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1、超临界锅炉 武汉大学 第五章超临界锅炉工作原理及基本型式 1基本工作原理一 工作原理及过程工质依靠给水泵的压头一次通过预热 蒸发 过热各受热面而加热成为过热蒸汽 给水流量G 蒸发量D 给水泵省煤器水冷壁过热器 管内三类受热面无固定分界点 G 工质流量Kgi 工质进口欠焓KJ Kgq 管子平均热负荷KW m2r 蒸发潜热KJ Kgd 管内径m沿直流锅炉管子工质的状态和参数不断变化 二 直流锅炉的特点本质特点无汽包工质一次通过各受热面 强迫流动受热面无固定界限水冷壁中工质流动特点受热不均对流动影响水动力多值性有脉动现象给水泵压头大 传热过程特点在水冷壁中工质干度x由01 因此第二类传热恶化一定出现
2、热化学过程特点要求给水品质高控制调节过程特点直流锅炉对自动控制系统要求高 原因如下 负荷变动时 直流锅炉的蓄热能力较低 依靠自身炉水和金属蓄热或放热来减缓汽压波动的能力较低直流锅炉必须同时调节给水量和燃料量 以保证物质平衡和能量平衡 才能稳定汽压和汽温 所以直流锅炉对燃料量和给水量的自动控制系统要求高 启动过程特点设有启动旁路启动速度快在启动过程中 有工质膨胀现象启动一开始 必须建立启动流量和启动压力 设计 制造 安装特点直流锅炉适用于任何压力蒸发受热面可以任意布置节省金属制造方便 2蒸发受热面主要形式一 早期采用的形式本生型 即多次串联垂直上升管屏式苏尔寿式 即多行程迂回管屏式拉姆辛型 即水
3、平围绕上升管圈式式 垂直上升管屏式1 垂直管屏 2 过热器 3 外置式过渡区 4 省煤器 5 空气预热器 6 给水如口 7 过热蒸汽出口 8 烟气出口 回带管屏式1 水平回带管屏 2 垂直回带管屏 3 过热蒸汽出口 4 过热器 5 外置式过渡区 6 省煤器 7 给水入口 8 空气预热器 9 烟气出口 水平围绕管圈式1 省煤器 2 炉膛进水管 3 水分配集箱 4 燃烧器 5 水平围绕管圈 6 汽水混合物出口集箱 7 对流过热器 8 壁上过热器 9 外置式过渡区 10 空气预热器 二 现代直流锅炉采用的形式由于锅炉向大容量 高参数发展 采用了膜式水冷壁 滑参数运行和给水处理技术发展 因此直流锅炉形
4、式有了很大的变化 一次垂直上升管屏式 UP型 炉膛下部多次上升 炉膛上部一次上升管屏式 FW型 螺旋围绕上升管屏式 一次垂直上升管屏式 UP型 FW型 螺旋围绕上升管屏式 3本机组特点一 结构与技术特性本厂600MW机组采用的是DG1950 25 4型直流锅炉 是东方锅炉 集团 股份有限公司与日本巴布科克 日立公司及东方 日立锅炉有限公司合作设计 联合制造的600MW超临界本生直流锅炉 该锅炉为超临界参数变压直流本生型锅炉 一次再热 前后墙对冲燃烧 单炉膛 尾部双烟道结构 采用挡板调节再热汽温 固态排渣 全钢构架 全悬吊结构 平衡通风 露天布置 水冷壁及水循环系统特性启动旁路系统特性二 设计考
5、虑与布置特点设计指导原则布置特点三 变压运行优点 第六章超临界锅炉的结构 总体特点 锅炉布置采用单炉膛 型布置方式 全钢架 全悬吊结构 炉膛采用螺旋管圈 混合集箱 垂直管水冷壁 采用BHK成熟 安全可靠的超临界本生直流水循环系统 过热器采用水 煤比和多级喷水调温 再热器采用尾部双烟道挡板加事故喷水调温采用对冲燃烧方式 24只HT NR低NOx燃烧器分三层布置在前后墙 采用经优化设计的CE三分仓容克式空预器 水汽流程 1蒸发受热面一 水冷壁结构水冷壁结构特点下部螺旋盘绕上升 从水冷壁进口到折焰角下一定距离 标高52608 9mm 处 上部垂直上升均为膜式壁结构两者间由过渡水冷壁转换连接螺旋盘绕水
6、冷壁管全部采用内螺纹管 优点 既适合于变压运行及锅炉调峰 又便于支吊和经济 水冷壁总体结构 螺旋水冷壁管屏螺旋水冷壁管均为六头 上升角60 的内螺纹管 456根 管子规格 38 1 7 5 材料SA 213T2 冷灰斗的倾斜角度为55 除渣喉口宽度为1 2432米 冷灰斗处管子节距为50 8 49 827mm 中部螺旋管倾角为19 471 管子节距50 8mm 螺旋水冷壁管屏膜式采用双面坡口扁钢 厚度 6 4 材料15CrMo 冷灰斗结构 过渡段水冷壁管屏从倾斜布置的水冷壁转换到垂直上升的水冷壁就需要过渡结构 即过渡段水冷壁 螺旋水冷壁出口管几乎每间隔1根管子直接上升成为垂直水冷壁 另1根抽出
7、到炉外 进入螺旋水冷壁出口集箱 再由连接管从螺旋水冷壁出口集箱引入到垂直水冷壁进口集箱 由垂直水冷壁进口集箱拉出两倍引入螺旋管数量的管子进入垂直水冷壁 螺旋管与垂直管的管数比为3 1 这种结构的过渡段水冷壁可以把螺旋水冷壁的荷载平稳地传递到上部水冷壁 过渡段水冷壁管子规格 38 1 6 7 材料为SA 213T2 过渡段水冷壁结构简图 上部水冷壁管屏上部炉膛水冷壁与常规炉膛水冷壁没有差异采用结构和制造较为简单的垂直管屏 垂直管屏管子规格为 31 8 8 2 节距50 8 膜式扁钢厚 6 材料为SA 387Gr2水冷壁出口工质汇入上部水冷壁出口集箱 后由连接管引入水冷壁出口汇集集箱 再有连接管引
8、入启动分离器 二 螺旋管圈水冷壁的特点在 定的炉膛周界情况下 如采用垂直布置的水冷壁管 其管子根数基本固定 管子直径不能过细 为了保证水冷壁管子的安全 必须保证一定的工质流量 所以垂直管圈的质量流速大小是受到严格限制的 容量较小的直流锅炉水冷壁往往存在着单位容量炉膛周界尺寸过大 水冷壁管子内难以保证足够的质量流速 解决炉膛周界和质量流速之间矛盾的方法一般有下述四种 1 采用小管径和多次混合的水冷壁 2 水冷壁采用工质再循环 低倍率和复合循环锅炉 3 采用多次上升垂直管圈型水冷壁 4 采用螺旋管圈型水冷壁 本机组采用螺旋管圈型水冷壁 螺旋管圈型水冷壁关键参数 管子根数 式中 N 并列管子根数 L
9、 炉膛周界 螺旋管上升角 T 水冷壁管子节距 螺旋管圈型水冷壁关键参数 上升角度盘旋圈数1 5 2 5圈 2过热器及再热器一 系统及总体特点过热器系统 分5级 顶棚过热器包墙过热器低温过热器屏式过热器高温过热器 再热器系统分2级 低温再热器高温再热器 二 汽温特性及调节过热汽温影响因素 煤水比 给水温度 过量空气系数 火焰中心位置 受热面粘污 调节特点调节煤水比为主调节手段 辅以喷水减温再热汽温三 过热器运行问题 略 2尾部受热面 省煤器后竖井后烟道低过下方 顺列布置 给水单侧 炉右侧 引入 单根下水连接管 炉右侧 引出 蛇形管 50 8 7 1 SA 210C 光管 4管圈绕 横向节距114
10、 3mm 168排 上下两组逆流布置 省煤器进口集箱 508 88 SA106C 省煤器出口集箱 508 88 SA106C 省煤器系统重量由包墙系统引出的汽吊管悬吊 省煤器管束与四周墙壁间设有阻流板 每组上两排迎流面及边排和弯头区域设置防磨盖板 空气预热器采用32 VI型回转式空气预热器 每台锅炉配置两台三分仓空预器 转子直径为13506mm 正常转数为0 99r min 预热器采用反转方式 即一次风温低 二次风温高 受热面自上而下分为三层 其高度分别为300 800 800 300mm 热端和中间段蓄热元件由定位板和波形板交替叠加而成 钢板厚度0 6mm 高度为300 800 800mm
11、材料为Q215 A F 冷端蓄热元件由1 2mm厚垂直大波纹的定位板和平板构成 高度为300mm 冷端蓄热元件采用低合金耐腐蚀钢板 空气预热器分解图 空气预热器 第六章超临界锅炉的水动力特性 压力到超临界压力以上时 工质特性发生较大的变化 汽水密度差趋于0滑压运行时 压力为亚临界压力及以下 1受热面壁温及安全性一 壁温计算理想情况 实际情况 二 超临界压力下管壁温度 2在一定情况下较大保证安全工作的原则 2水动力不稳定性一 超临界压力下工质的特性超临界指工质参数 临界参数临界压力Pc 22 129MPa临界温度tc 374 15 加热过程 未饱和水 干饱和蒸汽 过热蒸汽 主要工质物性参数变化规
12、律超临界压力下定压比热Cp具有最大值时的温度为拟临界温度或类临界温度 在临界温度和类临界温度附近 工质的各主要参数发生比较大的变化 见图 二 管内汽液两相流型随着干度x的增加 两相流型逐渐变化 a 泡状流 b 弹状流 c 环状流 d 雾状流 三 水动力不稳定性 多值性 当蒸发受热面进出联箱两端压差一定的条件下 管内可能出现多种不同的流量 即水动力特性出现多值性 这样的流动特性就是不稳定的 流量小的管子 管内对流换热系数小 冷却差 管壁温度高 有可能造成炉管失效损坏 水平管圈特性方程在一定的热负荷下 管屏的压差与质量流量的关系式 管内工质流动阻力 P Plz Prs Pzf 推导可得 G w 特
13、性曲线 产生原因 产生原因 在某区段 如曲线2的cd段 随着 w增加 Lrs增加 Lzf减小 使得D减小 相应的x也减小 而且x减小影响程度比 w增加影响程度大 因此 随着 w增加 Prs增加的值比 Pzf减小的值少 单值性条件 影响因素工质进口欠焓压力热负荷热水段阻力 影响因素工质进口欠焓压力热负荷热水段阻力解决办法减少蒸发受热面 水冷壁 入口欠焓提高蒸发受热面的压力水冷壁人口处装节流圈提高水冷壁入口的质量流速 w 1 3 1 5 w 垂直管圈垂直管屏的水动力特性 必须考虑重位压差的影响重位压差的影响对水动力特性的影响有利于水动力特性趋向稳定 P Plz Pzw Pzw Hrs rsg Hz
14、f zfg当质量流速增加时 垂直管中重位压差的影响减少 这时的水动力特性趋向于水平管圈的水动力特性 当质量流速小时 垂直管中重位压差的影响大 这时的水动力特性趋向于自然循环管子的水动力特性 在超临界压力下在大比热区考虑到管内工质沿截面的不等温性 在大比热区温度的微小变化会引起动力粘度较大的变化 从而引起摩擦阻力系数较大的变化 也有可能出现水动力多值性的问题 3蒸发受热面中流体的脉动现象在两端管屏两端压差相同 当给水量和流出量总量基本不变的情况下 管屏里管子流量随时间作周期性波动 这种现象称为管间脉动 动态不稳定水动力特性 脉动静态不稳定水动力特性 多值性一 脉动种类整体脉动屏间 屏带或管屏 脉
15、动管间脉动特点 特点 管屏两端压差相同的情况下 管屏间管子中的有些流量在增加 另外一些管子的流量减少同一根管子 给水量随时间作周期性波动 蒸发量也随时间作周期性波动 它们的波动相位差为180 脉动是不衰减的对于垂直上升管屏 也有管间脉动现象发生 且对脉动更敏感 更加严重 二 管间脉动分析脉动产生机理脉动现象是当流量G大时 蒸发量D小 流量G小时 蒸发量D大脉动现象解释在管子中间某一点一定存在着一个压力峰 当某点压力P 高时 进水端压差 P1 P 下降 流量G减少 当P 大大增加时 可能引起水倒流 出口端压差 P P2 增加 蒸发量D增大 当某点压力下降时 进水端压差增加 流量G增加 出口端压差
16、减小 D减小 压力峰压力峰形成 压力峰下降 压力重新形成 脉动危害发生这种管间脉动时 热水段 蒸发段 过热段都在作周期性波动 在交界处附近壁温周期性变化 最大波动甚至达到150 因而使管子产生疲劳破坏 并联各管会出现很大的热偏差 当超过容许的热偏差值时 也将使管子超温过热而损坏 消除脉动措施增大管内工质质量流量 w增大热水段阻力 加节流圈 采用逐步扩大的管径 省煤器采用较小管径 减少蒸发段阻力 增加呼吸联箱 呼吸联箱处使压力均衡合适的压力和热负荷 4蒸发受热面中热偏差一 热偏差定义并列管组中各管 因为各管子的结构尺寸 内部阻力系数和热负荷可能各不相同 因此每根管子中蒸汽的焓增也就不同 这种现象叫做热偏差 热偏差系数 二 特点直流锅炉工质在水冷壁中全部蒸发 热偏差会对传热恶化造成很大的影响 且水冷壁出口工质温度已过热 所以水冷壁热偏差对水冷壁管子安全有很大的影响 不可忽视 超临界压力时 工质不存在恒定的饱和温度 偏差管工质温度差别更高 三 影响因素热力不均匀热负荷分布不均匀 锅炉炉膛中沿宽度方向烟气的速度场 温度场和热流的分布不均匀是造成水冷壁并联管组吸热不均匀的主要原因 和机组容量 炉
