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国外超临界压力火力发电机组

江河水编译

 

目录

第一部分 国外超临界压力机组发展概况

第一章 美国


一.美国发展超临界压力机组的原因
1.超临界比亚临界压力机组具有更好的技术经济效益
2.节约能源
3.适应大机组发展的需要

.美国各个时期超临界压力机组发展概况
三.单机容量
四、蒸汽参数
五、美国超临界压力机组生产下降分折


第二章 日本

一.日本发展超临界压力机组前的准备工作
二、采用超临界压力机组的必要性和可行性研究 (2b)
三.日本超临界压力机组发展概况

第三章 苏联

一.苏联超临界压力机组发展概况
二.苏联超临界压力机组的若干特点
三.
苏联各种容量进超临界压力锅炉的特性 (3c)


第四章 西德


一、西德超临界压力机组发展概况 [57]-[61 (4a)
1. 西德电力工业发展情况
2.西德超临界压力机组的特点[60],[62

二a.西德各个时期生产的超临界压力典型机组(4b)
二b
.西德各个时期生产的超临界压力典型机组(4c)(续前)

第二部分 大机组的单机容量和蒸汽参数

第一章 单机容量

一.美国电站锅炉单机容量的发展概况
1.美国各个历史时期的发展情况
2.美国火电设备单机容量下降的原因

二.其它国家电站锅炉单机容量发展概况(包括日本、苏联、西德和英国)
三.发展大容量机组的优点
四.若干国家机组容量发展的比较

第二章 蒸汽参数

一.若干国家蒸汽参数发展历史的回顾
二.蒸汽参数发展的总趨势

第三部分 各种超临界压力锅炉的炉型特点和典型机组概况

第一章 超临界压力UP直流锅炉

一.发展历史回顾
二.设计中的若干具体问题
1.工质流程
2.炉膛结构

三.典型机组概况

第二章超临界压力复合循环锅炉

一.概述
二.主要特点
三a.设计中的若干具体问题

三b.设计中的若干具体问题(续前)
四.典型机组概况

第三章 超临界压力苏尔寿锅炉

一.发展历史回顾
二.主要设计特点
三.典型机组概况


第四章 超临界压力FW型锅炉

一.主要特点
二.典型机组概况


第五章 变压运行的超临界压力锅炉

一.对变压运行超临界压力机组的概述
二.变压运行超临界压力机组的基本技术
三.典型机组概况

第四部分 国外早期超临界压力机组的运行情况及其主要技术问题

第一章 国外早期超临界压力机组的运行情况

一、概况
二、早期机组运行不隹的征兆-可用率低
三、早期机组调峰性能差
四.早期机组啟动热量损失大,啟动时间长
五、运行费用偏高
六、发电成本高


第二章 国外早期超临界压力机组的主要技术问题

一 设计问题
二 制造工艺问题
三 钢材问题
四水处理问题
五 阀门问题


第五部分 发展超临界和亚临界压力机组的经济和技术比较

第一章 发展超临界和亚临界压力机组的经济性比较

一.经济性比较的方法和侧重点
二.燃料消耗的比较
三.基本建设费用的比较
四 发电成本的比较
五 经济比较的结论


第二章 超临界和亚临界压力机组的技术比较较

一.超临界压力机组的可靠性问题
二.技术比较的结论

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第三部分 各种超临界压力锅炉的炉型特点和典型机组概况 (1)

(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)

第一章 超临界压力UP直流锅炉

UP直流锅炉又称通用压力锅炉。不论对亚临界或超临界压力都适用。是美国拔伯葛公司购买西德西门子公司(现KWU公司)的本生锅炉专利,并在此基础上发展而成的一种直流锅炉型式。这种锅炉,不仅在美国,而且在世界上也得到相当广泛的应用。
中国上海锅炉厂早在70年代就设计、制造和投运了若干台30万千瓦亚临界压力UP直流锅炉。有烧油的和烧煤的机组,已取得设计、制造和运行的宝贵经验。因此,中国发展超临界压力UP直流锅炉是有基础的。
这种锅炉的炉型具有下列特点:

  • 采用全焊膜式水冷壁;
  • 采用一次上升或上升---上升的垂直管排,中间有几次混合;
  • 管径较小,一般为Φ22—32毫米;
  • 每个回路焓增较少,并有较高的重量流速,可使水冷壁保持可靠的冷却;
  • 一般用于基本负荷机组,调峰困难;
  • 由于采用垂直管排,和中国现有技术传统汽包炉的炉壁结构类似,工装上没有根本性的大修改;

一.发展历史回顾[129],[130]

在世界各国投运的超临界压力锅炉中,由美国拔伯葛公司和在其它国家的子公司制造的占绝大多数。拔伯葛公司生产的锅炉又多为UP直流锅炉。
从1953年世界首台在公共电站中应用的超临界压力锅炉,即美国菲洛电站No。6机组UP直流锅炉制造到1963年这10多年内,UP炉的生产台数不多。但从1963年开始,每年生产30台以上,从而使美国的大容量锅炉进入超临界压力的时代。现最大机组的单机容量为130万千瓦[131]。
日本的超临界压力UP直流锅炉由拔伯葛—日立公司生产。在1974年前,该公司已制造了7台,投运了一台UP直流锅炉。1974年6月,日本玉岛电站No。3机组的50万千瓦超临界压力UP直流锅炉投运,该炉蒸发量为1710吨/时。蒸汽参数为255公斤/厘米2,543/541℃。烧重油和原油。采用前后墙对冲燃烧。到1977年为止,该公司已为日本共生产了15台超临界压力UP直流锅炉,总装机容量达到945万千瓦。日本目前运行中的最大锅炉是鹿岛电站配100万千瓦的3180吨/时超临界压力UP直流锅炉[159]---[161]。
从UP直流锅炉的发展历史中可以看出,除美国菲洛电站No。6机组容量较小(因系试验机组)外,其余的机组容量大于 33 万千瓦,全部UP炉的平均单机容量为51.5万千瓦。
除早期若干试验机组的蒸汽参数选得较高外,现基本上都不同程度有所降低。主蒸汽参数大部分为246公斤/ 厘米2, 538℃。主要目的是节约奥氏体钢的费用,降低造价。由于机组容量较大,基本上这种炉型全部采用二次再热。所有UP炉中有70%烧煤,30%烧重油和气体燃料。

二.设计中的若干具体问题

1.工质流程

典型超临界压力UP直流锅炉的工质流程与亚临界压力UP直流锅炉相同。其流程为:
省煤器→混合联箱→炉膛水冷壁→混合联箱→炉顶管→混合联箱→围绕再热器和一级过热器的支吊管部分→混合联箱→二级过热器。
混合联箱均放置在锅炉外部不受热,超防止工质温度不均匀的混合器的作用。 大容量机组也基本上仍用上述这种简单的系统。 炉膛部分的工质流程又分为以下三种形式(图1—1):

1)上升—下降---上升方式(现已很少采用);

2)上升—上升方式。多用于50万千瓦以上单机容量的机组。这种炉膛管排型式除应仔细考虑金属温度外,还要仔细考虑膨胀差和热应力等问;

3)一次上升方式。主要适用于50万千瓦左右的机组,在这种系统中可采用双面露光水冷壁。

Bild1

图1—1 超临界压力UP直流锅炉炉膛水冷壁的几种工质流程方式

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图1—2 美国坎伯兰电站No1和2,130万千瓦机组锅炉回路连接

“上升—下降—上升”这种垂直管组在早期的苏尔寿型号超临界压和锅炉中也曾采用过(如爱迪斯顿电站)。对大容量锅炉,由于连接复杂,价格昂贵的压力损失大,这种管组也没有发展前途。 现国外最大的超临界压力机组之一,美国坎伯兰电站130万千瓦机组的炉膛水冷壁便由管径35毫米,节距51毫米的膜式“上升—上升”回路组成。该机组的炉膛及对流烟道四周水冷壁回路如图1—2所示[1]。炉膛下部有两个回路,各回路间管子间隔并列布置,各回路出口设有混合联箱,使流体能全部混合和让高热负荷区的重量流速增大,降低管壁温度,减少相隣管子间的温差。侧墙和前墙第二回路出口工质混合后进入第三回路,而后墙出口则进入侧翼墙、屏式受热面。这种布置的优点是可降低炉膛高度,不必采用双面露光水冷壁。工质从第三回路出来,并在混合联箱中让工质再次混合后,进入炉顶顶棚管,然后再经过对流烟道、折焰角水冷壁及捕渣管进入一级过热器。顺水平对流烟道内(图1—3),再热器以分路形式包住一级过热器,再热器冷段布置在一级过热器下部,便于疏水,并采用一级过热器悬吊管悬掛。一级过热器和烟气呈逆流布置。二级过热器首段为大节距管屏,用顺流布置,而末段为顺、逆流混合布置,并将出口管束埋在管排之中以减少辐射热。 再热器水平段为逆流布置,其末段出口同样埋在管排中。这样布置为降低烟气分配不均匀和调节汽温创造了较为有利的条件。

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图1-3 美国坎伯兰电站No1和2,130万千瓦机组
锅炉对流受热面布置情况

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图1-4美国帕拉岱斯电站No3,115万千瓦UP直流锅炉工质流程图

图1-4是美国帕拉岱斯电站No3,115万千瓦超临界压力UP直流锅炉的汽水管路。这是一台旋风炉。给水由水泵出口以348表压通过一根Φ609x75毫米管道分两路用Φ457x57毫米管道进入锅炉。管道按327表压、343℃考虑。给水从省煤器出品通过对流烟道四电水冷壁进入炉底,再进入旋风炉。采用鳍片管省煤器,共16排,分三个水平管束。其出口段做成二排支承管,用来悬吊对流烟道内的各蛇形管。第一级高压过热器按逆流布置,入口工质温度为404℃。自第一级通到第二级高压过热器的连接管,资将左右丙边的工质进行一次交叉,并在其上装设切断截流阀和喷水减温器;啟动时引入扩容器,来自扩容器的蒸汽管路接在阀门的前面。第二级高压过热器的头二个管束是顺流布置,最后一个管束是顺、逆流布置,并将最后几根管子埋在管束中,防止过烧。第二级高压过热器有三个管束,烟气方向的横向节距前两个管束为457毫米,后一个为228毫米。第一级高压过热器由横向节距为114毫米的两个水平管束组成。再热器也由两个节距114毫米的水平管束组成。有两根Φ762x19毫米的再热器进口管道和四根Φ660x35毫米的出口管道,流速取59米/秒。各受热面管路内压力的分佈如图1—5所示。有两根主蒸汽管,尺寸为Φ546x102毫米,计算参数为273表压,539℃,流速69米/秒[152]—[157],[56]。 图中:1。主蒸汽管;2。一次过热器热段出口;3。一级高压过热器;4。二级高压过热器;5。顶棚及水平烟道;6。转向室管组;7。旋风炉;8。省煤器
日本姉婍电站No。1,60万千瓦超临界压力UP直流锅炉的炉膛采用“一次上升”回路(图1-4)。其流程[209]为:
给水→省煤器入口联箱→省煤器→省煤器出口联箱→双面水冷壁下降管→混合联箱→分配管→双面水冷壁→出口混合联箱→一次水冷壁下降管→下降管集合联箱→分配管→一次水冷壁前、侧、后墙下联箱→一次水冷壁前、侧和后墙→上联箱→出口混合联箱→二次水冷壁分配管→二次水冷壁前、侧和后墙下联箱→二次水冷壁前、侧和后墙→上联箱→顶棚入口联箱→顶棚管→出口联箱→包墙下降管→前、侧、后包墙管入口联箱→包墙管→出口联箱→一级过热器入口联箱→一级过热器→出口联箱→出口联络管→过热器减温器→二级过热器入口联箱→二级过热器→出口联箱。

再热蒸汽的流程为:
再热器减温器→再热器入口联箱→再热器→再热器出口联箱。

 

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图1—5 美国帕拉岱斯电站No3,115万千瓦机组UP
直流锅炉管路各部分工质压力分佈情况

图中:1.主蒸汽管;2.一次过热器热段出口;3.一级高压过热器;
4.二级高压过热器;5.顶棚及水平烟道;6.转向室管组;7.旋风炉;
8.省煤器

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图1—6日本姉婍电站No1, 60万千瓦机组UP直流锅炉“一次上升”回路示意图

日本姉婍电站No1机组锅炉水冷壁的重量流速为2100—2500公斤/3.秒。受热面特性如下:

名称

外径(毫米)

节距(毫米)

材料

水冷壁

Φ22.2

35

 

SA213T2

Φ50.8

151

双面水冷壁

Φ50.3

50.8

再热器

Φ50.8

100.8

名称

受热面积

水冷壁

2926

过热器

90000

再热器

13160

省煤器

12470

2.炉膛结构

炉膛水冷壁由Φ22.2—31.7毫米外径的管子和13毫米宽的扁钢组焊成膜式水冷壁。具有气密性好、强度高、热应力小、安装工期短等优点。从设计角度考虑,还有下列特点:

1)管内重量流速高

UP直流锅炉的管内重量流速选得较高,有利于减少管壁温度,保证安全。在超临界压力锅炉蒸汽比容急剧变化的位置,工质重量流速的大小对传热过程有很大影响。重量流速偏低时,金属温度上升很快。对亚临界压力锅炉,由于蒸汽性质所定,影响程度更大一些。在实际运行时,各并联管中的流量,吸热量也往往是不均衡。的若在最坏的那根管子中此流量进入危险卡范围的话,则流量稍有差别,管壁温度变化幅度便很大,就会出现烧坏管子的情况。如热负荷过大,重量流速偏小,也有可能出现“类”或“似”膜态沸腾的现象。图1—5表示在超临界压力UP直流锅炉中重量流速越高,管壁金属温度越低的情况。图1—7? 重量流速和金属温度的关系.

2)在炉膛外必要的地点让工质进行混合

即在炉膛外适当的部位设置混合联箱,使各炉壁的工质或所有的工质,在其压力、焓或温度均匀一致后再送回炉内。这是因为UP直流锅炉吸热量较多的的管子具有比容增大而流量减少倾向的缘故。图1—8是这种超临界压力UP直流锅炉工质混合效果的一例。图中实线表示平均吸热量,虚线表示在实际运行时吸热量为假设平均吸热量1.5倍的情况。采用混合联箱后工质温度会有所降低。图中可看出,两次混合比一次混合降低量稍多一些。UP直流锅炉的炉膛如果工质不在炉外混合,受热量大的管子,工质温度很高,并使管壁金属温度明显地高出平均值,就会有爆管的危险,故一般都要进行两次混合。为使工质温度达到均匀,炉膛进口的各根给水管上设置了可调节的节流孔板,按每个管上的吸热量调节进水量,增大系统的流动稳定性。在正常工作时节流孔板固定不动。由于超临界压力UP直流锅炉的炉膛作了上述考虑,故不需要采用特别高级的炉膛水冷壁管子材料,可使用一般0.5Cr0.5Mo钢,而且没有膜态沸腾现象,不必使用内螺纹管。

3)再热蒸汽温度调节

一次再热汽温调节和亚临界压力UP直流锅炉相同。二次再热蒸汽温度调节比较复杂。目前过热器和再热器均采用并联及垂直布置的方法。其两次再热特性如图1—9所示,高压再热器进口汽温与过去的一样,随负荷的减少而降低。低压再热器的汽温维持恒定,不受负荷变化的影响。再热蒸汽温度一般采用烟气再循环进行调节。高温再热器通常布置在烟气再循环效果最好的部位。

3)再热蒸汽温度调节

图1—7 重量流速和金属温度的关系

3)再热蒸汽温度调节

图1—8超临界压力UP直流锅炉混合联箱的效果

3)再热蒸汽温度调节

图1—9 超临界压力UP直流锅炉两次再热器负荷
和再热器进口汽温的关系

4)啟动旁路系统

图1—10、图1—11和图1—12均采用“上升—上升”回路的啟动旁路系统。这三台大容量UP直流锅炉的啟动旁路系统只有少数地方不相同。采用这样的系统,可实现机组在各种热工况下的啟动。为保护水冷壁,流过水冷壁的最低流量为33%。当达到33%负荷和要求的过热蒸汽压力后,即可切断扩容器,采用直流运行。啟动前先用外来蒸汽加热除氧器,啟动水泵清洗锅炉,约经过1小时冲洗后便可点火。点火后再经过1小时压力升到35表压,自冷态啟动到开始冲转汽机发需3—4小时。过热器升压需45分钟,过热汽温由315℃上升到510℃。旁路系统为全自动化运行。图1—10和图1—11这两台美国大机组啟动系统特点为在一级和二级过热器之间设置有高压截止阀,同时并联了一只扩容器(啟动分离器)。作用为:

  • 以一级过热器出口工质热焓控制二级过热器升压,使汽温调节性能有改善。
  • 因一级过热器处于满负荷的压力与温度下,可缩短升压过程。
  • 降压热态啟动,受热面少,可缩短啟动时间。

此外,在啟动和低负荷运行时,可将扩容器的蒸汽送到给水加热器和除氧器,水可送到除氧器,从而回收部分热量。
图1—12 这台意大利的60万千瓦机组啟动旁路系统的特点为:

  • 用这个啟动旁路系统,可清洗系统并供给锅炉实际上不含固形物和氧的给水。
  • 通过该啟动程序可回收工质流过受热面所带来的大部分热量。实际上在啟动初期阶段,过热器和再热器管内流过的蒸汽量较少或甚至没有。此时要求对锅炉燃烧的燃料量加以限制。
  • 本系统设计时充分考虑了低负荷运行时通过锅炉再循环的最低流量和汽机要求流量间的误差。
  • 通过本系统的热态啟动,可以达到汽机要求的蒸汽温度。

3)再热蒸汽温度调节

图1—10 美国坎伯兰电站No1和2,130万千瓦机组UP
直流锅炉的啟动旁路系统[209]

3)再热蒸汽温度调节

图1—11 美国帕拉岱斯电站No3,115万千瓦机组UP
直流锅炉的啟动旁路系统[152]—[157]

 

3)再热蒸汽温度调节

图1—12 意大利斯培西亚电站No。3,60万千瓦机组UP直流锅炉的啟动旁路系统[163]
图中符号说明:
1.炉膛,2.过热器,3.汽机,4.减温器,5.凝汽器,6.补给水,7.冷凝水抽出点,8.加料管,9.预过滤器,10.混合床树脂交换器,11.冷凝水升压泵, 12. 1 级给水加热器,13.2级给水加热器,14.3级给水加热器,15.粉末树脂过滤器,16.来自辅助蒸汽联箱,17.4级给水加热器材,18. 电动机驱动锅炉给水泵,19. 节流管束,20.5级给水加热器,21.6级给水加热器,22.7级给水加热器,23.疏水啟动分离器,24.疏水泵,25.溢流和排水,26.扩容器,27.到辅助蒸汽加热器,28.消音器,29.到大气.
采用“一次上升”回路的日本姉婍电站No1 UP直流锅炉,其啟动旁路系统如图1—13所示。
该系统可确保25%额定负荷下连续运行。比前述三个电站的啟动旁路系统的低负荷运行性能稍好一些。利用该系统可按规定压力进行冷态冲洗。冲洗流程为: 给水泵→锅炉→一级过热器旁通阀→扩容器→凝汽器→冷凝水除盐设备→除氧器→给水泵。
当省煤器入口水的导电度降低到1微欧/ 厘米时可点火。在锅炉出口流体温度达到290℃后,如化验证明水中铁离子已降到50微克/公斤以下,便可进一步升温。一般升温需3小时左右。啟动时热量经扩容器送往高压加瑞器和除氧器,以回收部分热量。扩容器压力达到21表压前,不可调节主汽阀,使过热器和主蒸汽管暖管升温。汽温达到和汽机的金属温度相同时,开始冲转。一般冷态啟动用扩容器在70表压下产生的蒸汽带初负荷。由25%额定负荷上升到满负荷需要80分钟左右。


3)再热蒸汽温度调节
图1—13 日本姉婍电站No1, 60万千瓦机组啟动旁路系统图

综上所述,UP直流锅炉和某些苏尔寿直流锅炉相似的是啟动系统都设计得比较复杂。为了保证啟动时和低负荷运行时的炉膛水冷壁和其它受热面的安全,采取排走占锅炉额定负荷30%锅水的办法。这种不得不采取的措施造成了单位热耗的骤增。除啟动旁路系统太复杂和价格高昂这个缺点外,最大的缺点是不适宜于调峰,只能带基本负荷。