超臨界直流爐及其運(yùn)行特性課件

1、超臨界機(jī)組發(fā)展、應(yīng)用及其運(yùn)行特性 超臨界機(jī)組發(fā)展、應(yīng)用及其運(yùn)行特性 1 超臨界機(jī)組及其發(fā)展理論上認(rèn)為，在水的狀態(tài)參數(shù)達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)（壓力22.129MPa、溫度374.15），水完全汽化會在一瞬間完成，即在臨界點(diǎn)時(shí)飽和水和飽和蒸汽之間不再有汽、水共存的二相區(qū)存在，二者的參數(shù)不再有區(qū)別。由于在臨界參數(shù)下汽水密度相等，因此在超臨界壓力下無法維持自然循環(huán)即不能采用汽包鍋爐，直流鍋爐成為唯一型式。 1 超臨界機(jī)組及其發(fā)展理論上認(rèn)為，在水的狀態(tài)參數(shù)達(dá)到臨界點(diǎn)亞臨界機(jī)組：蒸汽壓力16MPa超臨界機(jī)組：蒸汽壓力22.1MPa超超臨界機(jī)組：蒸汽壓力27MPa(另一種方法是根據(jù)汽溫來劃分)不同機(jī)組的效率對比分類亞

2、臨界超臨界超超臨界參數(shù)1617MPa538/5382428MPa538/53830MPa以上566/566凈效率3738%4041%4446%煤耗330350g310320g280300g亞臨界機(jī)組：蒸汽壓力16MPa分類亞臨界超臨界超超臨界參數(shù)大型超臨界機(jī)組自1950年代在美國和德國開始投入商業(yè)運(yùn)行以來，發(fā)達(dá)國家積極開發(fā)應(yīng)用高效超臨界參數(shù)發(fā)電機(jī)組。美國（169臺）和前蘇聯(lián)（200多臺）是超臨界機(jī)組最多的國家，而發(fā)展超超臨界技術(shù)領(lǐng)先的國家主要是日本、德國和丹麥。德國是發(fā)展超超臨界技術(shù)最早的國家之一，在早期追求高參數(shù)，但后來蒸汽參數(shù)降低并長期穩(wěn)定在25MPa/545/545的水平上，其后蒸汽參數(shù)

3、逐步提高。2003年投產(chǎn)的Niederaussen電廠參數(shù)為965MW，26MPa/580/600，設(shè)計(jì)熱效率為44.5%。大型超臨界機(jī)組自1950年代在美國和德國開始投入商業(yè)運(yùn)行以來日本因能源短缺，燃料主要依賴進(jìn)口，因此采用超臨界發(fā)電機(jī)組占總裝機(jī)容量的60%以上。1989年和1990年，日本的川越（Kawagoe）電廠先后投運(yùn)兩臺參數(shù)為700MW ，31MPa/566/566/566。這是日本發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)的標(biāo)志性機(jī)組。近年來一批百萬千瓦級超超臨界發(fā)電機(jī)組相繼投入運(yùn)行，除達(dá)到很高可靠性外，其循環(huán)效率可達(dá)到45%左右。日本因能源短缺，燃料主要依賴進(jìn)口，因此采用超臨界發(fā)電機(jī)組占總丹麥亦十分

4、重視高參數(shù)超臨界機(jī)組的發(fā)展，在提高機(jī)組蒸汽參數(shù)的同時(shí)利用低溫海水冷卻大幅提高機(jī)組效率。1998年投運(yùn)的Nordjylands電廠其機(jī)組參數(shù)為400MW ，28.5MPa/580/580/580，機(jī)組效率高達(dá)47%。2001年投運(yùn)的AVV2電廠一臺超超臨界機(jī)組，其機(jī)組效率高達(dá)49%，這是目前世界上超超臨界機(jī)組中運(yùn)行效率最高的機(jī)組。丹麥亦十分重視高參數(shù)超臨界機(jī)組的發(fā)展，在提高機(jī)組蒸汽參數(shù)的同從各國的發(fā)展來看，高參數(shù)超超臨界發(fā)電機(jī)組是今后的發(fā)展方向。歐盟為了發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)先后制定了若干研究計(jì)劃，正在執(zhí)行的Thermie計(jì)劃（先進(jìn)的700燃煤電廠，19982014），計(jì)劃建設(shè)參數(shù)為37.5MPa

5、/700/720/720的超超臨界機(jī)組，主要目標(biāo)是：使電廠的凈效率由47%提高到55%（對于低的海水冷卻水溫度）或52%左右（對于內(nèi)陸地區(qū)和冷卻塔）；降低燃煤電站的造價(jià)。從各國的發(fā)展來看，高參數(shù)超超臨界發(fā)電機(jī)組是今后的發(fā)展方向。日本進(jìn)行了目標(biāo)分別為31.4MPa/593/593/593、31MPa/630/630和34.3MPa/649/593/593的超超臨界機(jī)組研發(fā)計(jì)劃。力爭將發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)效率提高到45%以上。日本進(jìn)行了目標(biāo)分別為31.4MPa/593/593/59美國也正在組織和支持一項(xiàng)發(fā)展更高參數(shù)超超臨界發(fā)電機(jī)組的研究項(xiàng)目“760”計(jì)劃，目標(biāo)是研制適合蒸汽參數(shù)為38.5MPa/760的

6、新合金材料，將超超臨界機(jī)組的主蒸汽溫度提高到760的水平，從而大大提高超超臨界機(jī)組的效率。俄羅斯也設(shè)計(jì)了新一代的超超臨界機(jī)組，蒸汽參數(shù)為3032MPa/580600/580600，預(yù)計(jì)電站的效率可達(dá)44%46%。美國也正在組織和支持一項(xiàng)發(fā)展更高參數(shù)超超臨界發(fā)電機(jī)組的研究項(xiàng) 2 超臨界機(jī)組的工作原理 汽包鍋爐的工作原理 汽包鍋爐的汽水流程示意圖汽包鍋爐的循環(huán)倍率K可用下式表示：K=W/D式中，W進(jìn)入水冷壁的水流量； D水冷壁出口的蒸汽流量。 汽包鍋爐的循環(huán)倍率一般為1030。不同負(fù)荷時(shí)循環(huán)倍率也不同，負(fù)荷越低，循環(huán)倍率越大。 2 超臨界機(jī)組的工作原理 汽包鍋爐的工作原理 汽包鍋爐的汽包鍋爐的蒸汽

7、壓力由燃燒率和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門來控制。 汽包把整個(gè)鍋爐的汽水流程分隔成三部分，即加熱段（省煤器）、蒸發(fā)段（水冷壁）和過熱段（過熱器）。這三段受熱面面積的大小是固定不變的。汽包除作為汽水的分離裝置外，其中的存水和空間容積還作為燃水比失調(diào)的緩沖器。 當(dāng)燃水比（給水跟蹤燃料流量的比例關(guān)系）失調(diào)后，在一段相當(dāng)長的時(shí)間里（非事故的范圍內(nèi)），并不改變原來那三段受熱面面積的大小。汽包鍋爐的蒸汽壓力由燃燒率和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門來控制。 例如，增加給水流量，給水量的變化就破壞了原來的平衡狀態(tài)，汽包水位升高了；但由于燃料流量沒有變化，所以蒸發(fā)段的吸熱量及其產(chǎn)生的蒸汽量可近似認(rèn)為不變。因?yàn)檫^熱段的受熱面是固定的，因此，出

8、口汽壓、汽溫都不會有什么變化，如同燃水比未失調(diào)一樣。如果燃料方面的變化破壞了原來的平衡狀態(tài)，比如燃料量增加，蒸發(fā)段就會產(chǎn)生較多的蒸汽，但同時(shí)過熱段也吸收了較多的熱量，所以可使汽溫變化不大，然而此時(shí)出口蒸汽壓力和流量卻都增加了。由于給水流量沒有改變，汽包中的部分水變成了多蒸發(fā)的那部分蒸汽，所以汽包水位降低了。從以上所述可以看出，在汽包鍋爐中，水位是燃水比是否失調(diào)的標(biāo)志。用給水流量調(diào)節(jié)水位，實(shí)質(zhì)上起到了間接保持燃水比不變的作用。 例如，增加給水流量，給水量的變化就破壞了原來的平衡狀態(tài)，汽包超臨界機(jī)組工作原理 超臨界機(jī)組的汽水流程中既沒有汽包，又沒有爐水小循環(huán)回路。超臨界機(jī)組是由受熱面以及連接這些受

9、熱面的管道所組成 。超臨界機(jī)組汽水流程示意圖給水泵強(qiáng)制一定流量的給水進(jìn)入爐內(nèi)，一次性流過加熱段、蒸發(fā)段和過熱段，然后去汽輪機(jī)。它的循環(huán)倍率始終為1，與負(fù)荷無關(guān)。給水泵出口水壓通過三段受熱面里的工質(zhì)，直接影響出口汽壓，所以超臨界機(jī)組的汽壓是由給水壓力、燃料流量和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門共同決定的。超臨界機(jī)組汽水流程中的三段受熱面沒有固定的分界線。在不同負(fù)荷時(shí)，由于給水溫度變化等原因，使三段受熱面的吸熱量分配比例及與之有關(guān)的三段受熱面面積之間的比例都發(fā)生了變化。 超臨界機(jī)組工作原理 超臨界機(jī)組的汽水流程中既沒有汽包，又沒有 參數(shù)負(fù)荷單位一次蒸汽吸熱量/單位二次蒸汽吸熱量吸熱比例分配（A/B）（%）Pout(

10、MPa)out()PW(MPa)W()加熱段蒸發(fā)段過熱段再熱段100%17.255521.8255545.3/107.228.5/23.827.7/23.243.8/36.60/16.1470%17.255520.3238575.6/105.830.5/25.830.9/26.138.6/32.50/15.630%17.355517.5193624/90.633.2/2932.7/28.634.1/29.80/12.6SG-1000-170直流爐在三種不同負(fù)荷時(shí)三段受熱面的吸熱比例 注：1.表中數(shù)據(jù)均為按設(shè)計(jì)計(jì)算的數(shù)據(jù)； 2.（A/B）：A為不考慮二次蒸汽吸熱量時(shí)的吸熱比例值； B為考慮二次蒸

11、汽吸熱量時(shí)的吸熱比例值； 3. Pout，out 為鍋爐出口汽壓和汽溫； 4. PW，W 為給水壓力和溫度。 參數(shù)單位一次蒸汽吸熱量/吸熱比例分配（A/B）（%）Po當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)，由于高壓加熱器的抽汽壓力下降，給水溫度也隨著下降，加熱段和蒸發(fā)段受熱面吸熱量都有不同程度的增加，而過熱段的吸熱量卻減少很多。因?yàn)榭梢杂酶淖內(nèi)妓鹊霓k法改變超臨界機(jī)組三段受熱面的吸熱比例，所以與汽包鍋爐相比，在負(fù)荷變化比較大或改變?nèi)剂掀贩N時(shí)，從靜態(tài)來講超臨界機(jī)組很容易保持出口汽溫為設(shè)計(jì)值。超臨界機(jī)組的工質(zhì)是一次性通過各受熱面的，而三段受熱面面積又不是固定不變的，所以當(dāng)燃水比失調(diào)后，三段受熱面吸熱量比例發(fā)生變化，對出口汽

12、溫影響很大，對蒸汽壓力和流量的影響方式也較為復(fù)雜。當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)，由于高壓加熱器的抽汽壓力下降，給水溫度也隨著下當(dāng)給水流量變化破壞了原來的平衡狀態(tài)時(shí)，例如給水流量減小了，則蒸發(fā)段向鍋爐汽水流程入口方向移動，汽水流程中各點(diǎn)工質(zhì)的焓值都有所提高。工質(zhì)焓值上升是由兩個(gè)因素引起的：一是因?yàn)槭軣崦嫖鼰崃坎蛔?，而工質(zhì)流量減少，引起流經(jīng)本區(qū)的工質(zhì)焓值上升；另一個(gè)原因是工質(zhì)焓值隨工質(zhì)流過的受熱面面積增加而增加。所以離鍋爐出口越近，工質(zhì)的焓增越大，汽溫變化也越大。當(dāng)給水流量變化破壞了原來的平衡狀態(tài)時(shí)，例如給水流量減小了，則燃水比失調(diào)1，出口汽溫變化就可達(dá)810。在運(yùn)行中，燃水比失調(diào)往往會超過1%。此外，因負(fù)荷變化

13、等原因使各受熱面的吸熱比例發(fā)生變化，以致單獨(dú)使用噴水減溫的辦法是無法將出口汽溫校正過來的，更無法保證減溫器前各受熱面的安全運(yùn)行。因此，超臨界機(jī)組運(yùn)行的主要任務(wù)之一是調(diào)節(jié)燃水比為一定值。那么取什么信號作為燃水比的校正信號呢？這是設(shè)計(jì)超臨界機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)首先要明確的重要問題。當(dāng)發(fā)生給水流量或燃料流量擾動時(shí)，鍋爐出口汽溫變化曲線的遲延都很大，因此很難用給水流量或燃料流量來直接調(diào)節(jié)出口汽溫。而微過熱汽溫變化曲線的遲延鉸小，所以一般可作為燃水比的校正信號，以間接控制出口汽溫。 燃水比失調(diào)1，出口汽溫變化就可達(dá)810。在運(yùn)行中，燃水汽包爐與直流爐對比（1）汽包爐蒸汽流量小于給水流量；蒸汽壓力由燃燒率和汽輪

14、機(jī)調(diào)節(jié)汽門開度決定，與給水流量（給水壓力）無關(guān)；燃水比失調(diào)后，加熱、蒸發(fā)、過熱三段受熱面吸熱面積不變，出口汽壓、汽溫都不會變化。（2）直流爐蒸汽流量等于給水流量；蒸汽壓力由燃燒率和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門開度及給水流量（給水壓力）共同決定；燃水比失調(diào)后，加熱、蒸發(fā)、過熱三段受熱面吸熱面積變化，出口汽壓、汽溫都變化明顯（尤其汽溫變化顯著）。汽包爐與直流爐對比（1）汽包爐 從控制特性角度來看，直流鍋爐與汽包鍋爐的主要不同點(diǎn)表現(xiàn)在燃水比例的變化，引起鍋爐內(nèi)工質(zhì)儲量的變化，從而改變各受熱面積比例。 影響鍋爐內(nèi)工質(zhì)儲量的因素很多，主要有外界負(fù)荷、燃料流量和給水流量 。 對于不同壓力等級的直流鍋爐，各段受熱面積比例

15、不同。壓力越高，蒸發(fā)段的吸熱量比例越小，而加熱段與過熱段吸熱量比例越大。因而，不同壓力等級直流鍋爐的動態(tài)特性通常存在一定差異。 下圖為直流鍋爐動態(tài)特性曲線： 3. 超臨界機(jī)組動態(tài)特性分析 從控制特性角度來看，直流鍋爐與汽包鍋爐的主超臨界直流爐及其運(yùn)行特性課件 上圖(a)所示為外部負(fù)荷擾動下直流鍋爐有關(guān)參數(shù)響應(yīng)曲線。假定汽機(jī)耗汽量正比于調(diào)節(jié)閥開度 與蒸汽壓力 的乘積，在 階躍增加的情況下，蒸汽流量階躍增加，使得蒸汽壓力開始時(shí)以一定速度下降。由于給水流量和燃料流量沒有變，蒸汽流量逐漸回落至與給水流量相應(yīng)的值，蒸汽壓力則逐漸穩(wěn)定。汽機(jī)功率的變化與蒸汽流量成比例，其增加的總能量來自鍋爐金屬和工質(zhì)所釋放

16、的蓄熱量。過熱蒸汽溫度在蒸汽流量增加之后，先以一定速度下降，隨著蒸汽流量降至原來的值而回升至原來的值。這反映鍋爐燃水比例沒有改變。即總蒸發(fā)量與各受熱面吸熱量比例沒有改變。（1） 外部負(fù)荷擾動下直流鍋爐動態(tài)特性 （1） 外部負(fù)荷擾動下直流鍋爐動態(tài)特性 圖所示為燃料量擾動 下直流鍋爐有關(guān)參數(shù)響應(yīng)曲線。在燃料量階躍增加的情況下，經(jīng)過短暫遲延后，各受熱面吸熱量迅速增加，使蒸汽流量迅速增加（通常稱之為附加蒸發(fā)量）。對過熱段受熱面來說，吸熱量與蒸汽流量同時(shí)增加，使得開始時(shí)過熱汽溫基本不變。由于給水流量沒有改變，附加蒸發(fā)量使鍋爐內(nèi)工質(zhì)儲量減少，加熱與蒸發(fā)受熱面積減少，蒸汽流量經(jīng)過一個(gè)峰值后逐漸減少，直至與給

17、水流量相等。同時(shí)，過熱段受熱面的增加及爐膛發(fā)熱量增加，過熱蒸汽溫度經(jīng)過一端時(shí)間遲延后迅速上升，最后的明顯偏差反映了燃水比例的變化。（2） 燃料量擾動下直流鍋爐動態(tài)特性 （2） 燃料量擾動下直流鍋爐動態(tài)特性超臨界直流爐及其運(yùn)行特性課件 蒸汽壓力首先是隨著蒸汽流量增加而上升，隨后雖然蒸汽流量逐步下降，但蒸汽溫度升高而造成蒸汽容積流量的增大、沿程壓力降的增加而使蒸汽壓力保持較大的偏差。與此相似，機(jī)組功率的增加是蒸汽流量的暫時(shí)增加與蒸汽溫度的升高的綜合效果，其根本原因還在于燃料量增加后，工質(zhì)總吸熱量的增加。 蒸汽壓力首先是隨著蒸汽流量增加而上升，隨后雖 給水流量擾動 下直流鍋爐動態(tài)特性如圖(c)所示。

18、由于水是不可壓縮的，所以給水流量的變化瞬間即可影響到加熱段各受熱面內(nèi)工質(zhì)流量。但蒸汽是可壓縮的，給水流量擾動對蒸發(fā)段和過熱段蒸汽流量的直接影響是有遲延的。給水流量增加，使之大于蒸發(fā)量會造成蒸發(fā)段長度的改變而產(chǎn)生附加蒸發(fā)量，這個(gè)過程同樣具有一定慣性遲延。因此，在給水流量階躍增加的情況下，蒸汽流量的增加有一定的遲延和慣性；而過熱汽溫的變化與燃料量擾動下相似，在較大的遲延。 （3） 給水流量擾動下直流鍋爐動態(tài)特性 （3） 給水流量擾動下直流鍋爐動態(tài)特性超臨界直流爐及其運(yùn)行特性課件 給水流量擾動最終改變各受熱面積比例，過熱汽溫呈現(xiàn)的較大穩(wěn)態(tài)偏差反映燃水比例的改變。蒸汽流量的增加，造成蒸汽壓力隨著上升，之后由于溫