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锅炉本体设备. 设备部锅炉室 裴宏 2009 年 02 月. 第一章 锅炉整体设备介绍. 第一节 600 MW 机组锅炉的类型和发展概况. 第二节 600 MW 控制循环锅炉. 第三节 600 MW 自然循环锅炉. 第四节 600 MW 超临界压力直流锅炉. 第一节 600MW 机组锅炉的类型和发展概况.
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锅炉本体设备 设备部锅炉室 裴宏 2009年02月
第一章 锅炉整体设备介绍 第一节 600MW机组锅炉的类型和发展概况 第二节 600MW控制循环锅炉 第三节 600MW自然循环锅炉 第四节 600MW超临界压力直流锅炉
600MW级燃煤机组是世界多数工业发达国家重点发展的火电主力机组， 在一些国家火力发电机组标准系列中是一个重要的级别。 这一容量等级的机组也是目前我国火电建设中将要大力发展的系列之一。从1985年我国第一台引进的600MW火力发电机组在元宝山电厂投运开始，我国进入了发展600MW火电机组的年代，在这些机组中，大部分是引进的、具有一定先进水平的大型火力发电机组 。
一、600MW机组锅炉的类型和特性 表1-1-1列出2000年我国已投运的或在建的几台600MW级锅炉的主要设计特性。
从表1-1-1可以看出，这些600MW级锅炉基本上是从国外引进或用引进技术进行制造的，它的设备或技术基本引进于美国燃烧工程公司(CE)、拔柏葛公司(B&W)及福斯特·惠勒公司(FW)，许多国家的锅炉设计也都在不同程度上承袭了上述三公司的设计特点。
1．锅炉蒸发系统内工质的流动方式 锅炉蒸发系统内工质的流动方式主要有自然循环、控制循环、直流炉及直流复合循环四种。直流炉适合于超临界压力及亚临界压力参数，自然循环及控制循环只适宜于亚临界压力参数。国内目前600MW级锅炉主要有自然循环、控制循环和直流炉三种型式。 (1)自然循环汽包炉 (2)控制循环锅炉 (3)直流锅炉
(1)自然循环汽包炉 自然循环汽包炉的主要特点是流动方式简单、运行可靠，在以往的电站锅炉中采用自然循环锅炉是相当普遍的。拔柏葛公司根据其在亚临界压力 直流炉上为防止膜态沸腾而采用内螺纹管的经验，在自然循环汽包炉上亦加用内螺纹管，以保证循环可靠，使其成为保证炉膛水冷壁达到充分冷却的最简单、有效及可靠的方法。自然循环主要依靠下降管内水的平均密度与水冷壁内汽水混合物的平均密度之差而进行的，由于它们的密度差造成一定的流动压头，从而使蒸发受热面内工
质达到往复循环。另外，由于自然循环锅炉具有 能适应炉膛内吸收热量变化而进行自调节的优点，因此吸收热量最多的管子通过的水量也最多，可防止传热不均匀现象的产生。自然循环不需用循环泵，故投资及运行费用均可减少。在炉膛高热负荷区域为使管子得到充分冷却并维持核态沸腾，需要一定的质量流速，而这种流速随着汽包运行压力的升高而增加。
(2)控制循环锅炉 控制循环锅炉是美国燃烧工程公司(CE)的专利，我国哈尔滨锅炉厂和上海锅炉厂也引进此种锅炉的制造技术， 第一、二台600MW级的控制循环锅炉已在安徽平圩电厂投运。由于引进CE的制造技术 ， 以后会在国内不少电厂安装这种类型600MW级的锅炉。 控制循环锅炉的主要特点是在锅炉循环回路的下降管和上升管之间加装循环泵以提高循环回路的流动压头，因此汽包及上升管、下降管可采用较小的直径。但是加装辅助循环泵，运行时需消耗一定的功率，一般情况下循环泵消耗功率相当于锅炉功率的0.3%-0.4% 。
(3) 直流锅炉 直流锅炉也是大容量锅炉发展方向之一。特别是采用超临界参数的锅炉，直流锅炉是唯一能采用的锅炉型式。本生型直流锅炉发源于德国，早期本生型锅炉的炉膛蒸发受热面管子是多次上升垂直管屏，用中间混合联箱与不受热的下降管互相串联。通用压力型锅炉(UP炉)是拔柏葛公司在本生炉基础上加以改进的一种炉型，所谓通用压力型锅炉是指无论亚临界或超临界参数，均可采用的炉型。对于UP炉来说一般用于大型超临界压力直流炉，以确保水冷壁管内的质量流速 。
二、国外大型机组锅炉的技术经济指标及发展方向 (一)技术经济指标 1．机组的可靠性 2．机组运行经济性 3．负荷适应性
(二) 电站锅炉技术发展动向 1．超临界压力机组的设计 2．发展变压运行机组,提高负荷适应性 3．炉内燃烧方面
一、北仑电厂600MW控制循环锅炉的 总体介绍及设计特点 北仑电厂第一台600MW机组的锅炉由美国燃烧工程公司(CE)设计制造，其型式为亚临界压力、一次中间再热、控制循环单汽包锅炉，采用平衡通风、直流式四角切向燃烧系统，设计燃料为山西晋北烟煤。
（一）锅炉主要设计参数 锅炉主要设计参数见表1-1-2。 表1-1-2锅炉主要设计参数
(二)锅炉的整体布置 锅炉的本体示意图1-1-1 锅炉的布置呈倒“U”形，在标高为36.7m层以上为全露天，从煤仓间到除尘器进口共设有10根立柱，紧靠除氧跨的是煤仓间，煤仓间布置有6只原煤仓，标高17m层平台上布置6台美国STOCK公司生产的电子称量式给煤机，2台送风机和2台一次风机沿炉膛中心线对称布置，静电除尘器为4个通道5个电场，有2台导叶调节的离心式引风机
（三）锅炉汽水系统 该锅炉的水和饱和蒸汽的流程如图1-1-2所示 CE公司设计和制造的北仑电厂1号锅炉，其锅水循环是利用安装在下降母管管路中的3台锅水循环泵来进行的。 为确保各水循环回路出口含汽率均一 ，在水冷壁的下集箱(水包)内的每根水冷壁管的入口处设置了孔径为6.35～31.75mm的节流孔板。来自给水母管的给水经
省煤器进口联箱1、省煤器蛇形管2、省煤器中间联箱3、省煤器悬吊管4、省煤器出口联箱5、省煤器出口联接管6由汽包底部进入汽包7，并与汽包中的锅水混合，然后经下降母管8进入锅水循环泵进口联箱9，锅水循环泵11将水从进口联箱吸入，经锅水循环泵进口短管10、锅水循环泵出口截止／逆止阀12和锅水循环泵出口短管13进入水冷壁环形下联箱(水包)14—17。省煤器进口联箱1、省煤器蛇形管2、省煤器中间联箱3、省煤器悬吊管4、省煤器出口联箱5、省煤器出口联接管6由汽包底部进入汽包7，并与汽包中的锅水混合，然后经下降母管8进入锅水循环泵进口联箱9，锅水循环泵11将水从进口联箱吸入，经锅水循环泵进口短管10、锅水循环泵出口截止／逆止阀12和锅水循环泵出口短管13进入水冷壁环形下联箱(水包)14—17。 锅水进水冷壁下联箱后，首先经过孔径为4.76mm的多孔板滤网进行过滤，然后经节流孔板进入水冷壁管。在锅炉启动期间，部分锅水也可从水冷壁下联箱进入省煤器再循环管36，以确保省煤器内水流量，以保证其安全。
锅水在水冷壁管内进行加热并向上流动、平行流过下列三部分管路： (1) 前水冷壁管18、19 (2)后水冷壁管20、21，后水冷壁折焰角管22，后水冷壁悬吊管23，炉膛延伸侧墙管24和水冷壁垂帘管25； (3) 侧水冷壁管26。在水冷壁管中生成的汽水混 合物，由水冷壁各出口联箱27～31汇集后经汽水引出管32～35引入汽包，汽水混合物在汽包中进行分离，饱和蒸汽进入过热汽系统，水返回到汽包水侧继续进行循环
过热蒸汽和再热蒸汽系统流程如图1-1-3和图1-1-4所示过热蒸汽和再热蒸汽系统流程如图1-1-3和图1-1-4所示 1.过热蒸汽和再热蒸汽系统布置如图1-1-3所示
（四）锅炉主要设计特点 １.锅炉结构上的特点 (1) 炉膛与燃烧器 (2) 水冷壁循环系统 (3) 过热器和再热器系统 (4) 制粉系统 (5) 空气预热器
（１）炉膛与燃烧器 锅炉炉膛尺寸为宽１９.５５８m、深１６.４３２m，炉膛容积１５４８４m³,除了炉膛上部被壁式再热器覆盖部分采用光管水冷壁外，炉膛四周均为Φ５１mm内螺纹管组成的膜式水冷壁。炉膛设 计压力７８１３Pa。最上层燃烧器标高３２.６１，至屏底距离为１６.７m，锅炉顶棚管标高为 ６６.１６m，运转层标高为１３.７m。
该锅炉燃烧器采用CE公司的传统技术，即四角切向摆动燃烧器，其特点是通过气流的旋转和卷吸作用，使煤粉气流产生强烈混合和扩散，保证燃烧良好。另外，由于相邻燃烧器火焰相互支持，使煤粉着火和稳定有充分保证。燃烧器采用典型的烟煤布置方式，每角有6只煤粉喷口、6只二次风喷口，其中三只布置油枪，最上面2只为燃尽风喷口。燃烧器总高为11.665m。6只煤粉喷口分别对应6台HP磨煤机、煤粉燃烧器中间布置钝体波形导流板，其作用为稳定着火及提高对煤种的适应性。
(2) 水冷壁循环系统 该炉水冷壁基本上采用内螺纹管组成，由锅水循环泵提供辅助循环动力，故水循环有较好的安全性。锅炉汽包布置在标高67.055m处，汽包内径为1778mm，上部壁厚198.4mm， 下部壁厚166.7mm，汽包内部装有108个轴向旋流式分离器，汽包内壁装有隔套。汽水混合物从汽包上部进入，沿内筒壁进入分离器人口，以保证汽包壁受热均匀。汽包下部有6根大直径下降管，引至锅水循环泵进口联箱，由此引出三根管进入三台锅水循环泵。
(3) 过热器和再热器系统 过热器系统由五部分组成，其流程是：顶棚一包覆一低温过热器一分隔屏一末级过热器。炉膛上部布置分隔屏过热器，分前后两排，沿炉膛宽度布置。分隔屏后为高温过热器，呈屏式布置。高温过热器后为高温再热器，布置在折焰角上方。高温再热器后为中温再热器，布置在折焰角后方的水平烟道内，水平式低温过热器位于尾部烟道，布置在省煤器的上部，分上下两层布置 。尾部烟道包墙和顶棚过热器由尾部烟道侧墙、前墙、后墙及顶棚管组成。
再热器系统由壁式辐射再热器和中温再热器及高温再热器三部分组成。中温再热器和高温再热器布置在折焰角上部及水平烟道内，属于对流式受热面。这两级再热器为串联布置，与烟气成逆流，吸热量较大。为减少热偏差，采用中温再热器与高温再热器内外管圈交叉，炉外连接变管径，使其流量均匀、壁温平稳。过热蒸汽采用一级喷水调节汽温，减温器布置在低温过热器与分隔屏之间。再热器采用部分放在炉膛内吸收辐射热，对改善汽温特性有较好的效果，使得在不同负荷下，均能保持较为稳定的汽温特性。 再热器系统由壁式辐射再热器和中温再热器及高温再热器三部分组成。中温再热器和高温再热器布置在折焰角上部及水平烟道内，属于对流式受热面。这两级再热器为串联布置，与烟气成逆流，吸热量较大。为减少热偏差，采用中温再热器与高温再热器内外管圈交叉，炉外连接变管径，使其流量均匀、壁温平稳。过热蒸汽采用一级喷水调节汽温，减温器布置在低温过热器与分隔屏之间。再热器采用部分放在炉膛内吸收辐射热，对改善汽温特性有较好的效果，使得在不同负荷下，均能保持较为稳定的汽温特性。
(4) 制粉系统 该炉采用典型的正压直吹式制粉系统，共配置6台HP—983型碗式中速磨，在燃烧设计煤种正常运行时5台磨即可带MCR负荷，一台备用。每台磨配一台全钢结构原煤斗，每只煤斗储煤量为532t，可以满足锅炉MCR负荷连续运行10h的要求。采用6台微机控制的重力式电子称量给煤机、每台出力14～70t 。磨煤机出力为60t／h ，采用弹簧加载，以便在研磨表面和煤层之间产生需要的研磨出力。石子煤通过磨煤机下部排出口排人石子煤斗，上部装有离心分离器，调节导向叶片角度可以改变煤粉细度。
(5) 空气预热器 该炉的空气预热器由美国CE公司设计，上海锅炉厂制造，为三分仓容克式预热器，布置在省煤器出口烟道内。为防止空气和烟气之间泄漏，设计了径向密封、周向密封及转子密封系统。针对预热器不同部位的漏风间隙，采用了相应的密封片和密封板调节堵漏。由于机组在不同负荷下空气预热器转子变形不同，因此设计了采用微机控制可以自动调节的可弯曲扇形板，能保证机组在不同工况下，该扇形板可在规定间隙内跟踪转子变形进行调节，
从而使空气预热器的间隙在各种不同温度工况下能控制在最小范围内、保证预热器的漏风最小。从而使空气预热器的间隙在各种不同温度工况下能控制在最小范围内、保证预热器的漏风最小。 该预热器还设计了红外线温度探测仪，当预热器转子受热面温度达到482~C时或者发生积聚油垢燃烧时，该红外线温度探测仪能自动报警。
2．锅炉设计的特点 (1)设计煤种。北仑电厂1号机组锅炉设计燃用晋北烟煤，根据煤的结渣特性指标判别，晋北烟煤的结渣性属中等偏强，见表1—1—3 。
在炉膛设计上，CE公司的设计思想基本上是按燃用美国东部烟煤的典型炉型进行设计的，炉膛呈矮胖形，炉膛设计尺寸见表1-1-4。从表中可以看出，对某一些主要尺寸的确定过于大胆。例如采用了较大的宽深比(宽深比=1.19)，这个宽深比已是四角燃烧锅炉设计中通常推荐值的上限，很少采用，特别是燃用结渣性较强的煤种。除双炉膛锅炉以外，单炉膛锅炉的炉膛宽深比通常小于1．1。炉膛高度过低，与同类型的平圩电厂1号、2号炉比较，炉膛高度要低5m，最上层一次风喷口中心线至分隔屏底的距离为16.70m，比平圩电厂低1.935m。在炉膛设计上，CE公司的设计思想基本上是按燃用美国东部烟煤的典型炉型进行设计的，炉膛呈矮胖形，炉膛设计尺寸见表1-1-4。从表中可以看出，对某一些主要尺寸的确定过于大胆。例如采用了较大的宽深比(宽深比=1.19)，这个宽深比已是四角燃烧锅炉设计中通常推荐值的上限，很少采用，特别是燃用结渣性较强的煤种。除双炉膛锅炉以外，单炉膛锅炉的炉膛宽深比通常小于1．1。炉膛高度过低，与同类型的平圩电厂1号、2号炉比较，炉膛高度要低5m，最上层一次风喷口中心线至分隔屏底的距离为16.70m，比平圩电厂低1.935m。
燃烧器轴线与炉墙之间的夹角，两侧墙为45°，前后墙为35°。由于锅炉宽深比过大，采用了燃烧器轴线与炉墙之间较小的夹角，特别是与前后墙的夹角，炉内燃烧器轴线相切构成的空气动力场几何切圆直径也只有1.6m，因此该炉膛的特点是高度不足，宽度有余，炉膛容积偏小、炉膛容积热强度偏大，对燃用结渣性较强的煤种来说，这种炉型的设计是有风险的。
表１－１－４ 炉膛设计特性数据及与同类型锅炉比较表１－１－４ 炉膛设计特性数据及与同类型锅炉比较
表1-1-5北仑电厂1号锅炉煤质特性与同类型锅炉煤质特性的比较表1-1-5北仑电厂1号锅炉煤质特性与同类型锅炉煤质特性的比较
从表1—1—5可以看出，平圩电厂燃用的淮南煤属不结渣煤，哈尔滨锅炉厂在炉膛设计上选取了较低的炉膛热强度，炉膛高度较高；石洞口二厂燃用石圪山煤属结渣倾向严重的煤种， CE公司在炉膛和燃烧器的设计上都采取了相应的措施，如选用了较低的炉膛热强度、较高的炉膛高度、燃烧器分成三段布置，一、二次风在炉内形成大小切圆等等，这些都有利于对结渣的控制。
(2)燃烧器。CE公司为锅炉设计宽范围型燃烧器(WRTYPE)，这种燃烧器对煤种的适应性较强，有较好的低负荷稳燃能力。燃烧器结构的基本特点是一次风和二次风相间布置。一次风喷口装有三角形曲边钝体，煤粉在进燃烧器前的一次风管的弯头处利用惯性力分成浓淡两股，又用隔板导引到燃烧器喷口，这种设计一方面使气流一出喷口就形成一高温回流区，另方面又有高的煤粉浓度和较强烈的扰动，从而具有良好的稳燃能力。一次风喷口外圈是燃料风(周界风)通道，燃料风与一次风呈４５º。每组燃烧器共有１５只喷口， 除６只一次风喷嘴外，最上两层为燃尽风，其目的是实现两级燃烧，降低氮氧化物(NO，)生成和排放。
(3)过热器由顶棚和包覆过热器、 水平及立式低温过热器、 分隔屏过热器和末级过热器(屏式)等四部分组成。 采用了一级喷水减温及摆动燃烧器相结合的调温方式。 减温器后的分隔屏过热器和末级过热器全部布置在炉膛上部， 直接吸收炉内火焰的辐射热量， 因此过热器特性较好。末级过热器的高温段管材大部分采用了耐高温的TP304H和TP347H奥氏体不锈钢.过热器的受热面积总计为14831m²，与同类型的平圩电厂锅炉相比，这部分受热面减少了719m²。
(4)再热器由壁式再热器、中温再热器和高温再热器等三部分组成。壁式再热器布置在前墙，约占前墙水冷壁面积的30％。中温再热器和高温再热器之间不设联箱、也不交叉，而采用中温再热器与高温再热器内外管圈交叉、炉外连接变管径，使其各管流量分配合理。另外在管屏数量上和管屏长度上有差别，中温再热器为76屏、到高温再热器合并为38屏。高温再热器布置在炉膛出口、吸收部分炉内火焰的辐射放热。与一般锅炉相比较，再热器的特点是设计了辐射式再热器， 对流再热器呈逆流布置，末级再热器也吸收部分炉内辐射热。这一特点使再热器的受热面积大为减少。末级再热器的高温部分采用了TP304不锈钢。
(5)锅炉的汽水系统采用强制循环方式。配有3台英国泰勒公司生产的无填料鼠笼湿式感应电动机单级离心泵作为循环动力。 循环倍率为2．0左右，与同容量的自然循环锅炉相比，其循环倍率约低1．0。 汽包采用了上厚下薄的不等壁厚简体，内设汽水混合物导流夹层，这与一般汽包相比，这种汽包结构在锅炉启动和变负荷运行中，汽包上下壁温均匀，这极大地改善了汽包壁的温度分布特性，为快速启动创造了条件。与自然循环锅炉相比，这种型式锅炉具有汽包容积较小，水冷壁管径小，循环系统重量轻、循环倍率低，水动力安全可靠，启动和停炉速度快、调峰运行的适应能力强等优点。
(6)对承压部件采取了更完善的保护。除汽包、主蒸汽管和再热蒸汽热段管道上装有弹簧式安全阀以外，在主蒸汽管道上设置有电磁泄压阀，该阀可自动或手动开启。另外在炉膛出口二侧墙上各装有1支烟温测量探针，在锅炉启动时，由这 2根镍铬 —镍硅热电偶制成的烟温探针来测量烟气温度，以控制启动速度，使炉膛出口烟温限制在538C以下， 以确保再热器的安全。当再热器建立连续流量时 ，则炉膛出口烟温探针可以退出。在炉膛上部的末级过热器和末级再热器管屏上装有壁温测点，锅炉运行时可以随时在CRT上调出金属壁温画面、监视壁温数值和分布趋势。
(8)风烟系统在布置、 测量等方面有其优点。如二次风采用大风箱供风，在进大风箱前设计有联络风道，这使得四角燃烧器二次风喷口速度比较均匀。在每根一次风管上装有节流孔板，保证了每根一次风管内的风速的均匀性，也为煤粉量的均匀性创造了条件。风量的测量装置设计成特性不易改变、不易磨损和堵塞，具有性能稳定、寿命长的特点。每一台辅机前后都设计有隔离挡板，便于在机组运行中的在线检修和保证在检修时的人身安全。
(9)炉顶小室将汽包、过热器、 再热器和省煤器的大部分炉顶联箱和导汽管道笼罩在内，除末级过热器和再热器集箱需保温外，其它均不再需要保温，且能使这些联箱和管道处于内部介质和外壁环境在较小的温差下工作，这使得锅炉启停或变负荷运行中对这些承压部件的不利影响最小，而且炉顶的保温性能良好。
