鍋爐超臨界壓力怎么來的【鍋爐技術-超超臨界壓力鍋爐的發(fā)展及應用】

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1、鍋爐超臨界壓力怎么來的【鍋爐技術|超超臨界壓力鍋爐的發(fā)展及應用】 超超臨界壓力鍋爐的發(fā)展及應用 從目前世界火力發(fā)電技術水平來看，提高火電廠效率的方法除整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）、增壓流化床聯(lián)合循環(huán)（PFBC）外，還有超超臨界壓力技術（USC）。我國已經(jīng)把大幅度提高發(fā)電效率、加速發(fā)展?jié)崈裘杭夹g的超超臨界機組作為我國可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約能源、保護環(huán)境的重要措施。 1、超超臨界壓力鍋爐的發(fā)展 世界上第一臺實驗性的超臨界鍋爐是西門子公司根據(jù)捷克人馬克本生1919年的專利方案制造的。超超臨界機組并不是按步就班由22．2MPa、538℃／538℃向上發(fā)展的，蒸汽參數(shù)經(jīng)歷高—低—高的過程。1949年

2、原蘇聯(lián)安裝了第一臺超超臨界試驗機組，直流鍋爐出口參數(shù)為29．4MPa、600℃（12t／h），經(jīng)節(jié)流至15MPa后通入汽輪機，以后又生產(chǎn)了29．4MPa、650℃型號為P—100—300的100MW機組，作為改造中壓機組的前置級。1956年西德投運1臺參數(shù)為34MPa、610℃／570℃／570℃、容量為88MW的機組。美國在50年代末投運了2臺具有代表性的超超臨界機組，菲羅電廠6號機組，容量為125MW、參數(shù)為31MPa、621℃／566℃／538℃；艾迪斯頓電廠1號機組，參數(shù)為34．3MPa、649℃／566℃／566℃、容量為325MW。費城電力公司的這臺艾迪斯頓1號機從1960年開始按

3、設計參數(shù)運行8年，后因出現(xiàn)一些故障，主要是材料問題，1968年起參數(shù)降為31MPa、610℃／557℃／557℃。美國一開始就試制這樣高參數(shù)的超超臨界機組，不可避免地頻繁發(fā)生事故，故不得不降低參數(shù)運行。在開發(fā)初期，過高的蒸汽參數(shù)超越了當時的技術水平。以后將蒸汽降至24．1MPa、538℃～566℃，并逐步完善，這種蒸汽參數(shù)保持了20余年。日本引進美國的技術并結合歐洲的適合變壓運行的本生式直流爐，成功地開發(fā)了超超臨界機組。在1989年和1991年成功地投運2臺700MW、31MPa、566℃／566℃／566℃的機組，運行情況良好，可用率水平很高。1998年投運主蒸汽和再熱蒸汽溫度均為600℃的

4、原町2號1000MW機組，該機組實測發(fā)電機端效率達44．7％。歐洲在1995～1999年間至少投運9臺蒸汽壓力28．5MPa～31．0MPa、溫度545℃～587℃的超超臨界機組，在建的還有10臺，并將蒸汽溫度提高至600℃以上。其中丹麥已投運的2臺超超臨界機組的熱效率可達47％～49％。 2、蒸汽參數(shù)的選擇 機組的蒸汽參數(shù)是決定機組熱經(jīng)濟性的重要因素。一般，壓力是16．6～31．0MPa、溫度在535℃～600℃的范圍內(nèi)，壓力每提高1MPa，機組的熱效率上升0．18％～0．29％；新蒸汽溫度或再熱蒸汽溫度每提高10℃，機組的熱效率就提高0．25％～0．3％；如果采用二次再熱的機組就比一次

5、再熱機組的熱效率高1．5％～2．0％?，F(xiàn)在常規(guī)的超臨界機組采用的蒸汽參數(shù)為24．1MPa、538℃／566℃。超超臨界機組一般采用二次再熱，其參數(shù)為：31．0MPa、566℃／566℃／　　566℃或31．0MPa、593℃／593℃／593℃或34．5 MPa、649℃／593℃／593℃。超超臨界機組的供電端效率見表1所示。 隨著參數(shù)的提高，對材料的要求、產(chǎn)品開發(fā)的技術難度、機組的造價也越來越高，比較超超臨界機組的3種參數(shù)，前2種現(xiàn)實性更大些。隨著科技的不斷發(fā)展，到x年超超臨界機組的參數(shù)可為33．5MPa、610℃／630℃／630℃；到x年參數(shù)可達40MPa、700℃／720℃／720

6、℃。 3、超超臨界壓力鍋爐的關鍵技術 超超臨界壓力鍋爐的關鍵技術是多方面的，在設計和制造上都有高難技術，如材料的選擇、水冷壁系統(tǒng)及其水動力安全性、受熱面布置、二次再熱系統(tǒng)汽溫的調(diào)控等，其中熱強度性能高、工藝性好、價格低廉的材料的開發(fā)是最關鍵的問題。 1）、材料 早期的超超臨界鍋爐使用了大量的奧氏體鋼，而奧氏體鋼比鐵素體鋼具有高的熱強性，但熱膨脹系數(shù)大、導熱性小，抗應力腐蝕能力低、工藝性差，熱疲勞和低周疲勞性能（特別是厚壁件）也比不上鐵素體鋼，且成本高得多，出現(xiàn)許多奧氏體鋼制部件損傷事故。世界各國一直致力于開發(fā)新材料和新工藝，改進和開發(fā)新型鐵素體鋼和改進了奧氏體耐熱鋼。歐洲開發(fā)出用于62

7、5℃的新型鐵素體鋼E911；美、日等國協(xié)作研究了如9％～12％Cr鋼NF616、HCM12A和TB12M等新材料；最近15～20年新型鐵素體—馬氏體的9％～12％Cr鋼研制開發(fā)成功，允許主蒸汽溫度提高至610℃，壓力達到30MPa，再熱蒸汽溫度至625℃。特別是550℃～625℃鐵素體耐熱鋼的開發(fā)成功降低了超超臨界機組造價。由于蒸汽參數(shù)的提高，高溫部件的工作環(huán)境更為惡劣，因此也必須采用更高級的材料來滿足要求。 2）、水冷壁 超超臨界壓力鍋爐的水冷壁系統(tǒng)，主要集中在螺旋管圈水冷壁和由內(nèi)螺紋管組成的垂直管圈型式兩種。螺旋管圈水冷壁可以自由地選擇管子的尺寸和數(shù)量，因而能選擇較大的管徑和保證水冷壁

8、安全的質(zhì)量流速，管圈中的每根管子均同樣地繞過爐膛和各個壁面，因而每根管子的吸熱相同，管間的熱偏差最小，適用于變壓運行，其缺點是螺旋管圈的制造安裝支承等工藝較為復雜及流動阻力大。內(nèi)螺紋管的垂直管圈水冷壁受爐膛沿周界熱負荷偏差的影響較大，除了需要采取一定的結構措施（例如加裝節(jié)流裝置）使管內(nèi)工質(zhì)流量的分配與管外熱負荷的分布相適應外，還要求較高的運行操作水平和自動控制水平。在開發(fā)超超臨界壓力機組時，有必要在現(xiàn)有的超臨界壓力水冷壁內(nèi)沸騰傳熱研究的基礎上，擴展實驗研究的壓力范圍，進一步進行試驗研究，防止似膜態(tài)沸騰現(xiàn)象，確保水冷壁系統(tǒng)工作的安全性。 3）、二次再熱系統(tǒng) 在設計二次再熱鍋爐時，必須考慮到高

9、效率在基本負荷下運行，決定最佳的再熱器受熱面布置和再熱蒸汽溫度控制方法。超超臨界壓力鍋爐采用了二次中間再熱系統(tǒng)，蒸汽溫度的控制要比一次再熱機組復雜得多。原則上各種高溫手段都可以進行再熱溫度的調(diào)節(jié)，但考慮到在部分負荷時再熱蒸汽溫度必須具備能確保設計值蒸汽溫度的特性，負荷變化時，再熱蒸汽溫度對設計變化率必須穩(wěn)定。 再熱蒸汽溫度的控制還應考慮到以下兩點： （1）為了不降低機組的效率，在正常運行時不用再熱器噴水減溫。 （2）采用再循環(huán)風機來控制再熱蒸汽溫度會增加電廠的動力消耗。 4、超超臨界壓力鍋爐實例 1）、日本川越火力發(fā)電廠 川越電廠1＃、2＃機組是世界上第一臺超超臨界機組，采用超超臨

10、界壓力二級再熱系統(tǒng)（31 MPa、566℃／566℃／566℃）使熱效率在發(fā)電端達到41．9％。其鍋爐技術參數(shù)見表2所示。 鍋爐為燃用液體天然氣，直流變壓運行。爐膛為長方形斷面，每角有8個噴燃器，4角共計32個，噴燃器呈切向布置。在爐膛下部水冷壁管的雙相流區(qū)域，采用傳熱性能良好的內(nèi)螺紋管，內(nèi)螺紋管里面有溝槽，工質(zhì)沿溝槽流動。在爐膛上部，熱負荷低的部分，水冷壁采用光管。水冷壁管垂直上升排列。內(nèi)螺紋管材料為STBA23（Φ28．55．9mm），螺紋深度1mm、寬5mm，每10cm有4條螺紋。 對再熱蒸汽溫度的控制，主要采用煙氣再循環(huán)的方式。在后部煙道的下部，采用分系統(tǒng)煙氣檔板（采用三菱改進型檔

11、板控制系統(tǒng)），作為對2級再熱器進行汽溫控制以及降低輔機的動力消耗。過熱器出口集箱和主蒸汽管采用ASME．SA－335P91和SA－182F91新材料，過熱器管采用具有足夠抗水蒸汽氧化特性的ASME．SA213－TP347H細晶粒鋼管。超高溫高壓閥采用了高溫強度性能好的ASME．SA－182F91材料。 從川越電廠的運行情況看，超超臨界機組與相同規(guī)模的超臨界機組相比有著更好的運行特性，帶中間負荷時運行正常，并且熱效率一直很高（表3），自投運以來一直保持著很高的可靠性。 2）、丹麥諾加蘭德火電廠3號爐 丹麥諾加蘭德火電廠3＃機是一臺超超臨界燃煤供熱機組。采用了超超臨界蒸汽參數(shù)、二次再熱，參數(shù)

12、為29MPa、580℃／580℃／580℃。該機組的鍋爐能適用多種煤種，能帶中間負荷。鍋爐為超超臨界直流Benson塔型，具有螺旋管水冷壁和二次再熱器。主蒸汽通過滑壓運行和全開汽輪機調(diào)門來調(diào)控。鍋爐的爐膛截面尺寸為12．2512．25m，高為70m。鍋爐安裝了16個燃燒器和4個輔助點火燃燒器。它們是煤、油雙燃，并且每個點火燃燒器可帶負荷7萬千瓦（按熱值計算）。燃燒器安裝在四層的四個角上。一次風系統(tǒng)和煙氣再循環(huán)一起控制中壓缸出口汽溫。在一定條件下，煙氣再循環(huán)可以引入燃盡風系統(tǒng)以控制鍋爐出口煙氣的溫度。水冷壁和鍋爐的上部通道選用13CrMo44材料，是因為需要一種不會在水冷壁的焊接處產(chǎn)生應力釋放的

13、材料。 540℃以上的過熱器管道使用奧氏體合金，采用一種SA213－TP347H細粒鋼，能耐蒸汽氧化和高溫腐蝕。高溫區(qū)的聯(lián)箱和連接管由馬氏體鋼制造，這種鋼的性能符合國際標準的強度系數(shù)。 美國和前蘇聯(lián)在發(fā)展超超臨界機組的初期，遇到很多問題，機組的可靠性低，主要原因是選用了過高的參數(shù)，超出了當時的技術發(fā)展水平（特別是材料）?，F(xiàn)在國外改進和開發(fā)的材料已滿足了超超臨界壓力機組的要求，超超臨界機組經(jīng)過不斷地完善發(fā)展，技術早已成熟。據(jù)美國EPRI的統(tǒng)計，超超臨界機組的可用率已達90％，有的還要高一些，其可用率并不低于超臨界機組和亞臨界機組。超超臨界機組的熱效率高，與常規(guī)的超臨界機組相比較，至少可節(jié)約燃

14、料4％～5％（表1）。運行實踐也表明，超超臨界機組的變壓運行方式能較好地滿足調(diào)峰的要求。新一代大容量超超臨界燃煤機組已具備了優(yōu)良的經(jīng)濟、環(huán)保和啟動調(diào)峰運行性能，并在低負荷時仍然保持較高的效率。從我國國情出發(fā)，發(fā)展超超臨界機組有利于降低我國平均供電煤耗，有利于電網(wǎng)調(diào)峰的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，有利于保持生態(tài)環(huán)境，提高環(huán)保水平，有利于實現(xiàn)技術跨越，創(chuàng)建國際一流的火力發(fā)電廠。 2020年全國裝機容量將達到9.5億kW，其中火電裝機仍然占70%，即今后17年將投產(chǎn)4.0億kW左右的火電機組?；痣娊ㄔO將主要是發(fā)展高效率高參數(shù)的超臨界（SC）和超超臨界（USC）火電機組。從目前世界火力發(fā)電技術水平看，提高火力發(fā)

15、電廠效率的主要途徑是提高蒸汽的參數(shù)，即提高蒸汽的壓力和溫度。發(fā)展超臨界和超超臨界火電機組，提高蒸汽的參數(shù)對于提高火力發(fā)電廠效率的作用是十分明顯的。表1給出了蒸汽參數(shù)與火電廠效率、供電煤耗關系［1］。 表1 蒸汽參數(shù)與火電廠效率、供電煤耗關系 機組類型 蒸汽壓力℃ 電廠效率kWh 中壓機組 3.5 435 27 460 高壓機組 9.0 510 33 390 超高壓機組 13.0 535540 38 324 超臨界機組 25.5 567600 44 278 超超臨界機組 30.0 600600 48 256 高溫超超臨界機組 30.0

16、 700 57 215 超700℃機組 超700 60 205 *供電煤耗用標煤量統(tǒng)計，標煤量是一個統(tǒng)計折算標準，1千克標煤的發(fā)熱量為7 000大卡。 從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著蒸汽溫度和壓力的提高，電廠的效率在大幅度提高，供電煤 耗大幅度下降，而提高蒸汽參數(shù)遇到的主要技術難題是金屬材料耐高溫、高壓問題。 1、承壓鍋爐部件對鋼材的要求 火電廠鍋爐關鍵承壓部件主要指水冷壁、過熱器、再熱器、聯(lián)箱及管道等，這些承壓部件運行在較為惡劣的工況條件下，是設計選用鋼材關注的重要部位。以下分類簡要介紹超臨界、超 超臨界鍋爐的關鍵承壓部件用鋼要求。 1）、水冷壁 水冷壁用鋼一般應具有

17、一定的室溫和高溫強度，良好的抗疲勞、抗煙氣腐蝕、耐磨損性能，并要有好的工藝性能，尤其是焊接性能。 通常SC、USC鍋爐都采用膜式水冷壁。由于膜式水冷壁組件尺寸及結構的特點，其焊后不可能在爐內(nèi)進行熱處理，故所選用的鋼材的焊接性至關重要。要在焊前不預熱、焊后不熱處理的條件下，滿足焊后熱影響區(qū)硬度不大于360HV10、焊縫硬度不大于400HV10的有關規(guī)定（TRD201），以保證使用的安全性。另外，水冷壁管內(nèi)介質(zhì)是汽液兩相，管外壁又在爐膛燃燒時煤粉顆粒運動速度最快的區(qū)域，積垢導致的管壁溫度升高和燃燒顆粒沖刷都是選用鋼材要考慮的問題。由此可見，水冷壁用鋼的開發(fā)也是發(fā)展SC、USC鍋爐的技術關鍵之一。

18、 隨著SC、USC鍋爐蒸汽壓力、溫度的升高，水冷壁溫度將提高，如在31 MPa/620℃的蒸汽參數(shù)下出口端的汽水溫度達475℃，投運初期中墻溫度為497℃，垢層增后可升至513℃，熱負荷最高區(qū)域的管子壁溫可達520℃，瞬間最高溫可達540℃。這就需要合金含量更高，熱強性更好的鋼材。 為了滿足這種高參數(shù)鍋爐水冷壁用鋼的要求，在SA213T22鋼的基礎上，開發(fā)了2種新鋼材T23（HCM2S）和T24（7CrMoVTiB10-10），二者都具有良好的焊接性，在焊前不預熱焊后不熱處理的條件下（壁厚≤8mm），焊后焊縫和熱影響區(qū)的硬度均低于360HV10。金屬壁溫可達600℃，是蒸汽溫度620℃以下

19、鍋爐水冷壁的最佳用鋼。 2）、過熱器、再熱器 過熱器、再熱器在高參數(shù)鍋爐中所處的環(huán)境條件最惡劣，所用鋼材在滿足持久強度、蠕變強度要求的同時，還要滿足管子外壁抗煙氣腐蝕及抗飛灰沖蝕性能、管子內(nèi)壁抗蒸汽氧化性能，并具有良好的冷熱加工工藝性能和焊接性能。過熱器、再熱器管的金屬壁溫比蒸汽溫度高出25℃～39℃（我國規(guī)定為50℃）。 在燃煤含硫量很低、煙氣腐蝕性很小的條件下，從蠕變強度角度考慮，SC、USC鍋爐的過熱器、再熱器，當壁溫≤600℃時，可選用T91鋼；當壁溫≤620℃時，可選用T92、T122、E911鋼；當壁溫≤650℃時，可選用NF12、SAVE12鋼。 采用含硫量高腐蝕性大的燃

20、煤時，當壁溫≥600℃時（蒸汽溫度≥５６６℃），過熱器、再熱器應選擇TP304H、TP321H、TP316H、TP347H奧氏體熱強鋼。而Super304H和TP347HFG兩種細晶奧氏體熱強鋼蠕變強度高，抗煙氣腐蝕和抗蒸汽氧化性能更好，在超超臨界鍋爐過熱器、再熱器用鋼中得到廣泛的應用。當壁溫達700℃時，過熱器、再熱器只能選用高鉻熱強鋼NF709、SAVE25和HR3C等。 3）、聯(lián)箱與管道 由于聯(lián)箱（末級過熱器、末級再熱器出口聯(lián)箱）與管道（主蒸汽管道、導汽和再熱蒸汽管道）布置在爐外，沒有煙氣加熱及腐蝕問題，管壁溫度與蒸汽溫度相近。這就要求鋼材應具有足夠高的持久強度、蠕變強度、抗疲勞和抗蒸汽氧化性能，還要具有良好的加工工藝和焊接性能。 由于鐵素體熱強鋼的熱膨脹系數(shù)小、導熱率高，在較高的啟停速率下，不會造成聯(lián)箱、管道壁部件嚴重的熱疲勞損壞，所以鐵素體熱強鋼是聯(lián)箱、管道的首選鋼材。 隨著SC、USC鍋爐蒸汽溫度和壓力參數(shù)的提高，要求使用熱強性高的鋼材，這樣既可以提高聯(lián)箱和管道運行的安全性，又可以減少因管壁過厚引起熱應力的增加以及給加工工藝帶來的困難。所以，SC、USC鍋爐的聯(lián)箱和管道，當壁溫≤600℃時，選用P91鋼；當壁溫≤620℃時，選用P92、P122和E911鋼；當壁溫≤650℃時，選用NF12和SAVE12鋼。