超臨界機(jī)組受熱面布置

超臨界機(jī)組受熱面布置第一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五鍋爐型號(hào)：DG1900/25.4-Ⅱ1鍋爐為超臨界參數(shù)變壓直流爐，單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，配6臺(tái)磨(1臺(tái)備用)，裝設(shè)旋流式HT-NR3型燃燒器，前后墻布置，對(duì)沖燃燒。機(jī)組配置2×50％B-MCR汽動(dòng)調(diào)速給水泵和1臺(tái)30％B-MCR電動(dòng)調(diào)速給水泵。采用35％B-MCR容量高、低壓串聯(lián)汽機(jī)旁路。第二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五鍋爐主要界限尺寸鍋爐深度

mm44500鍋爐寬度(外側(cè)柱)mm44000鍋爐寬度(內(nèi)側(cè)柱)mm25000大板梁標(biāo)高mm85900爐膛寬度

mm19419.2爐膛深度

mm15456.8頂棚拐點(diǎn)標(biāo)高

mm72800水平煙道深

mm5486.4后豎井低溫再熱器煙道深度

mm6604后豎井低溫過熱器煙道深度

mm8331.2水冷壁下集箱標(biāo)高mm5800第三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五影響鍋爐機(jī)組受熱面布置的主要因素

1鍋爐參數(shù)對(duì)受熱面布置的影響亞臨界參數(shù)機(jī)組工作壓力可達(dá)19.6MPa，接近于臨界參數(shù)，因而所需要的蒸發(fā)熱量大幅度減小，而過熱熱，再熱熱和預(yù)熱熱大幅度增加。但是水冷壁受熱面設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮燃燒穩(wěn)定，提高燃盡率，防止結(jié)渣，控制爐膛出口煙氣溫度和壁面膜態(tài)沸騰，爐膛內(nèi)需要布置數(shù)量足夠的輻射受熱面。在額定負(fù)荷時(shí)，要求既能滿足蒸發(fā)吸熱的需要，又能控制爐膛出口煙氣溫度。因此一方面將部分給水預(yù)熱的過程轉(zhuǎn)移到水冷壁來完成，另一方面由于所需的過熱器和再熱器受熱面增加，為了提高傳熱效果并解決爐內(nèi)輻射受熱面不足的矛盾，將部分過熱器和再熱器向爐膛上部或靠近爐膛的位置移動(dòng)。形成了輻射加對(duì)流的過熱器或再熱器系統(tǒng)。第四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五超超臨界機(jī)組蒸汽參數(shù)提高對(duì)鍋爐壽命和運(yùn)行可靠性影響很大蒸汽溫度不會(huì)對(duì)機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化比例產(chǎn)生很大的影響，但是對(duì)鍋爐制造成本卻有影響，特別是蒸汽初溫提高后，除要求管材具有高熱強(qiáng)度以外，必須考慮由此引起的高溫腐蝕和管子內(nèi)壁的蒸汽氧化問題。當(dāng)蒸汽溫度達(dá)到600℃，末級(jí)過熱器和再熱器最高壁溫可達(dá)到650℃以上，此時(shí)管子煙氣側(cè)的高溫腐蝕和汽側(cè)的蒸汽氧化問題將更加突出。因此希望將高溫受熱面盡量布置在煙氣溫度比較低的區(qū)域，屏式過熱器也盡量處在較低的溫度區(qū)域。第五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五2汽溫調(diào)節(jié)方式對(duì)受熱面布置的影響汽溫調(diào)節(jié)方式是對(duì)受熱面布置起決定作用的另一個(gè)重要因素。目前采用較多的方法是擺動(dòng)式燃燒器和煙氣擋板，主要用于調(diào)節(jié)再熱汽溫。過熱汽溫的調(diào)節(jié)以噴水減溫為主。第六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五1）擺動(dòng)式燃燒器調(diào)溫對(duì)受熱面的影響采用擺動(dòng)式燃燒器時(shí)，過熱器受熱面不僅會(huì)向爐內(nèi)高溫區(qū)域擴(kuò)散，而且還會(huì)向尾部對(duì)流煙道擴(kuò)展，形成輻射加對(duì)流的過熱器系統(tǒng)，這種布置方式可以獲得平緩的汽溫變化特性，使汽溫隨負(fù)荷變化的幅度減小，有利于降低汽溫調(diào)節(jié)幅度，減少減溫水量，控制過熱汽溫的波動(dòng)幅度。同時(shí)為了提高再熱汽溫的調(diào)節(jié)能力，再熱器也向爐膛內(nèi)移動(dòng)或靠近，以增強(qiáng)輻射傳熱。第七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五

實(shí)例：當(dāng)爐內(nèi)布置壁式再熱器時(shí)，采用擺動(dòng)式調(diào)溫與采用煙氣擋板調(diào)溫方式相比較，再熱器的受熱面大幅度減少，減少約65％，能使再熱蒸汽的流動(dòng)阻力控制在0.2MPa以下。因此再熱汽溫的調(diào)節(jié)響應(yīng)特性比較靈敏。一般從燃燒器開始擺動(dòng)，一分鐘內(nèi)再熱汽溫開始變化，大約15－20分鐘后汽溫趨于穩(wěn)定，汽溫達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間首先與燃燒器的擺動(dòng)角度范圍有關(guān)，擺動(dòng)角度范圍比較大時(shí)，汽溫達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)。一般擺動(dòng)10度時(shí)汽溫穩(wěn)定時(shí)間大約為9－10分鐘。汽溫達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間比較長(zhǎng)并不是完全由擺動(dòng)式燃燒器造成的，主要是由于蒸汽流程比較長(zhǎng)，對(duì)傳熱擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢，汽溫響應(yīng)的滯后造成的。第八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五2）煙氣擋板調(diào)溫對(duì)受熱面布置的影響采用煙氣擋板調(diào)溫時(shí)候，再熱器受熱面布置在對(duì)流傳熱較強(qiáng)的尾部煙道內(nèi)，而且必須布置數(shù)量較多的低溫對(duì)流受熱面以保證汽溫調(diào)節(jié)效果。與擺動(dòng)式燃燒器調(diào)溫方式相比較，采用煙氣擋板調(diào)溫的鍋爐過熱器受熱面減少約25％。由于再熱器受熱面數(shù)量較多并且處于低溫?zé)煹勒{(diào)節(jié)再熱汽溫，因此汽溫調(diào)節(jié)反應(yīng)的靈敏性較差。試驗(yàn)表明，從擋板開始動(dòng)作，大約經(jīng)過1.2分鐘汽溫開始變化，一般情況下，汽溫達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間比擺動(dòng)式燃燒器調(diào)溫的時(shí)間略長(zhǎng)一些。第九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五3燃燒方式對(duì)受熱面布置的影響燃燒方式首先影響到爐膛結(jié)構(gòu)，而爐膛受熱面既是決定鍋爐性能的最重要的受熱面，也會(huì)影響其它受熱面的布置。采用旋流燃燒器的對(duì)沖方式，由于旋轉(zhuǎn)氣流的衰減速度比較快，并且單個(gè)燃燒器的旋轉(zhuǎn)射流強(qiáng)度比較小，因此火焰對(duì)沖向上折轉(zhuǎn)的過程中，氣流的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩基本消失?；鹧娴竭_(dá)爐膛出口處，自然不存在殘余旋轉(zhuǎn)。所以當(dāng)選擇的爐膛容積熱強(qiáng)度一定時(shí)，可以適當(dāng)降低爐膛高度，同時(shí)采用扁矩型的爐膛結(jié)構(gòu)，可以增大旋流式燃燒器中心線間的距離，以減輕結(jié)渣，降低NOx的生成量，減小熱偏差，避免水冷壁高溫腐蝕和傳熱惡化等。同時(shí)，煙道寬度較大，其它受熱面布置比較靈活。第十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五

采用直流燃燒器四角切圓燃燒方式，對(duì)鍋爐燃用煤種有較寬的適應(yīng)能力。但是由于旋轉(zhuǎn)速度高并且火焰黏度比較大，火焰的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩衰減比較慢，使火焰到達(dá)爐膛出口時(shí)，仍然存在殘余旋轉(zhuǎn)。當(dāng)選擇的爐膛容積熱負(fù)荷一定時(shí)，由于采用接近正方形的爐膛結(jié)構(gòu)，爐膛周界比較小，同時(shí)為減輕殘余旋轉(zhuǎn)的影響，需要適當(dāng)增大爐膛高度?？梢姡紵绞綄?duì)爐膛的結(jié)構(gòu)起著決定性的影響作用。一般情況下，四角燃燒鍋爐的煙道寬度比較小，也會(huì)影響到其它受熱面的布置。第十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五爐膛結(jié)構(gòu)對(duì)鍋爐性能的影響1燃燒煤粉對(duì)爐膛的要求爐膛作為燃燒室，具有合理的結(jié)構(gòu)和容積是保證鍋爐正常運(yùn)行的先決條件。燃燒煤粉時(shí)，對(duì)爐膛的基本要求是：創(chuàng)造良好的著火、穩(wěn)定燃燒調(diào)節(jié)，并保證燃料燃盡性能。爐膛受熱面不結(jié)渣布置足夠的蒸發(fā)受熱面，水冷壁不發(fā)生傳熱惡化盡可能減少污染物的生成量對(duì)煤質(zhì)和負(fù)荷變化有較寬的適應(yīng)性能減少爐內(nèi)受熱面的受熱偏差第十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五2爐膛容積對(duì)鍋爐運(yùn)行性能的影響近年來為了提高電站鍋爐的運(yùn)行可靠性和燃用多種煤質(zhì)的適應(yīng)性，鍋爐包括四角燃燒鍋爐爐膛容積和爐膛周界有相對(duì)增大的趨勢(shì)，甚至接近對(duì)沖燃燒鍋爐的爐膛周界尺寸。世界上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家近年來爐膛周界增大12％－15％。適當(dāng)增大爐膛容積，可以提高鍋爐運(yùn)行性能。

第十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五具體表現(xiàn)在爐膛容積增大，燃料在爐內(nèi)的停留時(shí)間延長(zhǎng)，爐膛高度增加，可提高煤粉燃盡率，降低飛灰可燃物，提高燃燒效率。爐內(nèi)可以布置足夠的受熱面，使煙氣充分冷氣，易于控制爐膛出口煙氣溫度并防止結(jié)渣，有利于提高鍋爐燃用多種煤質(zhì)的適應(yīng)性。為過熱器和再熱器的布置提供了良好的條件，可布置較多數(shù)量的輻射式過熱器和再熱器受熱面，有利于改善過熱汽溫和再熱汽溫的變化特性，并緩解了亞臨界壓力下汽化潛熱減小引起的矛盾。爐膛周界增大可以布置數(shù)量較多的水冷壁，降低管內(nèi)的質(zhì)量含汽率，提高水冷壁的安全裕度。還可以靈活調(diào)節(jié)燃燒器區(qū)域的溫度水平，這是提高鍋爐對(duì)多煤種適應(yīng)性的重要調(diào)節(jié)。第十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五配合降低燃燒器區(qū)域的熱負(fù)荷和分級(jí)配風(fēng)技術(shù)以及減小單只燃燒器的功率，可降低燃燒器中心區(qū)域的燃燒溫度，同時(shí)可以減小燃燒器區(qū)域的熱負(fù)荷分配不均程度，有利于防止結(jié)渣，減小NOx的排放量，減輕環(huán)境污染，避免或減輕水冷壁的高溫腐蝕。對(duì)四角燃燒鍋爐，提高爐膛高度可使火焰殘余旋轉(zhuǎn)得到充分衰減，減小爐膛出口煙溫的偏差和煙氣速度的偏差，減小過熱器和再熱器的熱偏差和高溫腐蝕。有利于避免四管爆漏，提高鍋爐運(yùn)行可靠性。第十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五適當(dāng)增大爐膛容積，降低爐膛容積熱負(fù)荷，可以減小爐內(nèi)煙氣溫度分布的非等溫性。研究表明，隨著輻射光學(xué)密度的增加，輻射層中不等溫性增大。輻射光學(xué)密度包括輻射介質(zhì)密度和輻射光線的光學(xué)行程長(zhǎng)度。當(dāng)燃料性質(zhì)、鍋爐容量及參數(shù)、鍋爐負(fù)荷等條件一定時(shí)，隨著爐膛容積的增大，爐內(nèi)輻射介質(zhì)密度減小，有效輻射層厚度（光學(xué)行程長(zhǎng)度）增加，從而影響爐內(nèi)高溫?zé)煔廨椛鋵又械臏囟葓?chǎng)。因此適當(dāng)降低爐膛容積熱負(fù)荷，不但影響到爐內(nèi)傳熱，還可以降低煙溫分布的不均勻性，對(duì)減小水冷壁和過熱器的熱偏差作用較大，有利于提高水循環(huán)和過熱器工作的安全性，對(duì)直流鍋爐的水動(dòng)力特性和傳熱特性意義更大。爐膛容積增大，爐膛整體溫度降低，燃料停留時(shí)間延長(zhǎng)。對(duì)著火不利，對(duì)燃盡有利。第十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五3四角切圓燃燒鍋爐的殘余旋轉(zhuǎn)殘余旋轉(zhuǎn)不但使?fàn)t膛出口處的煙氣溫度有偏差，而且使煙氣速度也有偏差。一般煙溫偏差達(dá)100℃，嚴(yán)重的可達(dá)300℃。沿?zé)煹缹挾确较蛏希瑹熕倨钭罡哌_(dá)10m/s。這會(huì)對(duì)爐膛出口處的受熱面?zhèn)鳠岙a(chǎn)生極大影響，是造成爐膛出口屏式過熱器和其后受熱面超溫的重要原因。

第十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五減輕殘余旋轉(zhuǎn)的措施：燃燒器頂部二次風(fēng)反切圓旋轉(zhuǎn)，稱為消旋二次風(fēng)。減小切圓直徑或?qū)菤饬鲗?duì)沖布置適當(dāng)增加爐膛高度和爐膛容積采用旋流燃燒器的對(duì)沖燃燒方式，燃燒穩(wěn)定性主要取決于單個(gè)燃燒器的工作狀況，即單個(gè)燃燒器的穩(wěn)定燃燒能力強(qiáng)。這樣爐膛出口煙溫和煙速偏差只與燃燒器的投停方式有關(guān)。不存在由于氣流殘余旋轉(zhuǎn)而引起的過熱器超溫。第十八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五4評(píng)價(jià)爐膛結(jié)構(gòu)的參數(shù)1）爐膛結(jié)構(gòu)著火穩(wěn)定性參數(shù)

爐膛斷面熱負(fù)荷qa＝BjQar,net/A,著火性差，灰熔點(diǎn)溫度高的煤取大值。燃燒器區(qū)域壁面熱負(fù)荷qr，其值越大，說明燃燒器區(qū)域溫度水平越高，對(duì)著火有利，但是容易結(jié)渣。爐膛著火穩(wěn)定性指數(shù)Jw＝qa＋qr，將燃燒器沿爐膛高度方向拉長(zhǎng)或增大燃燒器的間距。第十九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五2）爐膛結(jié)構(gòu)燃盡性參數(shù)爐膛容積熱負(fù)荷（qv大，燃盡性差，容量增加，qv減小）燃料在爐內(nèi)的停留時(shí)間（燃燒器上一次風(fēng)中心至屏下端距離/煙氣在爐內(nèi)的平均上升速度）爐膛結(jié)構(gòu)結(jié)渣性參數(shù)Jz＝qa＋qr，（越大，越可能結(jié)渣）與Jw正好相反。結(jié)渣還與氣流是否直接沖墻以及還原性氣氛有關(guān)。第二十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五汽溫調(diào)節(jié)方式與受熱面?zhèn)鳠崽匦?采用擺動(dòng)式燃燒器條件汽溫過熱器與再熱器均為輻射＋對(duì)流，輻射過熱器的吸熱量約占過熱器系統(tǒng)的40－50％，大屏過熱器和后屏過熱器的蒸汽溫升比較大。后屏過熱器純對(duì)流傳熱量占20％，管間高溫?zé)煔廨椛湔?5％，接受爐膛高溫火焰的直接輻射15％。爐膛上部的分割屏過熱器（前屏、大屏）汽溫特性為輻射式。當(dāng)鍋爐負(fù)荷下降時(shí)，輻射式過熱器吸熱量增加，燃燒器向上擺動(dòng)，導(dǎo)致輻射吸熱量疊加，引起超溫。低負(fù)荷，減溫水量增加，高負(fù)荷，減溫水量減小。負(fù)荷降低50－60％MCR，過熱器減溫水量達(dá)到最大。第二十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五2采用煙氣擋板條件汽溫負(fù)荷降低，過熱器減溫水量減小，負(fù)荷升高，過熱器減溫水量增加。大容量鍋爐的過熱器和再熱器一般都采用順列布置，根據(jù)傳熱學(xué)可知，對(duì)流放熱系數(shù)與煙氣流速的0.8次方成正比，根據(jù)熱平衡方程可知，過熱器吸熱量與蒸汽流速的一次方成正比。當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化時(shí)，蒸汽流量對(duì)汽溫的影響比煙氣流速的影響要大一些。負(fù)荷下降50%時(shí)，過熱器側(cè)對(duì)流煙道中受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降32.6%,再熱器側(cè)對(duì)流煙道中受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下降24.4%第二十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五實(shí)例

1.700MW機(jī)組參數(shù)采用典型的超臨界參數(shù)，主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度分別為571℃和569℃，在該參數(shù)等級(jí)上海鍋爐廠有限公司擁有豐富的600MW等級(jí)鍋爐的成功設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，因此對(duì)于700MW超臨界鍋爐推薦采用與600MW等級(jí)超臨界鍋爐相同布置形式，只需對(duì)爐膛和受熱面尺寸相應(yīng)放大即可，無需進(jìn)行全新設(shè)計(jì)。第二十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五2.800MW機(jī)組參數(shù)選型時(shí)考慮了兩個(gè)方面的問題，首先選擇的參數(shù)需符合國(guó)家發(fā)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)政策的要求，第二需兼顧考慮SA-335P92主蒸汽管道材料和鍋爐高檔次合金材料目前的價(jià)格和供貨狀況。通過對(duì)27MPa，566/600℃和27MPa，600/600℃兩種超超臨界參數(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較可知：目前階段鑒于SA-335P92主蒸汽管道材料、鍋爐高溫段受熱面高合金材料均依賴于進(jìn)口、漲價(jià)幅度較大、供貨周期長(zhǎng)等因素，27MPa,566/600℃參數(shù)鍋爐的性價(jià)比優(yōu)于27MPa,600/600℃超超臨界參數(shù)，這一點(diǎn)與國(guó)外同容量超超臨界機(jī)組參數(shù)選擇相吻合。第二十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五由于800MW超超臨界機(jī)組主蒸汽出口溫度較低，為常規(guī)的超臨界鍋爐的溫度，對(duì)于過熱器的選材可以有較大的余量空間，而國(guó)際上也擁有該容量采用單爐膛單切圓的雙煙道布置鍋爐成功投運(yùn)的業(yè)績(jī)，因此對(duì)于800MW超超臨界鍋爐，選擇與600MW等級(jí)超臨界鍋爐相同布置方式，在設(shè)計(jì)方案上是成熟的，機(jī)組運(yùn)行的安全性、可靠性上也同樣是有保證的。第二十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五3上鍋1200MW等級(jí)超超臨界鍋爐研制華能玉環(huán)電廠、華電鄒縣電廠、外高橋三期等1000MW超超臨界機(jī)組相繼成功投入運(yùn)行，標(biāo)志我國(guó)在超超臨界火電技術(shù)領(lǐng)域上有了跨越式的發(fā)展，火力發(fā)電技術(shù)與國(guó)外縮短30年到40年，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并為我國(guó)在該領(lǐng)域上拓展更高參數(shù)和更大容量的機(jī)組打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。世界上USC技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)表明，開發(fā)更大容量、更高壓力和溫度參數(shù)的機(jī)組，以進(jìn)一步提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，降低機(jī)組單位造價(jià)，獲得良好的性價(jià)比是超超臨界機(jī)組發(fā)展的方向。為此，上海鍋爐廠有限公司在1000MW超超臨界鍋爐獲得成功的基礎(chǔ)上，自行開發(fā)和研制了1200MW超超臨界鍋爐，在鍋爐方案設(shè)計(jì)階段，著重對(duì)影響其可行性的幾個(gè)方面作了重點(diǎn)分析和考慮。第二十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五爐型選擇在1000MW容量等級(jí)上，從已經(jīng)投運(yùn)和正在設(shè)計(jì)的機(jī)組來看，無論選擇塔式鍋爐或雙煙道鍋爐都是成熟可靠的。但當(dāng)容量在1000MW等級(jí)的基礎(chǔ)上繼續(xù)提升時(shí)，認(rèn)為選擇塔式爐型對(duì)于今后的運(yùn)行更為安全、可靠，理由如下：1）選擇塔式鍋爐是綜合考慮爐膛尺寸和受熱面布置相匹配的結(jié)果；隨著機(jī)組容量的增加，鍋爐爐膛斷面和容積也要求相應(yīng)放大。對(duì)于常規(guī)的雙煙道切圓燃燒鍋爐，機(jī)組的容量到了800MW以上，推出的是雙切圓的方案（主要受制于受熱面布置），就目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)或正在設(shè)計(jì)的1000MW容量等級(jí)切圓燃燒的雙煙道鍋爐，全部采用的是雙切圓。如果機(jī)組的容量達(dá)到1200MW以上，如繼續(xù)選擇該型鍋爐，爐膛寬度和深度的匹配以及受熱面的布置都存在較大困難。而對(duì)于塔式鍋爐來說，由于推出的是正方形爐膛的方案，隨著鍋爐容量的增加爐膛寬度和深度和熱面匹配不成問題。第二十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五2）選擇塔