鍋爐超臨界壓力怎么來(lái)的【鍋爐技術(shù)-超超臨界壓力鍋爐的發(fā)展及應(yīng)用】

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1、鍋爐超臨界壓力怎么來(lái)的【鍋爐技術(shù)|超超臨界壓力鍋爐的發(fā)展及應(yīng)用】 超超臨界壓力鍋爐的發(fā)展及應(yīng)用 從目前世界火力發(fā)電技術(shù)水平來(lái)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(shù)（USC）。我國(guó)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(shù)的超超臨界機(jī)組作為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約能源、保護(hù)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(tái)實(shí)驗(yàn)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(jī)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(guò)程。1949年

2、原蘇聯(lián)安裝了第一臺(tái)超超臨界試驗(yàn)機(jī)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(jī)，以后又生產(chǎn)了29．4MPa、650℃型號(hào)為P—100—300的100MW機(jī)組，作為改造中壓機(jī)組的前置級(jí)。1956年西德投運(yùn)1臺(tái)參數(shù)為34MPa、610℃／570℃／570℃、容量為88MW的機(jī)組。美國(guó)在50年代末投運(yùn)了2臺(tái)具有代表性的超超臨界機(jī)組，菲羅電廠6號(hào)機(jī)組，容量為125MW、參數(shù)為31MPa、621℃／566℃／538℃；艾迪斯頓電廠1號(hào)機(jī)組，參數(shù)為34．3MPa、649℃／566℃／566℃、容量為325MW。費(fèi)城電力公司的這臺(tái)艾迪斯頓1號(hào)機(jī)從1960年開始按

3、設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行8年，后因出現(xiàn)一些故障，主要是材料問(wèn)題，1968年起參數(shù)降為31MPa、610℃／557℃／557℃。美國(guó)一開始就試制這樣高參數(shù)的超超臨界機(jī)組，不可避免地頻繁發(fā)生事故，故不得不降低參數(shù)運(yùn)行。在開發(fā)初期，過(guò)高的蒸汽參數(shù)超越了當(dāng)時(shí)的技術(shù)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(jìn)美國(guó)的技術(shù)并結(jié)合歐洲的適合變壓運(yùn)行的本生式直流爐，成功地開發(fā)了超超臨界機(jī)組。在1989年和1991年成功地投運(yùn)2臺(tái)700MW、31MPa、566℃／566℃／566℃的機(jī)組，運(yùn)行情況良好，可用率水平很高。1998年投運(yùn)主蒸汽和再熱蒸汽溫度均為600℃的

4、原町2號(hào)1000MW機(jī)組，該機(jī)組實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)端效率達(dá)44．7％。歐洲在1995～1999年間至少投運(yùn)9臺(tái)蒸汽壓力28．5MPa～31．0MPa、溫度545℃～587℃的超超臨界機(jī)組，在建的還有10臺(tái)，并將蒸汽溫度提高至600℃以上。其中丹麥已投運(yùn)的2臺(tái)超超臨界機(jī)組的熱效率可達(dá)47％～49％。 2、蒸汽參數(shù)的選擇 機(jī)組的蒸汽參數(shù)是決定機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)組的熱效率就提高0．25％～0．3％；如果采用二次再熱的機(jī)組就比一次

5、再熱機(jī)組的熱效率高1．5％～2．0％?，F(xiàn)在常規(guī)的超臨界機(jī)組采用的蒸汽參數(shù)為24．1MPa、538℃／566℃。超超臨界機(jī)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(jī)組的供電端效率見(jiàn)表1所示。 隨著參數(shù)的提高，對(duì)材料的要求、產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)難度、機(jī)組的造價(jià)也越來(lái)越高，比較超超臨界機(jī)組的3種參數(shù)，前2種現(xiàn)實(shí)性更大些。隨著科技的不斷發(fā)展，到x年超超臨界機(jī)組的參數(shù)可為33．5MPa、610℃／630℃／630℃；到x年參數(shù)可達(dá)40MPa、700℃／720℃／720

6、℃。 3、超超臨界壓力鍋爐的關(guān)鍵技術(shù) 超超臨界壓力鍋爐的關(guān)鍵技術(shù)是多方面的，在設(shè)計(jì)和制造上都有高難技術(shù)，如材料的選擇、水冷壁系統(tǒng)及其水動(dòng)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(qiáng)度性能高、工藝性好、價(jià)格低廉的材料的開發(fā)是最關(guān)鍵的問(wèn)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(qiáng)性，但熱膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱性小，抗應(yīng)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(guó)一直致力于開發(fā)新材料和新工藝，改進(jìn)和開發(fā)新型鐵素體鋼和改進(jìn)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(guó)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(dá)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(jī)組造價(jià)。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(jí)的材料來(lái)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(guò)爐膛和各個(gè)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(yùn)行，其缺點(diǎn)是螺旋管圈的制造安裝支承等工藝較為復(fù)雜及流動(dòng)阻力大。內(nèi)螺紋管的垂直管圈水冷壁受爐膛沿周界熱負(fù)荷偏差的影響較大，除了需要采取一定的結(jié)構(gòu)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(fù)荷的分布相適應(yīng)外，還要求較高的運(yùn)行操作水平和自動(dòng)控制水平。在開發(fā)超超臨界壓力機(jī)組時(shí)，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(chǔ)上，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)研究的壓力范圍，進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)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(shè)計(jì)二次再熱鍋爐時(shí)，必須考慮到高

9、效率在基本負(fù)荷下運(yùn)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(jī)組復(fù)雜得多。原則上各種高溫手段都可以進(jìn)行再熱溫度的調(diào)節(jié)，但考慮到在部分負(fù)荷時(shí)再熱蒸汽溫度必須具備能確保設(shè)計(jì)值蒸汽溫度的特性，負(fù)荷變化時(shí)，再熱蒸汽溫度對(duì)設(shè)計(jì)變化率必須穩(wěn)定。 再熱蒸汽溫度的控制還應(yīng)考慮到以下兩點(diǎn)： （1）為了不降低機(jī)組的效率，在正常運(yùn)行時(shí)不用再熱器噴水減溫。 （2）采用再循環(huán)風(fēng)機(jī)來(lái)控制再熱蒸汽溫度會(huì)增加電廠的動(dòng)力消耗。 4、超超臨界壓力鍋爐實(shí)例 1）、日本川越火力發(fā)電廠 川越電廠1＃、2＃機(jī)組是世界上第一臺(tái)超超臨界機(jī)組，采用超超臨

10、界壓力二級(jí)再熱系統(tǒng)（31 MPa、566℃／566℃／566℃）使熱效率在發(fā)電端達(dá)到41．9％。其鍋爐技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2所示。 鍋爐為燃用液體天然氣，直流變壓運(yùn)行。爐膛為長(zhǎng)方形斷面，每角有8個(gè)噴燃器，4角共計(jì)32個(gè)，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(dòng)。在爐膛上部，熱負(fù)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(duì)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(jìn)型檔

11、板控制系統(tǒng)），作為對(duì)2級(jí)再熱器進(jìn)行汽溫控制以及降低輔機(jī)的動(dòng)力消耗。過(guò)熱器出口集箱和主蒸汽管采用ASME．SA－335P91和SA－182F91新材料，過(guò)熱器管采用具有足夠抗水蒸汽氧化特性的ASME．SA213－TP347H細(xì)晶粒鋼管。超高溫高壓閥采用了高溫強(qiáng)度性能好的ASME．SA－182F91材料。 從川越電廠的運(yùn)行情況看，超超臨界機(jī)組與相同規(guī)模的超臨界機(jī)組相比有著更好的運(yùn)行特性，帶中間負(fù)荷時(shí)運(yùn)行正常，并且熱效率一直很高（表3），自投運(yùn)以來(lái)一直保持著很高的可靠性。 2）、丹麥諾加蘭德火電廠3號(hào)爐 丹麥諾加蘭德火電廠3＃機(jī)是一臺(tái)超超臨界燃煤供熱機(jī)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(jī)組的鍋爐能適用多種煤種，能帶中間負(fù)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(guò)滑壓運(yùn)行和全開汽輪機(jī)調(diào)門來(lái)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(gè)燃燒器和4個(gè)輔助點(diǎn)火燃燒器。它們是煤、油雙燃，并且每個(gè)點(diǎn)火燃燒器可帶負(fù)荷7萬(wàn)千瓦（按熱值計(jì)算）。燃燒器安裝在四層的四個(gè)角上。一次風(fēng)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(fēng)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?yàn)樾枰环N不會(huì)在水冷壁的焊接處產(chǎn)生應(yīng)力釋放的

13、材料。 540℃以上的過(guò)熱器管道使用奧氏體合金，采用一種SA213－TP347H細(xì)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度系數(shù)。 美國(guó)和前蘇聯(lián)在發(fā)展超超臨界機(jī)組的初期，遇到很多問(wèn)題，機(jī)組的可靠性低，主要原因是選用了過(guò)高的參數(shù)，超出了當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展水平（特別是材料）。現(xiàn)在國(guó)外改進(jìn)和開發(fā)的材料已滿足了超超臨界壓力機(jī)組的要求，超超臨界機(jī)組經(jīng)過(guò)不斷地完善發(fā)展，技術(shù)早已成熟。據(jù)美國(guó)EPRI的統(tǒng)計(jì)，超超臨界機(jī)組的可用率已達(dá)90％，有的還要高一些，其可用率并不低于超臨界機(jī)組和亞臨界機(jī)組。超超臨界機(jī)組的熱效率高，與常規(guī)的超臨界機(jī)組相比較，至少可節(jié)約燃

14、料4％～5％（表1）。運(yùn)行實(shí)踐也表明，超超臨界機(jī)組的變壓運(yùn)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(jī)組已具備了優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和啟動(dòng)調(diào)峰運(yùn)行性能，并在低負(fù)荷時(shí)仍然保持較高的效率。從我國(guó)國(guó)情出發(fā)，發(fā)展超超臨界機(jī)組有利于降低我國(guó)平均供電煤耗，有利于電網(wǎng)調(diào)峰的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，有利于保持生態(tài)環(huán)境，提高環(huán)保水平，有利于實(shí)現(xiàn)技術(shù)跨越，創(chuàng)建國(guó)際一流的火力發(fā)電廠。 2020年全國(guó)裝機(jī)容量將達(dá)到9.5億kW，其中火電裝機(jī)仍然占70%，即今后17年將投產(chǎn)4.0億kW左右的火電機(jī)組?；痣娊ㄔO(shè)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(jī)組。從目前世界火力發(fā)電技術(shù)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(jī)組，提高蒸汽的參數(shù)對(duì)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(guān)系［1］。 表1 蒸汽參數(shù)與火電廠效率、供電煤耗關(guān)系 機(jī)組類型 蒸汽壓力℃ 電廠效率kWh 中壓機(jī)組 3.5 435 27 460 高壓機(jī)組 9.0 510 33 390 超高壓機(jī)組 13.0 535540 38 324 超臨界機(jī)組 25.5 567600 44 278 超超臨界機(jī)組 30.0 600600 48 256 高溫超超臨界機(jī)組 30.0

16、 700 57 215 超700℃機(jī)組 超700 60 205 *供電煤耗用標(biāo)煤量統(tǒng)計(jì)，標(biāo)煤量是一個(gè)統(tǒng)計(jì)折算標(biāo)準(zhǔn)，1千克標(biāo)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(shù)難題是金屬材料耐高溫、高壓?jiǎn)栴}。 1、承壓鍋爐部件對(duì)鋼材的要求 火電廠鍋爐關(guān)鍵承壓部件主要指水冷壁、過(guò)熱器、再熱器、聯(lián)箱及管道等，這些承壓部件運(yùn)行在較為惡劣的工況條件下，是設(shè)計(jì)選用鋼材關(guān)注的重要部位。以下分類簡(jiǎn)要介紹超臨界、超 超臨界鍋爐的關(guān)鍵承壓部件用鋼要求。 1）、水冷壁 水冷壁用鋼一般應(yīng)具有

17、一定的室溫和高溫強(qiáng)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(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其焊后不可能在爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，故所選用的鋼材的焊接性至關(guān)重要。要在焊前不預(yù)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(guān)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(shí)煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)速度最快的區(qū)域，積垢導(dǎo)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(wèn)題。由此可見(jiàn)，水冷壁用鋼的開發(fā)也是發(fā)展SC、USC鍋爐的技術(shù)關(guān)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(dá)475℃，投運(yùn)初期中墻溫度為497℃，垢層增后可升至513℃，熱負(fù)荷最高區(qū)域的管子壁溫可達(dá)520℃，瞬間最高溫可達(dá)540℃。這就需要合金含量更高，熱強(qiáng)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(chǔ)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(yù)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(dá)600℃，是蒸汽溫度620℃以下

19、鍋爐水冷壁的最佳用鋼。 2）、過(guò)熱器、再熱器 過(guò)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(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度要求的同時(shí)，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(guò)熱器、再熱器管的金屬壁溫比蒸汽溫度高出25℃～39℃（我國(guó)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(qiáng)度角度考慮，SC、USC鍋爐的過(guò)熱器、再熱器，當(dāng)壁溫≤600℃時(shí)，可選用T91鋼；當(dāng)壁溫≤620℃時(shí)，可選用T92、T122、E911鋼；當(dāng)壁溫≤650℃時(shí)，可選用NF12、SAVE12鋼。 采用含硫量高腐蝕性大的燃

20、煤時(shí)，當(dāng)壁溫≥600℃時(shí)（蒸汽溫度≥５６６℃），過(guò)熱器、再熱器應(yīng)選擇TP304H、TP321H、TP316H、TP347H奧氏體熱強(qiáng)鋼。而Super304H和TP347HFG兩種細(xì)晶奧氏體熱強(qiáng)鋼蠕變強(qiáng)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(guò)熱器、再熱器用鋼中得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)壁溫達(dá)700℃時(shí)，過(guò)熱器、再熱器只能選用高鉻熱強(qiáng)鋼NF709、SAVE25和HR3C等。 3）、聯(lián)箱與管道 由于聯(lián)箱（末級(jí)過(guò)熱器、末級(jí)再熱器出口聯(lián)箱）與管道（主蒸汽管道、導(dǎo)汽和再熱蒸汽管道）布置在爐外，沒(méi)有煙氣加熱及腐蝕問(wèn)題，管壁溫度與蒸汽溫度相近。這就要求鋼材應(yīng)具有足夠高的持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)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(qiáng)鋼的熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱率高，在較高的啟停速率下，不會(huì)造成聯(lián)箱、管道壁部件嚴(yán)重的熱疲勞損壞，所以鐵素體熱強(qiáng)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(qiáng)性高的鋼材，這樣既可以提高聯(lián)箱和管道運(yùn)行的安全性，又可以減少因管壁過(guò)厚引起熱應(yīng)力的增加以及給加工工藝帶來(lái)的困難。所以，SC、USC鍋爐的聯(lián)箱和管道，當(dāng)壁溫≤600℃時(shí)，選用P91鋼；當(dāng)壁溫≤620℃時(shí)，選用P92、P122和E911鋼；當(dāng)壁溫≤650℃時(shí)，選用NF12和SAVE12鋼。