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文檔簡介

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(huì)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(duì)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(tái))和前蘇聯(lián)(200多臺(tái))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(tái)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(jí)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(tái)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(duì)于低的海水冷卻水溫度)或52%左右(對(duì)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?cè)瓉砟侨问軣崦婷娣e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(huì)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(huì)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(duì)出口汽

12、溫影響很大,對(duì)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(dòng),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)槭軣崦嫖鼰崃坎蛔儯べ|(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(huì)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(hào)作為燃水比的校正信號(hào)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(dòng)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(hào),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(duì)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(huì)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(duì)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(chǔ)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(chǔ)量的因素很多,主要有外界負(fù)荷、燃料流量和給水流量 。 對(duì)于不同壓力等級(jí)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(jí)直流鍋爐的動(dòng)態(tài)特性通常存在一定差異。 下圖為直流鍋爐動(dòng)態(tài)特性曲線: 3. 超臨界機(jī)組動(dòng)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(dòng)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(dòng)下直流鍋爐動(dòng)態(tài)特性 (1) 外部負(fù)荷擾動(dòng)下直流鍋爐動(dòng)態(tài)特性 圖所示為燃料量擾動(dòng) 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(duì)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(chǔ)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(dòng)下直流鍋爐動(dòng)態(tài)特性 (2) 燃料量擾動(dòng)下直流鍋爐動(dòng)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(dòng) 下直流鍋爐動(dòng)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(dòng)對(duì)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(huì)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(dòng)下相似,在較大的遲延。 (3) 給水流量擾動(dòng)下直流鍋爐動(dòng)態(tài)特性 (3) 給水流量擾動(dòng)下直流鍋爐動(dòng)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(dòng)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

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