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1、四、超临界机组受热面布置,影响锅炉机组受热面布置的主要因素炉膛结构对锅炉性能的影响汽温调节方式与受热面传热特性,锅炉型号：DG1900/25.4-1锅炉为超临界参数变压直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构型锅炉。中速磨直吹式制粉系统，配6台磨(1台备用)，装设旋流式HT-NR3型燃烧器，前后墙布置，对冲燃烧。机组配置250B-MCR汽动调速给水泵和1台30 B-MCR电动调速给水泵。采用35B-MCR容量高、低压串联汽机旁路。,锅炉主要界限尺寸,影响锅炉机组受热面布置的主要因素,1 锅炉参数对受热面布置的影响 亚临界参数机组工作压力可达19.6MPa，接
2、近于临界参数，因而所需要的蒸发热量大幅度减小，而过热热，再热热和预热热大幅度增加。但是水冷壁受热面设计时主要考虑燃烧稳定，提高燃尽率，防止结渣，控制炉膛出口烟气温度和壁面膜态沸腾，炉膛内需要布置数量足够的辐射受热面。在额定负荷时，要求既能满足蒸发吸热的需要，又能控制炉膛出口烟气温度。因此一方面将部分给水预热的过程转移到水冷壁来完成，另一方面由于所需的过热器和再热器受热面增加，为了提高传热效果并解决炉内辐射受热面不足的矛盾，将部分过热器和再热器向炉膛上部或靠近炉膛的位置移动。形成了辐射加对流的过热器或再热器系统。,超超临界机组蒸汽参数提高对锅炉寿命和运行可靠性影响很大蒸汽温度不会对机组的国产化比
3、例产生很大的影响，但是对锅炉制造成本却有影响，特别是蒸汽初温提高后，除要求管材具有高热强度以外，必须考虑由此引起的高温腐蚀和管子内壁的蒸汽氧化问题。当蒸汽温度达到600，末级过热器和再热器最高壁温可达到650以上，此时管子烟气侧的高温腐蚀和汽侧的蒸汽氧化问题将更加突出。因此希望将高温受热面尽量布置在烟气温度比较低的区域，屏式过热器也尽量处在较低的温度区域。,2 汽温调节方式对受热面布置的影响 汽温调节方式是对受热面布置起决定作用的另一个重要因素。目前采用较多的方法是摆动式燃烧器和烟气挡板，主要用于调节再热汽温。过热汽温的调节以喷水减温为主。,1）摆动式燃烧器调温对受热面的影响 采用摆动式燃烧器
4、时，过热器受热面不仅会向炉内高温区域扩散，而且还会向尾部对流烟道扩展，形成辐射加对流的过热器系统，这种布置方式可以获得平缓的汽温变化特性，使汽温随负荷变化的幅度减小，有利于降低汽温调节幅度，减少减温水量，控制过热汽温的波动幅度。同时为了提高再热汽温的调节能力，再热器也向炉膛内移动或靠近，以增强辐射传热。,实例：当炉内布置壁式再热器时，采用摆动式调温与采用烟气挡板调温方式相比较，再热器的受热面大幅度减少，减少约65，能使再热蒸汽的流动阻力控制在0.2MPa以下。因此再热汽温的调节响应特性比较灵敏。一般从燃烧器开始摆动，一分钟内再热汽温开始变化，大约1520分钟后汽温趋于稳定，汽温达到稳定的时间首
5、先与燃烧器的摆动角度范围有关，摆动角度范围比较大时，汽温达到相对稳定的时间相对比较长。一般摆动10度时汽温稳定时间大约为910分钟。汽温达到稳定的时间比较长并不是完全由摆动式燃烧器造成的，主要是由于蒸汽流程比较长，对传热扰动的动态响应比较慢，汽温响应的滞后造成的。,2）烟气挡板调温对受热面布置的影响 采用烟气挡板调温时候，再热器受热面布置在对流传热较强的尾部烟道内，而且必须布置数量较多的低温对流受热面以保证汽温调节效果。与摆动式燃烧器调温方式相比较，采用烟气挡板调温的锅炉过热器受热面减少约25。由于再热器受热面数量较多并且处于低温烟道调节再热汽温，因此汽温调节反应的灵敏性较差。试验表明，从挡板
6、开始动作，大约经过1.2分钟汽温开始变化，一般情况下，汽温达到稳定的时间比摆动式燃烧器调温的时间略长一些。,3 燃烧方式对受热面布置的影响 燃烧方式首先影响到炉膛结构，而炉膛受热面既是决定锅炉性能的最重要的受热面，也会影响其它受热面的布置。采用旋流燃烧器的对冲方式，由于旋转气流的衰减速度比较快，并且单个燃烧器的旋转射流强度比较小，因此火焰对冲向上折转的过程中，气流的旋转动量矩基本消失。火焰到达炉膛出口处，自然不存在残余旋转。所以当选择的炉膛容积热强度一定时，可以适当降低炉膛高度，同时采用扁矩型的炉膛结构，可以增大旋流式燃烧器中心线间的距离，以减轻结渣，降低NOx的生成量，减小热偏差，避免水冷壁
7、高温腐蚀和传热恶化等。同时，烟道宽度较大，其它受热面布置比较灵活。,采用直流燃烧器四角切圆燃烧方式，对锅炉燃用煤种有较宽的适应能力。但是由于旋转速度高并且火焰黏度比较大，火焰的旋转动量矩衰减比较慢，使火焰到达炉膛出口时，仍然存在残余旋转。当选择的炉膛容积热负荷一定时，由于采用接近正方形的炉膛结构，炉膛周界比较小，同时为减轻残余旋转的影响，需要适当增大炉膛高度。可见，燃烧方式对炉膛的结构起着决定性的影响作用。一般情况下，四角燃烧锅炉的烟道宽度比较小，也会影响到其它受热面的布置。,炉膛结构对锅炉性能的影响,1 燃烧煤粉对炉膛的要求炉膛作为燃烧室，具有合理的结构和容积是保证锅炉正常运行的先决条件。燃
8、烧煤粉时，对炉膛的基本要求是：创造良好的着火、稳定燃烧调节，并保证燃料燃尽性能。炉膛受热面不结渣布置足够的蒸发受热面，水冷壁不发生传热恶化尽可能减少污染物的生成量对煤质和负荷变化有较宽的适应性能减少炉内受热面的受热偏差,2 炉膛容积对锅炉运行性能的影响 近年来为了提高电站锅炉的运行可靠性和燃用多种煤质的适应性，锅炉包括四角燃烧锅炉炉膛容积和炉膛周界有相对增大的趋势，甚至接近对冲燃烧锅炉的炉膛周界尺寸。世界上技术先进的国家近年来炉膛周界增大1215。适当增大炉膛容积，可以提高锅炉运行性能。,具体表现在炉膛容积增大，燃料在炉内的停留时间延长，炉膛高度增加，可提高煤粉燃尽率，降低飞灰可燃物，提高燃烧
9、效率。炉内可以布置足够的受热面，使烟气充分冷气，易于控制炉膛出口烟气温度并防止结渣，有利于提高锅炉燃用多种煤质的适应性。为过热器和再热器的布置提供了良好的条件，可布置较多数量的辐射式过热器和再热器受热面，有利于改善过热汽温和再热汽温的变化特性，并缓解了亚临界压力下汽化潜热减小引起的矛盾。炉膛周界增大可以布置数量较多的水冷壁，降低管内的质量含汽率，提高水冷壁的安全裕度。还可以灵活调节燃烧器区域的温度水平，这是提高锅炉对多煤种适应性的重要调节。,配合降低燃烧器区域的热负荷和分级配风技术以及减小单只燃烧器的功率，可降低燃烧器中心区域的燃烧温度，同时可以减小燃烧器区域的热负荷分配不均程度，有利于防止结
10、渣，减小NOx的排放量，减轻环境污染，避免或减轻水冷壁的高温腐蚀。对四角燃烧锅炉，提高炉膛高度可使火焰残余旋转得到充分衰减，减小炉膛出口烟温的偏差和烟气速度的偏差，减小过热器和再热器的热偏差和高温腐蚀。有利于避免四管爆漏，提高锅炉运行可靠性。,适当增大炉膛容积，降低炉膛容积热负荷，可以减小炉内烟气温度分布的非等温性。研究表明，随着辐射光学密度的增加，辐射层中不等温性增大。辐射光学密度包括辐射介质密度和辐射光线的光学行程长度。当燃料性质、锅炉容量及参数、锅炉负荷等条件一定时，随着炉膛容积的增大，炉内辐射介质密度减小，有效辐射层厚度（光学行程长度）增加，从而影响炉内高温烟气辐射层中的温度场。因此适
11、当降低炉膛容积热负荷，不但影响到炉内传热，还可以降低烟温分布的不均匀性，对减小水冷壁和过热器的热偏差作用较大，有利于提高水循环和过热器工作的安全性，对直流锅炉的水动力特性和传热特性意义更大。炉膛容积增大，炉膛整体温度降低，燃料停留时间延长。对着火不利，对燃尽有利。,3 四角切圆燃烧锅炉的残余旋转 残余旋转不但使炉膛出口处的烟气温度有偏差，而且使烟气速度也有偏差。一般烟温偏差达100，严重的可达300。沿烟道宽度方向上，烟速偏差最高达10m/s。这会对炉膛出口处的受热面传热产生极大影响，是造成炉膛出口屏式过热器和其后受热面超温的重要原因。,减轻残余旋转的措施：燃烧器顶部二次风反切圆旋转，称为消旋
12、二次风。减小切圆直径或对角气流对冲布置适当增加炉膛高度和炉膛容积采用旋流燃烧器的对冲燃烧方式，燃烧稳定性主要取决于单个燃烧器的工作状况，即单个燃烧器的稳定燃烧能力强。这样炉膛出口烟温和烟速偏差只与燃烧器的投停方式有关。不存在由于气流残余旋转而引起的过热器超温。,4 评价炉膛结构的参数1）炉膛结构着火稳定性参数 炉膛断面热负荷 qaBjQar,net/A,着火性差，灰熔点温度高的煤取大值。燃烧器区域壁面热负荷qr，其值越大，说明燃烧器区域温度水平越高，对着火有利，但是容易结渣。炉膛着火稳定性指数 Jwqaqr，将燃烧器沿炉膛高度方向拉长或增大燃烧器的间距。,2）炉膛结构燃尽性参数炉膛容积热负荷（
13、qv大，燃尽性差，容量增加，qv减小）燃料在炉内的停留时间（燃烧器上一次风中心至屏下端距离/烟气在炉内的平均上升速度）炉膛结构结渣性参数Jzqaqr，（越大，越可能结渣）与Jw正好相反。结渣还与气流是否直接冲墙以及还原性气氛有关。,汽温调节方式与受热面传热特性,1 采用摆动式燃烧器条件汽温过热器与再热器均为辐射对流，辐射过热器的吸热量约占过热器系统的4050，大屏过热器和后屏过热器的蒸汽温升比较大。后屏过热器纯对流传热量占20，管间高温烟气辐射占65，接受炉膛高温火焰的直接辐射15。炉膛上部的分割屏过热器（前屏、大屏）汽温特性为辐射式。当锅炉负荷下降时，辐射式过热器吸热量增加，燃烧器向上摆动，
14、导致辐射吸热量叠加，引起超温。低负荷，减温水量增加，高负荷，减温水量减小。负荷降低5060MCR，过热器减温水量达到最大。,2 采用烟气挡板条件汽温负荷降低，过热器减温水量减小，负荷升高，过热器减温水量增加。大容量锅炉的过热器和再热器一般都采用顺列布置，根据传热学可知，对流放热系数与烟气流速的0.8次方成正比，根据热平衡方程可知，过热器吸热量与蒸汽流速的一次方成正比。当锅炉负荷变化时，蒸汽流量对汽温的影响比烟气流速的影响要大一些。负荷下降50%时，过热器侧对流烟道中受热面传热系数下降32.6%,再热器侧对流烟道中受热面传热系数下降24.4%,实例,1.700MW机组参数采用典型的超临界参数，主
15、蒸汽温度和再热蒸汽温度分别为571和569，在该参数等级上海锅炉厂有限公司拥有丰富的600MW等级锅炉的成功设计和运行经验，因此对于700MW超临界锅炉推荐采用与600MW等级超临界锅炉相同布置形式，只需对炉膛和受热面尺寸相应放大即可，无需进行全新设计。,2.800MW机组 参数选型时考虑了两个方面的问题，首先选择的参数需符合国家发电设备产业政策的要求，第二需兼顾考虑SA-335 P92主蒸汽管道材料和锅炉高档次合金材料目前的价格和供货状况。通过对27MPa，566/600 和27MPa，600/600 两种超超临界参数的技术经济比较可知：目前阶段鉴于SA-335 P92主蒸汽管道材料、锅炉高
16、温段受热面高合金材料均依赖于进口、涨价幅度较大、供货周期长等因素，27MPa,566/600参数锅炉的性价比优于27MPa,600/600 超超临界参数，这一点与国外同容量超超临界机组参数选择相吻合。,由于800MW超超临界机组主蒸汽出口温度较低，为常规的超临界锅炉的温度，对于过热器的选材可以有较大的余量空间，而国际上也拥有该容量采用单炉膛单切圆的双烟道布置锅炉成功投运的业绩，因此对于800MW超超临界锅炉，选择与600MW等级超临界锅炉相同布置方式，在设计方案上是成熟的，机组运行的安全性、可靠性上也同样是有保证的。,3 上锅1200MW等级超超临界锅炉研制 华能玉环电厂、华电邹县电厂、外高桥
17、三期等1000MW超超临界机组相继成功投入运行，标志我国在超超临界火电技术领域上有了跨越式的发展，火力发电技术与国外缩短30年到40年，达到国际先进水平，并为我国在该领域上拓展更高参数和更大容量的机组打下了坚实的基础。世界上USC技术发展趋势表明，开发更大容量、更高压力和温度参数的机组，以进一步提高机组的经济性，降低机组单位造价，获得良好的性价比是超超临界机组发展的方向。为此，上海锅炉厂有限公司在1000MW超超临界锅炉获得成功的基础上，自行开发和研制了1200 MW超超临界锅炉，在锅炉方案设计阶段，着重对影响其可行性的几个方面作了重点分析和考虑。,炉型选择 在1000MW容量等级上，从已经投
18、运和正在设计的机组来看，无论选择塔式锅炉或双烟道锅炉都是成熟可靠的。但当容量在1000MW等级的基础上继续提升时，认为选择塔式炉型对于今后的运行更为安全、可靠，理由如下：1）选择塔式锅炉是综合考虑炉膛尺寸和受热面布置相匹配的结果；随着机组容量的增加，锅炉炉膛断面和容积也要求相应放大。对于常规的双烟道切圆燃烧锅炉，机组的容量到了800MW以上，推出的是双切圆的方案（主要受制于受热面布置），就目前国内已经投运或正在设计的1000MW容量等级切圆燃烧的双烟道锅炉，全部采用的是双切圆。如果机组的容量达到1200MW以上，如继续选择该型锅炉，炉膛宽度和深度的匹配以及受热面的布置都存在较大困难。而对于塔式
19、锅炉来说，由于推出的是正方形炉膛的方案，随着锅炉容量的增加炉膛宽度和深度和热面匹配不成问题。,2）选择塔式锅炉更能适应高参数机组发展的要求；在目前的超超临界参数锅炉（压力27MPa,600/600）中，高温受热面已经大量使用了HR3C和Super 304H，该两种材料是目前投入商业运行的锅炉受热面中使用的最高档次材料。如果将超超临界锅炉的参数进一步提高，在目前材料使用状况下降低锅炉烟气温度和蒸汽温度偏差是唯一的选择，由于塔式锅炉相比于双烟道锅炉，炉膛出口及各受热面的左右烟温偏差要小已得到普遍认同，故在没有比HR3C和Super 304H更好的材料推出之前，塔式锅炉对于机组参数提高的适应性比双烟
20、道锅炉更强。,3）选择塔式锅炉更有利于减少汽轮机SPE；水平布置的受热面有利于减少汽轮机固体颗粒侵蚀（SPE）的危害。因为随着蒸汽温度的上升，受热面管内的高温蒸汽氧化现象加剧，当机组发生较大的负荷变化，尤其在启停中，因受冷热温度应力的作用，氧化颗粒很容易脱落。因此，SPE现象较多发生在锅炉启动阶段，锅炉受热面受热冲击引起管子汽侧氧化铁剥离并形成固体颗粒，使汽轮机调节级和高、中压缸第1级叶片产生侵蚀。造成SPE的原因有多种，锅炉受热面布置的形式也是其中之一，因为停炉后脱落的氧化颗粒沉积于受热面中，锅炉重新启动后这些颗粒可能被蒸汽带出锅炉。对于垂直布置的过热器和再热器的双烟道锅炉，氧化颗粒一般沉积在U管的底部，在启动及低负荷阶段，低流量的蒸汽动量不足以将大的氧化剥离物带出垂直管段，直到高负荷阶段，蒸汽动量的增加，这些物体才可能被冲出，此时的蒸汽动量所携带的硬质颗粒对汽轮机叶片所产生的侵蚀性最大。,
