近年来,在亚临界300MW锅炉成为主力机组的基础上,我国进一步成功发展了亚临界以600MW锅炉,接着又陆续投产了一些超临界600Mw锅炉。未等超临界600Mw 锅炉取得成熟经验,一大批超超临界1000Mw锅炉又开始上马。从第一台浙江玉环电厂开始,山东邹县电厂、江苏泰州电厂等逐渐进人建设,正在立项酝酿的还有很多。笔者认为,这对加速发展我国社会生产力,使我国电力行业尽快赶上世界先进科技水平,大量降低我国能源消耗,谋求良好环境效益具有重大的战略意义,它是我国经济社会发展和电力工业发展的必然趋势。与此同时,也面临着严峻的挑战。因为世界上超超临界l000Mw等级的锅炉并非普遍,尤其主蒸汽、再热蒸汽温度在6000℃以上的也不多。这里有一个外国技术中国化的过程:第一国外的技术要适合中国的国情,照搬是不行的。有些进口或引进型的锅炉,同样的炉型国外运行很正常,在国内就有这样那样问题;第二,我国锅炉行业的工程技术人员对国外的技术需要有一个消化吸收的过程,对国外的先进技术既要学习也不能迷信,关键是要变为自己的东西,要白主创新,要振兴我国的民族工业。
对发电厂而言,选择l台性能优良的炉型,确保其长期安全可靠和经济运行,是非常重要的。特别是对作者所在的谏壁电厂。应该充分发扬前几年300MW锅炉改造时的那种严肃认真的态度,否则很可能会带来某些不利的后果和无可挽问的损失。笔者在参与超超临界l000Mw锅炉的招投标工作中学习和积累了一些初步的认识,在这里提出一些认为超超临界l000MW锅炉选型中需要考虑的几个关键问题,供大家参考。
1 超临界参数水蒸汽的物性及传热特性
由于包括作者在内的不少人一开始对超超临界锅炉比较陌生,对超临界状态下蒸汽物性缺乏了解。所以在叙述正题之前,先简单讨论一下超临界状态下蒸汽的物性和它的锅内过程。
1.1 水蒸汽在超临界状态下的物性
什么是水和蒸汽的临界状态?据“锅炉设计手册”介绍,饱和水与饱和蒸汽无区分的状态即为水和蒸汽的临界状态。在该状态下,水、汽无区分,均是单相工质。在临界状态下的压力即为临界压力,其值等于22.12MPa,在临界状态下的温度即为临界温度,其值等于374℃(图l)。该图是水蒸汽压力、温度和焓值的状态图,某锅炉电厂超超临界1000Mw锅炉的锅内过程即在该状态图上表示。在该图上的水蒸汽饱和线右部最顶尖的位置即是临界状态点。从图中可以看出:该点是水汽无区分的开始点,再往右即临界压力以上,不存在水汽分界点。在临界压力以上,即使工质温度等于或低于临界温度374℃,工质的物态也是单相的。换句话说,临界温度374℃这个数值只有在临界状态下才有意义。它是临界状态下的相变温度。超过临界压力就没有实际意义,它不是超临界压力下的相变温度。那么在临界压力以上,水变成蒸汽是否存在相变温度?或不同压力下是否存在不同的相变温度?据业内权威专家认为,这个相变温度是不存在的,不同的超临界压力下相变时仅焓值不同,物相转变是一个渐变过程。笔者认为这是正确的,笔者在仔细研究水和过热蒸汽的热力学基本参数表后发现:在临界压力以上,存在着一个温度区段,在该以段中蒸汽恰值随温度升高的增高速率特别大,称为大比热区。压力升高时大比热区所处温度区段的温度也相应提高。笔者认为,在该温度区段中,可以看作是进行着水转变为蒸汽的物相逐渐变化过程。
1.2 超临界压力下水蒸汽的传热特性
对亚临界压力下的水蒸汽传热特性大家已比较熟悉和了解,主要是控制发生膜态沸腾。对于超临界压力下,水蒸汽为单相工质,其传热特性要优于亚临界压力下的双相工质。但需要注意的主要有二点:第一,从图l可以看出,超临界与亚临界相比,在相同的温度下水蒸汽比热要大得多,也就是较小的温度变化会造成较大的焓值变化。所以,锅炉运行中在煤水比调整时需要引起重视;第二,超超临界机组一般都采用定、滑、定运行方式,这样不可避免在滑压过程中进入临界点和亚临界区域理论和试验表明:工质在相变点,物性(比容、比热、焓)有明显变化,当压力在21.5~22.0 MPa范围内,传热最差,壁温会急剧升高,与亚临界的膜态沸腾类似,故称类膜态沸腾。进入亚临界区域,就碰到传热上的老问题。所以,对于超超临界压力锅炉在设计下必须充分考虑到超临界、临界和亚临界不同工况下水蒸汽的不同传热特性,采取可靠的技术手段,以确保锅炉的安全运行。
1.3 水蒸汽在锅内的变化过程
图1清晰地表示出,超超临界的2个设计工况即VWO和TRI,一次汽分别在省煤器、炉膛、炉顶和包复、一级过热器、二级过热器及末级过热器中吸热、升温和压力降低的变化过程,省煤器进口温度为300℃,末级过热器出口温度为605℃。当负荷降至70% THA及以下时,锅炉进入亚临界工况。
2 超超临界100OMW0 锅炉选型的关键要点
2.1 水冷壁系统
目前世界上流行的超超临界锅炉的水冷壁基本上有2种布置型式:一种是螺旋管圈;一种是垂直管圈。螺旋管圈在炉膛上部还要转变为垂直管屏。在炉膛高热负荷区域这2种管圈基本上均采用内螺纹管,也有厂家采用高质量流速的光管。螺旋管圈和垂直管圈各有特点,都能适应超超临界锅炉运行的需要。
螺旋管圈是围绕炉膛上升,对每根管子在炉膛中的吸热量基本上是均等的,炉膛内热负荷沿宽度、深度和高度的分布不均匀基本上对它没有影响,所以它最大的优点是水冷壁出口的温度十分均匀,其温差可以做到10℃以内。螺旋管圈水冷壁进口无需设立节流圈,比较简单。螺旋管圈需要较高的质量流速,一般要比垂直管圈高4O%~50%,因而它的流动阻力较大,比垂直骨圈高0.5~l.0MPa,另外,它的设计、制造、安装和支吊均比较复杂,现场的焊口相应也多些。此外,它对防止低灰熔点煤的结渣比垂直管圈稍差。
垂直管圈是一次上升,结构十分简单,质量流速比螺旋管圈低,阻力小,且在低负荷下有一定的白补偿能力,它的设计、制造、安装和支吊均比较简单。其水冷壁的水动力是按75%负荷设计,100%和30%负荷进行壁温校核,一般垂直管圈的锅炉大都采用四角切圆燃烧方式,由于炉膛内存在热负荷不均匀,引起的水冷壁出口的温度偏差要比螺旋管圈大得多,一般要达30-50℃,水冷壁进口要设置节流圈,并且首次启动中往往还需对节流圈进行局部调整。由于其水冷壁出口壁温和偏差要高于螺旋管圈。所以水冷壁出口的材质要好于螺旋管圈,如采用T23 的材料。在垂直管圈中还有一种是在水冷壁中间设置滋合集箱,如近年来口本三菱公司新设计投运的就有中间混合集箱,它可以做到水冷壁出口温度偏差小于25 ℃ ,但是其结构十分复杂,重量和焊口增加不少。上述粗略比较结果表明:两种管圈型式的优缺点是明显的,而且是互相的。世界上这两种管圈的锅炉都存在,均在正常运行,这里有一个用户的习惯问题。笔者认为:不管何种型式,在设计上必须确保锅炉能够长期安全可靠运行。如螺旋管圈要把握螺旋角是否合理,某1台超临界600Mw螺旋管圈锅炉的设计螺旋角偏大,为30℃围绕炉膛仅0.8圈,投产后水冷壁发生频繁爆管。垂改骨圈水冷壁用好的材料来补偿其不足,要把握如长 3 材料的焊接性能。对垂直管圈若配置八角切圆燃烧方式,还要注意八个角在热负荷分布不均所称之的“冷、热角”定义上,国外制造商与国内电厂实际运行上存在的差异。因此,超超临界锅炉在水动力的流量分配计算上必须充分考虑,确保水动力的的安全可靠。
其次,要便于今后的检修工作。至子制造、安装工作量的大小等对电厂来说不是主要的。另外,选择管圈型式时,还要从锅炉整体考虑,要兼顾过热器、再热器等设计的科学合理性。
2.2 过热器和再热器系统
对过热器和再热器安全可靠性的要求,在某种程度上要更高于水冷壁。因为,对超超临界锅炉的水动力设计技术和运行技术已经比较成熟,而且,超临界下水动力特性要优于亚临界。而对超超临界1000MW锅炉来说,主要是高参数,其主蒸汽、再热蒸汽温度达到阅5℃/603℃,甚至更高,过热器和再热器的材料已用到目前金属材料技术水平的顶级。而且随着锅炉容量的增大,锅炉的吸热偏差也会增大。所以在过热器、再热器设计上必须慎密周到,稍一疏忽将会产生严重后果。这在国内进口或引进型的锅炉上是有不少教训的。l台锅炉能否保证长期、安全、可靠运行,主要是取决千过热器和再热器。
如何评判过热器、再热器设计的科学合理?主要看过热器、再热器的分级是否合理:每级的焓增不应过大;中间是否交叉混合;减温喷水设置是否合理,减温量是否适中;而更为重要的是在管屏本身的结构和与联箱连接上是否采取了减少热偏差的有效措施;在管屏的吸热设计计算中是否考虑全了各种因素1此外,在燃烧调节上是否有足够的手段来减少热偏差;在选项用材料上是否达到优化且留有裕量等等。
这些因素综合起来,最终反映为:一是过热蒸汽和再热蒸汽的温度是否在各种工况下达到设计要求;二是过热器、再热器的计算最高金属壁温是否低于该材料在强度工况下的最高允许温度,考虑到计算的误差和实际运行情况.要求制造厂在计算金属最高壁温与材料允许最高金属温度之间再留15℃的余量,这在某电厂的招标文件中曾是这样规定的。作者认为这个裕量非常必要,对保障锅炉的长期安全可靠运行大有好处。
2.3 燃烧设备
燃烧设备是锅炉的关键设备。对燃烧器本身而言,无论是直流型的还是旋流型的,在技术上现在均已经很成熟和先进,它对组织炉内良好燃烧、低负荷稳燃和降低NOx都没有问题。
笔者认为:评判燃烧设备还需要考虑锅炉的整体性。这里有两个主要问题:一是对煤种的适应性;二是对过热器、再热器热偏差的可调性。现在大容量锅炉往往选用低灰熔点的神府煤,该煤种结渣性很强。对于切圆燃烧方式的锅炉,在燃烧器组合时一、二次风的夹角、动量,消旋风的角度、风量等合理设计是至关重要的。如果这方面设计不好,再好的燃烧器也达不到预期效果。从谏壁电厂2 台“以大代小”330MW新锅炉来看,其设汁煤种为神府东胜煤,设计炉膛容积热负荷为l04.6 kW/m3,炉膛断面热负荷为4.58 MW/m2时,设计热负荷应该说是偏高的,但由于锅炉厂设计的是同心反切燃烧设备,其启旋风和消旋风的设汁比较合理,实际运行证明这种燃烧器的设计是非常好的,只要认真按照设计参数调枯,并采取必要的措施,效果十分显著:长时期掺烧75%的低灰熔点神府煤,炉膛仅轻微结渣。全烧低熔点神府煤,问题也不大;它对烟温偏差的调整十分有效,能将炉膛出口烟温偏差150℃降低至30℃以下,同时可将末级再热器的单管最高壁温从 590℃以上降低至560℃以下。相反,某电厂300MW锅炉,其设计炉膛容积热负荷为 84.4 kw/m3,炉膛断面热负荷为 3.82 MW/m2,应该足比较低的了,由于其燃烧器设计不够合理,为大小双切圆布置。由1995年投产后,在高负荷下炉内结较大的渣,掺烧部分低灰熔点煤时,结渣更为严重,以后燃烧器经改造和综合治理才得以解决。可见,燃烧设备的科学合理设计至关重要。
此外,对燃烧设备配备可靠的一、二次风速在线监测装置很有必要,这是一个很有效的监视、调整手段。对此.制造厂和设计单位重视不够,而锅炉运行中判别燃烧设备是否按照设计参数在正常运行,需要通过对一、二次风速的测量和调整,仅有总风量的测量调橄是不够的,否则会给锅炉的运行调橄带来很大困难,影响锅炉的正常燃烧。另外,对一次风速的调整和煤粉浓度分配,应使它们的偏差在一定范围内。一次风速的均匀性对四角切圆燃烧十分重要,以防止切圆偏斜。一次风煤粉浓度的均匀性对前后墙燃烧十分重要,以防止炉膛热负荷分配出现过大的不均。因为这些问题直接关系到过热器和再热器的吸热偏差。
燃烧设备设计是否良好,还必须对燃烧设备结合具体炉膛进行冷模试验和三维数学模型计算,直至达到预期目的。这样,设计出来的燃烧设备才是可以放心的。
2.4 材质和控制温度
超超临界1000Mw锅炉由于参数很高,它所使用的材料是十分关键的。主要是耐高温和抗腐蚀性能,表现在l05h持久强度、高温蠕变断裂强度、抗烟侧高温腐蚀能力和抗汽侧氧化能力。目前,用在超超临界锅炉过热器、再热器高温段的材料大多是奥氏体钢,主要以超细晶粒的super304H和HR3C两种材料为主。据业内专家介绍,这两种材料的蠕变断裂强度,SuPer304H要稍高于HR3C;而抗烟侧腐蚀的能力HR3C要好于SuPer304H。抗蒸汽氧化能力HR3C和经喷丸处理后的suPer304H均很好。有的国外锅炉制造商认为:未经喷丸处理的suPer304H的抗汽侧氧化能力明显低于HR3c和经喷丸处理的SuPer304H。所以,用在超超临界1000Mw锅炉上的 SuPer304H,要经过喷丸处理。另外,对super 304H材料弯管变形大的,如超过11%需做固溶化处理,以消除应力。据业内专家确认,最高金属允许温度Super304H 为670℃,HR3c为665℃。其次使用较多是TP347HFC,其金属允许最高温度为650℃ 。此外,国内常用的T91材料,在超超临界锅炉上一般用在低温段。对T91的金属允许最高温度目前有不同观点,国内导则规定为650℃,但有专家认为用在炉内不能超过593℃,也有国外厂家规定炉内不准用和T91材料。现国内锅炉厂对T91金属温度一般控制在620℃以下。掌握材料的最高允许温度,可以评判锅炉厂在设计过热器、再热器中壁温计算留有多少裕量。
2.5 壁温监测
如前所述,过热器和再热器首先要保证设计优良,并留有裕量,但运行中正确的监视不可缺少。这里主要有几个问题应引起重视:① 壁温测点的布置要合理,有一定数量,过多过少均不妥,要有代表性,测量到最高壁温,既能监视炉内管子,也兼顾到炉外的管子,壁温的控制限侦要定得合理,确保管子不超温;② 壁温测量块与管子的焊接以及与测量元件的连接方式要规范,并且必须做好保温,电厂实际运行证明,测点处无保温所测量到的壁温要比有保温的低10℃左右;③ 加装可靠的壁温在线监测装置;尤其对超超临界的直流炉来说很有必要,它能有效监测炉内每根管子的金属壁温,并具有优化运行功能,指导及时调整运行工况,减少偏差,防止超温,延长高温管屏寿命,并对其寿命分析和锅炉的状态检修都很有帮助。现在对炉管泄漏报警比较重视,而对壁温在线监测认识重视不够,这需要改变过来,对锅炉的超沮爆管应预防在先。
2.6 吹灰器
目前,国产的蒸汽吹灰器均成熟可靠,吹灰效果也很好。关键在于炉膛吹灰器的布置要合理。电厂运行实际证明,在燃烧器区域及燃烧器上方是锅炉热负荷最高的区域,也是容易结渣和严重结渣的地方。在锅炉设计中往往燃烧器区域是不布置吹灰器的,所以建议锅炉厂在燃烧器区域应布置一定数量的吹灰器,尤其对燃用低灰熔点煤的锅炉更需要。炉膛上部的热负荷已较低,不易结渣,该处水冷壁可以少布笠吹灰器,而在前屏处根据煤种情况可以布置一些长伸缩吹灰器,因前屏处容易结渣,不及时清除会影响前屏吸热和结成大渣块坠落,影响安全。
此外,炉膛上应设计一定数量和布置合理的检查门孔,便于在运行中观察检查炉内燃烧和结渣情况,以便及时调整。
2.7 其它
辅机选型,主要注意辅机的裕量要合适,尤其是吸风机,因为现在锅炉设计尾部是不考虑漏风的,而空气预热器的漏风和除尘器的漏风往往是按设计值选取的,所以吸风机的裕量需考虑锅炉长期运行下漏风的增加和空气预热器阻力增加等因素,在设计规范基础上应适当再放些裕量,否则会影响锅炉的长期满出力运行。
阀门选型,对超超临界的高压部件,应该用质量好的进口阀门;对于低压部分,则不一定非用进口的,现在国产阀门质量也比较好。在阀门选划中除了考虑减温水调节门的流量外,还必须注意正确确定调节门的进出口压差,不能简单地用减温水源头与减温器之间的抚差作为调节门的进出口压差,还必须扣除管道流动阻力的压损。调节门的正确压差应通过计算来确定。否则,实际运行中减温水流量往往会偏小,这在电厂也是有教训的。
油系统的油枪和阀门与超超临界无直接联系,也可以选用国产中成熟的优良产品。
另外,选择性能优良的热工控制设备对于超超临界直流炉尤为重要。当锅炉发生突发性扰动,如机组甩负荷,给水泵、风机、磨煤机等故障跳闸时能快速反应,将锅炉参数控制调整在正常范围。一方面是保证主参数稳定,同时也保证过热汽和再热汽不超温。
2.8 对锅炉厂最终设计方案应进行认真评审
对热力计算和壁温计算这二项工作,请闲内著名专家进行复核计算很有必要。这也是对电厂和制造厂的负责。谏壁电厂是有这方面经验的。对国外的技术要相信但也不能迷信,复核计算往往能发现一些问题,使隐患消除在设计阶段。尤其对超超临界1000Mw这样特大容量的锅炉,不希银投产后再去做那些劳民伤财的完善化工作。此外,在锅炉设计中,对于制粉系统掺冷风和漏风,要关注设计单位与锅炉厂的配合是否到位,考虑是否周全。否则,锅炉投运后往往会发生排烟温度偏离设计值,影响锅炉效率,这种教训现在还时有发生,要引起重视。