亚临界锅炉技术研究论文下载.doc

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1、1/ 51 类 别: 年 级: 专 业: 姓 名: 学 号: 论文题目: 亚临界锅炉技术研究 2/ 51 与发达国家相比，我国电力工业的起步较晚。解放前，我国还没有自己的锅炉制造业；解放后，我国先后在哈尔滨、上海、四川、北京、武汉等地建立了锅炉生产基地。50年代后期设计并制造了与50MW汽轮发电机组配套的容量为230t/h的锅炉。六七十年代，我国的电力工业有了较快的发展，到七十年代末，已先后设计和制造了与125、200、300MW汽轮发电机组配套的容量为400、670、1000t/h高压、超高压和亚临界压力的锅炉。80年代中期，我国先后引进了与300、600MW汽轮发电机组配套的1025、20

2、08t/h的亚临界压力锅炉。现在，我国已有能力自行设计并制造与600MW汽轮发电机组配套的2000t/h级的超临界两次中间再热的电站锅炉，现在，我国已有大量亚临界大型锅炉机组的制造和运行经验，但与世界先进机组相比还有一定差距，应当尽快进行改造，缩短这些差距。 为进一步降低每千瓦的设备投资、金属消耗、运行管理费用，提高机组运行的经济性和安全性，高参数、大容量、高自动控制技术的大型电站锅炉及低污染燃烧技术已成为当今电站锅炉的发展趋势。为了达到这个目标我们必须减少亚临界锅炉在运行中存在的过热器和再热器超温爆管、水冷壁高温腐蚀及爆管、尾部受热面的磨损、腐蚀和漏风等现象的发生，因为这些现象不仅降低了锅炉

3、的热效率，同时也影响锅炉的安全性和可靠性。故对这些问题进行研究，针对它们所存在的问题，对其相应地进行改造并提出一些先进的技术方案，从而减轻故障的严重程度，减少锅炉的事故率，提高锅炉的可用率和运行效率，为今后亚临界压力锅炉的设计和运行提供一些借鉴经验。 本文的出发点是亚临界锅炉的技术研究，通过阐述亚临界参数下自然循环和控制循环的水动力特性，介绍亚临界与超临界锅炉的主要技术特点，对亚临界锅炉和超临界锅炉的运行可靠性、热经济性及主要系统等方面作了详细的比较，从而得出了亚临界锅炉对我国电力工业的发展的重要意义。 本文对现役的亚临界压力锅炉在运行过程中经常出现的事故进行分析，通过对查询网上电子期刊和结合

4、一些亚临界机组的运行资料的书籍， 3/ 51 进一步了解发生这些事故的具体原因，对亚临界压力锅炉的设计进行优化，从而使亚临界压力锅炉的使用性能提升到一个新的水平。 由于本人理论水平和实践经验有限，设计中的错误和不当之处在所难免，恳请老师批评指正。 ：亚临界锅炉、自然循环锅炉、控制循环锅炉、超临界压力锅炉、蒸汽参数锅炉、过热器、再热器、水冷壁、省煤器、空气预热器 4/ 51 锅炉的型式主要取决于蒸汽参数和容量，有自然循环锅炉、控制循环锅炉、直流锅炉、复合循环锅炉四种。在亚临界压力参数下运行的有自然循环锅炉，控制循环锅炉和直流锅炉，以下将对这几种锅炉进行研究。 1、影响自然循环锅炉可靠性的主要因素

5、（1）循环流速亚临界参数锅炉，随着锅炉容量增大，相对于单位蒸发量的炉膛周界减小，管内质量含汽率增大，达到x0.30.4。在MCR负荷时，循环流速达到1.72.0m/s；在30MCR负荷时的循环流速能保持1 m/s的水平。实验数据表明，循环流速达到0.4 m/s，水冷壁管内的工质流动就不会产生停滞和倒流现象。 （2）循环倍率 循环倍率较低是亚临界自然循环锅炉可靠性的主要矛盾。 循环倍率的选取首先应考虑使锅炉具有良好的循环特性，即当锅炉负荷增加时，应始终保持较高的循环水量，使水冷壁得到充分的冷却，而且当锅炉负荷增加时，各循环回路的水量也能随之增加，也就是要保证循环倍率K要大于界限循环倍率kx，否则

6、自然循环将失去补偿能力，使水循环被破坏；另一方面，循环倍率过低，水冷壁管内质量含汽率x增加，在亚临界压力下，当热负荷高时，就有可能发生传热恶化。所以控制适当的循环倍率，既可以保证锅炉具有良好的循环特性，随热负荷的高低能自动调节循环水量，又可以防止传热恶化。一般亚临界自然循环锅炉水冷壁内的质量流速都接近或者超过1000kg/m2?s，而最大热负荷一般不超过524KW/m2，如能保持上升管出口质量含汽率不大于0.4，即循环倍率不小于2.5则水冷壁中工质由于膜态沸腾热导致传热恶化是可以避免的。所以控制适当的循环倍率，既可以保证锅炉具有良好的循环特性，随热负荷的高低能自动调节循环水量，又可以防止传热恶

7、化。如FWEC2020/18.1-1型自然循环锅炉在额定蒸发量使得循环倍率为4.1， 5/ 51 RBC型2027t/h自然循环锅炉70MCR得循环倍率为2.98；英国三井巴布克科公司2027t/h自然循环锅炉在额定蒸发量是循环倍率为3.21。 （3）汽包水室凝汽量 亚临界锅炉，饱和汽水密度差减小，汽水分离比较困难，汽包水室不可避免的含有较多的蒸汽，而由省煤器送入汽包水室的水又具有一定的欠焓。因此，亚临界锅炉汽包水室中存在着蒸汽的凝结过程，使水冷壁的实际蒸发量大于从汽包引出的饱和蒸汽量，一般要高出2025，从而对水冷壁中的质量含汽率产生较大的影响，这就使得循环系统的实际循环倍率小于按汽包引出的

8、饱和蒸汽量计算的循环倍率，显然凝汽对循环特性的影响是不容忽视的。 （4）下降管带汽 下降管内含有蒸汽会使下降管的重位压头减小，同时，由于下降管中有蒸汽存在，平均容积流量要增加，下降管里的流速就会增加，流动阻力也随着增加。因此，下降管含汽会使总压差变小，对水循环不利。 2、判断自然循环锅炉安全性参数 判断亚临界参数锅炉循环安全的主要参数，是质量含汽率及与其密切相关的水冷壁热流密度、实际蒸发量、循环流速、结构参数等。采用质量含汽率表示的循环特性参数的函数关系，能够直接反映出各参数之间的制约关系。 （1）质量含汽率与结构参数及循环特性参数的关系 设F、0?、G、D、?、N、d、?分别为水冷壁的流通面

9、积、循环流速、循环流量、水冷壁蒸发量、质量含汽率、水冷壁管子根数、水冷壁管内径、饱和水密度，它们的关系为 FDdNDGD?02014? （11） （2）水冷壁热负荷与结构参数及循环特性参数的关系 设qf、S、Lp、?、i?分别为水冷壁热负荷、管子节距、水冷壁管平均长度、汽化潜热、上升管入口欠焓。其余符号同上，它们的关系为 6/ 51 ?DiGNSLqPf? ?iSLdqPf?420 （12） （3）炉膛周界与循环特性参数及结构参数的关系 设U为炉膛周界，其余符号同前。近似认为NU/S，它们的关系为 ?420dDSU? （13） 自然循环锅炉的主要特点是有一个直径较大的汽包，由于有汽包，使自然循

10、环锅炉有以下特点： （1）汽包是锅炉中省煤器、过热器和蒸发受热面的分隔容器。有了汽包，给水的加热、蒸发和过热等相应的各个受热面有明显的分界，因而汽水流动特性相应比较简单，较容易掌握。 （2）由于自然循环的推动力主要依靠汽水的密度差，因而自然循环锅炉的主要受热面就是有许多垂直管子组成的水冷壁，并且尽量减少弯头，以减少流动阻力，保证水循环的安全。 （3）汽包中装有汽水分离装置，从水冷壁上升管进入汽包的汽水混合物，可以在汽包中的汽空间，也可以在汽水分离装置中进行汽水分离，以减少饱和蒸汽中带水。 （4）锅炉的水容量及其相应的蓄热能力较大，因此，当负荷变化时，汽包水位及蒸汽压力的变化速度较慢，对机组的调

11、节要求可以低一些；但由于水容量大，加上大直径汽包的直径比较厚，因此，加热、冷却不易均匀，使锅炉的启、停速度受到限制。 （5）水冷壁上升管出口的含汽率比其它型式的锅炉要低一些，可以 7/ 51 允许稍大的锅水含盐量，而且自然循环锅炉可以排污，因此对给水品质要求可以低些。 （6）由于汽包直径及壁厚较大，所以自谎饭慕鹗艉牧拷洗蟆?（1）控制循环技术出现的背景 在开发亚临界参数技术的初期，曾经认为汽包压力达到18.6MPa时，自然循环不可靠。为了提高循环安全裕度，提出了在蒸发循环回路中采用“低压头循环泵水冷壁内螺纹管”的新技术。循环泵给蒸发回路的水循环提供了足够的流动压头，大约为0.250.35MPa

12、。根据计算数字可知，亚临界参数锅炉的水循环系统总阻力大约为0.250.28MPa。因此控制循环锅炉的循环流动压头比自然循环锅炉提高了1.5倍以上，显著提高了循环可靠性。 （2）控制循环锅炉主要表现 控制循环锅炉水动力特性既具有自然循环的特性，又具有强制流动的特性。但由于循环泵提供的压头比循环回路中的重位压差提供的流动压头高1.5倍左右，因而控制循环锅炉蒸发回路的水动力特性主要呈现强制流动的特性。为了防止流量分配不均与热偏差引起的水动力不稳定和脉动以及传热恶化现象的产生，在水冷壁入口安装节流圈，使得吸热较强的水冷壁管内保持较高的质量流速。在低负荷运行时，仍可用循环泵提供循环动力。因此，控制循环锅

13、炉的可靠性高，水冷壁传热性能好、热惯性较小，能够适应快速调峰的要求。这种技术主要用于采用四角燃烧方式的300MW、600MW级亚临界参数锅炉机组上，在调峰运行方面显示出了较强的优势。 控制循环锅炉的循环回路中工质的循环是靠下降管内汽水混合物的密度差产生的压力差以及循环泵的压头来推动的，这样控制循环锅炉的循环回路能克服较大的流动阻力，并由此带来了控制循环的一些特点。 （1）水冷壁布置较自由，可根据锅炉形状采用较好的方案。 （2）水冷壁可采用较小的管径，管径小、厚度薄，因而可减少锅炉的金属消耗量。 8/ 51 （3）水冷壁管内工质质量流速较大，对管子的冷却较好，因而循环倍率较小，一般K34（若在热

14、负荷高的区域水冷壁管采用内螺纹管，循环倍率可减小至2左右）。但工质质量流速大，使流动阻力较大。 （4）水冷壁下联箱的直径较大，在联箱里装置有滤网并在水冷壁的进口装置有不同管径的节流圈。装置滤网的作用是防止杂物进入水冷壁管内；水冷壁进口装置的节流圈是合理分配并联管的工质流量，以减小水冷壁的热偏差。 （5）汽包尺寸小。这是因为循环倍率低，循环水量少，并且用循环水泵的压头来克服汽水分离器的阻力，故可采用分离效果较好而尺寸较小的汽水分离器。 （6）汽包内装有弧形衬板，与汽包内壁形成以汽水混合物的环形通道。汽水混合物从汽包上部引入，沿环形通道自上而下流动，从汽包下部进入汽水分离器，因而减小了汽包上、下部

15、温差热应力，加快了锅炉的启动和停炉速度。 （7）控制循环锅炉汽包低水位造成的影响较小。因为汽包水位即使降到最低水位附近，控制循环锅炉仍能通过循环泵向水冷壁提供足够的工质冷却。 （8）由于采用了循环泵，因此增加了设备的制造费用和锅炉的运行费用，并且循环泵运行的可靠性将直接影响到整个锅炉运行的可靠性。 直流锅炉的特点是没有汽包，整台锅炉有许多管子并联，然后用联箱连接串联组成。在给水泵压头的作用下，工质依顺序依次通过加热、蒸发和过热等受热面，进口工质是水，出口工质则为符合设计要求的过热蒸汽。 直流锅炉由于没有汽包，其工作过程有如下的特点： （1）由于没有汽包进行汽水分离，因此水的加热、蒸发和过热的受

16、热面没有固定的分界，而是随着锅炉负荷和工况的变动而变动，过热汽温往往也随着负荷的变化而有较大的波动。 （2）由于没有汽包，直流锅炉蒸发受热面内的工质不构成循环，也无汽水分离问题，因此当工作压力增高，汽水密度差减小，以致在超临界压力时，直流锅炉仍能可靠地工作。 9/ 51 （3）由于没有汽包，直流锅炉中的水容量及相应的蓄热能力小，因此，直流锅炉对负荷变化较敏感，锅炉工作压力也变化得比较快。如果燃料、给水等比例失调，就会严重影响锅炉的出力及蒸汽参数，这就要求直流锅炉有更灵敏可靠的调节控制手段。 （4）由于没有汽包，直流锅炉不能连续排污，给水带入锅炉的盐类，除由蒸汽带走一部分外，其余都将沉积在受热面

17、管子中，所以直流锅炉对给水品质的要求很高。 （5）由于没有汽包，在直流锅炉蒸发受热面中会出现流动不稳定、脉动等问题，会直接影响锅炉的安全运行。 （6）在直流锅炉中，蒸发受热面中的水从一开始汽化一直到完全汽化，都是在高压、高含汽率的条件下进行的，锅炉蒸发受热面管内的换热有可能处于膜态沸腾状态，受热面的金属壁温就会急剧升高，容易过热损坏。因此，防止膜态沸腾是直流锅炉设计和运行中必须注意的问题。 （7）由于没有厚的汽包，直流锅炉在启、停过程中，各部件的加热和冷却都容易达到均匀，所以启动和停炉都比较快，并且在启动过程中，要有专门的系统，以便有足够的水量通过蒸发受热面，以保护它不致被烧坏。 除上述工作工

18、程的特点外，在布置方面，由于直流锅炉是强制流动，因而蒸发受热面可以任意布置，容易满足炉膛结构的要求。在制造方面，由于没有汽包，又可不用或少用下降管，可节省钢材。只是消耗给水泵压头方面，直流锅炉全靠给水泵压头推动汽水流动，故消耗较多的水泵功率。 水的临界压力为22.115MPa，临界温度为347.12。在临界点上，水与汽的参数完全相同，两者的差别消失，汽化潜热趋向于零，即汽化在一瞬间完成。锅炉的型式主要取决于蒸汽参数和容量，有自然循环炉、控制循环炉、直流炉及复合循环直流炉四种。直流炉适合与超临界及亚临界参数，自然循环及控制循环炉适宜于亚临界压力参数。 10/ 51 如采用亚临界参数，则直流炉、自

19、然循环和控制循环锅炉都可选用。如元宝山电厂600MW亚临界锅炉采用强制循环直流锅炉；北仑电厂和平圩电厂的两台600MW锅炉采用控制循环汽包炉；北仑电厂2号炉采用自然循环锅炉。 采用超临界参数时均采用强制循环直流锅炉。石洞口两台600MW超临界锅炉采用的是超临界螺旋管圈直流锅炉，过热器压力为25.4MPa，温度为541，中间级数为一次，再热蒸汽温度为569。 亚临界与超临界压力锅炉在自动控制方面有所不同，其实质是汽包锅炉与直流锅炉之间差别。在汽包锅炉中给水流量的变化，仅影响汽包水位，而在燃料量变化时又仅仅改变蒸汽压力和流量，因此锅炉给水量、燃料量、汽温控制都是相对独立的，亦即：给水水位；燃料产汽

20、量及汽压；喷水汽温。在直流锅炉中，由于没有汽包，蒸发和过热受热面没有固定的界限，当给水量或燃料量变化时都会引起蒸发量、汽温和气压的同步变化，相互有牵制，关系密切，这样给控制系统的设计和调整增加了灵活性，也增加了复杂性。 超临界锅炉虽然没有汽包耗钢量减少，但过热器、再热器采用高级合金钢，阀门价格也提高，故总成本增加。根据技术比较，对于300600MW机组，低价煤地区仍以亚临界压力较为适宜。但超临界锅炉热效率一般要高于亚临界锅炉，从亚临界提高到超临界，机组整体循环效率可提高34，供电煤耗从331g/kw?h降到300302g/kw?h。因此对于采用变压运行的机组，以及电厂建在煤价较贵的地区时采用超

21、临界锅炉可获得更好的经济效益。 亚临界机组与超临界机组谌忌障低场绕骱驮偃绕飨低车牟钜觳皇翘螅湎低场舳低秤肫月废低巢畋鸨冉洗蟆?亚临界控制循环锅炉在其下降管回路中，均设循环泵，以提供足够 11/ 51 的压头来保证在任何运行工况下能进行充分的强制循环。因为压临界参数下汽包壁厚增加，启停过程中上下壁温差值较大因而限制启停速度，汽包壁采取上下不等壁厚结构，并采用环形夹层，使汽包内壁温接近于汽水混合物温度，使上下壁温差均匀而且减小，可快速启停。锅炉汽包的工作水位比自然循环锅炉低，这是因为有循环水泵来产生循环动力，给水直接引入下降管入口处，欠焓较大，水位低时也不产生汽化。 超临界直流锅炉的水冷壁主要采用

22、螺旋式水冷壁管型和一次垂直上升管屏式。螺旋式水冷壁的所有管子沿炉膛四周盘旋上升，均匀的分布在炉膛四周，在任一高度所有管子的高度几乎相同，故比较适用于变压运行。直流锅炉水冷壁的设计往往难以兼顾炉膛周界尺寸与必须具有足够的质量流速的矛盾。而螺旋管圈水冷壁只要增减螺旋上升角度，就可以改变管数，在保证足够的质量流速的同时，其管径和管数可不受炉膛周界尺寸的限制，在管径选用上有一定的灵活性2。 亚临界参数下自然循环锅炉在点火前，锅炉上水至汽包低水位，锅炉点火后，水冷壁吸收炉膛辐射热，水温升高后水循环开始建立，随着燃料量的增加，蒸发量增大，水循环加快，因此启动过程中水冷壁冷却充分，运行安全。强制循环锅炉在点

23、火前既锅炉上水后，循环泵已开始工作，水冷壁系统建立了循环流动，保证水冷壁在启动过程中的安全。 超临界锅炉在启动前必须由锅炉给水泵建立一定的启动流量和启动压力，强迫工质流经受热面。由于超临界锅炉没有汽包作为汽水分离的分界点，水在管中加热、蒸发和过热后直接向汽轮机供汽。因此，超临界锅炉必须设置一套特有的启动系统，以保证锅炉启停或低负荷运行过程中水冷壁的安全和正常供汽。 中间再热单元机组要设置旁路系统，以便在机组启停和汽机故障时协调匹配机炉的工况，实现工质的回收。 超临界锅炉有100容量的高压旁路和65容量的低压旁路，两级旁路串联，这是欧洲国家采用的典型系统。汽机冲转后带上少量负荷时，随着汽机进汽量

24、的增加，高压旁路阀逐渐关小。当汽机主调门开度达到90时，高压旁路阀门全关，当锅炉蒸汽压力超过预定的安全值时，可通 12/ 51 过特殊的控制回路将旁路阀快速打开，起到锅炉安全阀的作用，故锅炉过热器不另设安全阀。用高压旁路来代替安全阀，可减弱噪音，并使蒸汽通过减温减压装置进入凝汽器，实现工质回收。低压旁路将再热器出口蒸汽绕过汽机中低压缸而直接排入凝汽器。由于该旁路只具备65容量，不能作为安全阀，故再热器前后均另设安全阀。在汽机甩部分或全部负荷时，低压旁路调节阀会接受一脉冲信号，以增加其开度而快速排出因汽机中压缸进汽减少而多余的蒸汽。 亚临界机组也设有高压和低压旁路系统，其作用与超临界机组的旁路系

25、统相仿，但容量较小。亚临界机组的高低压旁路的容量都为30额定负荷，有的电厂高低压旁路的容量分别为50和60额定负荷。 13/ 51 蒸汽过热器是锅炉的重要组成部分，它的作用是将饱和蒸汽加热成具有一定温度的过热蒸汽，并要求在锅炉负荷或其它工况变动时，保证过热汽温波动在允许的范围内。目前，我国亚临界参数下的锅炉均采用中间再热系统，其中蒸汽再次加热的部件就是再热器。 过热器及再热器是锅炉中工质温度最高的部件，而过热蒸汽，特别是再热蒸汽的吸热能力较差，故它们是锅炉受热面中工作条件最恶劣的部件。其工作可靠性与金属材料的高温性能有关。另一方面，为降低锅炉成本，尽量避免采用高等级钢材。设计过热器和再热器时，

26、选用管子的金属几乎都处于其温度极限值，因此，如何保证管子金属长期安全工作就成为过热器和再热器设计和运行中必须考虑的重要问题。值得注意的是，再热器中蒸汽的压力低、密度小、流量大、汽温高，这使它的工作条件比过热器更为恶劣，必须引起足够的重视。再热器的工作特点如下： （1）再热蒸汽的放热系数比过热蒸汽小，对管壁的冷却能力差。同时为了减少再热器蒸汽的流动阻力，提高热力系统效率，再热蒸汽采用较小的质量流速，故再热器管壁冷却条件差。 （2）再热蒸汽压力低、比热小，对汽温偏差比较敏感。即在同样的热偏差条件下，其出口汽温偏差比过热蒸汽大。 （3）再热器进口蒸汽温度随负荷变化而变化，因此其汽温调节幅度比过热器大

27、。 （4）在锅炉启动、停炉及汽轮机甩负荷时，再热器中无蒸汽流过，可能被烧坏，为此，在过热器和再热器以及再热器和凝汽器之间分别装有高、低压旁路及快速动作的减温减压旁阀。 （5）再热器系统阻力对机组热效率有很大影响。由于再热器串接在汽轮机高压缸、中压缸之间，故再热器系统阻力会使蒸汽在汽轮机内做功的有效压降相应减少，从而使机组汽耗和热耗都增加。 14/ 51 根据传热方式，过热器和再热器分为对流式、辐射式和半辐射式。 （1）对流式过热器和再热器 指布置在锅炉对流烟道内主要吸收烟气对流热的过热器和再热器。根据烟气和管内蒸汽的相互流向，又分为逆流、顺流和混合流三种传热方式。逆流式对流受热面具有最大的传热

28、温压。采取这种布置方式，可以节省金属耗量。但蒸汽的出口处恰恰是受热面中烟气和蒸汽温度最高的区域，金属壁温可能很高。顺流布置方式则相反，蒸汽出口处烟气温度最低，金属壁温也较低。 根据管子的布置方式，对流过热器和再热器可分为立式和卧式。卧式受热面容易在停炉时排去管内存水，立式受热面得支吊结构比较简便。 根据管子的排列方式，对流式过热器和再热器可分为顺列和错列两种布置方式。错列布置横向冲刷受热面的传热系数比顺列高，但在防止受热面污染不如顺列布置优越。国内绝大多数亚临界锅炉，在高温水平烟道中采用立式顺列布置受热面，而在下降竖井中则采用卧式错列布置得受热面。 （2）辐射式和半辐射式过热器和再热器 布置在炉内壁面上直.