超(超)临界锅炉设计若干问题研讨.ppt

2021年3月24日,超超临界锅炉设计和运行若干专题研讨主讲人徐雪元2010年1月16日,主要内容,超（超）临界锅炉水冷壁、过热器、再热器性能设计要点；启动系统合理选择；超（超）临界锅炉蒸汽侧氧化综合治理超临界锅炉对自控要求；等离子和微油点火方式运用时机组启动时注意问题；,,,,,,,超（超）临界锅炉水冷壁、过热器、再热器性能设计要点,总则,水冷壁、过热器、再热器系统是锅炉最重要的承压部件，其设计成功与否关系到锅炉整体性能的优劣，并影响锅炉的安全可靠运行。由于水冷壁过热器和再热器工作条件比较恶劣，故在设计中须充分考虑在运行过程中可能遇到的问题，合理选取中间点温度及质量流速选取，布置各级受热面，正确划分各级受热面的吸热比率，使其可靠性高、经济性好和对负荷适应性强，从而确保锅炉安全可靠经济的运行。,水冷壁管圈形式,螺旋管圈和垂直管圈比较,水冷壁设计,炉膛整个炉膛四周为全焊接膜式水冷壁，炉膛由下部螺旋盘绕上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁两种不同的结构组成，两者间由过渡水冷壁和混合集箱转换连接。炉膛冷灰斗的倾斜角度为55。炉膛下部水冷壁采用螺旋盘绕膜式管圈，从水冷壁进口到折焰角下约13米处。,螺旋管圈水冷壁,螺旋水冷壁管悬吊,张力板结构示意图,张力板上部过渡分支结构,上部垂直水冷壁的出口支吊方式,螺旋水冷壁和垂直水冷壁过渡结构,在由各水冷壁下集箱引出的水冷壁入口管段上，根据水动力计算的结果，按不同的回路装有不同孔径的节流孔圈，以控制各回路水冷壁管的流量，以保证合理的质量流速和水冷壁出口温度的均匀性和管壁金属温度在允许范围内，这种装于水冷壁入口管段上的节流管圈与早期装于大直径的水冷壁下集箱内的定位销对号的节流孔圈相比，具有如下优点不必采用厚壁的大直径水冷壁下集箱，简化了结构，不需定期维修。便于节流孔圈的调试。便于更换和检查。,超（超）临界锅炉垂直水冷壁系统,亚临界、超临界参数锅炉型式,1、亚临界参数通常采用汽包炉，也可采用直流炉；2、超临界参数锅炉只能采用直流炉；,超（超）临界锅炉过热器设计,汽包锅炉与直流锅炉过热器设计差异,,1、汽包锅炉进入第一级过热器的温度是恒定的，为汽包压力相关的饱和温度；2、直流锅炉进入第一级过热器的温度能够变动；,亚临界600MW锅炉,超临界600MW锅炉,过热器、再热器设计（过热器流程）,,过热器、再热器设计（再热器流程）,过热器、再热器受热面设计要求,1、从提高锅炉的煤种及负荷适应性出发过热器、再热器对锅炉在各种运行工况下运行具有较强的适应性。诸如负荷、煤种及给水温度等运行因素变化时，过热器、再热器仍能达到设计参数，且具有良好的汽温调节特性，控制方便、灵敏。过热器，再热器和喷水减温器的设计是基于大型燃煤锅炉的经验进行的，考虑与燃用煤种相适应的以下几个方面a.汽温调节用燃料/给水比、多级过热器喷水减温器和烟气偏流；b.灰沉积的控制选用最优的管距;c.粘污保护合理布置足够的吹灰器；d.烟气腐蚀的防护选用合适的烟气速度和安装保护器2、提高锅炉的可靠性、可用率，保证锅炉能长期稳定运行出发过热器、再热器系统采用优化的布置及最佳的连接形式，严格控制各级屏间偏差，管材的选取上留有足够安全裕度，并充分考虑疲劳，蠕变应力影响，减少锅炉的热力偏差。3、从提高锅炉的运行经济性出发保证锅炉在各种负荷下有较高的锅炉效率，达到设计出力，汽侧阻力及减温水量均控制在合理的范围之内。,超临界锅炉过热器受热面设计原则,超临界参数过热器受热面的设计和选择是一个反复迭代的过程，要求设计人员找到一种可以接受的过热器热面布置，来满足不同运行负荷下汽温特性和保证蒸发受热面安全；,超临界过热器受热面设计原则,1、炉膛尺寸，水冷壁受热面积确定主要取决于燃料侧和水冷壁材料制造成本和工艺；2、当炉膛确定后，过热器和省煤器热面布置要保证在最小直流负荷下使水冷壁出口有6384kKJ/kg的过热度；3、在BMCR负荷下水冷壁出口温度近可能小于800oF（427oC，可避免采用较高档次的水冷壁和分离器材质和有效减小蒸发受热面温度偏差；4、在所有负荷下都必须维持省煤器出口的欠焓，要求在最小直流负荷下，过冷度要达到3050oF1728oC,过热器、再热器受热面布置型式,1、取决于再热器调温方式及每家公司固有特点；2、取决于再热蒸汽需要满足的额定温度；,上锅超临界锅炉型式,特点1、四角切园燃烧；2、再热蒸汽采用燃烧器摆动；3、高温再热器具有一定的辐射特性；,东锅超临界锅炉型式,特点1、前后墙对冲燃烧；2、再热蒸汽采用尾部挡板调节；3、再热器受热面为纯对流特性；,特点1、前后墙对冲燃烧；2、再热蒸汽采用尾部挡板调节；3、再热器受热面为纯对流特性；,哈锅超临界锅炉型式,上锅超超临界锅炉型式,特点1、四角切园燃烧；2、再热蒸汽采用尾部挡板调节燃烧器摆动；3、再热器受热面为纯对流特性；,不同燃料受热面布置上差异,无分隔屏受热面布置形式1、适合于褐煤和次烟煤2、高的给水温度,过热器受热面设计,1、烟气流速一般4060fps,进口烟气流速不超过70fps,实际上烟气流速取决于煤种磨损性和用户要求；2、受热面管组横向节距取决于煤种的沾污和节灰倾向，必须是水冷壁管中心节距的倍数，典型横向节距如下（in）煤种积灰程度轻微中等严重过热器屏182430高过67.5910与侧墙的边距不大于1.5倍的横向节距,过热器受热面设计,3、过热器喷水量设计如只有一个减温点，应位于过热器吸热量的4060管道上。如果有两个减温点，分别位于两级过热器之间的连接管道上，通常过热蒸汽喷水量为48；4、受热面管子管径及管子根数选择由受热面压降决定对于超临界和超超临界过热器受热面尽可能采用小口径管子，采用小口径管，壁厚较薄且吸热量较小典型管子外径部件管子外径in蒸汽流量lb/hrPANEL1.625800011000PLATEN1.625800011000SHFINISH1.540006000,再热器受热面设计,1、与亚临界不同，由于水冷壁出口温度随负荷和高度变化，故不能采用墙式再热器布置方式，采用低温再热器屏式再热器布置方式；2、受热面管组横向节距取决于煤种的沾污和节灰倾向，必须是水冷壁管中心节距的倍数，典型横向节距如下（in）煤种积灰程度轻微中等严重屏再N/A2430低再4466与侧墙的边距不大于1.5倍的横向节距3、受热面管子管径及管子根数选择由受热面压降决定部件管子外径in蒸汽流量lb/hrRHPLATEN2.252.550007000RHLT2.530005000,过热器、再热器压降准则,过热器压降选取考虑机组运行经济性和锅炉设备成本和运行安全性再热器压降直接影响汽轮机效率，锅炉燃料消耗量典型压降部件压降PSISH炉顶8包覆上升流/下降5/8分隔屏30后屏50末过50低再79屏再14压降越大，受热面冷却效果越好，受热面偏差越小。,蒸汽侧流量偏差,通常受热面偏差有以下三个部分1、蒸汽侧偏差由于进口和出口集箱的结构、引进引出方式造成；2、烟气侧偏差组件间烟气速度和温度的偏差；3、携带偏差前级受热面汽温偏差对后级受热面进口汽温偏差4、超临界锅炉考虑中间点温度变动使得受热面进出口汽温变化偏差,烟气侧偏差,1、在受热面温度计算时，可根据实际运行数据取2、通过合理选取炉膛尺寸和设计燃烧设备，可降低烟气侧偏差,蒸汽侧偏差,取决于进出口集箱的布置型式、尺寸大小及受热面蒸汽阻力，对于主受热面，计算蒸汽流量偏差要求小于6。如大于6需重新选择集箱连接方式或放大集箱尺寸和受热面蒸汽阻力。任一集箱内的静压为P静P总-P动-1.3FVho过热器、再热器进出口集箱速度限制进口集箱750ft/min.in出口集箱600ft/min.in,携带汽温偏差,,,,1、按前级焓增6折算该级受热面进口汽温2、按前级焓增12折算该级受热面进口汽温3、二根连接管且左右交叉，携带偏差为0,,,,,,,,,,,中间点温度变动使得受热面进出口汽温变化偏差,受热面金属温度计算,,过热器、再热器受热面选材采用壁温计算方法,对各个受热面在各个负荷工况下均进行金属温度计算，按最恶劣工况下的壁温选择受热面材料，在计算中充分考虑了各级受热面的热力、水力、携带偏差和中间点温度变动使得受热面进出口汽温变化。对于超超）临界锅炉受热面壁温通常大于15oC。,各受热面入口采用节流短管进行节流，调整各管子的流动阻力，来平衡同屏各管子的流量及蒸汽温度,,,调节同屏流量的方法节流短管,1000MW超超临界锅炉材料配置,过热器、再热器系统监视保护,1）机组设置有一定容量的汽轮机旁路；2）过热器进出口设置安全阀和PCV阀，再热器进出口设置安全阀；3）机组启动时，严格控制锅炉的燃烧率和机组升负荷速率，以保护过热器和再热器；4）在各级过热器、再热器管子炉外段上均设有温度测点，对管子壁温进行监控，确定其运行控制温度和报警温度；5）过热器减温水系统采用多级布置，减温水容量设计有足够的裕度，能满足锅炉在各种工况正常运行,,启动系统合理选择,启动系统用途,,,在锅炉启动及低负荷运行阶段，炉水循环确保了在锅炉达到最低直流负荷之前的炉膛水冷壁的安全性。当锅炉负荷大于最低直流负荷时，一次通过的炉膛水冷壁质量流速能够对水冷壁进行足够的冷却。,简单疏水扩容系统,再循环泵启动系统,带疏水热交换系统,启动系统,简单疏水扩容系统、部件,1、从分离器贮水箱至除氧器的管道，配有控制阀及隔离阀2、从分离器水箱至大气式扩容器的管道，配有控制阀及隔离阀；3、通过扩容器的再循环系统，包括凝结水箱及冷凝水泵。,带再循环泵系统、部件,1、从分离器贮水箱至再循环泵进口的管道；2、从再循环泵出口至给水管道上混合装置处的管道，给水管道上配有控制阀，隔离阀，止回阀及流量测量装置；3、再循环泵本身；4、带节流阀的再循环泵最小流量管道；5、带隔离阀及控制阀的过冷管道；6、暖管用管道；,主要部件选用准则,1、大气式扩容器有效容积的取用大气式扩容器的主要功能是在锅炉启动过程中将疏水经过扩容后，蒸汽排向大气，水经凝结水箱排向凝汽器。为了确保在启动过程中的疏水能经过大气式扩容器顺利排掉，必须合理选取大气式扩容器的容积。大气式扩容器有效容积选取时主要考虑如下工况a.冷态启动工况，确定大气式扩容器前两个疏水阀门的口径；根据冷态启动时分离器的最大疏水量来进行计算，通过计算确保在冷态启动时，大气式扩容器前阀门的通流能力大于此时进入大气式扩容器的疏水量。b.热态启动工况，确定大气式扩容器容积大小。极热态启动时，因为疏水量较大，其启动压力也比较高，一般大于16MPa，经过扩容后的体积容量将远大于冷态启动。根据极热态启动工况35～40BMCR流量的疏水将进入大气式扩容器，其压力为16MPa进行计算，确定大气式扩容器所需要的直径。,大气式扩容器的结构及尺寸选取,介质切向进入大气式扩容器的流速必须小于100m/s；在所有的启动工况下，大气式扩容器的背压必须小于0.4MPa；大气式扩容器到凝结水箱连接管中介质流速不能大于1.5m/s。,d1切向管的内径，由冷态工况计算得出，1000MW为750mm；dsw疏水管的内径，由冷态工况和极热态工况计算得出，1000MW机组为600mm；dbr排汽管的直径，由冷态工况和极热态工况计算计算得出，1000MW为1200mm；Di扩容器的内径，由极热态工况计算得出，1000MW3460mm；L1扩容器的总高度，L13Di，1000MW为10000mm;α切向角度，5～10，1000MW机组取为6,凝结水箱有效容积的取用原则,凝结水箱的有效容积计算主要考虑启动时临时储存所有膨胀的冷凝量和来自过热器与再热器受热面的冷凝量，凝结水箱的有效容积计算选取与启动时来自大气扩容器的冷凝量，还与后面相连的疏水泵有关。,再循环泵设计,设计容量,再循环泵压头设计,循环泵和给水泵串联布置特点,1）进入循环泵的水来自下降管或锅炉给水管或同时从这两者中来；这样的布置使得在各个启动过程中，总是有水流过循环泵，泵的流量恒定，无须设置任何最小流量的泵循环回路及其必须的控制设备；2）锅炉给水的欠焓可增加循环泵的净吸压头；当分离器由湿态转向干态时，疏水流量为零，但此时循环泵能从给水管道中得到足够的流量，可保证分离器平滑地从干态转向湿态，无须在此时进行循环泵的关停操作。3）启动和低负荷运行循环泵功率消耗大,循环泵和给水泵并联布置,1、系统相对复杂；2、低负荷和启动再循环泵功耗小,启动热量损失比较,对于1000MW的机组，疏水系统其热损失达773106Kcal,启动阶段工质损失比较,冷态启动时，疏水系统通常高达753吨,选型意见,选择怎样的启动系统，主要取决于机组运行模式，如机组需要比较高的调峰要求或需带循环负荷和二班制运行，带循环泵的启动系统是首选方式；如机组以带基本负荷为主，年冷态启动次数不大于10次，考虑设备初投资、日常运行和维护费用，以选择简单疏水带部分回收热量的启动系统更为适宜,,超（超）临界锅炉蒸汽侧氧化综合治理,蒸汽温度超过450℃，氧化速度加剧，生成物为Fe2O3和Fe3O4，氧化膜较致密；蒸汽温度超过570℃，同时生成疏松的FeO;蒸汽温度越高，生成速度越快，氧化膜越厚;由于氧化膜和金属基体之间存在膨胀系数的差别，当管壁温度出现剧烈变化，在应力作用下极易剥落;氧化皮剥落后继续生成，由于氧化皮的绝热作用，导致恶性循环;锅炉受热面高温蒸汽氧化问题，根据目前技术水平，不能完全消除;,受热面高温蒸汽氧化生成、特点,由于在超（超）临界机组锅炉受热面中氧化皮的产生是不可避免的，故对于蒸汽氧化和锅炉超温爆管的综合防治的总体思路是设法减缓高温蒸汽氧化物的生成、对已生成的氧化物应避免其脱落、对已脱落的氧化物应尽快予以清除，对无法予以清除的金属氧化物应尽量减轻对汽轮机的危害。,蒸汽氧化和锅炉超温爆管的综合防治,一、减缓高温蒸汽氧化物的生成1、锅炉炉型应选择传热偏差较小且有利于氧化皮的输送的型式；2、同一等级的蒸汽温度参数，高温段受热面设计时，材料应尽可能选用抗氧化性能好的材料，在管子温度计算时，材料选择根据计算壁温要留有一定的裕度；3、SA-213T23、T91、TP347H的抗氧化温度极限均为抗炉内烟气氧化数据，实际按此数据设计的许多锅炉已发生了严重蒸汽氧化现象，故对于以上材料在超（超）临界锅炉设计中应适当降低极限温度才能予以使用,蒸汽氧化和锅炉超温爆管的综合防治,塔式布置锅炉优点,塔式锅炉–适合于大容量高参数超超临界锅炉塔式锅炉烟温偏差小，对于同等级的材料，受热面具有更高的安全裕度;水平布置的受热面使启停过程中剥落的氧化皮被及时带走，降低受热面超温爆管的可能性;所有的受热面均采用水平布置，具有很强的自疏水能力，使过热器、再热器酸洗成为可能；,SA-213T23、T91材料使用,炉内SA-213T23蒸汽温度小于530oC、金属壁温小于570oCSA-213T91蒸汽温度小于570oC、金属壁温小于595oC,25Cr20Ni与Super304H这二种钢的抗内壁蒸汽氧化温度和抗外壁烟侧腐蚀温度控制值如下HR3CSuper304H抗内壁蒸汽氧化温度℃700650抗外壁烟侧腐蚀温度℃730700,,超超临界锅炉新材料的应用,管子内壁喷丸,二、避免氧化层脱落避免已生成的氧化皮的脱落主要应在锅炉运行操作中予以实现。如果机组能长期在较为稳定的负荷下运行，氧化皮的脱落概率大为降低。对于锅炉运行中避免氧化层脱落应注意以下几点1、在机组启停时，应严格控制升温、升压速率，减小管子壁温梯度；2、提高机组的自动投入率和调节质量，最大限度地防止人为操作不当而引起机组强停；3、在机组启动负荷较低时，严禁使用过热器减温水，而在高负荷时也应严格控制减温水量，应注重采用煤水比及燃烧器摆动或调温挡板来予以调节蒸汽温度。,蒸汽氧化和锅炉超温爆管的综合防治,三、已脱落的氧化物的清除对于已脱落的氧化物的清除最有效的途径就是在锅炉启动时，通过汽轮机旁路直接带入凝汽器。就这一点来讲，在机组系统设计中汽轮机旁路容量的选择至关重要。对于超（超）临界机组，汽轮机旁路容量的大小不但和机组启动、运行方式相关，而对已脱落的氧化物的清除也有直接关系。选择较大容量的汽轮机旁路系统可以使锅炉通过带旁路启动，减缓启动过程中过热器、再热器的管道蒸汽温度变化，减少氧化皮的脱落，同时可以将脱落的氧化皮直接输送至凝汽器，相当于每次启动时过热器和再热器系统进行了一次冲管。,蒸汽氧化和锅炉超温爆管的综合防治,不同容量HP旁路比较,不同容量LP旁路比较,,超临界锅炉对自控要求,超临界锅炉与亚临界汽包锅炉在自动控制方面有所不同，其实质是直流锅炉与汽包锅炉之间的差别，因为超临界锅炉必须是直流锅炉1、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、汽温控制等都是相对独立的，亦即给水→水位；燃料→产汽量及汽压；喷水→汽温。2、在直流锅炉中，由于没有汽包，蒸发与过热受热面之间没有固定的分界线，当给水量或燃料量变化时都会引起蒸发量、汽温和汽压的同步变化，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，也增添了复杂性。,超临界锅炉和亚临界汽包锅炉运行控制上差异,超临界锅炉运行控制特点,1、随着超临界机组蒸汽压力的升高，直流锅炉中间点汽温（通常取启动分离器出口汽温）和过热器出口汽温控制点的温度变动惯性增加（亦即比热增加），时间常数和延迟时间相应增大，在燃料或给水量扰动时，超临界或超临界锅炉的蒸汽温度变化具有更大惯性；2、在超临界机组启动和低负荷运行期间，必须投入启动旁路系统，因此也增加了锅炉起动系统对控制的要求。超临界锅炉更难于控制，情况更复杂了一些。在规定的运行工况下，必须维持某些比例常数，而在变工况下必须使这些比例按一定规律变化，而在启动和低负荷时，要求更大幅度地改变这些比例，以得到宽范围领域的自动控制，通常这些比例是给水流量/蒸汽流量；热量输入/给水流量（煤水比）喷水流量/给水流量；再热吸热量/过热吸热量为此，必须设计更完善的闭环控制系统，在启动工况更多的采用变参数、变定值技术，所有控制功能应在前馈技术的基础上完成，并连续地校正控制系统的增益。,超临界锅炉自控设计要求,超临界机组与相同容量的亚临界汽包炉相比，自动化系统的规模，即所需的自动控制和仪表装置大致相同，但超临界锅炉更为复杂一些，要求自控设计人员与锅炉设计人员配合，了解直流锅炉运行特点，运用更先进的控制理论和更完美的控制策略；直流炉与汽包炉在运行原理及特性上有较大差别，也要求锅炉运行人员了解和掌握锅炉设计特点。,,等离子和微油点火方式运用时机组启动时注意问题,等离子和微油点火方式运用时存在问题,冷炉点火，飞灰可燃物较高；初始热负荷偏高，易发生锅炉炉顶密封拉裂；锅炉冷态启动时，过热汽和再热汽温度上升过快，与汽机冲转参数不匹配,采用等离子和微油点火方式设计和运行注意点,1、磨煤机型号选择要合理；2、冷炉启动时需要用12支油枪烘炉,采用等离子和微油点火方式设计和运行注意点,由于煤和油燃烧特性上不同，燃煤启动时炉膛吸热小于燃油，使得在同等热负荷条件下，燃煤炉膛吸热减少，产汽量小于燃油状态，且炉膛出口烟气温度高，过热汽、再热汽温度上升快，造成和汽机冲转参数不匹配。,冷态启动汽机进汽参数8.4MPa,360/320oC锅炉实际参数8.4MPa,430/430oC,冲转参数控制措施,1.宜采用有热量回收的启动系统；2、和汽轮机制造商商量适当提高进汽温度和降低冲转压力3、适当降低给水流量，以减少疏水带走的热量；4.调整磨煤机投运层对火焰中心调整，尽量降低；5.适当减小过量空气系数；6.对于不带再循环泵启动系统要维持较高给水温度，150℃；7.对省煤器、炉膛进行吹灰，增加吸热；8.检查旁路运行情况。,2021年3月24日,,ThankYou,,,,,