超臨界壓力鍋爐水冷壁系統(tǒng)

設(shè)計要求

超臨界壓力鍋爐水冷盛與亞臨界壓力鍋爐相比，超臨界壓力鍋爐最大特點(diǎn)體現(xiàn)在水冷壁系統(tǒng)的設(shè)計方面。當(dāng)代超臨界壓力鍋爐水冷壁設(shè)計必需體現(xiàn)超臨界、直流鍋爐與變壓運(yùn)行的三大要素。水冷壁管圈型式、質(zhì)量流速、熱偏差、流量分配等都是超臨界壓力鍋爐水冷壁設(shè)計的關(guān)鍵因素。

水冷壁管圈

超臨界壓力鍋爐螺旋管圈水冷壁管與水平線成一定傾角，從鍋爐底部沿爐膛四周螺旋式盤繞上升，直至爐膛上部折焰角與爐膛出口處為止，通常盤繞1~2圈，螺旋傾角在100~200之間。 垂直管圈與通常的鍋筒式鍋爐相似，從冷灰斗至爐頂水冷壁管均作垂直布置，并且為滿足變壓運(yùn)行需要，往往采用小管徑一次上升式管圈。這兩種型式在當(dāng)代大 容t超臨界壓力鍋爐上都得到了廣泛采用，二者在水 冷壁結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造和安裝等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，但只要設(shè)計合理，都可以滿足鍋爐運(yùn)行性能的要求。 質(zhì)t流速超臨界壓力鍋爐水冷壁管內(nèi)質(zhì)量流速 的合理選取十分關(guān)鍵，是關(guān)系到鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素.對于螺旋管圈，可以通過合理選擇管徑、根數(shù)和姍旋傾角等來確定合理的質(zhì)量流速。對于垂直管圈特別是一次上升式垂直管圈，一般只能采用較小管徑來滿足對質(zhì)量流速的要求，而且還需要采用內(nèi)螺紋管解決水冷壁高熱負(fù)荷區(qū)傳熱。

為了更有效地提高火力發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)性，因此超臨界壓力鍋爐采用了更高的汽溫和更大的鍋爐容積。 由于水和蒸汽的壓力超過臨界壓力后不可能有汽水雙相混合物共存，故超臨界壓力鍋爐只能采用沒有鍋筒的直流鍋爐。同時，超臨界壓力也體現(xiàn)了當(dāng)代電站鍋爐最先進(jìn)的技術(shù)。與亞臨界鍋爐相比，蒸汽參數(shù)更高，因此在鍋爐受壓元件的設(shè)計時需要采用更高等級的材質(zhì)，并需要更完善的強(qiáng)度設(shè)計和壽命分析；由于它是直流鍋爐，因此其水冷壁系統(tǒng)的設(shè)計與鍋筒式鍋爐有很大區(qū)別，并且還需要設(shè)計一套起動系統(tǒng)；由于超臨界壓力鍋爐往往采用變壓運(yùn)行，因此在鍋爐性能設(shè)計時還要兼顧超臨界和亞臨界各種不同運(yùn)行工況時的特點(diǎn)，保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

超臨界壓力鍋爐在高負(fù)荷超臨界狀態(tài)運(yùn)行時，介質(zhì)作單相強(qiáng)制流動，對爐膛內(nèi)的熱偏差比較敏感，在水冷壁并聯(lián)管之間，介質(zhì)溫度或管壁溫度會產(chǎn)生 較大差值，因此在水冷壁設(shè)計時要作熱偏差判斷和計算。在水冷壁上部，往往還設(shè)置中間混合聯(lián)箱以減少工 質(zhì)熱偏差，防止水冷壁超溫或產(chǎn)生過大溫差應(yīng)力. 流t分配現(xiàn)代大容量超臨界壓力鍋爐，水冷壁 由成百上千根并聯(lián)管子組成，介質(zhì)在這些管子中作強(qiáng) 制一次性流動，為了保證水冷壁的安全運(yùn)行，應(yīng)特別注意并聯(lián)各管間的流量分配，無論在超臨界壓力或亞臨 界壓力工作狀態(tài)，每個水冷壁管中都需要保持足夠的冷卻流量，使水冷壁安全運(yùn)行。

超臨界壓力鍋爐起動系統(tǒng)因?yàn)槌R界壓力鍋爐是直流鍋爐，因此必需配備一套起動系統(tǒng)(見直流鍋爐起動系統(tǒng))，供鍋爐在滑參數(shù)起動時分離由水冷壁產(chǎn)生的汽水混合物，將飽和燕汽通向過熱器，水則通往除氧器水箱或其它可被利用的地方。當(dāng)代超臨界壓力鍋爐起動流量約為25%~35%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量 (BMCR)。

自20世紀(jì)50年代以來，超臨界壓力鍋爐一直處在發(fā)展和應(yīng)用之中，至今全世界已有600多臺大型超臨界壓力鍋爐在電廠運(yùn)行。超臨界壓力鍋爐的可靠性指標(biāo)已與亞臨界壓力鍋爐相當(dāng)。世界上生產(chǎn)和使用超臨界壓力鍋爐最多的國家是前蘇聯(lián)、美國、日本和德國，已在運(yùn)行的各國最大機(jī)組是1300 MW(美國)、1200 MW(俄國)、1000 MW （日本)和800 MW(德國).超臨界機(jī)組的平均容量已 達(dá)600MW等級，最大鍋爐的蒸發(fā)量達(dá)4433t/h。

設(shè)計參數(shù)最高的超臨界壓力鍋爐以日本和德國最為先進(jìn)，當(dāng)代已投運(yùn)的超超臨界變壓運(yùn)行鍋爐參數(shù)為31.5 MPa、569/569/569C，正在研制的有34. 5 MPa、620/ 625C參數(shù)的鍋爐。

截至2013年8月，中國已有61臺超臨界壓力鍋爐在運(yùn)行，這些鍋爐的可靠性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)都已得到了證實(shí)，為中國發(fā)展國產(chǎn)超臨界鍋爐提供了經(jīng)驗(yàn)。中國對超臨界壓力鍋爐的研究已有十多年歷史，在中國發(fā)展超臨界壓力鍋爐不但技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上也是有利的，特別是在原料昂貴地區(qū)。

超臨界壓力鍋爐用鋼由于超臨界壓力鍋爐特別 是超超臨界壓力鍋爐的汽壓、汽溫都很高，在確定鍋爐參數(shù)時首先要考慮高溫過熱器和高溫再熱器的用鋼問題。當(dāng)汽溫超過540℃時，超臨界壓力鍋爐高溫段受熱面就需要采用奧氏體鋼種，這些鋼材不但要有耐高溫強(qiáng)度性能，而且還需要有抗高溫氧化的良好性能。與同容量亞臨界鍋爐相比，超臨界鍋爐的各級受熱面，通常采用較小直徑和較好一檔管材，旨在減小管壁厚度，適應(yīng)調(diào)峰需要并延長使用壽命。

超臨界壓力水冷壁壁溫可達(dá)到500℃以上甚至540℃，比亞臨界壓力高得多，因此需要采用合金鋼，例如10CrMo910/P22、P91等相應(yīng)等級的材料。 超臨界壓力鍋爐變壓運(yùn)行現(xiàn)代大容量超臨界鍋爐都采用變壓運(yùn)行，超臨界變壓運(yùn)行鍋爐設(shè)計時要特別注意受壓部件的疲勞壽命計算和分析，不但要對高溫厚壁部件，還要對中溫部件如水冷壁及其剛性梁等都要作專門計算。另外，也要注意鍋爐總體性能設(shè)計和調(diào)溫手段，以適應(yīng)大的調(diào)峰范圍。

爐膛水冷壁就是布置在爐膛四周的、管內(nèi)流動介質(zhì)一般為水或汽水兩相混合物的受熱面。若鍋爐為蒸汽鍋爐，水冷壁主要為蒸發(fā)受熱面；若鍋爐為熱水鍋爐或超臨界壓力鍋爐．則水冷壁主要為加熱受熱面。

在自然循環(huán)鍋爐爐膛內(nèi)，如果管內(nèi)工質(zhì)向上流動，水冷壁也稱上升管。水冷壁的基本作用為：①吸收爐膛內(nèi)火焰的熱量。由于爐內(nèi)火焰溫度較高，且煙速很低，因此這種吸熱主要通過輻射方式來進(jìn)行，在爐膛出口處將煙氣的溫度冷卻到足夠低的程度。②保護(hù)爐墻。由于水冷壁的存在，使得火焰只能部分或完全不接觸爐墻，從而起到保護(hù)作用。除此之外，水冷壁還能起到懸吊爐墻、防止?fàn)t壁結(jié)渣等作用。

本書為普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材(高職高專教育)。

本書針對高職高專教育的需要，介紹了當(dāng)前大機(jī)組電廠鍋爐本體設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行。主要內(nèi)容包括鍋爐燃料特性、燃料燃燒空氣量煙氣量的確定方法、鍋爐燃燒理論和燃燒設(shè)備、制粉系統(tǒng)、鍋爐機(jī)組熱平衡、鍋爐蒸發(fā)系統(tǒng)及設(shè)備、過熱器、再熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)等，并針對汽包鍋爐和直流爐啟動、停運(yùn)和運(yùn)行調(diào)整進(jìn)行了介紹。書中增加了超臨界/超超臨界壓力鍋爐啟動系統(tǒng)內(nèi)容，所涉及的清潔燃燒理論和設(shè)備、直流爐設(shè)備系統(tǒng)及運(yùn)行部分的內(nèi)容，是在收集大量生產(chǎn)現(xiàn)場資料和系統(tǒng)設(shè)備圖紙的基礎(chǔ)上編寫而成的，有利于學(xué)生對理論的理解和實(shí)踐設(shè)備的認(rèn)知，具有一定的獨(dú)創(chuàng)性。

本書可作為高職高專電力技術(shù)類火電廠集控運(yùn)行、電廠熱能動力裝置專業(yè)教材，也可供發(fā)電廠技術(shù)人員培訓(xùn)使用。

爐膛水冷壁管的外部腐蝕先在高壓，液態(tài)排渣爐上發(fā)現(xiàn)，后來在其它超高壓鍋爐甚至在超臨界壓力鍋爐的下輻射部分相繼發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的外部腐蝕問題。事實(shí)上，任何容量參數(shù)型式的鍋爐的爐膛水冷壁上都可能發(fā)生腐蝕。

腐蝕通常發(fā)生在燃燒器中心線位置標(biāo)高上下,對于管子來說，向火側(cè)的正面點(diǎn)腐蝕得最快，側(cè)面較好，背面幾乎不發(fā)生腐蝕，腐蝕速度高達(dá)2 mm/a，一般情況下為1.1～1.5 mm/a。目前，對這種高溫腐蝕發(fā)生的機(jī)理還認(rèn)識得不很清楚。但研究表明，發(fā)生腐蝕的管壁附近，沒有例外地都是還原性氣氛。并且當(dāng)管壁溫度超過300℃時，才發(fā)生腐蝕。溫度越高，腐蝕越嚴(yán)重。H₂S及SO₂的濃度越高，腐蝕越嚴(yán)重。

防止或減輕水冷壁管腐蝕的措施有：

(1)燃料脫硫，如果能在進(jìn)入爐膛前徹底脫除燃料中的硫分，則幾乎不會產(chǎn)生高溫腐蝕。但現(xiàn)有的技術(shù)水平，還不能實(shí)現(xiàn)。

(2)盡量減少H₂S及SO₂的產(chǎn)生，降低其濃度，可采用燃燒過程脫硫的辦法。

(3)改善環(huán)境氣氛，合理組織燃燒室的空氣動力場，不使燃燒過程有局部的缺氧，抑制還原性氣氛的產(chǎn)生。

(4)設(shè)法降低管壁溫度，采用煙氣再循環(huán)。

(5)在可能發(fā)生腐蝕的區(qū)域貼壁噴入空氣流，形成保護(hù)膜。

(6)采用耐腐蝕的材料，如在水冷壁管上噴涂氧化鋁等。