第六章港电2660MW超超临界锅炉本体设备.docx
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第六章港电2660MW超超临界锅炉本体设备
第六章港电2×660MW超超临界锅炉本体设备
第一节过热器与再热器
1.过热器和再热器的布置和结构
1.1过热器和再热器的功用和特点:
1.1.1过热器和再热器是电站锅炉的两个重要受热面，它们的功用是：
将饱和蒸汽或低温蒸汽加热成为达到合格温度的过热蒸汽。
调节蒸汽温度。
当锅炉负荷、煤种等运行工况变化时，进行调节，保持其出口蒸汽温度在额定温度的-10℃～+5℃范围内。
1.1.2与水冷壁和省煤器相比，过热器和再热器具有如下特点：
1）由于过热器和再热器的出口处工质已达到其在锅炉中的最高温度，是锅炉中金属壁温最高的受热面，所以过热器和再热器的许多部分，特别是它们的末端部分需要采用价格较高的合金钢，甚至不锈钢。
上锅超超临界机组锅炉受热面设计选材及温度裕度如表6-1所列。
由于钢材的限制，现今绝大多数电站锅炉的过热蒸汽温度和再热蒸汽温度被限制在540～600C的水平。
表6-1上锅超超临界机组锅炉受热面设计选材及温度裕度
管子所处位置
材质
最高工质温度oC
管子中间点计算壁温oC
计算管子外壁温度oC
强度计算许用应力下的许用温度oC
材料抗氧化温度oC
管子壁温裕度oC
一、水冷壁
1、螺旋管圈
SA-213T23
468
518
533
560
593
42
2、垂直管圈
SA-213T23
484
534
544
562
593
28
SA-213T23
485
520
524
542
593
22
二、过热器
1、SH1及悬吊管
省煤器上方
SA-213T12
480
505
508
515
552
10
悬吊管
SA-213T23
485
520
523
588
593
68
SA-213T23
490
540
545
563
593
23
2、SH1屏管
SA-213T92
521
579
589
597
650
18
3、SH2
SA-213T91
516.2
531
535
560
650
29
SA-213T91
530
548
552
572
650
24
SA-213T91
549
572
576
588
650
16
Super304H
577
603
607
633
700
30
4、SH3
Super304H喷丸
580
617
623
636
700
19
HR3C
590
624
630
642
700
18
HR3C
620
640
646
657
700
17
三、再热器
1、RH1
SA-213T12
470
490
494
521
552
31
SA-213T23
514
540
544
581
593
41
SA-213T91
536
563
567
599
650
36
2、RH2
Super304H喷丸
560
612
618
669
700
57
HR3C
581
621
627
657
700
36
HR3C
620
642
648
669
700
27
通常为降低锅炉造价，尽量避免采用更高级别的合金钢，设计时，几乎使各级过热器和再热器金属管子的工作温度都接近极限温度。
在这种情况下，若在超过其设计工作温度10一20℃下长期运行，会使其许用应力下降50％左右。
为此，在锅炉运行中应保持汽温稳定，汽温的波动不应超过额定温度的-10～+5℃的范围。
2）整个过热器或再热器的阻力，即工质压降不能太大。
因大部分过热器和再热器都布置在较高烟温区域，为了使得它们的管子得到较好的冷却，就得使管内工质有较高的流速。
工质流速越高，阻力越大，工质的压降就会越大。
对于过热器，工质的压降越大，要求锅炉的工作压力越高，除给水泵的功率消耗越大外，水冷壁、分离器、储水罐等承压部件壁厚就需增大，它们的材料和制造成本就会提高。
因此，一般要求整个过热器内工质的压降不超过其工作压力的10％。
例如HG一2008/18.2和HG一1025/18.2锅炉为8.02％，DG一1025/18.3锅炉为7.5％。
若再热器阻力大，工质压降大，则再热器出口蒸汽压力降低，进入汽轮机中压缸的蒸汽的做功能力也降低，这将影响电厂热力循环的经济性。
一般电站锅炉允许再热器的最大压降为0.2MPa。
3）过热器与再热器管壁的冷却条件较水冷壁和省煤器差。
由于亚临界以下参数的蒸汽密度较水小，特别是再热蒸汽密度更小，在相同条件下，管壁与蒸汽之间的放热系数就小，蒸汽对管壁的冷却能力就差。
且过热器与再热器内的工质温度又处在锅炉中最高部位。
因此为使管壁金属得到有效冷却，避免烧损和爆管事故，必须使得管内蒸汽具有较高的流速。
但是较高的流速会产生较大压降。
综合考虑管壁冷却和压降的两个因素，建议过热器和再热器内的工质质量流速分别采用：
对流过热器低温级，＝400～700kg／（m2•s），高温级，＝700～1100kg／（m2•s）；半辐射式屏式过热器，=800～1200kg／（m2•s）；辐射式过热器，＝1000~1500kg／（m2•s）；再热器，＝250~400kg／（m2•s）。
4）过热器和再热器出口汽温将随锅炉负荷的改变而变化。
这是由于过热器和再热器有相当部分布置在水平烟道和尾部竖井烟道内，传热以对流换热方式为主，当锅炉负荷变化时，受热面管外烟气流速和管内工质流速都将发生变化，管内外的对流放热系数随着改变，导致管内蒸汽吸热量改变。
对于再热器，由于负荷改变时，进口蒸汽温度也同时改变，所以再热汽温随负荷变化的幅度将比过热蒸汽大些。
5）过热器和再热器管间的烟气流速受多种因素的影响。
通常，在锅炉额定负荷时，布置在水平烟道时采用10—14m/s烟气流速，燃油和燃气时可提高到20m／s。
布置在尾部竖井烟道时，管间烟速不宜超过9m／s。
这是由于，当管间烟气流速太低时，传热性能较差；并由于冲刷能力降低，容易产生积灰，当烟速低于3m／s时，将引起严重堵灰现象，一般要求在额定负荷时管间烟速不低于6m／s。
较高的烟速可以提高传热系数，减少传热面积，但烟气中所含飞灰对管子的磨损会加剧。
水平烟道靠近炉膛出口，处在高烟温区域，高温飞灰具有一定的粘结性，易于在管壁上产生高温烧结性积灰，但飞灰由于高温软化，对管子的磨损能力比较弱。
综合积灰、磨损和传热三因素，可采用较高的烟气流速；燃油和燃气时基本无飞灰，烟速可更高。
在尾部竖井烟道中，烟温已降至600～700℃，飞灰已无粘性，但灰粒变硬，对管壁的磨损能力增大，应采用较低的烟气流速。
6）在锅炉点火升炉或汽轮机甩负荷时，过热器或再热器中没有蒸汽通过，管壁会由于得不到冷却而产生爆管或烧损。
因此必须设计可靠的减温减压旁路系统和排汽系统，保证在升炉和汽轮机甩负荷时有足够的蒸汽通过过热器和再热器，保障过热器和再热器的安全。
典型的旁路系统如图6-1所示。
图6-1过热器和再热器旁路系统简图
1一锅炉；2一高压缸；3一再热器；4一中压缸；5一—低压缸；6一凝汽器；
7一I级减温减压旁路；8一Ⅱ级减温减压旁路；9一大旁路；10一向空排汽
2.港电锅炉过热器、再热器受热面的设计
2.1概述
过热器、再热器系统是锅炉最重要的承压部件之一，其设计成功与否关系到锅炉整体性能的优劣，并影响锅炉的安全可靠运行。
由于过热器和再热器工作条件比较恶劣，故在设计中须充分考虑在运行过程中可能遇到的问题，合理布置各级受热面，正确划分各级受热面的吸热比率，使其可靠性高、经济性好和对负荷适应性强，从而确保锅炉安全可靠经济的运行。
2.2设计原则
本设计方案，上海锅炉厂有限公司和AlatomPower,USA公司本次为陈家港一期工程2×660MW国产超超临界锅炉推出的过热器、再热器系统的设计采用了APU成熟的布置方式和结构形式，其设计有如下几个方面的特点:
1）从提高锅炉的煤种及负荷适应性出发：
过热器、再热器对锅炉在各种运行工况下运行具有较强的适应性。
诸如负荷、煤种及给水温度等运行因素变化时，过热器、再热器仍能达到设计参数，且具有良好的汽温调节特性，控制方便、灵敏。
具体设计中考虑了与燃用煤种相适应的以下几个方面：
汽温调节：
用燃料/给水比、三级6点过热器喷水减温器和挡板调节、燃烧器摆动调节；
灰沉积的控制：
根据燃煤灰特性、不同布置位置烟温的大小选用最优的管距；
灰粘污的控制：
合理布置足够的吹灰器；
烟气腐蚀的防护：
选用合适的烟气速度和选用高档次受热面材料。
2）从提高锅炉的可靠性、可用率，保证锅炉能长期稳定运行出发：
过热器、再热器系统采用成熟而优化的布置及连接形式，受热面阻力和进出口集箱合理匹配，以严格控制屏间偏差及同屏间的水力偏差；
在管材的选取上留有足够大的安全裕度，并充分考虑疲劳，蠕变应力影响。
在高温段过热器和再热器中选用高档次的合金材料，以抵抗炉内高温烟气的腐蚀和管内的高温氧化。
3）从提高锅炉的运行经济性出发：
保证锅炉在各种负荷下有较高的锅炉效率，达到设计出力，汽侧阻力及减温水量均控制在合理的范围之内。
2.3系统布置及流程
过热器、再热器布置采用APU公司的典型布置形式。
众多具有相同受热面布置的600MW锅炉运行业绩表明，本锅炉方案具有良好的负荷调节性能，能长期安全可靠的运行。
本工程过热器、再热器蒸汽流程图如下图6-2、6-3所示。
图6-2过热器流程图
图6-3再热器流程图
1）过热器系统
过热器系统按蒸汽流向可分为：
顶棚&包墙过热器、低温过热器、分隔屏过热器、后屏过热器及末级过热器。
其中主受热面为低温过热器、分隔屏过热器、后屏过热器、末级过热器。
分隔屏过热器和后屏过热器布置在炉膛的上部，主要吸收炉膛内的辐射热量。
末级过热器布置在折焰角上方，也具有较强的辐射特性。
过热器系统的汽温调节采用燃料/给水比和三级6点喷水减温，在后屏和末过之间设置一级喷水减温并左右交叉以减少左右侧汽温偏差。
过热器主受热面的结构特性如表6-2所示：
表6-2过热器布置结构特性
名称
节距mm
管径mm
排数
每排管子根数
布置受热面积m2
横向St
纵向SL
S-30，S-31，S-32
低温过热器
139.7
82.55/101.6
41.3/50.8
134
6
14863
S-39分隔屏过热器
2688
50.8
44.45
2×6
40
1791
S-47后屏过热器
896
54
47.6
20
22
1624
S-56末级过热器
560
50.8
41.3
33
22
2390
2）再热器系统
再热器受热面分为两级，即高温再热器和低温再热器。
高温再热器布置在水平烟道，低温再热器布置在尾部烟道的前烟道内。
高温再热器顺流布置，受热面特性表现为对流特性；低温再热器逆流布置，受热面特性为纯对流。
再热器的汽温调节主要靠挡板调节、摆动燃烧器和改变过量空气系数来达到调温。
在两级再热器中间微量喷水减温器，低再至高再之间采用交叉连接。
再热器受热面的结构特性如表6-3所示：
表6-3再热器布置结构特性
名称
节距mm
管径mm
排数
每排管子根数
布置受热面积m2
横向St
纵向SL
R-5，R-6低温再热器水平段
139.7
127
63.5
134
6
17214
R-7低温再热器垂直段
139.7
112
63.5
134
6
2133
R-13，R-14高温再热器
224
114.3
57.15
82
10
5969
2.4过热器、再热器性能
通过合理布置过热器、再热器系统各级受热面，正确分配它们的吸热比率,以适应各种运行因素的变化，汽温偏差在可控范围内，从而保证锅炉安全稳定运行。
过热器蒸汽温度性能曲线
图6-4过热器出口汽温、喷水量与锅炉负荷的关系
过热器在35%BMCR～BMCR出口汽温可维持在额定值605oC。
当锅炉负荷从B-MCR变化到30%B-MCR时，喷水量变化幅度约87吨/小时左右，不仅调节特性好，而且传热面积的布置留有足够的裕度，即使在高加全切或部分切除工况带额定负荷这种非正常工况运行,减温系统同样能满足要求，且汽温可控。
再热器出口蒸汽温度在50%BMCR～BMCR负荷范围内维持额定值603oC，在低负荷运行下通过采用烟气挡板调温、摆动燃烧器和适当增加过量空气系数可保证再热蒸汽温度达到额定值。
2.5过热器、再热器材料的选择
过热器、再热器受热面管壁厚及选材留有足够裕度,确保受热面在各种负荷运行时均安全可靠。
在本工程中，过热器、再热器受热面选材采用APU壁温计算方法,对各个受热面在各个负荷工况下均进行金属温度计算，按最恶劣工况下的壁温选择受热面材料，在计算中充分考虑了各级受热面的热力、水力及携带偏差。
对于本工程，由于采用超超临界参数，在末级过热器和末级再热器均采用喷丸S304H和HR3C这两种目前锅炉可用的最高档次的奥氏体钢，防止烟气侧腐蚀和蒸汽侧氧化，以确保锅炉长期安全运行。
2.6过热器、再热器系统监控和保护
1）机组启动时，严格控制锅炉的燃烧率和机组升负荷速率，以保护过热器和再热器；
2）在各级过热器、再热器管子炉外段上均设有温度测点，对管子壁温进行监控，确定其运行控制温度和报警温度；
3）过热器减温水系统采用三级布置，减温水容量设计有足够的裕度，能满足锅炉在各种工况正常运行。
3.过热器与再热器的结构型式
再热器对较低压力下的蒸汽进行加热，实际上相当于中压过热器。
与过热器有相同的结构型式。
由于再热器中的蒸汽密度小，允许的质量流速较低，所以管壁的工作条件更差。
根据传热方式和布置方式，过热器与再热器可以分为对流式、辐射式、半辐射式和包覆壁四类。
3.1对流式
如前所述过热器系统中的末级高温过热器和低温过热器，以及再热器系统中的末级再热器和有的低温再热器，布置在水平烟道和尾部竖井烟道中，主要依靠对流传热方式从烟气中吸收热量，属对流式过热器。
中压锅炉过热热量占的比例小，采用纯对流式过热器。
末级高温再热器和低温再热器也往往布置在水平和尾部竖井烟道中。
在高参数大容量电站锅炉中，对流式仍是过热器和再热器中的主要结构型式。
对流式过热器和再热器基本由蛇形管管排组成，蛇形管的布置有垂直放置（立式）和水平放置（卧式）两种型式。
立式过热器和再热器通常布置在烟温较高的水平烟道中，如末级高温过热器和末级再热器。
其优点是：
支吊结构简单，吊挂方便，且不易积灰。
缺点是：
停炉后管内积水不易排除，长期停炉将造成腐蚀。
在升炉时工质流量不大，因管内存有积水，可能形成气塞，将管子烧坏，所以在升炉时应注意控制过热器和再热器的热负荷，在空气没有完全排除以前热负荷不能太大。
水平布置的对流式过热器和再热器易于疏水排气，但支吊比较麻烦，通常采用有蒸汽或水冷却的悬吊管吊挂，布置在尾部竖井烟道内。
塔式锅炉和箱式锅炉的过热器和再热器大多采用水平布置的方式。
根据管内外蒸汽和烟气总的流动方向，对流式过热器和再热器可有逆流、顺流和混合流三种布置方式，如图6-5所示。
逆流布置有最大的传热温压，金属耗量最少，但蒸汽出口温度最高处也是烟温最高处，管子工作条件差。
一般在烟温较低区域的低温过热器和低温再热器采用逆流布置方式顺流布置则相反，传热温压小，耗用金属多，但蒸汽出口处的烟气温度最低，管壁工作条件好，为在使用现有钢材条件下获得尽可能高的蒸汽温度，末级高温过热器和末级高温再热器都采用顺流布置方式。
蛇形管的排列方式有顺列和错列两种布置方式，如图6-6所示。
烟气横向冲刷顺列布置受热面管子时的传热系数比冲刷错列布置时小，但顺列管束管外积灰易于被吹灰器清除。
图6-5对流式过热器和再热器的布置方式（a）逆流；（b）顺流；（c）混合流
布置在高烟温区的过热器或再热器一般易产生粘结性积灰，为便于蒸汽吹灰器清除积灰，及支吊方便，都以顺列方式布置。
尾部烟井中低温过热器和低温再热器一般采用错列布置，以增强传热。
但有的大型电站锅炉将它们以顺列方式布置，以便于吹灰和支吊。
过热器和再热器并联蛇形管的排数主要由烟气流速决定。
其横向管间相对节距s1/d，顺列布置时选取s1/d=2.0～3.5，错列布置时取s1/d＝3.0～3.5。
大容量锅炉的烟道宽度相对较小，满足烟气流速要求的管排数后，就不能满足蒸汽流速的要求。
因其管内流通截面太小，蒸汽质量流速太大，超过工质压降限制，所以通常以多管并联套弯的型式来满足蒸汽流速的要求。
通常，蛇形管有如图6-6所示的单管圈和多管圈结构。
前述300MW锅炉的高温过热器和低温过热器分别采用4管圈和5管圈结构，末级再热器采用6管圈结构。
图6-6管子的顺列和错列布置方式（a）顺列；（b）错列
图6-7蛇形管结构（a）单管圈；（b）双管圈；（c）三管圈
3.2辐射式（壁式、墙式）
布置在炉膛壁面上、直接吸收炉膛辐射热的过热器或再热器，称为辐射式（或墙式）过热器或再热器。
高参数大容量锅炉蒸发吸热所占比例减小，为了在炉膛内布置足够的受热面，就需要布置辐射式过热器或再热器。
同时辐射式受热面具有与对流式受热面相反的汽温特性，有利于改善整个过热器和再热器的汽温调节性能，同时由于辐射传热强度大，可减少金属耗量，所以辐射式过热器或再热器已被广泛采用。
由于炉膛内热负荷很高，所以辐射式过热器和辐射式再热器管子的工作条件较恶劣，运行经验表明，管壁与管内工质的温差可达100～120℃。
通常在辐射式过热器和辐射式再热器的设计、布置和运行时作如下考虑：
1）使辐射式过热器和辐射式再热器远离热负荷最高的火焰中心区，布置在热负荷稍低的炉膛上部。
如炉顶过热器，SG一1000/16.7型直流锅炉炉膛上部1／3高度的膜式壁为过热器，SG一1025／18.2、HG一1025／18.2、DG一1000／18.3型锅炉的壁式再热器都布置在炉膛上部至炉顶的区域。
但这种布置使水冷壁高度减小，对水循环安全性不利，设计时应特别注意水循环计算。
2）将辐射式过热器和辐射式再热器作为低温级受热面，以较低温度的蒸汽流过这些受热面，改善管子的工作条件。
3）选取较高的管内工质质量流速，提高管内放热系数。
如DG一1000／16.7—1燃煤自然循环锅炉的第一级壁式再热器的rw＝370kg／（m2•s），SG一1025／18.3一M833燃煤控制循环锅炉的壁式再热器，rw＝406kg／（m2•s），SG一1000／16.7直流锅炉的辐射式过热器，rw＝1400kg／（m2s）。
4）在锅炉启动时管内必须有足够的蒸汽流量来冷却管壁。
这是因为启动时工质流量很小，但火焰温度与满负荷时差不多，很高的热负荷容易将管子烧坏。
冷却用蒸汽可以来自其他锅炉的减温减压蒸汽，也可以采用自生的蒸汽。
当采用锅炉本身产生的蒸汽来冷却时，必须使火焰中心远离辐射式受热面管子。
例如：
启动时应用重油喷嘴，这是因为重油喷嘴的燃烧火炬短，火焰中心离管子在3～4m以上。
当负荷达到额定负荷的25％以上后再投煤粉燃烧器。
辐射式再热器的冷却蒸汽由过热器经减温减压旁路进入。
3.3半辐射式（屏式）
布置在炉膛上部或炉膛出口烟窗处，既能接收到炉膛的辐射热，也吸收烟气对流换热的受热面称为半辐射式过热器或半辐射式再热器。
如图6-8所示，它们由焊在联箱上的许多U型管紧密排列成管屏组成，通常称为屏式过热器和屏式再热器。
分隔屏、后屏过热器和后屏再热器均为半辐射式（屏式）。
它们的作用为：
1）悬吊布置在炉膛上部的屏式受热面吸收相当部分炉内热量，降低炉膛出口烟气温度。
解决了大容量锅炉炉壁面积相对较小，布置的辐射受热面积太少的困难。
2）出口烟窗处后屏的屏间距离s＝500～900mm，稀疏布置的管屏起了凝结熔渣的作用。
流经管屏的烟气流速达5～10m／s，所以后屏也吸收相当部分的对流换热量。
能有效降低进入水平烟道的烟气温度，防止布置密集的对流过热器或再热器的结渣。
3）屏式受热面布置在1000～1300℃的高烟温区域，传热强度高，可以减少过热器或再热器的金属耗量。
图6-8屏式过热器结构简图
1一相邻管屏间的定位管；2一屏本身的扎紧管
图6-9屏式受热面的布置
（a）后屏；（b）大屏；（c）半大屏；（d）前屏；（e）能疏水的屏；（f）水平布置的屏
4）屏式受热面布置在高烟温区，且屏间节距大，有较大辐射层厚度，能使过热器或再热器吸收辐射热量的比例增大，可改善过热或再热汽温调节特性。
屏式受热面既吸收炉膛辐射热，又吸收高温烟气的对流热，具有较高的热负荷。
为保证管子工作安全，需采用较高的质量流速，一般＝700～1200kg／（m2•s）。
屏中并联管根数由蒸汽流速决定，密排管的相对纵向节距一般为，s／d＝1.1～1.25。
屏的布置有多种方式，如图6—9所示。
屏中紧密排列各U型管受到的辐射热及所接触的烟气温度有明显的差别，且内外圈的管长不同会导致蒸汽流量差别，因此平行工作的各U型管的吸热偏差较大，有时管与管之间的壁温差可达80—90℃。
运行时应注意对屏式受热面蒸汽出口端金属壁温的监视和控制。
屏最外圈U型管工质行程长、阻力大、流量小，又受到高温烟气的直接冲刷，且接受炉膛辐射热的表面积较其他管子大许多，其工质焓增比屏的平均焓增大40％～50％，极容易超温烧坏。
为防止外圈管子管壁超温，有许多改进结构，如图6-10所示。
如将外圈管的长度缩短，将外圈管和内圈管在中间交换位置等，也可用加大外圈管管径及采用高一级材质的钢材等方法来提高其工作可靠性。
图6-10屏式过热器防止外圈管子超温的改进措施
（a）外圈两圈管子截短；（b）外圈一圈管子短路；（c）内外圈管子交叉；
（d）外圈管子短路，内外管屏交叉
为提高屏式受热面的工作性能，国外已开始研究用鳍片管制造全焊膜式屏来代替光管屏。
试验表明，对于结渣性燃料，可以降低沾污程度。
在同样条件下吸热量约可提高12％，是一种有发展前途的结构型式。
3.4包覆壁过热器
现代大型锅炉为了简化炉墙结构，采用悬吊结构的敷管炉墙，在水平烟道和尾部竖井烟道内壁像布置水冷壁那样布置过热器，称为包覆壁过热器。
当包覆壁过热器由光管组成时，相对节距s/d等于1.1～1.2；采用膜式结构时，s/d为2～3。
大容量锅炉都采用膜式壁结构，这样可以保证锅炉烟道的气密性，并可减少金属消耗量。
包覆壁过热器作为炉壁，仅受烟气的单面冲刷，贴壁处烟速又较低，对流换热效果较差。
在尾部烟道内烟温又较低，布置的受热面较密集，其辐射吸热量也小。
同时包覆壁过热器内蒸汽来自焓增很小的炉顶过热器或直接来自汽包，蒸汽温度较低。
因此，包覆壁过热器具有较低的管壁温度，这有利于减少锅炉的散热损失。
包覆壁过热器也具有将蒸汽输送入布置在尾部烟道的低温过热器进口的作用。
4.港电660MW超超临界锅炉的过热器和再热器结构参数
660MW超超临界锅炉在35%负荷以上，过热器出口蒸汽温度维持额定数值605C，再热器出口蒸汽温度在50%以上负荷维持额定数值603C。
660MW超超临界锅炉的过热器和再热器的相关参数详见附表1锅炉港电锅炉热力计算汇总：
5.过热器与再热器的汽温调节
过热蒸汽温度与再热蒸汽温度直接影响电厂的经济性与安全性。
汽温每降低10℃会使循环热效率降低0．5％。
过热器与再热器长期在超温10～20℃下运行，其寿命会缩短一半，而且还会影响汽轮机的寿命。
通常规定汽温偏离额定值
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