电力百科第 2 期：超/亚临界
一、蒸汽参数与炉型
水的临界压力为22 .115 MPa , 临界温度为347 .12 ℃ 。在临界点上, 水与汽的参数完全相同, 两者的差别消失, 汽化潜热趋向于零, 即汽化在一瞬间完成。
锅炉的型式主要取决于蒸汽参数和容量, 有自然循环炉、控制循环炉、直流炉及复合循环直流炉4 种。
直流炉适合于超临界亚临界参数, 自然循环及控制循环炉只适宜于亚临界及亚临界以下压力参数。
如采用亚临界参数, 则直流炉、自然循环和控制循环汽包炉都是可选用的方案。如元宝山电厂600 MW 亚临界参数锅炉采用的是本生型强制循环直流炉;北仑电厂1 号炉和平圩电厂两台600MW 锅炉采用控制循环汽包炉;北仑电厂2 号炉采用自然循环方式。
采用超临界参数时均采用强制循环直流锅炉。国际上超临界参数锅炉的过热蒸汽(汽机进口)压力一般采用24.2、25.3 和26.4 MPa 3 个级别;过热和再热蒸汽温度通常设计为538 ℃, 也有采用566℃的;大多采用一次再热,采用两次再热的只占超临界机组中的15 %, 因两次再热虽能改善经济性, 但管路复杂, 耗用钢材也多。
石洞口二厂两台600 MW超界参数锅炉采用的是超临界螺旋管圈直流锅炉, 过热蒸汽(锅炉出口)压力为25.4 MPa , 温度为541 ℃, 中间再热级数为一次,再热蒸汽温度为569 ℃。
二、典型600 MW级机组锅炉设计规范及结构特性参数
三、锅炉本体的特点
超临界机组与亚临界机组在燃烧系统、过热器和再热器系统的差异不是太大，主要差别比较大的是水冷系统、锅炉启动系统。
1、水冷系统
北仑电厂1 号炉和平圩电厂锅炉都是CE 型亚临界控制循环锅炉。在其下降管回路中均设循环泵, 以提供足够的压头来保证在任何运行工况下能进行充分的强迫循环。每炉有3 台循环水泵,每泵能满足60%的额定负荷。
考虑到亚临界参数下汽包壁厚增加, 起停过程中上下壁温差值较大因而限制起停速度, 汽包壁采取上下不等壁厚结构, 并采用环形夹层, 使汽包内壁温接近于汽水混合物温度, 使上下壁温差均匀而且减小, 可快速起停。
锅炉汽包的工作水位比一般自然循环锅炉低, 可运行范围达300 mm , 这是因为有循环水泵来产生循环动力, 水位已不是产生循环动力的重要因素, 而且给水直接引入下降管入口处, 欠焓较大, 水位低时该处亦不易产生汽化。
超临界直流炉的水冷壁主要采用螺旋式水冷壁管型和一次垂直上升管屏式。早期的超临界直流锅炉大多采用B＆W 公司的UP 型直流炉、CE公司的复合循环型直流炉和F＆W 公司的F＆W型直流炉。
70 年代中期开发螺旋管圈直流炉, 由于能满足变压运行和快速变负荷要求, 因此发展较快。石洞口二厂的两台超临界机组均采用螺旋式水冷壁。水冷壁采用光管焊成膜式壁从冷灰斗盘旋上升, 到炉膛出口折焰角中间集箱, 然后由集箱引入上部垂直上升水冷壁, 另一部分引入折焰角, 然后全部进入置于前墙的汽水分离器。
螺旋式水冷壁的所有管子沿炉膛四周盘旋上升, 均匀地分布在炉膛四周, 在任一高度所有管子的受热几乎相同, 故比较适用于变压运行。直流锅炉水冷壁的设计往往难以兼顾炉膛周界尺寸与必需具有足够的质量流速的矛盾。
而螺旋管圈水冷壁只要增减螺旋上升角度, 就可以改变管数, 在保证足够的质量流速的同时, 其管径和管数可不受炉膛周界尺寸的限制, 在管径选用上有一定的灵活性。
圈数太少会丧失螺旋管圈减少吸热量偏差方面的优点, 而太多会增加水的流通阻力, 一般推荐圈数为1 .5 ～ 2 .5圈, 石洞口二厂锅炉的圈数为1.74 圈。
2、锅炉启动系统
平圩电厂锅炉过热器设有一根5 %额定负荷容量的启动小旁路管, 将汽包饱和蒸汽经减压后排至凝汽器。此小旁路在启动过程中全开, 直到汽机并网后才关闭。
该旁路可提高过热器出口温度并限制蒸汽压力的上升速度, 使蒸汽参数可较快地达到汽机冲转要求。根据美国经验, 采用5 %小旁路系统,可使锅炉热态启动从点火到汽机冲转并网仅40 min 即可完成。
超临界直流锅炉启动时要求保证从启动MCR 全过程的安全性, 防止亚临界参数下的膜态沸腾和超临界参数下的管壁超温以及沿宽度方向上的温度偏差。
根据要有一定的启动流量和启动压力。一开始升压就必须不间断地向锅炉进水,维持足够的工质流速和压力使受热面得以冷却。但考虑到启动热损失和分离器容量, 原则上在可靠冷却前提下质量流量尽量选得小些, 通常为25 %～ 35 %MCR。
超临界锅炉内的炉水被加热到相应压力下的临界温度时全部汽化, 不再存在汽、水两相区。由水变成蒸汽经历两个阶段, 即加热阶段和过热阶段。
水冷壁自启动至37 %MCR负荷时, 运行方式与汽包锅炉相似, 汽水分离器充当汽包的作用, 分离出的水排入疏水扩容器实现工质回收。
当负荷到37%MCR 时, 汽水分离器由湿态切换到干态。37%MCR 到85 %MCR时, 锅炉作变压直流运行, 这时内置式汽水分离充当集汽箱的作用。
汽水分离器是直流锅炉启动系统中的一个重要部分, 有内置式和外置式之分。石洞口电厂锅炉采用内置式汽水分离器。
启动时汽水分离器能起固定蒸发终点的作用, 启动完毕后不从系统中切除, 而是串联在汽水流程内。当分离器切换到干态运行后, 自动控制由水位控制改变为工质温度控制, 工作参数(压力和温度)要求比较高, 但因不需切除, 控制阀门可以简化。
参考文献：王娜娜, 边小君, 曹云娟. 600 MW级超临界与亚临界锅炉技术比较[J]. 浙江电力, 2003, 22(6):21-24.
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