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1、600MW垂直水冷壁超临界锅炉的设计随着我国火力发电事业的迅速发展和对环境保护的需要，提高机组效率、降低单位能耗，因而大力减少煤耗量和污染物总排放量如CO2、SO2、NOX、飞灰等已成为当务之急，发展超临界以致超超临界机组，以及采用低NOx燃烧和尾部脱硫装置等均是重要途径之一。此外，随着机组调峰和两班制运行的需要，旧式的定压运行超临界机组已不能适应，因此世界上八十年代以来新投运的超临界机组绝大部分采用变压运行。此种超临界锅炉的关键部件之一的水冷壁则有螺旋管圈和垂直管圈两种型式。哈尔滨锅炉责任有限公司在开发采用这两种型式的水冷壁管圈的变压运行超临界锅炉均做了大量工作。本文对采用内螺纹管垂直水冷壁
2、的600MW超临界锅炉的方案设计，包括水冷壁主要设计参数的选取、锅炉总体布置特点及启动旁路系统的选型分析做了全面的论述。1、变压运行超临界锅炉水冷壁特点1、1 运行特点及各阶段设计要求变压运行超临界锅炉的水冷壁有螺旋管圈和垂直管二种。对于垂直型水冷壁来说，大多采用再循环泵供起动和低负荷时用，随着负荷的增大，此种水冷壁要经过低负荷控制循环、亚临界直流和超临界直流三个阶段。以某电厂600MW超临界机组方案设计为例，因汽机变压运行的最高点负荷为额定负荷的80%(=0.8)，相当于锅炉最大连续负荷(MCR)的69.4%左右，而水冷壁则在60%负荷时通过临界点(图1)。若以直流工况到控制循环的切换点选定
3、为35%负荷，则由图2可看出在035%负荷间为亚临界控制循环，在3560%负荷间为亚临界直流而在60100%负荷间为超临界直流。图1 水冷壁出口压力与负荷关系 控制循环运行时水冷壁的出口为具有饱和温度的汽水混合物，因此沿炉膛周界各水冷壁管的工质温度和管壁温度是均匀的，不存在温度偏差问题，而且由于此阶段水冷壁的最高工作压力已降到约12MPa，远低于亚临界区，已不存在膜态沸腾问题，但由于压力较低，水冷壁管内工质的比容(主要是蒸发段内的比容)显著增大而水冷壁入口水的比容变化甚小，导致节流孔圈阻力在回路总阻力中的比例显著降低，使各水冷壁管间的流量偏差增大，水冷壁的安全性检验除应保证不出现直流状态和过热
4、外，还应保证水动力的稳定性。 对亚临界直流运行阶段来说，水冷壁沿高度分成给水加热、蒸发和过热三个区段，水冷壁的安全性是检验蒸发区膜态沸腾(DNB)的裕度以及高含汽率区的蒸干(Dry Out 简称DRO)现象产生后管壁温度的升高是否在管子的许可温度范围内。在过热区段中则主要是检查水冷壁出口的壁温是否低于管材的许可温度以及沿炉宽和炉深的出口汽温偏差和相邻二回路边管之间的温度差值是否在膜式水冷壁从热应力角度的许可温差范围内。 对于超临界直流工况来说，已不存在蒸发区，水冷壁的安全性主要是检查水冷壁出口和各点的壁温是否在许可值内、沿炉宽和炉深的出口汽温偏差以及相邻二回路的边管之间的温度差是否在许可温差范
5、围内。 1、2 各负何下工质温度和焓值变化 图2表示600MW变压运行超临界锅炉在各负荷下省煤器、水冷壁及过热器这三大部件工质出口温度及焓增。由该图可看出当负荷达到60%后，工质的压力和温度达到相变点(22.12MPa、374)，此时饱和温度的水直接全部转变成饱和蒸汽、水冷壁内已不存在汽水双相共存的蒸发区段而转入超临界蒸汽单相运行。 1、3 汽机起滑点负荷比值对水冷壁工作特性的影响 汽机起滑点负荷比值决定于机组予定的运行模式。对改进型滑压运行(定滑定)来说，值决定了滑压运行的负荷范围，也决定了锅炉水冷壁通过临界压力点的负荷值，也即决定了亚临界直流运行的负荷范围。总的来说，值较小对锅炉水冷壁的安
6、全性是有利的，但缩小了亚临界直流运行的负荷范围，对二班制及调峰机组的经济性稍差。兹将不同的值对水冷壁运行特性的影响列于下表。汽机值锅炉起滑点负荷%BMCR水冷壁通过临界点负荷%BMCR0.9585%75%0.9080%67%0.8070%60%2、一次垂直上升水冷壁主要特性参数的选择2、1界限质量流速与设计质量流速 2、1、1 界限质量流速:亦称最小质量流速，它是指双相工质在管内流动时在给定的压力、管径和热负荷下不发生一类传热恶化(DNB)和二类传热恶化(蒸干即DRO)时要求的最低限度的质量流速，根据我公司与西安交大对286的垂直上升四头内螺纹管传热与阻力特性试验的结果，变压运行垂直管在双相流
7、动区的二个运行工况即亚临界直流区的近临界点(21.5MPa,57%负荷)和最小直流工况(13MPa.35%负荷)的界限质量流速的试验值如图4及3所示。 由图3和4可以看出界限质量流速的选取可分为三个区段，第一区段是干度较小的区域此时界限质量流速随干度的增加而增加，在第二区段中界限质量流速基本上与干度无关，呈水平直线，而在第三区段中界限质量流速随干度的增加而急剧增加。某些学者把这三个区段分别称为第一、二、三类传热恶化。 由图3可看出，对最小直流工况在热负荷最高的燃烧器区域上方的低干度区而言，防止产生第一类传热恶化(DNB)的界限质量流速约为300kg/m2s，而防止产生第二、三类传热恶化(DRO
8、)的界限质量流速为400kg/m2s。由图4可看出在近临界工况下，在第一、二区段内当最大局部热负荷为700kw/m2时，界限质量流速为1000kg/m2s。实际上，对600MW超临界锅炉来说，干度X为0.8左右是位于折焰角下方，此处的最大局部热负荷已600kw/m2,对应的界限质量流速仅为800kg/m2s，因此对这二个区段(X=0.20.8及00.2)的界限质量流速若按1000kg/m2s考虑是有一定的安全裕度。由于试验干度所限，第三区段的传热恶化即X=0.81.0及相变区以至单相的超临界区已不能用界限质量流速来验证其安全性，而可采用临界热负荷及管壁温度的校核来校验其安全性。 2、1、2 临
9、界热负荷:指在给定的压力、质量流速及干度下亚临界双相流动不产生传热恶化的最高允 图2 各负荷工质焓值变化 图3 内螺纹管中蒸汽干度、质量流速和热负荷间的关系图4 内螺纹管中蒸汽干度、质量流速和热负荷间的关系许热负荷。对超临界区单相蒸汽流动来说，临界热负荷是指在给定的压力、质量流速及蒸汽焓值下管子壁温不超过许可值的最高允许热负荷。兹将286四头内螺纹管在近临界区和超临界区的典型的临界热负荷曲线组示于图5和图6。由图5看出当600MW超临界锅炉在近临界区运行(57%负荷)时，当质量流速为1000kg/m2而干度0.7时，临界热负荷约为700KW/m2，如前所述，实际此时的最高局部热负荷只有600K
10、W/m2，因此仍有一定的安全裕度。图6表明在超临界压力区(27MPa和MCR工况)，临界热负荷随工质焓值而变。当质量流速为14001800kg/m2s，水冷壁出口焓值为2800KJ/kg，其临界热负荷为320340kw/m2，但在相变点焓值(2107KJ/kg)，其临界热负荷为540600kw/m2，虽然在上炉膛入口(折焰角处)其内壁热负荷只有210kw/m2，但在某些回路中相变点处的最大局热负荷可超过600kw/m2，有超温的可能，因此必须校核此处的金属壁温。 2、1、3 MCR质量流速设计值如前所述，水冷壁质量流速是确保其安全运行最重要的参数之一。对变压运行超临界锅炉采用的内螺纹管垂直水冷
11、壁来说，质量流速的选取是以最低直流工况的流速应高于此工况下的界限流速为基础，反推出MCR时应选取的质量流速。根据图3，对采用286的内螺纹管的600MW超临界炉水冷壁来说，最小值流工况的界限质量流速为300400kg/m2s。日本三菱重工(MHI)的试验曲线见图7，其最小直流工况的界限质量流速为350kg/m2s。采用值为500kg/m2s，MCR工况下质量流速的设计值为1900kg/m2s。CE公司对1(31.8)的六头内螺纹管垂直水冷壁的最低直流工况质量流速的设计值为540kg/m2s，MCR工况下质量流速的设计值约为1400kg/m2s(见图8)，低于MHI的采用值，原因之一是将最低直流
12、工况定为25%MCR，而CE公司的超临界锅炉(包括复合循环炉)的最低直流工况一般35%MCR，如果MHI将最低直流工况的负荷值提高，则MCR的质量流速设计值也可以适当降低。在哈锅开发的600MW超临界锅炉方案中，最低直流工况(35%MCR)的质量流速设计值是在界限质量流速400kg/m2s的基础上考虑了足够的裕量(50%)后采用600kg/m2s，因此在MCR时的设计质量流速为1750kg/m2s。而在近临界区的57%MCR工况下，其质量流速也达到1000kg/m2s，如2.1.1节所分析，此工况下也有足够的安全裕度。 2、2 水冷壁管径、节距与材质水冷壁的管径、节距与材质取决于所采用的设计质
13、量流速、管壁与鳍片温度、温度偏差和由此引起的热应力等因素，当然也要考虑到制造与运输过程中的刚性和管内水容量对热负荷波动的敏感性等，原苏联的超临界直流炉的垂直水冷壁大多采用326的光管，节距为4248mm、管材为12Cr1MoV。CE公司生产的复合循环锅炉的垂直水冷壁也采用326的光管，节距为44.7mm，材质为SA213T11(1CrMo)，日本八十年代末投运的700MW变压超临界锅炉的垂直水冷壁采用285.45的四头内螺纹管，材质也属于1CRMo类合金钢。哈锅600MW变压超临界锅炉方案设计中的垂直型水冷壁采用286四头内螺纹管、节距42mm、材质采用12Cr1MoV或SA213T11。对于
14、后水冷壁的吊挂管、折焰角及水平烟道斜坡管以及对流管束应采用较粗的内螺纹管和光管(38和32)以降低这些烟温较低区的管子质量流速并控制这些复杂回路的阻力。采用28的管子从制造工艺、管子刚性和装设节流孔圈等角度来看是可以接受的管径的下限，已在日本一批已投运的700MW锅炉上经历了长期运行的考验。 2、3 MCR工况水冷壁出口温度、最低直流工况水冷壁出口过热及入口欠热 国外对变压运行超临界锅炉的推荐值如下:在最低直流工况下水冷壁出口的工质过热为6384KJ/kg以保证不出现双相介质而导致分配不均，在MCR时水冷壁出口温度应为430440。石洞口二厂的600MW超临界锅炉MCR时水冷壁出口温度为435
15、，在最低直流工况(37%)时过热度为126KJ/kg，水冷壁入口欠焓为272KJ/kg以防止较低压力时水冷壁入口出现汽化。应该说明上述这些数据是指采用螺旋管圈水冷壁。对于内螺纹管垂直水冷壁，根据MHI和CE公司的经验，在满足最低直流工况过热度的原则下，水冷壁出口温度愈低对降低水冷壁出口壁温和温度偏差愈有利。日本700MW机组水冷壁出口温度约为410。图5 近临界压力时，临界热负荷随干度的变化图6 超临界压力时，临界热负荷随焓值的变化本方案设计采用水冷壁出口温度为427，35%负荷时出口过热度为163.4KJ/kg，入口欠焓为256KJ/kg，与石洞口二厂600MW锅炉和国外推荐数据相比已有足够
16、的裕度。 2、4 水冷壁沿宽度方向及相邻二管间最大温差 为控制热应力在许可范围内，原苏联对超临界直流炉曾规定不超过50。实际上大部分超临界水冷壁二回路边管之间在运行中已超过此值，甚至高达100，特别在下辐射区一、二行程之间，但运行仍是安全的，所以后来已将允许温差增大到80。根据CE公司的研究，在亚临界压力下运行时，沿水冷壁宽度 质量流速kg/cm2 s 蒸 汽 流 量 %图7 三菱重工试验数据，质量流速与蒸汽流量关系 图8 CE公司内螺纹管试验值，质量流速与压力关系允许的最大温度偏差可达110。为安全计，在方案设计中对水冷壁沿整个炉膛和相邻二管间温度偏差不超过80。 3、一次垂直上升水冷壁二种
17、节流方式的计算分析与比较 3、1 节流调节的必要性:变压运行垂直水冷壁各回路间的吸热和结构特性相差较大、且低负荷时回路具有弱的自然循环特性而在高负荷时却呈强制循环特性，使回路间造成较大的汽温偏差，导致水冷壁大的热应力并恶化了汽水分离器的工作条件。此外，大的热力偏差还将导致水冷壁的超温爆管。 产生大的热力与温度偏差除上述的吸热不均匀性外也和采用一次垂直上升不设中间混合集箱有关。吸热不均匀性具体原因有:a、因切向燃烧导致沿炉宽和炉深热负荷分配不均匀(见图9)；b、部分管段被炉墙或折焰角遮盖；c、后水冷壁上部形成的吊挂管和对流管束不仅形状长度各异且均是全周吸热，因此后水冷壁上部单管吸热要比前水冷壁和
18、侧水冷壁上部的单管吸热多。为最大限度降低上述因吸热和结构差异引起的偏差，只能依靠水冷壁系统内装设不同孔径的节流孔圈调节流量的方法来达到以下目的:保证各负荷下水冷壁相邻回路间的出口汽温偏差35%时，汽水分离器只起集箱的作用作干式运行。当锅炉启动和负荷低于35%时，分离器湿态运行，分离出的蒸汽进入过热器，疏水经再循环泵在混合器中与给水混合后进入水冷壁进行循环。当分离器水位较高时则打开中、高水位控制阀部分疏水经扩容器进入冷凝器进行循环。 5、2、3 再循环泵与给水泵串联布置的主要优点是再循环泵始终运行于过冷水，一旦压力降低泵入口不致汽化，因此可允许较高的降压速度、启动时能用给水较好予热再循环系统，此
19、外再循环泵排放量随负荷只有微小的变化，其缺点是需要增加一只特殊的混合器，一旦启动时遇到给水故障，再循环泵系统也应考虑在无欠热的饱和水下运行。 5、2、4 我公司开发的600MW变压运行超临界锅炉的启动旁路系统如图21所示。根据计算，启动系统在冷态、温态及及热态三种启动工况及极低负荷运行期间分离器疏水量的范围为01325t/h(70%MCR)，其最大值系指冷态大流量冲洗和冷态启动汽水膨胀时的流量，主疏水管可选用355的管子、材质为SA335 P22，它是按疏水流量相当于35%MCR(662t/h)选定的。 5、2、5 启动系统疏水调节阀 由图21看出启动系统共有三只疏水调节阀，其低水位控制阀(L
20、.W.L)系将疏水排至混合器与给水混合后经再循环泵输往省煤器。其余二只为中水位控制阀(M.W.L)和高水位控制阀(H.W.L)用于启动期控制分离器水位不超过中间水位和最高水位，特别在锅炉大流量冲洗和锅炉水质不合格时排放疏水至扩容器。 5、2、6 汽水分离器 初步计算分离器内径为850、壁厚约100mm，总长约26M，采用SA-387.22.CL1.1钢板卷焊或锻焊结构，分离器最高水位与最低水位之间的高度14.6m。MCR工况分离器阻力为0.13MPa。根据水冷壁系统设计，汽水分离器上部有5根水冷壁引出导管沿切向进入分离器，分别来自前墙、二侧墙、后墙吊挂管和对流管束出口集箱，其设计流速为2023
21、m/s，有四根蒸汽引出管(324)将分离出蒸汽引往过热器顶棚入口集箱。 6、汽机旁路系统 6、1 汽机旁路系统功能l 满足机组的冷热态启动。l 机组紧急甩负荷时保护再热器。l 能满足停机不停炉的运行方式，即电网故障、汽机停机或带厂用电运行时锅炉仍可以按最低稳燃负荷运行。l 机组甩负荷时根据旁路容量能避免或减少安全阀起跳次数和起跳时间，如果用100%容量的三用阀的汽机旁路还可以取消过热器出口的安全阀。l 减少启动和紧急停炉时机组的热损失、回收工质热量。 6、2 汽机旁路三种方案比较 在方案设计中考虑了下列三种方案 6、2、1 高低压旁路容量均为100%负荷、其中高压旁路兼具安全阀、溢流阀和旁路阀
22、三种功能，低压旁路全部旁通量进入冷凝器。再热器进出口各装有50%容量的安全阀。 此方案蒸汽共分四路，冷态启动时汽机冲转参数假设为8MPa、400，按此参数运行要求的高旁容量为40%负荷，因此高旁通流能力的裕度为60%，低旁运行要求的容量为30%，其通流能力的裕度为70%。 温态启动时，假设仍采用相同的冲转参数，此时高旁留有50%裕度，低旁有65%裕度。 热态启动时汽机的冲转压力为15MPa,温度500，高压旁路的裕量为50%，低旁的裕量为40%。 此方案对甩负荷处理来说，其容量也完全足够，但由于冷凝器真空保护的要求，不允许100%低旁排汽进入，故再热器安全阀可能仍起跳。 6、2、2 高低压旁路
23、的容量均为50%MCR，分二路布置，此方案管道布置简单，但过热器、再热器均需设安全阀，按计算，冷态启动时高压旁路将有10%的裕度，低压旁路将有20%的裕度。在温态启动时，高压旁路的容量已没有余度、低压旁路侧仍有15%裕量，而在热态启动时高低压旁路的容量均没有裕度。 机组甩负荷(甩到50%MCR)，过热器安全阀将起跳，由于滑压运行，50%负荷时高旁只能通过32%主汽流量，要保证安全阀回座，锅炉只能维持30%负荷运行。再热器安全阀一般不会起跳。 6、2、3 高压旁路容量为100%负荷，低压旁路容量为50%负荷。此方案为介于上述二方案之间的折衷方案。过热器出口可不设安全阀。此方案的高旁足以应付所有启
24、动工况和甩负荷工况，低压旁路容量在热态启动时也没有裕度。若考虑高压旁路的喷水量后，低压旁路的实际容量为60%，配合再热器安全阀也可以应付甩负荷工况，同时投资也较节省。图21 600MW超临界锅炉启动系统图6、2、4 初步结论l 要满足机组各种工况启动，高压旁路的容量应50%，低压旁路的实际容量也应60%(即考虑高旁10%喷水量后)；l 要满足各种甩负荷情况下过热器和再热器安全阀不起跳，则要求高低压旁路容量均为100%，对于高低压旁路容量均为50%的方案，则无论对防止安全阀起跳或起跳后及时回座，对滑压运行时主蒸汽通流能力来说，此容量均显得偏小些。至于高旁100%，低旁50%容量的方案，高压旁路可以应付所有的启动工况和甩负荷工况，至于低压旁路若配合再热器安全阀，也可以应付甩负荷工况。l 旁路系统选用哪一种方案，将来要通过进一步技术经济比较并根据用户的要求作出抉择。
