超临界机组论述

单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,,,,,,,,,,,,,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,,超临界机组,,,2024/10/14,,,,,,,超临界机组的相关知识,,2.,超临界锅炉的中间点温度控制,,3.,螺旋管圈和垂直管屏水冷壁的特点,,4.,超临界机组的金属材料,,5.,超临界锅炉的汽温控制,,6,.,超临界锅炉的启动系统,,7.,超临界锅炉的燃烧技术,,8.,超临界机组的旁路系统与启动模式,,9.,结束语,,内容简介,2024/10/14,,1.1,超临界机组的相关知识,,超临界机组是指发电机组的蒸汽参数达到临界压力以上的机组目前，世界上超临界机组的蒸汽参数以24,MPa,、540℃/540℃,为基础,何谓超超临界机组？世界上尚未有统一的规范划分行业界认为，蒸汽参数达到,27MPa/580℃/600℃,以上的高效超临界机组，属于超超临界机组即由于蒸汽压力和蒸汽温度提高，机组热效率达到,43%,～,48,％或以上，供电煤耗为,260,g/kw.h,～,290,g/kw.h,，比同容量的常规超临界机组效率提高,5,％或更高，且致使锅炉和汽轮机所用钢材发生较大变化的机组。

2024/10/14,水和水蒸汽的压力由亚临界压力状态过渡到超临界压力状态，中间必然经过一个,“,临界,”,状态根据热力学理论，水和水蒸汽的,“,临界,”,状态是由压力决定的，即所谓,“,临界压力,”, 水的临界压力是22.129,MPa,、,对应的温度是374.15℃这一温度是蒸汽机组的锅炉工质所能达到的最高的饱和温度 压力低于临界压力的水可以发生饱和沸腾相变过程，且对应一个压力下存在一个饱和温度；而压力高于临界压力的水则直接转变成,“,干蒸汽,”,，中间不发生饱和沸腾相变过程什么是临界压力？,2024/10/14,,,,,,S,T,,,P,2,P,1,P,lj,P,2,＞ P,1,水蒸汽性质的Ｔ—Ｓ图,2024/10/14,,,,,,,s,2024/10/14,,在临界压力以下，水可以由液态经过加热蒸发和过热过程，变为温度高于对应压力下的沸点温度，从而能满足汽轮机要求并推动汽轮机作功的过热蒸汽而在临界压力以上，由水变为水蒸汽就没有沸腾过程了虽然在不同压力和温度下水和水蒸汽的密度还在变化，但是在相同压力和温度下水和水蒸汽的密度相同即水可以直接转变为水蒸汽，中间不需要经过饱和沸腾过程。

所谓“超临界”就是指水或水蒸汽的压力达到了“临界压力以上”超临界机组就是在热机中水和水蒸汽工作压力超过临界压力的机组,什么是超临界？,2024/10/14,超临界机组的锅炉和汽轮机与亚临界机组有何不同？,,超临界机组的蒸汽参数大于临界压力，蒸汽和水的密度基本相同，首先受影响的是锅炉的水冷壁锅炉水冷壁不能采用自然循环方式，必须采用强制流动方式即以直流锅炉为主，也可采用复合循环方式，水冷壁的工作特性也不同于亚临界机组锅炉亚临界机组锅炉即可采用自然循环方式，也可采用直流锅炉形式超临界机组的汽轮机随蒸汽温度和压力的提高，热应力和胀差将增大，需要采用新金属材料或新技术但汽轮机的工作特性与亚临界机组汽轮机基本相同2024/10/14,超临界机组直流锅炉的工作原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,给水泵,,省煤器,,水冷壁,,过热器,,直流锅炉的工作原理,2024/10/14,直流锅炉水冷壁管内工质流量随负荷呈线性变化低负荷时流量过低，水冷壁冷却不足，成为影响安全运行的主要因素直流锅炉水冷壁管内工质流动阻力比较大，需要用给水泵的压头来克服例如，蒸汽参数为,25MPa/540℃/540℃,的,600MW,超临界锅炉水冷壁的流动压降在额定负荷时为,1.84MPa,，而过热器的总压降为,1.52,MPa,，省煤器的总压降为,0.23MPa,。

即水冷壁的流动阻力约占汽水流程总阻力的,50%,以上，需要提高给水泵的总压头不但要求提高给水泵的设计水平和制造工艺，而且增加运行电耗直流锅炉的主要问题,,复合循环锅炉的工作原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,复合循环锅炉的工作原理,2024/10/14,复合循环锅炉的特点,,,,锅炉负荷,30%,0,100%,水冷壁工质流量,直流工况,循环流量,采用复合循环，锅炉在低负荷运行时，水冷壁中的工质流量增加2024/10/14,,复合循环锅炉的特点,(1),复合循环锅炉的主要技术是：直流锅炉系统＋循环泵解决了直流锅炉低负荷运行时，水冷壁中因工质流量降低导致管子冷却不足和水动力不稳定的问题2) 锅炉低负荷运行过程中，水冷壁出口的汽水混合物通过汽水分离器，分离出的水由循环泵加压后与给水混合后进入水冷壁，增加水冷壁管内的工质流量3) 锅炉负荷达到,30,％,MCR,以上时，循环泵停止工作，锅炉进入纯直流运行循环管路中无工质通过4),水冷壁的最小重量流速可按循环泵切除时的负荷选取，质量流速一般为,700,～,2800kg/(m,2,s),2024/10/14,2,超临界机组的,,,热效率与煤耗,,1.,2.1,超临界机组的热效率,美国、日本、俄罗斯、丹麦、韩国、德国等国家都十分注重发展超临界和超超临界机组。

例如，丹麦的一台411,MW,纯凝汽式机组蒸汽参数为285,bar/580℃/580℃/580℃，,循环热效率达到47％据推算发电煤耗约为255,g/kw.h,国内亚临界机组的循环热效率为37%，发电煤耗约为340,g/kw.h,与世界目前及未来先进水平的热效率相差10~18%，多消耗燃料量25~30%以上,，,污染物的总排放量也相应增加了25~30%以上石洞口、绥中、盘山等电厂的10台超临界机组发电煤耗约为320,g/kw.h,2024/10/14,1.2,.2,,蒸汽参数及再热对热效率的影响,,据,ABB,公司和日本东芝公司的研究:,,一次中间再热机组，蒸汽温度提高20℃，循环热效率大约可提高1％；蒸汽压力每提高10,bar，,循环热效率大约可提高0.2％二次中间再热与一次再热相比，热效率大约可提高2％蒸汽参数条件由180,bar/540℃/540℃,提高到300,bar/600℃/600℃,时，相对热效率大约可提高6％1.,2.3,,凝汽器压力和给水温度对热效率的影响,(1),GEC-ALSTHOM,改进型汽轮机凝汽器背压由2.3,KPa,降低到2.1,KPa,，,热效率提高0.3%。

2),GEC,同台机组给水温度由275℃提高到300℃，给水泵功率下降6%，热效率提高2%3),ABB,改进型汽轮机凝汽器背压由4.6,KPa,降低到3.7,KPa,，,热效率提高0.7%4),ABB,同台机组给水温度提高10℃，汽轮机相对效率提高0.6%；高压加热器由2台增加到3台，汽轮机相对效率提高0.15%；低压加热器由4台增加到5台，汽轮机相对效率提高0.1%2024/10/14,1.,2.4,蒸汽参数和热效率的关系,1.,2.5,煤耗与热效率的统计关系,,1.,2.6,超临界锅炉的给水和主汽压力,,1.,2.7,锅炉压降损失对循环热效率的影响,蒸汽压力提高1,MPa,，,循环热效率提高0.2%但是蒸汽参数相同的超临界机组，循环热效率未必相同，除了汽轮机的技术因素外，影响热效率的主要因素在于锅炉的压降损失其中水冷壁压降损失阻力约占50%石洞口600,MW,锅炉的压降损失100%负荷时约为4,MPa,，,而同参数绥中电厂800,MW,锅炉的压降损失100%负荷时约为6,MPa,比亚临界 600,MW,锅炉大2~4,MPa,1.3,超临界机组的,,可靠性和,,受影响的部件,,1.3,超临界机组的可靠性,70年代早期以前，超临界机组的可靠性明显的低于亚临界机组，主要表现为锅炉水冷壁爆管频繁。

由于当时没有认识到超临界压力下管内工质存在着类似于亚临界压力下的膜态沸腾现象，同时，因为耐高温高压的金属材料数量少，价格高，性能差80年代以后，随着耐高温高压金属材料的生产水平不断提高和超临界机组技术逐步趋于成熟，其可靠性与亚临界机组接近，可达80%以上国际先进水平可达90%2024/10/14,,1.4,亚临界转变为超临界时受影响的部件,锅炉压力部件与启动系统：水冷壁、过热器、集汽联箱、内置式分离器；,,汽轮机特高压缸：汽缸、转子、主汽阀等；,,机炉间的联结管道：主蒸汽管、高压旁路；,,给水管道--高压加热器；,,给水泵及其驱动机；,,凝结水精处理装置--化学水处理1.5,不受影响的部件,发电机与辅机及输配电系统与亚临界机组相同；,,汽轮机低中压缸模块、凝汽器、低压加热器所用钢材与亚临界机组相同；,,输煤、制粉系统、除尘设备与亚临界机组相同1.6,超临界机组的投资,机组类型,单位投资,,(,元,/kW,),含烟气处理设备,,单位投资,,(,元,/kW,),供电煤耗,,(,g/kwh,),厂用电,,％,超临界,2,×,600MW,3507,5493,,(,含,FGD,),324,6.0,超超临界,2,×,600MW,3647,5548,,(,含,FGD+SNCR,),,325,6.2,亚临界,2,×,300,MWCFB,,5413,,341,7.0,亚临界,2,×,600 MW,3372,,,,2024/10/14,1.7,国外超临界机组发展目标,年份 1998 2001 2005 2015,,高压蒸汽压力 290 305 335 400,,高压蒸汽温度 582 582 610 700,,再热蒸汽压力 80 74 93 112,,再热蒸汽温度 580 600 630 720,,蒸汽循环效率 47 49,>50,55,,,,1.8,国内超临界机组,参数,单位,600MW,超临界机组,,,,1000MW,超超临界机组,,,机组功率,MW,600,600,600,1000,1000,1000,蒸汽流量,MCR,t/h,1900,1900,1795,2953,2953,3033,过热蒸汽压力,MPa,25.4,25.4,26.15,27.56,27.65,26.25,过热蒸汽温度,℃,543,571,605,605,605,605,再热蒸汽流量,t/h,1640.3,1607.6,1464,2457,2446,2469.7,再热蒸汽进口压力,MPa,4.61,4.71,4.84,6.0,4.92,4.99,再热蒸汽出口压力,MPa,4.42,4.52,4.64,5.8,4.77,4.79,再热蒸汽进口温度,℃,297,322,350,359,375,356.3,再热蒸汽出口温度,℃,569,569,603,603,603/613,603,给水温度,℃,283,284,293,296,297,302.4,燃烧方式,,对冲燃烧,对冲燃烧,四角燃烧,双切圆燃烧,双切圆燃烧,对冲燃烧,水冷壁型式,,螺旋管圈,,垂直管屏,螺旋管圈,,垂直管屏,垂直管屏,垂直管屏,垂直管屏,螺旋管圈,,垂直管屏,水冷壁管,,内螺纹管,内螺纹管,内螺纹管,内螺纹管,内螺纹管,内螺纹管,锅炉制造厂,,北京巴威,东方锅炉,哈尔滨锅炉,哈尔滨锅炉,上海锅炉,东方锅炉,电厂,,兰溪,沁北,河源,玉环,,邹县,超临界锅炉的水动力特性和传热特性及中间点温度控制,,2.1,,超临界锅炉运行的主要特点,(,1)超临界压力下，水冷壁管内工质温度不像亚临界那样具有恒定的饱和温度，而是随吸热量增加，温度升高，水冷壁金属温度变化较大。

2)控制下辐射区水冷壁出口温度不高于工作压力对应的拟临界温度，将工质吸热能力最强的大比热区避开热负荷最高的燃烧器区3)汽温控制应有超前信号，分离器出口温度作为中间点信号，以中间点温度为参考调节煤水比4)最佳煤水比随燃料燃烧特性和工作压力而变化，单烧煤粉时煤水比较大，煤油混烧时煤水比较小2024/10/14,蒸汽参数为,25.4MPa/570℃/570℃,的超临界锅炉水冷壁出口温度在额定负荷时为,427℃,，工质在水冷壁中的温升大约为,94.1℃,在过热器中的温升为,144℃,，在省煤器中的温升为,53℃,可见工质从进入锅炉开始，在包括水冷壁之前的受热面中温度提高幅度占工质总温升的,50,％以上，而水冷壁是吸热变化最大的区域2.2 600MW,超临界锅炉特性,,2.3,水冷壁工质温度随吸热量变化,因为水冷壁中工质温度随吸热量变化，而水冷壁出口工质温度的变化必然首先直接影响到过热汽温超临界锅炉中间点温度是指水冷壁出口汽水分离器中工质的温度水冷壁在超临界压力下工作，管内工质温度随着吸热量的增加而提高当中间点温度变化时，实际上反映的是水冷壁吸热量的变化，这与亚临界压力的汽包锅炉是不同的2.4,,热强度越大的管子流量越小,,超临界锅炉水冷壁为强制流动。

强制流动的水冷壁管中工质流量的自调节特性在正常情况下与自然循环汽包锅炉相反，即受热越强的管子中流量越小这是因为，超临界锅炉水冷壁中随吸热量增加，工质温度上升而温度上升引起工质比容增大，流速提高，流动阻力相应增加，当工质流动阻力增加到与管组两端的压差相同时，受热强的管中工质流量就会自动减少2.5,超临界锅炉水动力及传热,在超临界压力工作的水冷壁，管内工质温度处于对应压力下的大比热区范围，随着工质吸热量增加，工质温度变化不大，而工质比容急剧增大，温导系数急剧减小，容易引起水动力不稳定或流量分配不均，同时可能引起工质对管壁的传热变差，导致类膜态沸腾,(1) 对应每一个压力状态，存在一个拟临界温度；在拟临界温度附近，存在一个大比热区；在拟临界温度左边，工质是水，右边是汽；在大比热区内，水和水蒸汽的热物理特性变化很大，即比容、黏度、温导系数等热物性参数变化很大2) 超临界压力下，水冷壁可能产生类膜态沸腾主要原因是：吸热增加时，工质温度提高，靠近管壁处的工质比容增大，温导系数下降，使水冷壁传热出现类似于亚临界压力下的膜态沸腾2.6,,超临界压力下水和水蒸汽的热物性,工质热物性是决定水冷壁传热的重要因素：,,①对应一定压力，工质存在一个大比热区。

对应比热最大的温度点叫拟临界温度在大比热区内，工质温度随吸热量变化不大；在大比热区外，工质温度随吸热量变化很大②工质比容和温导系数在拟临界温度附近的大比热区内发生急剧变化③压力越高，拟临界温度向高温区推移，影响水冷壁工作特性的工质热物理特性参数变化,(,即比热、比容、温导系数,),逐渐减弱,2.6,超临界压力下水和水蒸汽的热物性,超临界压力下的工质大比热特性,2024/10/14,超临界压力下工质的温导系数,2024/10/14,超临界压力下工质的比容,2024/10/14,超临界压力下工质的黏度,2024/10/14,2.7,热物性对水冷壁传热特性的影响,1,由于管子贴壁处流体温度较高导热系数却降低，使导热性差的流体与管壁接触 对于蒸汽参数为,25MPa,的超临界锅炉，水冷壁中工质压力大约为,30MPa,对这一压力下的工质，温度在,400℃,左右，正好处于比热最大的拟临界温度在,320℃,～,440℃,的变化范围内，温导系数降低了,80,％左右，发生传热恶化的机会就会增加2.7,热物性对水冷壁传热特性的影响,2.3,大比热区内工质比容的急剧变化必然导致工质的膨胀量增大，从而引起水动力不稳定或类膜态沸腾。

密度降低时比热同时减小，导致贴壁处的工质温度上升这种问题主要发生在光管水冷壁，内螺纹管一般不会出现在大比热区外，工质比热很小，工质温度随吸热变化很大，容易直接引起管壁过热2024/10/14,2.8,超临界锅炉的水动力多值性,G,△P,,a,b,,单相气,单相液,,,,,(1) 需要耐高温、抗蠕变、高强度金属材料,高蒸汽参数部件采用9%,Cr、12%Cr,新材料蒸汽温度为580~600℃时，采用新钢材2) 化学水处理：高参数工质的热力动力特性使水管内部氧化层增厚速度加快，管道温度升高，压降增大采用氧化处理调整给水含氧量；加强给水质量监督；凝结水必须精处理3) 锅炉水冷壁的变压运行技术成熟的技术是螺旋管，采用内螺纹管垂直管屏的锅炉将投入运行2.9,超临界锅炉的特殊问题,,2.10,中间点温度控制,控制中间点温度的目标,,作为汽温控制的超前信号,,防止水冷壁发生类膜态沸腾以及过热,,保护水冷壁的报警信号,,保证汽轮机正常运行的重要条件,,,2024/10/14,2024/10/14,2.10.1,防止水冷壁发生类膜态沸腾以及过热,变压运行的,600MW,超临界锅炉在,70%,负荷以下时，水冷壁在亚临界压力范围内工作，水冷壁中工质温度随压力提高而上升。

在,70%,负荷以上，水冷壁进入超临界压力范围工作，水冷壁中工质温度随吸热量增加而上升控制水冷壁中工质温度，可以防止超临界压力时的类膜态沸腾和管壁过热超温更多的技术措施：采用内螺纹管，控制质量流速，增加管圈倾角，控制水冷壁热负荷，抵消热偏差等2024/10/14,2.10.2,保护水冷壁的报警信号,对于内螺纹管水冷壁，由于流体在管内受到旋转作用力，密度高的流体总是贴壁流动，因而可以防止膜态沸腾或类膜态沸腾，但是当热负荷过高或水冷壁流量低于限制发生传热恶化的最低质量流速,(,例如,723.6 Kg/m2s),时，管壁过热的可能性仍然存在因此当锅炉进入纯直流运行状态后，中间点温度超过允许值时应发出警报2024/10/14,2.10.3,,优化控制中间点温度的重要性,,在超临界压力下运行的锅炉，水冷壁中工质温度随吸热量的变化而变化，而水冷壁出口工质温度的变化必然首先直接影响到过热汽温中间点温度作为控制过热汽温的超前信号或首要参考温度显然是十分关键的中间点温度的变化不仅与水冷壁的吸热量有关，而且与水冷壁进口工质温度和给水流量调节有关中间点温度的控制对于防止水冷壁发生膜态沸腾或类膜态沸腾以及防止水冷壁管壁过热是十分重要的。

2024/10/14,2.10.4,,优化控制中间点温度的重要性,合理控制中间点温度可以使烟气温度最高的区域中保持较低的金属管壁温度，可减轻金属的高温腐蚀，减轻积灰和结渣等，提高水冷壁管子的寿命和运行可靠性2024/10/14,2.10.5,优化控制中间点温度的重要性,对于蒸汽参数接近于,25MPa/540/540,或,25MPa/570℃/570℃,的超临界锅炉，水冷壁出口温度的设计值大约都在,420℃,～,430℃,范围内，处于微过热状态，参数略有波动，布置在高热负荷区域的出口段水冷壁就可能过热，引起管子超温，,800MW,超临界锅炉炉膛折焰角上部的费斯顿管爆管事故已经证明了这一问题的存在因此水冷壁出口管段最好布置在热负荷较低的炉顶或低温烟道中2024/10/14,,2.10.6,,中间点温度宁低勿高，但不可过低,超临界锅炉在临界压力以上运行时，如遇到煤质变化等影响不易控制时，中间点温度控制值宁低勿高但最低不超过设计值－,10℃,在亚临界压力以下运行时，中间点温度不宜过低，否则会引起分离器带水运行和过热器进水以及蒸汽欠温，影响汽轮机正常运行2024/10/14,2.10.7,影响中间点温度的主要因素,,燃料品质变化引起炉内辐射换热量变化，导致水冷壁管内工质温度变化。

超临界锅炉水冷壁系统工质和金属的储热量减小，热敏感性增强，从而燃烧工况变化对水冷壁传热的影响要比自然循环锅炉大得多2024/10/14,2.10.7,影响中间点温度的主要因素,超临界锅炉省煤器出口工质温度直接影响下辐射区水冷壁中工质吸热量和出口工质温度，省煤器中工质温升几乎占锅炉给水至蒸发结束的,30,％，因而成为影响锅炉整体运行调节的重要部分而省煤器的工作参数不仅与自身传热特性有关，还和加热器尤其是高压加热器的运行有关，致使影响水冷壁工质温度的因素更加复杂化2024/10/14,2.10.8,控制中间点温度的关键点,以水煤比控制为主运行压力决定工质热物性的变化控制下辐射区水冷壁出口温度不超过,400℃,受热面积灰结渣高加及给水温度控制影响水冷壁进口水温2024/10/14,2024/10/14,2024/10/14,2024/10/14,2024/10/14,2024/10/14,3.,螺旋管圈,,和垂直管屏,,水冷壁特点,螺旋管圈和垂直管屏,2024/10/14,内螺纹管,光管,2024/10/14,,,,垂直管屏水冷壁,2024/10/14,,,,,垂直管屏水冷壁结构简单，容易实现膜式壁结构，形成气密式水冷壁，且容易悬吊，检修方便。

为了提高炉膛下辐射区水冷壁管内的重量流速[,MCR,负荷时2800,kg/(m,2,s)，30%MCR,负荷时不低于800,kg/(m,2,s)]，,避免产生较大的热偏差，下辐射区水冷壁采用二次垂直上升管屏的型式，两个流路之间用不受热的下降管相连接同时，两个流路之间出现进行工质再分配的中间联箱3.1,垂直管屏水冷壁特点分析,2024/10/14,,,垂直管屏有中间联箱，使工质重新分配且第一流路出口的工质温度升高，比容增大，故进入第二流路的工质流量分配就可能不均匀，低负荷变压运行时，这种现象更明显主要原因是： (1)工质经过亚临界压力区，工质比容变化很大，导致流量分配不均； (2)工质流量减少，质量流速降低，使得工质流量分配的不均匀程度增大导致受热较强的水冷壁管中流量反而减少，使个别管子处于危险的工作状态 传统垂直管屏水冷壁对变压运行的适应性较差3.2,,传统技术垂直管屏不适应变压运行,2024/10/14,2024/10/14,,,,,3.3,,垂直管屏变压运行新技术,1.2,水冷壁采用内螺纹管、低质量流速、一次垂直上升管屏设计低质量流速的意图：降低流动阻力压降，提高重位压降所占比例，将强制流动的负流量补偿特性转变为正流量补偿特性，部分抵销热偏差对管壁温度的影响。

2024/10/14,,,,(13-21),,上升流动：,下降流动：,垂直管屏和螺旋管圈比较,3.3,,垂直管屏变压运行新技术,3.4.5,采用内螺纹管抵抗亚临界压力范围内可能出现的膜态沸腾下辐射区和上辐射区水冷壁之间采用混合集箱，消除下辐射区水冷壁出口的工质温度偏差采用无双面曝光水冷壁的单炉膛炉型结构，独立的反向双切圆燃烧方式，用辐射热偏差部分抵销对流热偏差的影响，减小水冷壁的吸热偏差，减小水冷壁的壁温偏差2024/10/14,3.3,,垂直管屏变压运行新技术,6.7,在低温烟道内布置蒸发器，解决低压下蒸发不足和水冷壁进口水欠焓过大的问题，保证进入水冷壁的工质处于湿蒸汽区根据热负荷分配，在水冷壁进口部位加不同孔径的节流圈，减小流量分配偏差2024/10/14,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2024/10/14,2024/10/14,3.4,垂直管屏内螺纹管水冷壁的主要优点,结构简单，易于实现膜式壁结构；,,炉型设计灵活，符合各种燃料燃烧的要求；,,当水冷壁设计成低质量流速时，还具有自补偿特性，可以部分抵消强制流动的流量偏差；,,垂直管屏内螺纹管水冷壁技术可以降低质量流速,,,减小了水冷壁的阻力损失，降低了给水泵的功率消耗。

2024/10/14,3.4,垂直管屏内螺纹管水冷壁的主要优点,制造工艺和悬吊结构简单；,,安装现场的焊接工作量小；,,检修工艺简单快速；,,运行中灰渣容易脱落，积灰结渣减少；水冷壁吸热变化时，管内流量变化较小；,,2024/10/14,积灰、结渣情况：,2024/10/14,,,,3.5,垂直管屏变压运行实例,哈尔滨锅炉厂,1000MW,超超临界直流锅炉采用了一次上升内螺纹管垂直管屏水冷壁，质量流速为,450,～,1800kg/(m2.s),而采用螺旋管圈水冷壁的,600 MW,超临界直流锅炉，在额定负荷下的质量流速为,2200,～,2800kg/(m2.s),螺旋管圈水冷壁,2024/10/14,,3.6,螺旋管圈水冷壁适合变压运行,(1) 工作在下辐射区的水冷壁同步经过受热最强的区域和受热最弱的区域(2) 工质在下辐射区一次性沿着螺旋管圈上升，没有中间联箱，在工质比容变化最大的阶段避免了再分配(3) 不受炉膛周界的限制,可灵活选择并列工作的水冷壁管子根数和管径，保证较大的重量流速(下辐射区水冷壁达,2800,kg/m,2,s,,上辐射区2000,kg/m,2,s)4),水冷壁能够工作在热偏差最小和流量偏差最小的良好状态。

因此，其水动力稳定性较高，不会产生停滞和倒流，可以不装节流圈，最适合变压运行3.7,螺旋管圈水冷壁的缺点,需要专门的悬吊架，安装、检修工艺复杂水冷壁热偏差与,螺旋管圈,盘旋圈数有关，600,MW,锅炉盘旋圈数1.74圈盘旋圈数越少，并列工作的水冷壁管数越多，在低负荷运行时，热偏差较大，且流量偏差增大，同样出现水冷壁超温现象质量流速提高，流动阻力增大，给水泵压头提高3.8,螺旋管圈水冷壁变压运行特性1.2,超临界参数锅炉变压运行时，工作压力随负荷变化在7,0,％,MCR,负荷以下时，水冷壁在亚临界压力区工作，管内工质是汽水混合物，比容变化较大此时如果管外热流密度过高，不仅容易引起膜态沸腾，还会引起较大的工质热膨胀超临界压力锅炉在低负荷变压运行时，下辐射区出口的压力比较低，50％,MCR,负荷时的中间点压力为13Ｍ,Pa，,这时饱和汽的比容是水的比容的8.1倍以上，汽水的比容差显著增大3.9,螺旋管圈水冷壁变压运行特性3,低负荷运行时,螺旋管圈进口工质温度降低，工质欠焓增大，当部分水冷壁结渣或积灰或火焰偏移时，将使各水冷壁管的沸腾点不同步地推迟，此时尽管水冷壁的总流量是不变的，但是各管内工质流量分配不均或流量时大时小，出现流动不稳定现象。

因此应特别注意低负荷下的水动力不稳定性负荷越低压力越低，越容易出现水动力不稳定性3.10,,螺旋管圈水冷壁变压运行特性,4,变压运行的超临界直流锅炉启动时处于无压或低压状态,随着燃烧率的增加,工质温度和压力不断提高，水冷壁管中的汽水膨胀使得水冷壁出口的流量远大于给水量，这将影响到分离器的水位变化特性和系统的水动力稳定性7,0,％,MCR,负荷以上时，水冷壁进入临界压力和超临界压力区工作，影响水动力稳定性和传热特性的主要因素是工质的大比热特性给水,再热蒸汽,,,,,,,,,,,4.,超临界机组,,的金属材料,,,,4.2,汽轮机中压主要部件材料（,ABB）,bar/,℃,/,℃,180/540/540 240/600/599 300/600/600,,外缸,2.25%,CrMo,2.25%CrMo 1%CrMoV,,内缸,1%,CrMo,1%CrMo 9%CrMoVNbN,,转子,1%,CrMoV,10%CrMoVNbN,10%CrMoVNbN,,内螺栓,11%,CrMoVNbN,11%CrMoVNbN,11%CrMoVNbN,,热屏蔽,,,9%,CrMoVNbN,,,主汽阀,1%,CrMoV,9%,CrMoVNbN,9%CrMoVNbN,,环形管,2.25%,CrMo,9%CrMoVNbN,9%CrMoVNbN,,,,,,,,,,2024/10/14,,,,4.3,汽轮机高压主要部件材料（,ABB）,bar/,℃,/,℃,180/540/540 240/600/599 300/600/600,,外缸,2.25%,CrMo,2.25%CrMo,2.25%CrMo,,,内缸,1%,CrMo,1%CrMoV 10%CrMoVNbN,,转子,1%,CrMoV,1%CrMoV 10%CrMoVNbN,,内螺栓,11%,CrMoVNbN,11%CrMoVNbN Nimonic80A,,喷嘴套 1%,CrMoV,11%CrMoVNbN,11%CrMoVNbN,,主汽阀,1%,CrMoV,9%CrMoVNbN,9%CrMoVNbN,,环形管,2.25%,CrMo,9%CrMoVNbN,9%CrMoVNbN,,,注：,Nimonic80A,为镍基合金,2024/10/14,,,,,,4.4,锅炉主要部件材料(史密斯穆勒公司),蒸汽参数,250/540/58/540 290/582/80/580/23/580 305/582/74/600,水冷壁,13,CrMo44 13CrMo44 13CrMo44,,过热器,X20CrMoV121 P91 P92,一次再热器,X20CrMoV121 P91 P92,二次再热器,P91,,主蒸汽管,X20CrMoV121 TPFG347H TPFG347H,一次再热管,X20CrMoV121 TPFG347H TPFG347H,二次再热管,TPFG347H,,,2024/10/14,,4.5 600MW,锅炉金属材料,受热面,管子材料,允许温度℃,,,,,,螺旋管圈水冷壁,垂直管屏水冷壁,屏式过热器,高温过热器,高温再热器,低温再热器,省煤器,13,CrMo44,（,15,CrMo,）,15,Mo3,（,16,Mo,）,10,CrMo910,（,12,Cr2Mo,）,X20CrMoV121,X20CrMoV121,,X8CrNiNb16B(1Cr19Ni11Nb),10,CrMo910,15,NiCuMoNb5,560,530,580,630-650,630-650,650,580,500,,,,,,,2024/10/14,4.6 800MW,锅炉金属材料,,,,,,,4.7,采用新材料的考虑(橘湾,1050,MW,机组,),,由,IHI,公司,为,橘湾电站,提供的1号机组蒸汽参数为,25.88,MPa/605℃/4.61MPa/613℃，,该机组采用了大量高强度、耐高温、抗蠕变、抗氧化、耐腐蚀性能强的新材料，降低了,汽水,分离器、过热器、再热器等管材的壁厚，减小了热应力，提高了锅炉对负荷变化的跟踪性能。

汽水分离器,采用,SBV62(SBV2mod)过热器、再热器采用,18,Cr10NiTiNb、,18,Cr9Ni3CuNbN,温度超过,600,℃,时，若采用奥氏体不锈钢,TP347,，,壁厚将超过,11,mm,；,若采用,25,Cr20NiNbN,或,20,Cr25NbNTiB，,可使壁厚减少到,8,.4,mm2024/10/14,,4,.8,超临界机组金属材料主要决定于参数,由亚临界参数提高到超临界参数，当蒸汽温度限制在545℃以下时，受影响的部件主要是锅炉的水冷壁，汽轮机与亚临界参数机组基本相同；,,当蒸汽温度提高到580℃，主蒸汽压力提高到28,MPa,以上时，锅炉水冷壁、过热器、再热器、联箱、蒸汽管道、汽轮机高压缸和第一、二级叶片、喷嘴、主汽门等必须采用新金属材料4.9,材料与蒸汽参数及热效率的关系,,,,25.0,MPa,27.0 30.0 31.5 35.0 540/585 585/600 600/620 620/620 700/720,4.10,耐高温铁素体钢适用范围≤565℃,X12CrMo91(T9),美,,X20CrMoV121(F12),德 (转子、汽缸、叶片、螺栓),,,X16CrMoVNbN92(H46),英 (转子、汽缸、叶片、螺栓),,X10CrMoVNbN92(EM12),法,,X22CrMoWV121(AISI422),美,,X13CrMoVNbN101(FV488),英 (叶片、螺栓),,X19CrMoVNbN111(56T5),法 (叶片、螺栓),,11,CrMoVNbN(GE),美 (转子),,12,CrMoWVNbB(TAF),日本 (叶片、螺栓),,,,4.11,新开发的耐高温铁素体钢适用范围≤600℃,9,CrMoWNbV(NF616),日,,11,CrMoWCuNbVB(NF12),日,,11,CrWCuNiMoNbV(HCM12A),日.欧,,10,MoWCuMoVNbTa,(SAVE12),日,,X10CrMoVNb91(T91),美,,X18CrMoVNbB91,欧洲,,X12CrMoWVNbN1011,欧洲,,X20CrMoVNb121,欧洲,4.12,奥氏体钢适用范围600~650℃,25,Cr20NiNbN(HR3C\,火,SUS310J1HTB),≤650℃,,27Cr30NiNbCo(AC66)，≤650℃,,20CrNiNb(,合金,)，≤,650,℃,,20,Cr25NiNbNTiB(NF709)，≤650℃,,X12CrNiWTi1613，,≤ 650℃,,X6CrNiMo1713(TP316H)，,≤ 650℃,,18,Cr10NiNb(,火,SUSTP347HTB)，≤600℃,,18Cr10NiTiNb(,火,SUS321J1HTB)，≤600℃,,18Cr9NiCuNbN (,火,SUS304J1HTB)，≤600℃,,,4.13,金属和非金属元素的性质,,Cr：,铬,ge,，,防锈，强度高，韧性大，耐磨，耐腐蚀。

Mo：,钼,mu,，,强度高，耐热V：,钒,fan，,在常温中不易氧化Ni：,镍,nie,，,硬度高，坚韧，强度高，有朔性，耐温、耐蚀Ti：,钛,tai，,坚韧性，耐高温Nb,：,铌,ni,，,延展性，耐磨，硬度高，耐热W：,钨,wu,，,坚硬，坚韧，耐高温，高温下硬度和形状不变Cu：,铜,tong，,导热性，延展性Co：,钴,gu,，,超耐热Ta：,钽,tan，,延展性，抗酸，抗碱N：,氮,dan,，,惰性元素B：,硼,peng,，,耐磨，热稳定性高4.14,新材料的开发,,,,,+,W,,,+W,Cu,,,,,,,,,,,NF616,,HCM124,STBA28,+,V,Nb,,STBA24,SUS304,+,Cu,N,-Ti,SUS321J1H,SUSTP347H,SUS310J1,+,Cr,Ni,Nb,N,+,Nb,,-Ti,+,Nb,SUS321H,改良型9~12%Ｃ,r,铁素体材料,奥氏体材料,9,CrMoVNb,,4.15,,水冷壁金属壁温与材料的关系,,4.16,,水冷壁,金属材料,蒸汽参数为（24~25,MPa）/540℃/（540~560℃）,的超临界机组锅炉水冷壁金属材料采用铁素体钢,13,CrMo44，,适用温度为450,℃~,460,℃，,不需要焊后热处理。

蒸汽参数为（28,MPa）/580℃/（580℃）,的超临界机组锅炉水冷壁金属材料采用马氏体钢,T91（9%Cr）,和,HCM12（ 12%Cr），,这两种钢不需要焊后热处理，,HCM12,比,T91,的耐高温、抗腐蚀性能更强HCM2S,的高温抗蠕变强度高于低铬铁素体钢，可焊性好，焊后不需要热处理，列为,SA213-T23,4.17,,汽水分离器的,金属材料,汽水分离器是超临界直流锅炉的厚壁元件，主要承受低周疲劳应力机组启动过程中负荷变化率越大，汽水分离器承受的应力也越大蒸汽参数为25,MPa/540℃/ 540℃,时，汽水分离器采用15,NiCuMoNb5、X20CrMoV121（F12）蒸汽参数为28,MPa/580℃/ 580℃,时，汽水分离器采用的金属材料为,P91，,与,X20CrMoV121,相比，,,P91,的强度更高，可减小壁厚，提高锅炉的变负荷性能4.18,,过热器的,金属材料,蒸汽参数为24,MPa,~,26,MPa/540℃/540℃,的超临界机组锅炉过热器，过热器采用的金属材料在日本为,TP321H,、,18Cr10NiTi、TP347H,、,18Cr10NiNb 。

在德国为13,CrMo44、10CrMo910、X20CrMoV121（F12）蒸汽参数为28,MPa/580℃/580℃,的超临界机组锅炉过热器，过热器采用的金属材料为,HCM12,和奥氏体钢在,600 ℃ / 600℃,汽温下，管壁温度达到,650℃~ 670℃,，应选奥氏体钢,TP347H,、,TP347HFG,、,Super340H,，部分高温段管子用,20~25Cr,奥氏体钢,HR3C,、,NF709,，奥氏体钢的热疲劳性能不高，对于小管径薄壁的管束问题不大SUS310JITB(25%Cr),：用于汽温为,600℃,的过热器和再热器管束4.19,,高温过热器出口联箱的,金属材料,高温过热器出口联箱既承受低周疲劳应力，又承受高温蠕变应力在启动过程和高负荷运行中都承受较大的应力蒸汽参数24~26,MPa/540 ℃ /540℃,的超临界机组，高温过热器出口联箱采用的金属材料为马氏体钢,X20CrMoV121(,德)，2,.,25,CrMo,和,HCM12(,日)近年来采用马氏体钢,P91， P91,可承受快速负荷变化产生的应力P91,允许的极限温度为,580℃,，比,P22/X20CrMoV121,提高,40 ℃,，壁厚可减薄,50%,，但可焊性较差。

NF616,、,HCM12A,为新一代,9%Cr~12%Cr,钢，在,600℃,汽温下，壁厚比,P91,可减薄,40%,20G,为,5800,元／吨；,,,15CrMoG,为,7500,元／吨；,,,12Cr1MoVG,为,8500,元／吨；,,,SA213-T91,为,24000,元／吨6.4,主汽温度与水冷壁最大工质温度的关系,主蒸汽温度,580/580,600/600,560/580,545/563,超临界锅炉 的汽温调节,,2024/10/14,5.1,水煤比作为主调手段,,超临界锅炉过热汽温的调节以水煤比作为主调手段调节水煤比最关键的仍然首先是控制中间点的温度因为超临界锅炉水冷壁中工质温度的变化与过热器类似，超临界锅炉的水冷壁多吸收热量的结果是工质温度升高，等于过热器多吸收热量而不像汽包锅炉那样，水冷壁多吸收热量反映出来的参数变化首先是压力变化，而温度变化并不剧烈2024/10/14,5.2,喷水减温作为微调,超临界锅炉的汽温调节不宜采用大量喷水减温方式，喷水减温只作为细调，,100%MCR,负荷的过热器总减温水量一般不超过总蒸发量的,4,～,8,％减温水量增大时，喷水点前的受热面，尤其是水冷壁和省煤器中的工质流量必然减小，加剧下辐射区出口工质温度提升，使得水冷壁出口工质温度升高，加大汽温调节幅度，引起喷水点前的过热器超温。

另外温度很低的给水对于温度很高的蒸汽联箱或过热器管子造成冷冲击，影响寿命2024/10/14,5.3,调节再热汽温必然影响过热汽温,超临界锅炉的再热汽温调节多数采用烟气挡板或摆动式燃烧器，调节再热汽温，必然影响过热汽温因此主汽温调节还需要掌握再热汽温调节与主汽温调节之间的静态关系和动态特性，但主要取决于锅炉过热器和再热器的辐射和对流传热比例烟气挡板调节再热汽温的锅炉，主蒸汽侧减温水量随负荷升高而单调增加摆动式燃烧器调节再热汽温的锅炉，主蒸汽侧减温水量的变化比较复杂，减温水量与负荷变化、过热器系统传热特性、燃烧器摆角、煤质特性、变压运行参数等多种因素的耦合结果有关2024/10/14,,,2024/10/14,2024/10/14,5.4,影响汽温调节的因素－,1,燃用煤质变化导致的辐射、对流传热比例变化和变压运行时工质参数变化导致的热物性剧烈变化是运行调节的主导因素此外，直吹式磨煤机制粉系统的调节滞后性、省煤器出口水温以及蒸发系统的储热量都会影响调节效果2024/10/14,5.4,影响汽温调节的因素－,2,对于超临界,600MW,锅炉，影响汽温的因素和变量耦合复杂化，不像汽包锅炉那样有调节缓冲带，即对给水调节与燃料以及燃烧调节的动态配合要求更高。

由于给水调节反应快，而燃料和燃烧调节反应慢，因此水煤比调节既要比较准确的掌握与主机和附机系统范围内的静态关系，又要定量掌握有关煤、水系统之间的动态响应特性2024/10/14,5.5,过热器的湿态与直流运行,末级过热器出口汽温控制分两个运行区间，一个是湿态运行区，一个是直流运行区湿态运行发生在机组启动期间，此时通过炉膛的水流量大于通过过热器的蒸汽流量，多余的水被收集在贮水箱中当通过炉膛的工质全部进入过热器时，则锅炉进入直流运行区，此时除了要控制末级过热器出口汽温外，还要防止每个过热器管组入口进入饱和状态2024/10/14,,5.6,湿态与直流运行的汽温调节,在湿态运行期间，通过炉膛的工质流量是固定的，此时过热器减温器的运行类似于汽包炉的减温器运行，用它来控制汽温的升高在直流运行区，过热器减温器仅用作瞬时的汽温控制，而长期的汽温控制是通过给水流量控制调节燃料∕给水比来实现的在直流运行区，每级减温器的温降都控制在一个目标值，这样当汽温在整定值时，就能使减温水量维持在设计值，使减温器能对每个方向的汽温偏差都作出响应2024/10/14,6.,超临界锅炉,,的启动系统,,,,6.,1,超临界锅炉启动过程问题之一,超临界压力直流锅炉无储存汽水的汽包，启动一开始就必须不间断地向锅炉送进给水。

如果启动流量按30％额定流量计算，一台容量为2000,T/h,的600ＭＷ锅炉启动初期就需要600,T/h,的启动流量由于给水既要经过水质的化学处理，又要在锅炉内吸收燃料燃烧放出的热量，如果不利用，就会造成热量浪费和水质处理过程运行费用以及工质浪费因此，直流锅炉有必要设置专门的回收工质与热量的系统，这种系统就是直流锅炉的启动系统6.,2,,超临界直流锅炉启动过程问题之二,,超临界压力直流锅炉启动过程中，存在强烈的汽水热膨胀现象，汽水膨胀会导致水冷壁管内的水动力不稳定性，即并列工作的管屏中有的管子流量多，有的管子流量少；或同一根管子中，瞬间流量有时大，有时小 汽水膨胀还会导致过热器出口的蒸汽达不到额定参数，甚至引起蒸汽带水，危及机组的安全运行6.,3,超临界锅炉启动过程问题之三,同亚临界锅炉一样，超临界锅炉启动过程也需要使锅炉生产的蒸汽符合汽轮机的进汽要求；,,在启动过程中保护再热器；,,缩短启动时间，尽快实现机、炉联合运行；,,启动过程中，防止温度不高的蒸汽进入汽轮机而凝结成水，启动系统应固定蒸发受热面的终点，进行汽水分离，使给水调节、汽温调节和燃烧调节相互独立，互不干扰。

6.,4,启动系统的作用（1.2.3）,建立启动压力和启动流量，保证给水连续地通过省煤器和水冷壁，尤其是保证水冷壁的足够冷却和水动力的稳定性回收锅炉启动初期排出的热水、汽水混合物、饱和蒸汽以及过热度不足的过热蒸汽，以实现工质和热量的回收启动初期，将含铁量不合格的蒸汽直接排到凝汽器，防止,Fe2O3,固体颗粒对汽轮机的冲击，以使汽轮机叶片免受侵蚀2024/10/14,再热第,1,级喷嘴的,SPE,侵蚀损伤,,2024/10/14,调节级喷嘴内的粒子运动轨迹,,2024/10/14,中压第一级静叶固粒腐蚀,高压喷嘴固粒腐蚀,2024/10/14,6.,5,启动系统的作用（4）,设置保护再热器的旁路系统在机组启动过程中，实现锅炉各受热面之间和锅炉与汽轮机之间工质状态的配合尽快实现机、炉联合运行内置闸阀,,启动分离器,,点火启动快速旁,路,,调压阀,,疏水阀,,节流阀,,启动扩容器,,水冷壁,,省煤器,,再热器,,,凝结水泵,,,,,,,,除氧器,,给水泵,,凝汽器,,除盐装置,,,高加,,低加,,6.,6 800,,MW,超临界锅炉启动系统,,6.,7,超临界600,MW,锅炉启动系统,凝汽器来经凝结泵和低加,去凝汽器,旁路,,,6.,8,橘湾1号启动及旁路系统,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,。