西門子，阿爾斯通等在大功率機組中己開始使用末級鈦合金長葉片。為了發(fā)展高效率的超超臨界機組，從80年代初開始美國、日本和歐洲都投入了大量財力和研究人員開展了各自的新材料研發(fā)計劃，這些材料分別針對不同參數(shù)級別的機組，如593℃(包括歐洲的580℃機組和日本的600℃機組)級別、620℃級別、650℃級別和正在研發(fā)之中的更高溫度級別的機組。新開發(fā)的耐熱材料在投入正式使用之前進行了大量的實驗室和實機驗證試驗。到目前為止歐洲已經(jīng)成功投運了主汽溫度為580℃的超超臨界機組，日本投運了主汽溫度為600℃的機組，從材料的實機驗證結(jié)果來看，國際上目前成熟的材料已經(jīng)可以用于建造620℃的機組，而據(jù)日本最新的報導稱已經(jīng)可以提供650℃機組所需的關(guān)鍵部件材料。結(jié)論：1.早期(50年代末)以美國為代表，更注重提高初壓(30MPa或以上)，并采用兩次再熱。使結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)趨于復雜，運行控制難度趨于提高，機組可用率下降。因此，美國早期只生產(chǎn)了三臺超超臨界機組之后便停止生產(chǎn)。到80年代，又退回到超臨界參數(shù)。2.中期(80年代末)日本由川越電廠31MPa／566℃／566℃／566℃超超臨界為代表，走的是一條從引進到自主開發(fā)，有步驟、有計劃的發(fā)展之路。3.近期(90年代始)，日本由川越電廠31MPa／566℃／566℃／566℃超超臨界參數(shù)，壓力調(diào)整為(24—25)MPa，溫度由566℃／593℃穩(wěn)步上升為600℃／600℃的發(fā)展方向，取得了顯著的成功。4.德國等歐洲國家(丹麥除外)超超臨界機組的壓力在(25-28)MPa范圍，溫度也上升為580℃／600℃及600℃／600℃。5.丹麥的超超臨界機組追求技術(shù)上可能達到的最高效率，壓力接近30MPa，溫度為580℃／580℃／580℃或580℃／600℃，目前又傾向于采用一次再熱。6.采用二次再熱的超超臨界機組，除了早期美國的三臺機組外，只有日本川越兩臺(1989)和丹麥的機組。采用兩次再熱可使機組的熱效率提高1％-2％，但也造成了調(diào)溫方式、受熱面布置、結(jié)構(gòu)等的復雜性，成本明顯提高。因此，除早期投運的少數(shù)超超臨界機組機組外，無論是日本還是歐洲都趨向于采用一次再熱。7.90年代中期以來，世界上已建和在建的超超臨界機組的參數(shù)和容量的發(fā)展有兩個特點：歐洲的國家在建設(shè)大容量火力發(fā)電機組時以追求機組的高效率為主要目標，在提高蒸汽溫度的同時，蒸汽壓力也隨之提高，主蒸汽壓力為(25-28)MPa，主蒸汽溫度為580℃居多，再熱蒸汽溫度為(580-600)℃，大多采用一次再熱。日本的超超臨界機組在大幅度提高機組容量的時候，主要是提高機組的蒸汽溫度，而蒸汽壓力基本保持在25MPa，日本這種對超超臨界機組蒸汽參數(shù)(較低的蒸汽壓力和較高的蒸汽溫度)的選擇主要是基于技術(shù)經(jīng)濟方面的考慮。8.鍋爐布置型式按各公司傳統(tǒng)，有П型布置及半塔型布置。日本超超臨界鍋爐全部采用П型布置，德國、丹麥全部采用塔式布置，這主要是各自的傳統(tǒng)技術(shù)所決定的。9.燃燒方式按各公司傳統(tǒng)，有切圓燃燒和對沖燃燒。日本IHI、日立公司制造的超超臨界П型爐均采用了前后墻對沖燃燒方式三菱重工的鍋爐燃燒方式為單爐膛或雙爐膛燃燒方式，兩種燃燒方式都可以減少爐膛出口煙溫偏差。歐洲的超超臨界塔式爐不存在煙溫偏差問題，燃燒方式既有四角切園燃燒，又有對沖燃燒，還有個別的雙切園燃燒和八角單切園燃燒。10.水冷壁型式為垂直管屏和螺旋管圈二種型式共存。美國早期為垂直管屏，歐洲為螺管圈；90年代后，除日本三菱公司新開發(fā)了內(nèi)螺紋垂直管屏外，其余全部采用螺旋管圈。11.已投運的1000MW級超超臨界機組以雙軸機組居多，但隨著汽輪機超長末級長葉片的開發(fā)應用，大容量單軸機組已成為發(fā)展的趨勢。

(1)爐膛出口煙溫偏差

容量（MW）200 300 600最大偏差(°C)100 150 200

原因：

爐膛出口氣流的殘余旋轉(zhuǎn)；煤粉顆粒的燃盡延遲；單股煤粉氣流螺旋運動的影響。二、切圓燃燒煤粉爐大型化面臨的燃燒新問題按照傳統(tǒng)設(shè)計，容量增加，燃燒器層數(shù)并不按比例增加。300MW增大至600MW時燃燒器層數(shù)由5層增加至6層，燃燒器個數(shù)由20增加至24。那么從600MW增加到1000MW等級，燃燒器也最多增加一層左右。如果設(shè)計不當，可能給燃盡帶來不利影響，尤其是對于燃盡特性差的煤。這點與我國大量電廠運行事實一致，即：到300MW容量等級為止，隨鍋爐容量增大，未燃q4不斷下降。從300MW增加600MW容量，q4下降趨緩，有的甚至不降反升[4]。

（2）燃燒器問題第一容量階段（100MW以下）：通常是根據(jù)煤種選擇爐膛容積熱負荷Qv。Qv

不變意味著爐內(nèi)燃料的平均停留時間也不變。在這一容量區(qū)間由于爐膛溫度較低燃燒通常處于動力控制區(qū)域。隨鍋爐容量增大爐膛溫度升高化學反應速率隨之增大，因此未燃盡炭損失也隨之下降?？刂苢4：化學反應動力學（速度）擴散停留時間第二容量階段（100-300MW）爐膛溫度已經(jīng)足夠高了燃燒通常已進入分子擴散控制區(qū)。爐溫繼續(xù)升高但炭的燃盡速率不再明顯增大。在實際鍋爐設(shè)計上由于水冷壁受熱面的布置原因，爐膛容積熱負荷Qv

隨鍋爐容量的增大而下降。而Qv

的下降即意味著燃料在爐內(nèi)的平均停留時間的增大，正是因為停留時間的增大，未燃盡損失q4才得以進一步隨容量的增大而下降第三容量階段（300MW以上）燃燒逐步進入湍流混合控制區(qū)。其原因一方面是隨火炬尺寸增大所需的湍流混合時間增加；而另一方面隨鍋爐容量增大，燃燒器層數(shù)增加，比值HB/HF增大，因而停留時間的分布特性變壞。雖然平均停留時間繼續(xù)隨爐子容量增大而加長。但實際最短的停留時間min卻有可能下降，比較所需混合時間mix與爐子可提供的停留時間min隨容量的變化趨勢。即可見在這一容量區(qū)間如設(shè)計不當，炭未燃盡損失q4就有可能隨鍋爐容量的增大而加大受熱面塔式布置燃燒器的單爐膛雙切圓布置（前后墻旋流燃燒器）

三、解決超大型切向燃燒鍋爐問題的方法圖1-3-1鍋爐整體布置方式(a)Π型布置，(b)Γ型布置；(c)T型布置；(d)塔型布置；(e)改良塔型布置，(f)箱型布置；(g)U型布置；(h)N型布置；(i)И型布置

1、塔式鍋爐（一）歷史

塔式鍋爐最先出現(xiàn)于歐洲。促進塔式鍋爐發(fā)展的原因主要可歸結(jié)為燃料及灰渣特性，以及鍋爐容量增大引發(fā)的結(jié)構(gòu)布置上的問題兩個方面。

歐洲大陸的許多國家，如德國、捷克、波蘭，羅馬尼亞、比利時、瑞士、南斯拉夫等國家的褐煤資源非常豐富，為了燃用這種高灰分、水分、低熱值的褐煤，解決飛灰對對流受熱面磨損，以及鍋爐容量增大，布置困難的問題，于60年代開發(fā)了適合于褐煤的塔式鍋爐。其后在容量上也經(jīng)歷了由小到大的發(fā)展，被廣泛應用于燃用不同煤種。70年代末引進了幾臺300MW級機組的塔式鍋爐：元寶山電廠l號鍋爐系引進瑞士蘇爾壽公司945t／h低循環(huán)倍率塔式褐煤鍋爐；姚孟電廠二期工程的鍋爐系引進比利時制造、蘇爾壽專利的2臺923.74t／h塔式直流鍋爐(螺旋管圈)。80年代中期，我國又分別引進了300MW及500MW級機組的塔式鍋爐：太原一電廠五期工程系引進波蘭制造、蘇爾壽專利的2臺1025t／h低循環(huán)倍率塔式、多灰分貧煤鍋爐神頭二電廠一期工程系引進捷克制造、蘇爾壽專利的2臺1650t／h低循環(huán)倍率塔式、多灰分煙煤鍋爐。我國塔式鍋爐（二）塔式鍋爐特點：1.防磨性能。2.便于疏水。塔式鍋爐的過熱器、再熱器及省煤器均為水平布置，所以管內(nèi)疏水可全部排盡，有利于啟動、停爐檢查和保養(yǎng)。此外也有利于過熱器，再熱器酸洗。而Π型鍋爐則難于做到。3.對流受熱面布置方便。Π型布置時，由于受到尾部煙道空間位置的限制，煙速很難降到塔式布置的煙速。以300MW機組Π型布置的直流鍋爐為例，如果其他條件不變，省煤器煙速從8m／s下降到6m／s，傳熱系數(shù)約減少18％，受熱面積約需增加22％，同樣高溫過熱器的煙速從12.5m/s降到8m／s，傳熱系數(shù)約下降27.6％，受熱面積約需增加40％，顯然，Π型布置鍋爐要增加如此多的受熱面談何容易，而塔式布置鍋爐則容易做到。4.煤種適應性廣。凡Π型布置能適應的煤種，塔式布置都能適應．反之，Π型布置較難實施的煤種，塔式鍋爐也能實施。根據(jù)德國電廠的實踐，塔式鍋爐不僅適用于燃油、燃氣，也適用于燃煤；更適于燃用高灰、多水、低熔點、低熱值的褐煤以及高灰分的煙煤、貧煤等。5.占地面積小，且有利于制粉及燃燒系統(tǒng)設(shè)備和煙、風、煤粉管道的布置。6.爐頂?shù)拇艽罅繙p少，易于解決爐頂?shù)拿芊鈫栴}。7.鍋爐鋼架金屬耗量大。由于塔式布置的鍋爐爐體高，整個爐體懸吊在爐頂，荷載高且集中，使鍋爐支撐結(jié)構(gòu)金屬耗量相對增大。8.安裝與檢修復雜。由于塔式鍋爐爐體高，使設(shè)備安裝和檢修復雜化，鍋爐吊裝需使用高型起吊設(shè)備或液壓提升裝置及專用機具，且難度也較大，安裝工期也較其他常用爐型長。

圖1塔式布置1.一級過熱器2.三級過熱器3.二級再熱器4.二級過熱器

5.一級再熱器6.省煤器

無水平煙道，不存在煙溫偏差采用美國CE公司80年代初開發(fā)的低NOx同軸燃燒系統(tǒng)（TheLowNOxConcentricFiringSystem,LNCFS）。其切圓布置如圖2所示，爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)為順時針(從爐膛上面向下看),一

、二次風燃燒器軸線與爐膛側(cè)墻夾角為51°和39°，偏轉(zhuǎn)二次風在一次風基礎(chǔ)上同向向外偏轉(zhuǎn)一角度(20°-25°)，目的在于低NOx分級燃燒。多噴射燃燒器（multi-jetburner），每個燃燒器由兩個煤粉燃燒器噴嘴組成，即由一根煤粉管在爐前經(jīng)分配器沿高度方向一分為二而成。因此在保持燃燒器層數(shù)（6層）不增加的情況下，噴嘴只數(shù)增加一倍，減少湍流混合時間。雖然燃燒器總高度有所增加，但由于塔式爐爐膛較高，不會減少煤粉最小停留時間（對應于最上層煤粉燃燒器），從而解決了火焰燃盡問題。

（一）歷史美國燃燒工程公司(CE)自1968年為賓夕法尼亞州的Keystome電廠制造了第一臺850MW的單爐膛雙切圓燃燒鍋爐起，至今至少有十臺容量大于700MW的鍋爐采用了這種燃燒方式。鍋爐采用了8組燃燒器，在爐內(nèi)形成兩個切圓，但是爐膛中部卻沒有雙面水冷壁。日本三菱公司至少也已有16臺這樣的機組在運行，其中10臺為燃煤機組，包括我國福建新近投產(chǎn)的后石電廠1號超臨界鍋爐(600MW)在內(nèi)，最小的機組容量為600MW。現(xiàn)三菱公司對外提供的單爐膛四角切向燃燒與單爐膛雙切圓燃燒方式適用機組容量為：單爐膛四角切向燃燒方式適用的鍋爐容量上限大約為800MW，而單爐膛雙切圓燃燒方式自500MW起用到1100MW。2、單爐膛雙切圓圖3雙切園布置示意圖(從爐膛上面向下看)

（二）減少煙溫偏差原理圖4單爐膛雙切圓降低爐膛出口煙溫偏差的原理示意(a)切向燃燒爐膛出口的速度分布(b)切向燃燒爐膛出口的煙氣熱偏差(c)單爐膛雙切圓的煙氣熱偏差在無雙面水冷壁的單爐膛雙切向燃燒鍋爐中，如果正確選擇切圓的旋向，將兩個相對獨立燃燒系統(tǒng)的對流熱偏差與整體單一火焰輻射系統(tǒng)的輻射熱偏差進行合理的搭配和補償，則爐膛出口區(qū)域總的煙氣熱偏差將有可能大大降低。這也是國外П型布置切向燃燒鍋爐超大型化后采用單爐膛雙切圓燃燒方式的原因。相反，如果是采用雙爐膛雙切圓的布置方式，則兩個爐膛的輻射場也是獨立的，不可能取得輻射與對流偏差互補的效果，其結(jié)果只相當于鍋爐容量減小一半，熱偏差略有下降。可見，雙切圓燃燒鍋爐取消雙面水冷壁不僅僅是為了簡化制造工藝，更重要的是應從消除熱偏差的性能設(shè)計來考慮。雙切圓八角布置在不增加燃燒器層數(shù)（與600MW相比），使燃燒器個數(shù)增加1倍，大大減少了減少湍流混合時間，同時燃燒器總高度沒有明顯增加，有利于提高燃盡率。

1.單爐膛雙切圓燃燒方式能有效地降低爐膛兩側(cè)的煙溫偏差。由于雙切圓的旋轉(zhuǎn)方向相反，爐膛出口煙氣沿爐膛寬度方向旋向相反，相互疊加抵消，使爐膛出口煙溫偏差大大降低，有利于鍋爐安全運行。2.單爐膛雙切圓由于燃燒器八角布置能降低一次風單只噴嘴熱功率，其熱功率僅為常規(guī)四角布置切向燃燒方式的50％，為前后墻對沖燃燒方式的62.5％左右。由于單只噴嘴熱功率的降低，有利于防止水冷壁結(jié)焦的產(chǎn)生。3.單爐膛雙切圓燃燒方式爐膛內(nèi)溫度場更加均勻，并且溫度水平適中，使鍋爐水循環(huán)更加可靠。（三）單爐膛雙切圓的特點4.單爐膛雙切圓燃燒方式運行時應注意的問題：1)油槍點火時應先在同層進行，同層油槍點火時又應在同一爐膛內(nèi)進行，在確認點火成功后，在另一側(cè)爐膛進行點火。同一層點火成功后，再點燃下一層，以此類推。2)當鍋爐燃油具備投粉條件后，投入與油槍相鄰的一臺磨煤機。當確認投運成功后，再進行下一臺磨煤機的投運。無論哪一臺磨煤機的投停都應確保按層運行。3)雙切圓鍋爐存在兩火球相互配合、防止偏斜等問題。

爐膛截面尺寸:21.48m×21.48m鍋爐大板梁頂標高：114.5m爐膛容積：31869m3爐膛容積熱負荷：77.4MW/m2爐膛截面熱負荷：5.35MW/m2爐膛寬×深 32.084m×15.67m大板梁下沿標高 81m爐膛容積 28000m3爐膛容積熱負荷82.7MW/m3爐膛截面熱負荷 4.59KW/m2塔式雙切圓5、比較切向燃燒燃燒鍋爐達到百萬千瓦等級后，塔式和單爐膛雙切圓布置是目前兩種較好選擇。兩種方式分別從兩個方面：受熱面布置和燃燒器布置著手，兩種方式的比較如下：（1）塔式布置由于過熱器、再熱器和省煤器受熱面布置爐膛上部。從根本上解決了由于水平煙道煙氣能量不平衡問題所帶來的過熱器、再熱器超溫。而單爐膛雙切圓方式則采用反向切圓