时,则称其为超临界参数。
对于火力发电机组,当机组做功介质蒸汽的工作压力大于水的临界状态点压力时,称之为超临界机组。超临界机组一般可分为两个层次:一个是常规超临界机组
(Conventional Supercritical),其主蒸汽压力一般为24.2MPa,主蒸汽和再热蒸汽温度为540~560 ℃;另一个是高效超临界机组(High Efficiency Supercritical Cycle),通常也称为超超临界机组(Ultra Supercritical)或者高参数超临界机组(Advanced Supercritical),其主蒸汽压力为28.5~30.5MPa,主蒸汽和再热蒸汽温度为580~600 ℃。
新一代超临界锅炉的技术进步主要表现在:水冷壁、启动系统、燃烧技术、低污染排放、金属材料、消除热偏差等方面。下面主要针对国内目前采用的几种超临界锅炉技术进行分析。
1 水冷壁
水冷壁无一例外地采用膜式壁结构。除了俄罗斯进口的几台机组,目前引进的超临界机组锅炉为了实现变压运行,在炉膛下辐射区全部采用了螺旋管圈水冷壁结构,在炉膛上辐射区的低热强度区域全部采用垂直管屏结构。但在具体结构上还是有较大的变化。表1列出了不同的螺旋管圈水冷壁结构和工作参数。
表1 螺旋管圈水冷壁结构
供货单位 管径/mm 节距/mm 螺旋管数/ 螺旋倾角/℃ 质量流盘旋速材料 管型 内螺纹 光管 内圈数 /kg·(m2·s)-1 北京巴威有限公司 15CrMΦ35 X 6 50 598 23.58 1 2412 oG 723.6 SA-213 T12 三井巴布科克Φ38 X 51.有限公司 上海锅Φ54 326 13.95 1.61 SA-216.35 1 492 1 2 150 SA-213 T12 螺纹 光管 炉厂有38.1X6限公司 .35 3 085 1 047 光3 T12 管 1.1 螺旋管圈水冷壁采用内螺纹管
新一代超临界锅炉技术的重要变化是螺旋管圈水冷壁采用内螺纹管和增大螺旋管圈倾角且增加管屏宽度。在高热流密度区域采用内螺纹管,可以降低水冷壁安全运行所需的最低质量流速。从压降损失来看,由于内螺纹管增加的阻力被
降低质量流速所抵消,水冷壁的压降损失仍然维持在1.83MPa左右。从防止传热恶化来看,采用内螺纹管可以避免锅炉在亚临界压力运行下的膜态沸腾,推迟或避免超临界压力下类膜态沸腾的发生。除灰斗区域以外,所有螺旋管圈水冷壁区域内都使用内螺纹管。增大螺旋管圈倾角,有利于避免汽水流速较低时的汽水分层问题。降低质量流速,就要增加管屏宽度,两者对减轻热偏差都不利。但在高热强度区域采用耐温能力较高的合金管15CrMoG,同时采用热偏差较小的旋流式燃烧器对冲布置方式以及用内螺纹管的多项措施并举,以保证安全裕度。不使用内螺纹管时,水冷壁的质量流速必须提高,以避免发生膜态沸腾和类膜态沸腾。因此应使并列工作的管子根数减少,管屏宽度减小,螺旋角度相应降低,盘旋圈数略有增加。
1.2 垂直管屏内螺纹管水冷壁
垂直管屏内螺纹管水冷壁变压运行技术已经成熟,日本已经有采用这种技术的1 000 MW超临界锅炉投入运行,国内浙江玉环电厂1 000MW超临界锅炉采用这一技术。垂直管屏的优势是结构简单,易于制造和悬吊,安装现场的焊接工作量小;运行中灰渣容易脱落,积灰结渣减少;水冷壁吸热变化时,管内流量变化较小;垂直管屏内螺纹管水冷壁技术可以降低质量流速,新一代超临界锅炉水冷壁的质量流速已经降低到2 150 kg/(㎡·s),国内亚临界锅炉的运行证明这种水
冷壁在质量流速为1000 kg/(㎡·s)就足以避免在亚临界压力运行下的膜态沸腾。可见,也可推迟或避免超临界压力下类膜态沸腾发生的问题。内螺纹管的批量生产已经国产化,完全有条件实现这种技术。
2 启动系统
启动系统主要采用带大气式扩容器或带循环泵的2种形式。
2.1 带大气式扩容器的启动系统
这种形式的启动系统比较简单(图1),设备投资较低,运行操作和控制也比较简易,但低负荷调节性能较差。由于水冷壁的流量比较低,为了保证水冷壁在低负荷运行时的安全性,防止水冷壁发生传热恶化的最低质量流速要求值较高,因而高负荷时质量流速过高。国内石洞口电厂超临界锅炉采用带扩容器的启动系统,水冷壁为光管,最低质量流速设计值为980 kg/ (㎡·s) , MCR时达到2800 kg/ (㎡·s),水冷壁阻力达到1.84Mpa。
过热器 水冷壁 扩容器 省煤器 排水阀 去凝汽器 除氧器 加热器 水位控制阀 给水泵
2.2 带循环泵的启动系统
这种形式的启动系统略微复杂(图2),主要是增加了设备投资,但低负荷时的运行调节灵活性增强。因为在低负荷时水冷壁中有循环流量通过,因此易于保持低负荷时有足够的流量并达到水冷壁冷却要求的质量流速,高负荷时的质量流速就不至于过高。例如,表1中带循环泵的启动系统的锅炉水冷壁最低质量流速为723 kg/(㎡·s),最大质量流速为2150 kg/(㎡·s)~2412 kg/(㎡·s)。
图1 带扩容器的启动系统