《600MW垂直水冷壁超临界锅炉的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《600MW垂直水冷壁超临界锅炉的设计（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1600MW 垂直水冷壁超临界锅炉的设计随着我国火力发电事业的迅速发展和对环境保护的需要，提高机组效率、降低单位能耗，因而大力减少煤耗量和污染物总排放量如 CO2、SO2、NOX、飞灰等已成为当务之急，发展超临界以致超超临界机组，以及采用低 NOx 燃烧和尾部脱硫装置等均是重要途径之一。此外，随着机组调峰和两班制运行的需要，旧式的定压运行超临界机组已不能适应，因此世界上八十年代以来新投运的超临界机组绝大部分采用变压运行。此种超临界锅炉的关键部件之一的水冷壁则有螺旋管圈和垂直管圈两种型式。哈尔滨锅炉责任有限公司在开发采用这两种型式的水冷壁管圈的变压运行超临界锅炉均做了大量工作。本文对采用内螺纹管
2、垂直水冷壁的 600MW 超临界锅炉的方案设计，包括水冷壁主要设计参数的选取、锅炉总体布置特点及启动旁路系统的选型分析做了全面的论述。1、变压运行超临界锅炉水冷壁特点1、1 运行特点及各阶段设计要求变压运行超临界锅炉的水冷壁有螺旋管圈和垂直管二种。对于垂直型水冷壁来说，大多采用再循环泵供起动和低负荷时用，随着负荷的增大，此种水冷壁要经过低负荷控制循环、亚临界直流和超临界直流三个阶段。以某电厂 600MW 超临界机组方案设计为例，因汽机变压运行的最高点负荷为额定负荷的80%(=0.8)，相当于锅炉最大连续负荷(MCR)的 69.4%左右，而水冷壁则在 60%负荷时通过临界点(图 1)。若以直流工
3、况到控制循环的切换点选定为 35%负荷，则由图 2 可看出在 035%负荷间为亚临界控制循环，在 3560%负荷间为亚临界直流而在 60100%负荷间为超临界直流。图 1 水冷壁出口压力与负荷关系控制循环运行时水冷壁的出口为具有饱和温度的汽水混合物，因此沿炉膛周界各水冷壁管的工质温度和管壁温度是均匀的，不存在温度偏差问题，而且由于此阶段水冷壁的最高工作压力已降到约 12MPa，远低于亚临界区，已不存在膜态沸腾问题，但由于压力较低，水冷壁管内工质的比容(主要是蒸发段内的比容)显著增大而水冷壁入口水的比容变化甚小，导致节流孔圈阻力在回路总阻力中的比例显著降低，使各水冷壁管间的流量偏差增大，水冷壁的
4、安全性检验除应保证不出现直流状态和过热外，还应保证水动力的稳定性。对亚临界直流运行阶段来说，水冷壁沿高度分成给水加热、蒸发和过热三个区段，水冷壁的安全性是检验蒸发区膜态沸腾(DNB)的裕度以及高含汽率区的蒸干(Dry Out 简称 DRO)现象产生后管壁温度的升高是2否在管子的许可温度范围内。在过热区段中则主要是检查水冷壁出口的壁温是否低于管材的许可温度以及沿炉宽和炉深的出口汽温偏差和相邻二回路边管之间的温度差值是否在膜式水冷壁从热应力角度的许可温差范围内。对于超临界直流工况来说，已不存在蒸发区，水冷壁的安全性主要是检查水冷壁出口和各点的壁温是否在许可值内、沿炉宽和炉深的出口汽温偏差以及相邻二
5、回路的边管之间的温度差是否在许可温差范围内。1、2 各负何下工质温度和焓值变化图 2 表示 600MW 变压运行超临界锅炉在各负荷下省煤器、水冷壁及过热器这三大部件工质出口温度及焓增。由该图可看出当负荷达到 60%后，工质的压力和温度达到相变点(22.12MPa、374)，此时饱和温度的水直接全部转变成饱和蒸汽、水冷壁内已不存在汽水双相共存的蒸发区段而转入超临界蒸汽单相运行。1、3 汽机起滑点负荷比值 对水冷壁工作特性的影响汽机起滑点负荷比值 决定于机组予定的运行模式。对改进型滑压运行(定滑定)来说， 值决定了滑压运行的负荷范围，也决定了锅炉水冷壁通过临界压力点的负荷值，也即决定了亚临界直流运
6、行的负荷范围。总的来说， 值较小对锅炉水冷壁的安全性是有利的，但缩小了亚临界直流运行的负荷范围，对二班制及调峰机组的经济性稍差。兹将不同的 值对水冷壁运行特性的影响列于下表。汽机 值 锅炉起滑点负荷%BMCR 水冷壁通过临界点负荷%BMCR0.95 85% 75%0.90 80% 67%0.80 70% 60%2、一次垂直上升水冷壁主要特性参数的选择2、1 界限质量流速与设计质量流速2、1、1 界限质量流速:亦称最小质量流速，它是指双相工质在管内流动时在给定的压力、管径和热负荷下不发生一类传热恶化(DNB)和二类传热恶化(蒸干即 DRO)时要求的最低限度的质量流速，根据我公司与西安交大对 28
7、6 的垂直上升四头内螺纹管传热与阻力特性试验的结果，变压运行垂直管在双相流动区的二个运行工况即亚临界直流区的近临界点(21.5MPa,57%负荷)和最小直流工况(13MPa.35%负荷)的界限质量流速的试验值如图 4 及 3 所示。由图 3 和 4 可以看出界限质量流速的选取可分为三个区段，第一区段是干度较小的区域此时界限质量流速随干度的增加而增加，在第二区段中界限质量流速基本上与干度无关，呈水平直线，而在第三区段中界限质量流速随干度的增加而急剧增加。某些学者把这三个区段分别称为第一、二、三类传热恶化。由图 3 可看出，对最小直流工况在热负荷最高的燃烧器区域上方的低干度区而言，防止产生第一类传
8、热恶化(DNB)的界限质量流速约为 300kg/m2s，而防止产生第二、三类传热恶化(DRO)的界限质量流速为400kg/m2s。由图 4 可看出在近临界工况下，在第一、二区段内当最大局部热负荷为 700kw/m2时，界限质量流速为 1000kg/m2s。实际上，对 600MW 超临界锅炉来说，干度 X 为 0.8 左右是位于折焰角下方，此处的最大局部热负荷已600kw/m 2,对应的界限质量流速仅为 800kg/m2s，因此对这二个区段(X=0.20.8 及00.2)的界限质量流速若按 1000kg/m2s 考虑是有一定的安全裕度。由于试验干度所限，第三区段的传热恶化即 X=0.81.0 及
9、相变区以至单相的超临界区已不能用界限质量流速来验证其安全性，而可采用临界热负荷及管壁温度的校核来校验其安全性。2、1、2 临界热负荷:指在给定的压力、质量流速及干度下亚临界双相流动不产生传热恶化的最高允3图 2 各负荷工质焓值变化4图 3 内螺纹管中蒸汽干度、质量流速和热负荷间的关系图 4 内螺纹管中蒸汽干度、质量流速和热负荷间的关系5许热负荷。对超临界区单相蒸汽流动来说，临界热负荷是指在给定的压力、质量流速及蒸汽焓值下管子壁温不超过许可值的最高允许热负荷。兹将 286 四头内螺纹管在近临界区和超临界区的典型的临界热负荷曲线组示于图 5 和图 6。由图 5 看出当 600MW 超临界锅炉在近临
10、界区运行(57%负荷)时，当质量流速为1000kg/m2而干度0.7 时，临界热负荷约为 700KW/m2，如前所述，实际此时的最高局部热负荷只有600KW/m2，因此仍有一定的安全裕度。图 6 表明在超临界压力区(27MPa 和 MCR 工况)，临界热负荷随工质焓值而变。当质量流速为 14001800kg/m 2s，水冷壁出口焓值为 2800KJ/kg，其临界热负荷为320340kw/m 2，但在相变点焓值(2107KJ/kg)，其临界热负荷为 540600kw/m 2，虽然在上炉膛入口(折焰角处)其内壁热负荷只有210kw/m2，但在某些回路中相变点处的最大局热负荷可超过 600kw/m2
11、，有超温的可能，因此必须校核此处的金属壁温。2、1、3 MCR 质量流速设计值如前所述，水冷壁质量流速是确保其安全运行最重要的参数之一。对变压运行超临界锅炉采用的内螺纹管垂直水冷壁来说，质量流速的选取是以最低直流工况的流速应高于此工况下的界限流速为基础，反推出 MCR 时应选取的质量流速。根据图 3，对采用 286 的内螺纹管的600MW 超临界炉水冷壁来说，最小值流工况的界限质量流速为 300400kg/m 2s。日本三菱重工(MHI)的试验曲线见图 7，其最小直流工况的界限质量流速为 350kg/m2s。采用值为 500kg/m2s，MCR 工况下质量流速的设计值为 1900kg/m2s。
12、CE 公司对 1(31.8)的六头内螺纹管垂直水冷壁的最低直流工况质量流速的设计值为 540kg/m2s，MCR 工况下质量流速的设计值约为 1400kg/m2s(见图 8)，低于 MHI 的采用值，原因之一是将最低直流工况定为 25%MCR，而 CE 公司的超临界锅炉(包括复合循环炉)的最低直流工况一般35%MCR，如果 MHI 将最低直流工况的负荷值提高，则 MCR 的质量流速设计值也可以适当降低。在哈锅开发的 600MW超临界锅炉方案中，最低直流工况(35%MCR)的质量流速设计值是在界限质量流速 400kg/m2s 的基础上考虑了足够的裕量(50%)后采用 600kg/m2s，因此在
13、MCR 时的设计质量流速为 1750kg/m2s。而在近临界区的57%MCR 工况下，其质量流速也达到 1000kg/m2s，如 2.1.1 节所分析，此工况下也有足够的安全裕度。2、2 水冷壁管径、节距与材质水冷壁的管径、节距与材质取决于所采用的设计质量流速、管壁与鳍片温度、温度偏差和由此引起的热应力等因素，当然也要考虑到制造与运输过程中的刚性和管内水容量对热负荷波动的敏感性等，原苏联的超临界直流炉的垂直水冷壁大多采用 326 的光管，节距为 4248mm、管材为 12Cr1MoV。CE 公司生产的复合循环锅炉的垂直水冷壁也采用 326 的光管，节距为 44.7mm，材质为 SA213T11
14、(1CrMo)，日本八十年代末投运的 700MW 变压超临界锅炉的垂直水冷壁采用 285.45 的四头内螺纹管，材质也属于1CRMo 类合金钢。哈锅 600MW 变压超临界锅炉方案设计中的垂直型水冷壁采用 286 四头内螺纹管、节距 42mm、材质采用 12Cr1MoV 或 SA213T11。对于后水冷壁的吊挂管、折焰角及水平烟道斜坡管以及对流管束应采用较粗的内螺纹管和光管(38 和 32)以降低这些烟温较低区的管子质量流速并控制这些复杂回路的阻力。采用 28 的管子从制造工艺、管子刚性和装设节流孔圈等角度来看是可以接受的管径的下限，已在日本一批已投运的 700MW 锅炉上经历了长期运行的考验
15、。2、3 MCR 工况水冷壁出口温度、最低直流工况水冷壁出口过热及入口欠热国外对变压运行超临界锅炉的推荐值如下:在最低直流工况下水冷壁出口的工质过热为 6384KJ/kg以保证不出现双相介质而导致分配不均，在 MCR 时水冷壁出口温度应为 430440。石洞口二厂的 600MW超临界锅炉 MCR 时水冷壁出口温度为 435，在最低直流工况(37%)时过热度为 126KJ/kg，水冷壁入口欠焓为 272KJ/kg 以防止较低压力时水冷壁入口出现汽化。应该说明上述这些数据是指采用螺旋管圈水冷壁。6对于内螺纹管垂直水冷壁，根据 MHI 和 CE 公司的经验，在满足最低直流工况过热度的原则下，水冷壁出
16、口温度愈低对降低水冷壁出口壁温和温度偏差愈有利。日本 700MW 机组水冷壁出口温度约为 410。7图 5 近临界压力时，临界热负荷随干度的变化图 6 超临界压力时，临界热负荷随焓值的变化8本方案设计采用水冷壁出口温度为 427，35%负荷时出口过热度为 163.4KJ/kg，入口欠焓为256KJ/kg，与石洞口二厂 600MW 锅炉和国外推荐数据相比已有足够的裕度。2、4 水冷壁沿宽度方向及相邻二管间最大温差为控制热应力在许可范围内，原苏联对超临界直流炉曾规定不超过 50。实际上大部分超临界水冷壁二回路边管之间在运行中已超过此值，甚至高达 100，特别在下辐射区一、二行程之间，但运行仍是安全的，所以后来已将允许温差增大到 80。根据 CE 公司的研究，在亚临界压力下运行时，沿水冷壁宽度质量流速 kg/cm2 s蒸 汽 流 量 %图 7 三菱重工试验数据，质量流速与
