超臨界直流爐及其運行特性課件

1、超臨界機組發(fā)展、應(yīng)用及其運行特性 超臨界機組發(fā)展、應(yīng)用及其運行特性 1 超臨界機組及其發(fā)展理論上認(rèn)為，在水的狀態(tài)參數(shù)達(dá)到臨界點時（壓力22.129MPa、溫度374.15），水完全汽化會在一瞬間完成，即在臨界點時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)到臨界點亞臨界機組：蒸汽壓力16MPa超臨界機組：蒸汽壓力22.1MPa超超臨界機組：蒸汽壓力27MPa(另一種方法是根據(jù)汽溫來劃分)不同機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)大型超臨界機組自1950年代在美國和德國開始投入商業(yè)運行以來，發(fā)達(dá)國家積極開發(fā)應(yīng)用高效超臨界參數(shù)發(fā)電機組。美國（169臺）和前蘇聯(lián)（200多臺）是超臨界機組最多的國家，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)計熱效率為44.5%。大型超臨界機組自1950年代在美國和德國開始投入商業(yè)運行以來日本因能源短缺，燃料主要依賴進口，因此采用超臨界發(fā)電機組占總裝機容量的60%以上。1989年和1990年，日本的川越（Kawagoe）電廠先后投運兩臺參數(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)志性機組。近年來一批百萬千瓦級超超臨界發(fā)電機組相繼投入運行，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，燃料主要依賴進口，因此采用超臨界發(fā)電機組占總丹麥亦十分

4、重視高參數(shù)超臨界機組的發(fā)展，在提高機組蒸汽參數(shù)的同時利用低溫海水冷卻大幅提高機組效率。1998年投運的Nordjylands電廠其機組參數(shù)為400MW ，28.5MPa/580/580/580，機組效率高達(dá)47%。2001年投運的AVV2電廠一臺超超臨界機組，其機組效率高達(dá)49%，這是目前世界上超超臨界機組中運行效率最高的機組。丹麥亦十分重視高參數(shù)超臨界機組的發(fā)展，在提高機組蒸汽參數(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劃，正在執(zhí)行的Thermie計劃（先進的700燃煤電廠，19982014），計劃建設(shè)參數(shù)為37.5MPa

5、/700/720/720的超超臨界機組，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。從各國的發(fā)展來看，高參數(shù)超超臨界發(fā)電機組是今后的發(fā)展方向。日本進行了目標(biāo)分別為31.4MPa/593/593/593、31MPa/630/630和34.3MPa/649/593/593的超超臨界機組研發(fā)計劃。力爭將發(fā)電機組設(shè)計效率提高到45%以上。日本進行了目標(biāo)分別為31.4MPa/593/593/59美國也正在組織和支持一項發(fā)展更高參數(shù)超超臨界發(fā)電機組的研究項目“760”計劃，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組的效率。俄羅斯也設(shè)計了新一代的超超臨界機組，蒸汽參數(shù)為3032MPa/580600/580600，預(yù)計電站的效率可達(dá)44%46%。美國也正在組織和支持一項發(fā)展更高參數(shù)超超臨界發(fā)電機組的研究項 2 超臨界機組的工作原理 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調(diào)節(jié)汽門來控制。 汽包把整個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。因為過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)，汽包超臨界機組工作原理 超臨界機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 。超臨界機組汽水流程示意圖給水泵強制一定流量的給水進入爐內(nèi)，一次性流過加熱段、蒸發(fā)段和過熱段，然后去汽輪機。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，所以超臨界機組的汽壓是由給水壓力、燃料流量和汽輪機調(diào)節(jié)汽門共同決定的。超臨界機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，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。 超臨界機組工作原理 超臨界機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)荷時三段受熱面的吸熱比例 注：1.表中數(shù)據(jù)均為按設(shè)計計算的數(shù)據(jù)； 2.（A/B）：A為不考慮二次蒸汽吸熱量時的吸熱比例值； B為考慮二次蒸

11、汽吸熱量時的吸熱比例值； 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，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。因為可以用改變?nèi)妓鹊霓k法改變超臨界機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，從靜態(tài)來講超臨界機組很容易保持出口汽溫為設(shè)計值。超臨界機組的工質(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，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，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，汽水流程中各點工質(zhì)的焓值都有所提高。工質(zhì)焓值上升是由兩個因素引起的：一是因為受熱面吸熱量不變，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，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行。因此，超臨界機組運行的主要任務(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)計超臨界機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)時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，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增加，使得開始時過熱汽溫基本不變。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)過一個峰值后逐漸減少，直至與給

17、水流量相等。同時，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，機組功率的增加是蒸汽流量的暫時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