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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 (2)

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

第一章 超临界压力UP直流锅炉

一.发展历史回顾[129],[130]

二.设计中的若干具体问题

三.典型机组概况

表1-1 是美国拔伯葛公司产的历年生超临界压力UP直流锅炉若干典型机组的概况。表1-2是日本拔伯葛-日立公司生产的若干台典型机组概况。为了能进一步阐明这种机组的情况,现选四台具有代表性的机组,对电站的情况作一些补充说明。即早期的美国菲洛电站No6和布里德电站N。1机组,中期的意大利斯培西亚电站N3机组和目前最大单机容量的美国阿莫斯电站No3机组。

1.美国菲洛电站No6机组[131]—[142],[82]

这台机组是美国俄亥俄州电力公司1953—1957年制造,是世界上公共电站首台超临界压力机组。菲洛电站位于美国电气动力公司的消费中心,俄亥俄州的赞斯维尔河附近。该电站由于在世界公共电站上最先采用超临界压力机组而闻名于世。其6号机组选用了当时世界上最高的蒸汽参数。是美国电力公司致力于改进机组出力,提高蒸汽参数、降低热耗大量研究工作的结果。这台12.5万千瓦机组的汽机仅比过去4万千瓦机组的体积稍大一点。运行结果表明,可以取得安全和经济的运行效果。为后来世界超临界压力机组的发展作出了巨大的贡献。

表1-1 美国拔伯葛公司历年生产的超临界压力UP直流锅炉(部分典型机组)[129]—[158]

 

电站和机组

 

电力公司

配套单
机容量
万千瓦

蒸汽参数

蒸发量
吨/时

燃料和燃
烧方式

 

制造年

 

投运年

压力
公斤/厘米2

温度

菲洛电站No6

 

美国电力公司

12.5

315

640/565/538

310

煤粉,旋风炉

1953

1957

布里德电站No1

50

250

565/565/565

1330

煤粉,旋风炉

1956

1960

菲利普斯蓬电站No5

50

250

565/565/565

1330

煤粉

1956

1960

赫德森电站No1

公用事业电气煤气公司

42

250

538/552/565

1100

旋风炉

1960

1964

丹纳司河电站No4

美国电力公司

60

250

538/552/565

1750

旋风炉

1961

1964

查克岬电站No1

波托马克河电力公司

35.5

250

538/565/538

1140

煤粉,重油(旋)

1961

1964

查克岬电站No2

波托马克河电力公司

35.5

250

538/565/538

1140

煤粉,重油(旋)

1961

1965

瓦加纳电站No3

巴尔的摩煤气电气公司

31.5

250

538/538/538

960

煤粉

1962

1966

苏城电站No1

联合电气公司

52.5

250

538/538

1500

旋风炉

1962

1966

洛斯阿拉米托No5

南加利福尼亚爱迪生公司

47.5

250

538/538

1600

重油,气体

1963

1966

洛斯阿拉米托No6

莫斯.兰丁No6

帕埃菲克煤气电气公司

75

250

538/538

2300

重油,气体

1963

1966

莫斯.兰丁No7

1967

海恩斯电站No5

洛杉矶市电力公司

33

250

538/552/565

940

重油,气体

1963

1966

海恩斯电站No。6

1967

卡丁奴尔No1

美国电力公司

62

250

538/552/565

1830

煤粉

1963

1966

卡丁奴尔No2

北克利夫No1

休斯敦照明公司

50

250

538/538

1500

 

1963

1966

北克利夫No2

1964

1966

苏城电站No2

联合电气公司

52.5

250

538/538

1500

旋风炉

1964

1967

雷东多电站No7

南加利福利亚爱迪生公司

47.5

250

538/538

1580

重油,气体

1964

1967

雷东多电站No8

坎佩尔电站No2

消费者电力公司

38.5

250

538/538

1160

煤粉

1964

1967

艾伦。金电站No1

北部电力公司

55

250

538/538

1750

旋风炉

1964

1968

卡纳尔电站

新奥尔良公共煤气电气公司

57

250

538/538/538

1700

重油

1964

1968

瓦利电站No2

得克萨斯电力照明公司

55

250

538/538

1800

天然气

1964

1967

哈利布兰克No3

佐佮亚州电力公司

48

250

538/538

1750

煤粉

1965

1968

马丁堡电站No2

阿勒格尼电力系统公司

60

250

538/538

1800

煤粉

1965

1969

萨明电站No6

俄亥俄州爱迪生公司

65

250

538/538

2000

煤粉

1965

1968

 

海湾地区公共事业公司

55

250

538/538

   

1965

 

X69驻地电站No1

南加利福利亚爱迪生公司

77

250

538/538

2600

煤粉

1965

 

X69驻地电站No2

帕拉岱斯电站No3

田纲西流域管理局

120

250

538/538

3650

煤粉

1965

 

坎伯兰电站No1

 

130

246

540/540

4222

煤粉

1972

 

坎伯兰电站No2

1973

阿莫斯电站No3

 

130

270

543/543

4398

煤粉

1973

 

加文电站No1

 

130

270

543/543

4398

煤粉

1974

 

加文电站No2

1975

 

表1-2 日本拔伯葛-日立公司生产的若干台超临界压力UP直流锅炉概况 [159]—[161]


电站名称

配套单
机容量

蒸汽参数

给水温度

蒸发量
吨/ 时

燃料

炉内压力

投运日期

压力
公斤/厘米2

浊度

海南电站
No。1和2

45

255

541/554/568

288

1380

微正压

1967—
1968

海南电站
No。4

60

255

541/554/568

289

 

重油,原油

 

1972

鹿岛电站

60

255

541/568

 

1950

重油

 

1972

鹿岛电站

100

255

543/568

 

3180

重油

 

1974

表1-3 美国菲洛电站No6机组锅炉和汽机的主要参数


锅炉

汽机

蒸发量(吨/时)

304

功率(万千瓦)

12.5

型式

UP直流锅炉

(兆伏安)

156

过热器出口蒸汽参数

 

转速(转/分)

3600

压力(大气压)

315

入口蒸汽参数

 

温度(℃)

620

压力(大气压)

315

再热器出口蒸汽参数

 

温度(℃)

620

压力(大气压)

86/13

再热蒸汽参数

 

温度(℃)

565/537

压力(大气压)

86/13

燃料

烟煤

温度(℃)

565/537

高位发热值(大卡/公斤)

5900

出口蒸汽参数

 

燃烧方式

旋风炉

压力(大气压)

0.034

排渣方式

液态排渣

汽缸数量

3

空气预热温度(℃)

362

抽汽数

2

锅炉效率(%)

89.6

给水加热器级数

7

水处理

完全除盐

除氧温度(℃)

200

建筑结构

钢结构

给水温度(℃)

260

1)主要参数

该机组净热耗为2160大卡/度。单位占地面积为0.027米2/千瓦。单位占地空间为1.20米3/千瓦。 图1—14是该电站的热力系统图,现说明如下:
汽机进口蒸汽参数为315大气压,620℃,由UP直流锅炉供汽,该锅炉蒸发量为314吨/ 时。汽机为三缸12.5万千瓦单轴汽机。转速3600转/分。超临界蒸汽首先在高压部分扩容,温度降为420℃。然后将蒸汽通入一次再热器,蒸汽再次进入汽机前的再热蒸汽参数为86大气压,565℃,蒸汽通过汽机第二段后便进入二次再热器,将蒸汽再热到13大气压,537℃。最后蒸汽流过双排低压缸降低到凝汽器压力。为将给水加热到260℃,汽机上有7 个抽汽点。在除氧器后面布置了2 只给水加热器。靠2只串联泵产生所要求的给水压力。低压泵(3550转/分)布置在除氧器后面,高压泵(6500转/分)布置在最后一只高压加热器的后面。 为使工质由液相过渡到汽相有一个较冷的区域,给水温度选择得较低,仅为260℃。

图1-14 美国菲洛电站No6超临界压力机组
热力系统图

 

图1-15 美国菲洛电站No6超临界压力UP
直流锅炉的结构示意图

图1—16 美国菲洛电站No。6超临界压力UP直流锅炉炉膛水冷壁和混合联箱交叉处的结构

对这台锅炉(图1—15)的特点有下列补充:
这台具有特高蒸汽参数的超临界压力UP直流锅炉共带有三只卧式旋风筒。旋风筒装在锅炉前墙。为减少对流受热面的结焦和更好地调节温度,采用了烟气再循环。将对流受热面后面的430℃的烟气抽出,让其同燃烧室的1630℃的高温烟气相混合,混合后的980℃温度的烟气送往屏式受热面,这个温度低于灰的熔点。由于菲洛电站所烧的煤含硫量较高(4—5%),必须采取相应的措施来减少管式空气预热器的确腐蚀。风机后的一次风道内装有用蒸汽加热一次风的蛇形管,使其后的最低空气温度不低于21℃,减少过低进口风温使烟气降低到露点以下的危险。 这台锅炉是世界第一台在公共电站上运用超临界参数的锅炉,曾发生过一些问题,这本是不足为怪的事情。归纳起来,主要有下面两个问题:

(1)没有用膜式水冷壁,因为当时膜式水冷壁还未在锅炉上正式采用。

(2)曾经在混合联箱和水冷壁管交叉的密封焊接处发生严重的问题,该处手工焊焊缝发生过大量泄漏事故。如图1—16是混合联箱处当时采用的结构。经过调查了解到,由于该处设计不周到,焊接困难。大量焊缝有缺陷,如未焊透和咬边。

后来修改了设计,提供较宽裕的焊接位置。同时加强了在制造厂和工地的焊接质量检查,因而避免了上述情况的重复发生。
对这台机组的汽机有下列补充说明:
承受高热应力的部位要尽可能地用480℃温度的蒸汽进行冷却。由于采用了这样的措施,故可将奥氏体钢材料的应用局限在主蒸汽管道、阀门、喷嘴室和其它少数部位。奥氏体钢材料为T347,化学成份为0.07%C;18%Cr;0.7%Nb/Ta和10.5%Ni。此外,机组的空间布置由电站原来的建筑决定。为了适应当时厂房紧张的条件,锅炉采用卧式单烟道结构。

2.美国布里德电站N01,45万千瓦机组 [82],[143]—[148]

该机组由美国印弟安纳州&密执安州电力公司和美国电力公司联合电网建造,1956年开始设计,1959年正式投运。

1)机组主要参数

锅炉

汽机

数量

1

数量

1

1

蒸发量(吨/时)

1320

功率(万千瓦)

22.5

22.5

型式

UP

功率(兆伏安)

 

 

允许压力(大气压)

 

转速(转/分)

3600

3600

过热器出口蒸汽参数
压力(大气压)
温度(℃)

 

245
565

进口蒸汽参数
压力(大气压)
温度(℃)

 

245
565

 

66
565

锅炉

汽机

再热器出口蒸汽参数
压力(大气压)
温度(℃)

 

66/20
565/565

再次进入汽机的蒸汽参数
压力(大气压)
温度(℃)

 

20
565

 

20
565

燃料

烟煤

出口蒸汽参数
压力(大气压)
温度(℃)

 

0.051

 

0.051

燃烧方式

旋风燃烧

排渣方式

液态排渣

空气预热温度

 

汽机缸数

3

3

排烟温度

 

抽汽点

3

3

锅炉效率

 

给水加热器级数

9

烟气除尘方式

 

除氧温度(℃)

 

 

水处理

 

给水温度(℃)

296

建筑结构型式

 

净热耗(大卡/度)

2130

预期达到的电站总出力

 

单位占地面积(米2/千瓦)

0.013

 

 

单位占地空间(米3/千瓦)

0.51

2)锅炉 为单烟道UP直流锅炉。炉膛截面几乎呈正方形,微正压,旋风燃烧。蒸发量为1320吨/ 时,锅炉高度约80米。炉膛每边各装4只旋风筒。炉膛上半部被分为三部分。在烟气的流动方向,首先是让烟气流过充满炉膛整个截面的过热器。接下去流过在过渡部分的中部和在其外面部分的一次和两次再热器。烟气最后通过充满整个截面的回转式空气预热器。

3)汽机 采用双轴式汽机,两轴具有相同的转速(3600转/ 分),功率均为22.5万千瓦。装有两台同样的发电机。每台汽机都带有一只特殊的凝汽器。

4)热力系统(图1—18) 除氧器后面有4级给水加热器。给水泵分为两段,一段放在除氧器后面,另一段设置在第2和第3级高压给水加热器之间。
这台机组的蒸汽温度比菲洛电站低一些(菲洛电站No6的为620℃),限制在565℃,主要是为了避免采用过多价格高昂的奥氏体钢材料。

5)总体布置 给水加热器和给水容器布置在锅炉房和汽轮发电机房之间的建筑物内和汽机房同样标高的地方。在给水加热器和给水容器下面设置有热工控制台。煤仓位于锅炉两侧旋风筒的上部。锅炉为露天布置。炉顶装有一次风机、回转式预热器和除尘器。在锅炉顶部还装了一只铁塔,借助锅炉本身的高度来增加输送铁塔的高度。转出电压为330千伏。

 

图1-17 美国布里德电站No1机组剖视图

 

图1-18 美国布里德电站No1机组热力系统图

3.意大利斯培西亚电站No3,60万千瓦超临界压力UP直流锅炉[162],[163]

表1—4 意大利斯培西亚No3机组主要参数


项目

数据

项目

数据

配套单机容量(万千瓦)

60

数量

2

总变压器低压末端净效率(%)

42.4

效率(%)

99.5

锅炉

 

位置

烟囱烟气管路

蒸发量(吨/ 时)

2050

烟囱高度(米)

187

汽机节流阀处的主蒸汽参数

 

低压给水加热器

 

温度(℃)

540

型式

表面式

压力(公斤/厘米2)

246

加热段数

3

汽机入口阀处的高压再热蒸汽参数

 

每段加热器数

2

流量(吨/ 时)

1350

除氧器

 

温度(℃)

555

型式

喷雾盘式

压力(公斤/厘米2)

66.7

设计压力(公斤/厘米2)

7

汽机入口阀处的低压再热蒸汽参数

 

高压给水加热器

 

流量(吨/ 时)

1340

型式

表面式

温度(℃)

565

加热段数

3

压力(公斤/厘米2)

20.4

每段加热器数

3

给水温度(℃)

291

锅炉总给水泵

 

燃烧器

 

数量

1

油燃烧器数目

72

容量(加仑/ 分)

8950

煤粉燃烧器数目

72

输送压力(公斤/厘米2)

344

空气预热器

回转式

驱动方式

辅助汽机

型式

ljungstroem

驱动功率(千瓦)

23500

数量

3

转速(转/ 分)

5485

送风机

 

流量控制系统

汽机速度控制器

型式

离心式

备用锅炉给水泵

 

数量

2

数量

1

每台容量(3/ 时)

1800000

容量(加仑/ 分)

4475

静压(W。G)

31

输送压力(公斤/厘米2)

340

驱动方式

电动机

驱动方式

电动机

驱动电机功率(千瓦)

3500

驱动功率(千瓦)

12000

烟气再循环风机

 

转速(转/ 分)

6000

型式

离心式

流量控制系统

控制阀

数量

2

冷凝水处理系统

 

每台容量(3/ 时)

734000

预过滤器

 

驱动方式

电动机

数量

4

驱动电机功率(千瓦)

2000

每台容量(加仑/ 分)

1460

机械除尘器

 

混合床树脂交换器

 

数量

2

数量

3

效率(%)

86

每台容量(加仑/ 分)

1950

位置

再循环烟道

 

 

电气除尘器

 

 

 

项目

数据

项目

数据

汽机

 

驱动电机功率(千瓦)

1300

型式

双轴式

数字计算机

 

容量(万千瓦)

60

存储周期(微秒)

2

抽汽数量

3

字长(位)

18

排汽级数

4

主存储器铁氧体磁芯字数

8192

排汽压力(公斤/厘2

0。049

辅助存储器磁鼓字数

131072

排汽叶片长度(毫米)

838

模拟输入扫描速度(点/秒)

66

凝汽器

 

数字输入扫描速度(点/秒)

10000

管子

 

 

 

材料

铝—黄铜
和铜镍合金

发电机

 

数量

2

长度(米)

20

额定电压(千伏)

20

面积(米2)

36300

每台功率(兆伏安)

370

旁路数

1

氢冷型式

内冷

冷却水流量(加仑/ 分)

270000

主变压器

 

冷却水泵

 

数量

2

型式

垂直轴离心式

每台功率(兆伏安)

370

数量

2

 

 

压头(米)

11.35

 

 

每台容量(加仑/ 分)

147000

 

 

驱动方式

电动机

 

 

图1-19是该电站这台60万千瓦UP直流锅炉的纵剖视图。从图中可以看出,流体在锅炉中的循环分为三个相隣的部分,有两处设有混合联箱;这些联箱的数量和设置位置右以减少流过炉膛水冷壁管的流体温度和流量的误差。 这台锅炉的过热器和再热器受热面全部布置在对流受热面内。由于炉膛水冷壁内的吸热量较低,烟气离开炉膛的温度较高。 为了降低烟气温度,限制熔化灰渣造成的腐蚀和结渣的危险,在省煤器出口和炉膛冷灰斗之间设置了一个烟气再循环系统。在烟气再循环系统中还安装了一只除尘器,以防止煤灰腐蚀。 过热器和再热器出口均设有混合联箱,使蒸汽得到有效的混合,能在所有负荷下保持汽温的稳定。



图1-19意大利斯培西亚电站No3 ,60万千瓦超临界压力UP直流锅炉

4.美国阿莫斯电站No.3 ,130万千瓦机组 [158]

美国电力公司向拔伯葛公司共订购了4台130万千瓦机组,全部是UP直流锅炉,阿莫斯电站No。3是这批机组中的第一台。该电站位于美国西弗吉尼亚州。其蒸汽参数可参见表1—1。 这台锅炉燃料的适应性较广,可以烧美国六个州的Ⅱ级烟煤。对燃料的要求是:灰分10—20%;总水份3—15%;固定碳35—55%;挥发分25—40%;固有水分0—5%;热值5556—7273大卡/ 公斤;煤的可磨度(哈氏系数)50—70。
此外,灰熔化特性为:

  还原温度℃ 氧化温度℃
起始变形 1077—1538 1260—1538
软化(呈球形) 1121—1538 1316—1538
软化(呈半球状) 1121—1538 1316—1538
熔化(液态) 1177—1538 1371—1538

图1-20是这台锅炉的结构示意图。其锅炉炉膛有下列特点:

  • 燃烧器区域不采用隔墙;
  • 燃烧区上部有三片“屏壁”;
  • 采用上、下两排组合式燃烧器对冲布置;
  • 在燃烧器上部装有四排水平布置的吹灰器,防止结渣;
  • 具有较大的炉膛灰斗出灰口直径(1219毫米)。

这台锅炉的对流烟道有下列特点:

  • 满负荷运行时对流烟道的烟速为19.5米/ 秒,这一流速较为保守,其主要目的是为了减少磨损和维修工作量。
  • 由两排纵列省煤器支承一级水平过热器和再热器受热面,这样布置可使支承吊耳焊在排列较密,温度较低的省煤器管上,从而解决了将大型吊耳焊于在高温下运行的过热器和再热器管子上时可能遇到的焊接问题。

图1-20 美国阿莫斯电站No3,130万千瓦机组示意图