1、1/ 51 類 別: 年 級: 專 業: 姓 名: 學 號: 論文題目: 亞臨界鍋爐技術研究 2/ 51 與發達國家相比，我國電力工業的起步較晚。解放前，我國還沒有自己的鍋爐制造業；解放后，我國先后在哈爾濱、上海、四川、北京、武漢等地建立了鍋爐生產基地。50年代后期設計并制造了與50mw汽輪發電機組配套的容量為230t/h的鍋爐。六七十年代，我國的電力工業有了較快的發展，到七十年代末，已先后設計和制造了與125、200、300mw汽輪發電機組配套的容量為400、670、1000t/h高壓、超高壓和亞臨界壓力的鍋爐。80年代中期，我國先后引進了與300、600mw汽輪發電機組配套的1025、20

2、08t/h的亞臨界壓力鍋爐。現在，我國已有能力自行設計并制造與600mw汽輪發電機組配套的2000t/h級的超臨界兩次中間再熱的電站鍋爐，現在，我國已有大量亞臨界大型鍋爐機組的制造和運行經驗，但與世界先進機組相比還有一定差距，應當盡快進行改造，縮短這些差距。 為進一步降低每千瓦的設備投資、金屬消耗、運行管理費用，提高機組運行的經濟性和安全性，高參數、大容量、高自動控制技術的大型電站鍋爐及低污染燃燒技術已成為當今電站鍋爐的發展趨勢。為了達到這個目標我們必須減少亞臨界鍋爐在運行中存在的過熱器和再熱器超溫爆管、水冷壁高溫腐蝕及爆管、尾部受熱面的磨損、腐蝕和漏風等現象的發生，因為這些現象不僅降低了鍋爐

3、的熱效率，同時也影響鍋爐的安全性和可靠性。故對這些問題進行研究，針對它們所存在的問題，對其相應地進行改造并提出一些先進的技術方案，從而減輕故障的嚴重程度，減少鍋爐的事故率，提高鍋爐的可用率和運行效率，為今后亞臨界壓力鍋爐的設計和運行提供一些借鑒經驗。 本文的出發點是亞臨界鍋爐的技術研究，通過闡述亞臨界參數下自然循環和控制循環的水動力特性，介紹亞臨界與超臨界鍋爐的主要技術特點，對亞臨界鍋爐和超臨界鍋爐的運行可靠性、熱經濟性及主要系統等方面作了詳細的比較，從而得出了亞臨界鍋爐對我國電力工業的發展的重要意義。 本文對現役的亞臨界壓力鍋爐在運行過程中經常出現的事故進行分析，通過對查詢網上電子期刊和結合

4、一些亞臨界機組的運行資料的書籍， 3/ 51 進一步了解發生這些事故的具體原因，對亞臨界壓力鍋爐的設計進行優化，從而使亞臨界壓力鍋爐的使用性能提升到一個新的水平。 由于本人理論水平和實踐經驗有限，設計中的錯誤和不當之處在所難免，懇請老師批評指正。 ：亞臨界鍋爐、自然循環鍋爐、控制循環鍋爐、超臨界壓力鍋爐、蒸汽參數鍋爐、過熱器、再熱器、水冷壁、省煤器、空氣預熱器 4/ 51 鍋爐的型式主要取決于蒸汽參數和容量，有自然循環鍋爐、控制循環鍋爐、直流鍋爐、復合循環鍋爐四種。在亞臨界壓力參數下運行的有自然循環鍋爐，控制循環鍋爐和直流鍋爐，以下將對這幾種鍋爐進行研究。 1、影響自然循環鍋爐可靠性的主要因素

5、（1）循環流速亞臨界參數鍋爐，隨著鍋爐容量增大，相對于單位蒸發量的爐膛周界減小，管內質量含汽率增大，達到x0.30.4。在mcr負荷時，循環流速達到1.72.0m/s；在30mcr負荷時的循環流速能保持1 m/s的水平。實驗數據表明，循環流速達到0.4 m/s，水冷壁管內的工質流動就不會產生停滯和倒流現象。 （2）循環倍率 循環倍率較低是亞臨界自然循環鍋爐可靠性的主要矛盾。 循環倍率的選取首先應考慮使鍋爐具有良好的循環特性，即當鍋爐負荷增加時，應始終保持較高的循環水量，使水冷壁得到充分的冷卻，而且當鍋爐負荷增加時，各循環回路的水量也能隨之增加，也就是要保證循環倍率k要大于界限循環倍率kx，否則

6、自然循環將失去補償能力，使水循環被破壞；另一方面，循環倍率過低，水冷壁管內質量含汽率x增加，在亞臨界壓力下，當熱負荷高時，就有可能發生傳熱惡化。所以控制適當的循環倍率，既可以保證鍋爐具有良好的循環特性，隨熱負荷的高低能自動調節循環水量，又可以防止傳熱惡化。一般亞臨界自然循環鍋爐水冷壁內的質量流速都接近或者超過1000kg/m2?s，而最大熱負荷一般不超過524kw/m2，如能保持上升管出口質量含汽率不大于0.4，即循環倍率不小于2.5則水冷壁中工質由于膜態沸騰熱導致傳熱惡化是可以避免的。所以控制適當的循環倍率，既可以保證鍋爐具有良好的循環特性，隨熱負荷的高低能自動調節循環水量，又可以防止傳熱惡

7、化。如fwec2020/18.1-1型自然循環鍋爐在額定蒸發量使得循環倍率為4.1， 5/ 51 rbc型2027t/h自然循環鍋爐70mcr得循環倍率為2.98；英國三井巴布克科公司2027t/h自然循環鍋爐在額定蒸發量是循環倍率為3.21。 （3）汽包水室凝汽量 亞臨界鍋爐，飽和汽水密度差減小，汽水分離比較困難，汽包水室不可避免的含有較多的蒸汽，而由省煤器送入汽包水室的水又具有一定的欠焓。因此，亞臨界鍋爐汽包水室中存在著蒸汽的凝結過程，使水冷壁的實際蒸發量大于從汽包引出的飽和蒸汽量，一般要高出2025，從而對水冷壁中的質量含汽率產生較大的影響，這就使得循環系統的實際循環倍率小于按汽包引出的

8、飽和蒸汽量計算的循環倍率，顯然凝汽對循環特性的影響是不容忽視的。 （4）下降管帶汽 下降管內含有蒸汽會使下降管的重位壓頭減小，同時，由于下降管中有蒸汽存在，平均容積流量要增加，下降管里的流速就會增加，流動阻力也隨著增加。因此，下降管含汽會使總壓差變小，對水循環不利。 2、判斷自然循環鍋爐安全性參數 判斷亞臨界參數鍋爐循環安全的主要參數，是質量含汽率及與其密切相關的水冷壁熱流密度、實際蒸發量、循環流速、結構參數等。采用質量含汽率表示的循環特性參數的函數關系，能夠直接反映出各參數之間的制約關系。 （1）質量含汽率與結構參數及循環特性參數的關系 設f、0?、g、d、?、n、d、?分別為水冷壁的流通面

9、積、循環流速、循環流量、水冷壁蒸發量、質量含汽率、水冷壁管子根數、水冷壁管內徑、飽和水密度，它們的關系為 fddndgd?02014? （11） （2）水冷壁熱負荷與結構參數及循環特性參數的關系 設qf、s、lp、?、i?分別為水冷壁熱負荷、管子節距、水冷壁管平均長度、汽化潛熱、上升管入口欠焓。其余符號同上，它們的關系為 6/ 51 ?dignslqpf? ?isldqpf?420 （12） （3）爐膛周界與循環特性參數及結構參數的關系 設u為爐膛周界，其余符號同前。近似認為nu/s，它們的關系為 ?420ddsu? （13） 自然循環鍋爐的主要特點是有一個直徑較大的汽包，由于有汽包，使自然循

10、環鍋爐有以下特點： （1）汽包是鍋爐中省煤器、過熱器和蒸發受熱面的分隔容器。有了汽包，給水的加熱、蒸發和過熱等相應的各個受熱面有明顯的分界，因而汽水流動特性相應比較簡單，較容易掌握。 （2）由于自然循環的推動力主要依靠汽水的密度差，因而自然循環鍋爐的主要受熱面就是有許多垂直管子組成的水冷壁，并且盡量減少彎頭，以減少流動阻力，保證水循環的安全。 （3）汽包中裝有汽水分離裝置，從水冷壁上升管進入汽包的汽水混合物，可以在汽包中的汽空間，也可以在汽水分離裝置中進行汽水分離，以減少飽和蒸汽中帶水。 （4）鍋爐的水容量及其相應的蓄熱能力較大，因此，當負荷變化時，汽包水位及蒸汽壓力的變化速度較慢，對機組的調

11、節要求可以低一些；但由于水容量大，加上大直徑汽包的直徑比較厚，因此，加熱、冷卻不易均勻，使鍋爐的啟、停速度受到限制。 （5）水冷壁上升管出口的含汽率比其它型式的鍋爐要低一些，可以 7/ 51 允許稍大的鍋水含鹽量，而且自然循環鍋爐可以排污，因此對給水品質要求可以低些。 （6）由于汽包直徑及壁厚較大，所以自謊飯慕鶚艉牧拷洗蟆?（1）控制循環技術出現的背景 在開發亞臨界參數技術的初期，曾經認為汽包壓力達到18.6mpa時，自然循環不可靠。為了提高循環安全裕度，提出了在蒸發循環回路中采用“低壓頭循環泵水冷壁內螺紋管”的新技術。循環泵給蒸發回路的水循環提供了足夠的流動壓頭，大約為0.250.35mpa

12、。根據計算數字可知，亞臨界參數鍋爐的水循環系統總阻力大約為0.250.28mpa。因此控制循環鍋爐的循環流動壓頭比自然循環鍋爐提高了1.5倍以上，顯著提高了循環可靠性。 （2）控制循環鍋爐主要表現 控制循環鍋爐水動力特性既具有自然循環的特性，又具有強制流動的特性。但由于循環泵提供的壓頭比循環回路中的重位壓差提供的流動壓頭高1.5倍左右，因而控制循環鍋爐蒸發回路的水動力特性主要呈現強制流動的特性。為了防止流量分配不均與熱偏差引起的水動力不穩定和脈動以及傳熱惡化現象的產生，在水冷壁入口安裝節流圈，使得吸熱較強的水冷壁管內保持較高的質量流速。在低負荷運行時，仍可用循環泵提供循環動力。因此，控制循環鍋

13、爐的可靠性高，水冷壁傳熱性能好、熱慣性較小，能夠適應快速調峰的要求。這種技術主要用于采用四角燃燒方式的300mw、600mw級亞臨界參數鍋爐機組上，在調峰運行方面顯示出了較強的優勢。 控制循環鍋爐的循環回路中工質的循環是靠下降管內汽水混合物的密度差產生的壓力差以及循環泵的壓頭來推動的，這樣控制循環鍋爐的循環回路能克服較大的流動阻力，并由此帶來了控制循環的一些特點。 （1）水冷壁布置較自由，可根據鍋爐形狀采用較好的方案。 （2）水冷壁可采用較小的管徑，管徑小、厚度薄，因而可減少鍋爐的金屬消耗量。 8/ 51 （3）水冷壁管內工質質量流速較大，對管子的冷卻較好，因而循環倍率較小，一般k34（若在熱

14、負荷高的區域水冷壁管采用內螺紋管，循環倍率可減小至2左右）。但工質質量流速大，使流動阻力較大。 （4）水冷壁下聯箱的直徑較大，在聯箱里裝置有濾網并在水冷壁的進口裝置有不同管徑的節流圈。裝置濾網的作用是防止雜物進入水冷壁管內；水冷壁進口裝置的節流圈是合理分配并聯管的工質流量，以減小水冷壁的熱偏差。 （5）汽包尺寸小。這是因為循環倍率低，循環水量少，并且用循環水泵的壓頭來克服汽水分離器的阻力，故可采用分離效果較好而尺寸較小的汽水分離器。 （6）汽包內裝有弧形襯板，與汽包內壁形成以汽水混合物的環形通道。汽水混合物從汽包上部引入，沿環形通道自上而下流動，從汽包下部進入汽水分離器，因而減小了汽包上、下部

15、溫差熱應力，加快了鍋爐的啟動和停爐速度。 （7）控制循環鍋爐汽包低水位造成的影響較小。因為汽包水位即使降到最低水位附近，控制循環鍋爐仍能通過循環泵向水冷壁提供足夠的工質冷卻。 （8）由于采用了循環泵，因此增加了設備的制造費用和鍋爐的運行費用，并且循環泵運行的可靠性將直接影響到整個鍋爐運行的可靠性。 直流鍋爐的特點是沒有汽包，整臺鍋爐有許多管子并聯，然后用聯箱連接串聯組成。在給水泵壓頭的作用下，工質依順序依次通過加熱、蒸發和過熱等受熱面，進口工質是水，出口工質則為符合設計要求的過熱蒸汽。 直流鍋爐由于沒有汽包，其工作過程有如下的特點： （1）由于沒有汽包進行汽水分離，因此水的加熱、蒸發和過熱的受

16、熱面沒有固定的分界，而是隨著鍋爐負荷和工況的變動而變動，過熱汽溫往往也隨著負荷的變化而有較大的波動。 （2）由于沒有汽包，直流鍋爐蒸發受熱面內的工質不構成循環，也無汽水分離問題，因此當工作壓力增高，汽水密度差減小，以致在超臨界壓力時，直流鍋爐仍能可靠地工作。 9/ 51 （3）由于沒有汽包，直流鍋爐中的水容量及相應的蓄熱能力小，因此，直流鍋爐對負荷變化較敏感，鍋爐工作壓力也變化得比較快。如果燃料、給水等比例失調，就會嚴重影響鍋爐的出力及蒸汽參數，這就要求直流鍋爐有更靈敏可靠的調節控制手段。 （4）由于沒有汽包，直流鍋爐不能連續排污，給水帶入鍋爐的鹽類，除由蒸汽帶走一部分外，其余都將沉積在受熱面

17、管子中，所以直流鍋爐對給水品質的要求很高。 （5）由于沒有汽包，在直流鍋爐蒸發受熱面中會出現流動不穩定、脈動等問題，會直接影響鍋爐的安全運行。 （6）在直流鍋爐中，蒸發受熱面中的水從一開始汽化一直到完全汽化，都是在高壓、高含汽率的條件下進行的，鍋爐蒸發受熱面管內的換熱有可能處于膜態沸騰狀態，受熱面的金屬壁溫就會急劇升高，容易過熱損壞。因此，防止膜態沸騰是直流鍋爐設計和運行中必須注意的問題。 （7）由于沒有厚的汽包，直流鍋爐在啟、停過程中，各部件的加熱和冷卻都容易達到均勻，所以啟動和停爐都比較快，并且在啟動過程中，要有專門的系統，以便有足夠的水量通過蒸發受熱面，以保護它不致被燒壞。 除上述工作工

18、程的特點外，在布置方面，由于直流鍋爐是強制流動，因而蒸發受熱面可以任意布置，容易滿足爐膛結構的要求。在制造方面，由于沒有汽包，又可不用或少用下降管，可節省鋼材。只是消耗給水泵壓頭方面，直流鍋爐全靠給水泵壓頭推動汽水流動，故消耗較多的水泵功率。 水的臨界壓力為22.115mpa，臨界溫度為347.12。在臨界點上，水與汽的參數完全相同，兩者的差別消失，汽化潛熱趨向于零，即汽化在一瞬間完成。鍋爐的型式主要取決于蒸汽參數和容量，有自然循環爐、控制循環爐、直流爐及復合循環直流爐四種。直流爐適合與超臨界及亞臨界參數，自然循環及控制循環爐適宜于亞臨界壓力參數。 10/ 51 如采用亞臨界參數，則直流爐、自

19、然循環和控制循環鍋爐都可選用。如元寶山電廠600mw亞臨界鍋爐采用強制循環直流鍋爐；北侖電廠和平圩電廠的兩臺600mw鍋爐采用控制循環汽包爐；北侖電廠2號爐采用自然循環鍋爐。 采用超臨界參數時均采用強制循環直流鍋爐。石洞口兩臺600mw超臨界鍋爐采用的是超臨界螺旋管圈直流鍋爐，過熱器壓力為25.4mpa，溫度為541，中間級數為一次，再熱蒸汽溫度為569。 亞臨界與超臨界壓力鍋爐在自動控制方面有所不同，其實質是汽包鍋爐與直流鍋爐之間差別。在汽包鍋爐中給水流量的變化，僅影響汽包水位，而在燃料量變化時又僅僅改變蒸汽壓力和流量，因此鍋爐給水量、燃料量、汽溫控制都是相對獨立的，亦即：給水水位；燃料產汽

20、量及汽壓；噴水汽溫。在直流鍋爐中，由于沒有汽包，蒸發和過熱受熱面沒有固定的界限，當給水量或燃料量變化時都會引起蒸發量、汽溫和氣壓的同步變化，相互有牽制，關系密切，這樣給控制系統的設計和調整增加了靈活性，也增加了復雜性。 超臨界鍋爐雖然沒有汽包耗鋼量減少，但過熱器、再熱器采用高級合金鋼，閥門價格也提高，故總成本增加。根據技術比較，對于300600mw機組，低價煤地區仍以亞臨界壓力較為適宜。但超臨界鍋爐熱效率一般要高于亞臨界鍋爐，從亞臨界提高到超臨界，機組整體循環效率可提高34，供電煤耗從331g/kw?h降到300302g/kw?h。因此對于采用變壓運行的機組，以及電廠建在煤價較貴的地區時采用超

21、臨界鍋爐可獲得更好的經濟效益。 亞臨界機組與超臨界機組諶忌障低場繞骱馱偃繞饗低車牟鉅觳皇翹螅湎低場舳低秤肫月廢低巢畋鴇冉洗蟆?亞臨界控制循環鍋爐在其下降管回路中，均設循環泵，以提供足夠 11/ 51 的壓頭來保證在任何運行工況下能進行充分的強制循環。因為壓臨界參數下汽包壁厚增加，啟停過程中上下壁溫差值較大因而限制啟停速度，汽包壁采取上下不等壁厚結構，并采用環形夾層，使汽包內壁溫接近于汽水混合物溫度，使上下壁溫差均勻而且減小，可快速啟停。鍋爐汽包的工作水位比自然循環鍋爐低，這是因為有循環水泵來產生循環動力，給水直接引入下降管入口處，欠焓較大，水位低時也不產生汽化。 超臨界直流鍋爐的水冷壁主要采用

22、螺旋式水冷壁管型和一次垂直上升管屏式。螺旋式水冷壁的所有管子沿爐膛四周盤旋上升，均勻的分布在爐膛四周，在任一高度所有管子的高度幾乎相同，故比較適用于變壓運行。直流鍋爐水冷壁的設計往往難以兼顧爐膛周界尺寸與必須具有足夠的質量流速的矛盾。而螺旋管圈水冷壁只要增減螺旋上升角度，就可以改變管數，在保證足夠的質量流速的同時，其管徑和管數可不受爐膛周界尺寸的限制，在管徑選用上有一定的靈活性2。 亞臨界參數下自然循環鍋爐在點火前，鍋爐上水至汽包低水位，鍋爐點火后，水冷壁吸收爐膛輻射熱，水溫升高后水循環開始建立，隨著燃料量的增加，蒸發量增大，水循環加快，因此啟動過程中水冷壁冷卻充分，運行安全。強制循環鍋爐在點

23、火前既鍋爐上水后，循環泵已開始工作，水冷壁系統建立了循環流動，保證水冷壁在啟動過程中的安全。 超臨界鍋爐在啟動前必須由鍋爐給水泵建立一定的啟動流量和啟動壓力，強迫工質流經受熱面。由于超臨界鍋爐沒有汽包作為汽水分離的分界點，水在管中加熱、蒸發和過熱后直接向汽輪機供汽。因此，超臨界鍋爐必須設置一套特有的啟動系統，以保證鍋爐啟停或低負荷運行過程中水冷壁的安全和正常供汽。 中間再熱單元機組要設置旁路系統，以便在機組啟停和汽機故障時協調匹配機爐的工況，實現工質的回收。 超臨界鍋爐有100容量的高壓旁路和65容量的低壓旁路，兩級旁路串聯，這是歐洲國家采用的典型系統。汽機沖轉后帶上少量負荷時，隨著汽機進汽量

24、的增加，高壓旁路閥逐漸關小。當汽機主調門開度達到90時，高壓旁路閥門全關，當鍋爐蒸汽壓力超過預定的安全值時，可通 12/ 51 過特殊的控制回路將旁路閥快速打開，起到鍋爐安全閥的作用，故鍋爐過熱器不另設安全閥。用高壓旁路來代替安全閥，可減弱噪音，并使蒸汽通過減溫減壓裝置進入凝汽器，實現工質回收。低壓旁路將再熱器出口蒸汽繞過汽機中低壓缸而直接排入凝汽器。由于該旁路只具備65容量，不能作為安全閥，故再熱器前后均另設安全閥。在汽機甩部分或全部負荷時，低壓旁路調節閥會接受一脈沖信號，以增加其開度而快速排出因汽機中壓缸進汽減少而多余的蒸汽。 亞臨界機組也設有高壓和低壓旁路系統，其作用與超臨界機組的旁路系

25、統相仿，但容量較小。亞臨界機組的高低壓旁路的容量都為30額定負荷，有的電廠高低壓旁路的容量分別為50和60額定負荷。 13/ 51 蒸汽過熱器是鍋爐的重要組成部分，它的作用是將飽和蒸汽加熱成具有一定溫度的過熱蒸汽，并要求在鍋爐負荷或其它工況變動時，保證過熱汽溫波動在允許的范圍內。目前，我國亞臨界參數下的鍋爐均采用中間再熱系統，其中蒸汽再次加熱的部件就是再熱器。 過熱器及再熱器是鍋爐中工質溫度最高的部件，而過熱蒸汽，特別是再熱蒸汽的吸熱能力較差，故它們是鍋爐受熱面中工作條件最惡劣的部件。其工作可靠性與金屬材料的高溫性能有關。另一方面，為降低鍋爐成本，盡量避免采用高等級鋼材。設計過熱器和再熱器時，選用管子的金屬幾乎都處于其溫度極限值，因此，如何保證管子金屬長期安全工作就成為過熱器和再熱器設計和運行中必須考慮的重要問題。值得注意的