锅炉超临界压力怎么来的【锅炉技术|超超临界压力锅炉的发展及应用】
超超临界压力锅炉的发展及应用
从目前世界火力发电技术水平来看，提高火电厂效率的方法除整体煤气化联合循环（IGCC）、增压流化床联合循环（PFBC）外，还有超超临界压力技术（USC）。我国已经把大幅度提高发电效率、加速发展洁净煤技术的超超临界机组作为我国可持续发展、节约能源、保护环境的重要措施。
1、超超临界压力锅炉的发展
世界上第一台实验性的超临界锅炉是西门子公司根据捷克人马克·本生1919年的专利方案制造的。超超临界机组并不是按步就班由22．2MPa、538℃／538℃向上发展的，蒸汽参数经历高—低—高的过程。1949年原苏联安装了第一台超超临界试验机组，直流锅炉出口参数为29．4MPa、600℃（12t／h），经节流至15MPa后通入汽轮机，以后又生产了29．4MPa、650℃型号为P—100—300的100MW机组，作为改造中压机组的前置级。1956年西德投运1台参数为34MPa、610℃／570℃／570℃、容量为88MW的机组。美国在50年代末投运了2台具有代表性的超超临界机组，菲罗电厂6号机组，容量为125MW、参数为31MPa、621℃／566℃／538℃；艾迪斯顿电厂1号机组，参数为34．3MPa、649℃／566℃／566℃、容量为325MW。费城电力公司的这台艾迪斯顿1号机从1960年开始按设计参数运行8年，后因出现一些故障，主要是材料问题，1968年起参数降为31MPa、610℃／557℃／557℃。美国一开始就试制这样高参数的超超临界机组，不可避免地频繁发生事故，故不得不降低参数运行。在开发初期，过高的蒸汽参数超越了当时的技术水平。以后将蒸汽降至24．1MPa、538℃～566℃，并逐步完善，这种蒸汽参数保持了20余年。日本引进美国的技术并结合欧洲的适合变压运行的本生式直流炉，成功地开发了超超临界机组。在1989年和1991年成功地投运2台700MW、31MPa、566℃／566℃／566℃的机组，运行情况良好，可用率水平很高。1998年投运主蒸汽和再热蒸汽温度均为600℃的原町2号1000MW机组，该机组实测发电机端效率达44．7％。欧洲在1995～1999年间至少投运9台蒸汽压力28．5MPa～31．0MPa、温度545℃～587℃的超超临界机组，在建的还有10台，并将蒸汽温度提高至600℃以上。其中丹麦已投运的2台超超临界机组的热效率可达47％～49％。
2、蒸汽参数的选择
机组的蒸汽参数是决定机组热经济性的重要因素。一般，压力是16．6～31．0MPa、温度在535℃～600℃的范围内，压力每提高1MPa，机组的热效率上升0．18％～0．29％；新蒸汽温度或再热蒸汽温度每提高10℃，机组的热效率就提高0．25％～0．3％；如果采用二次再热的机组就比一次再热机组的热效率高1．5％～2．0％。现在常规的超临界机组采用的蒸汽参数为24．1MPa、538℃／566℃。超超临界机组一般采用二次再热，其参数为：31．0MPa、566℃／566℃／ 566℃或31．0MPa、593℃／593℃／593℃或34．5 MPa、649℃／593℃／593℃。超超临界机组的供电端效率见表1所示。
随着参数的提高，对材料的要求、产品开发的技术难度、机组的造价也越来越高，比较超超临界机组的3种参数，前2种现实性更大些。随着科技的不断发展，到2005年超超临界机组的参数可为33．5MPa、610℃／630℃／630℃；到2015年参数可达40MPa、700℃／720℃／720℃。
3、超超临界压力锅炉的关键技术
超超临界压力锅炉的关键技术是多方面的，在设计和制造上都有高难技术，如材料的选择、水冷壁系统及其水动力安全性、受热面布置、二次再热系统汽温的调控等，其中热强度性能高、工艺性好、价格低廉的材料的开发是最关键的问题。
1）、材料
早期的超超临界锅炉使用了大量的奥氏体钢，而奥氏体钢比铁素体钢具有高的热强性，但热膨胀系数大、导热性小，抗应力腐蚀能力低、工艺性差，热疲劳和低周疲劳性能（特别是厚壁件）也比不上铁素体钢，且成本高得多，出现许多奥氏体钢制部件损伤事故。世界各国一直致力于开发新材料和新工艺，改进和开发新型铁素体钢和改进了奥氏体耐热钢。欧洲开发出用于625℃的新型铁素体钢E911；美、日等国协作研究了如9％～12％Cr钢NF616、HCM12A和TB12M等新材料；最近15～20年新型铁素体—马氏体的9％～12％Cr钢研制开发成功，允许主蒸汽温度提高至610℃，压力达到30MPa，再热蒸汽温度至625℃。特别是550℃～625℃铁素体耐热钢的开发成功降低了超超临界机组造价。由于蒸汽参数的提高，高温部件的工作环境更为恶劣，因此也必须采用更高级的材料来满足要求。
2）、水冷壁
超超临界压力锅炉的水冷壁系统，主要集中在螺旋管圈水冷壁和由内螺纹管组成的垂直管圈型式两种。螺旋管圈水冷壁可以自由地选择管子的尺寸和数量，因而能选择较大的管径和保证水冷壁安全的质量流速，管圈中的每根管子均同样地绕过炉膛和各个壁面，因而每根管子的吸热相同，管间的热偏差最小，适用于变压运行，其缺点是螺旋管圈的制造安装支承等工艺较为复杂及流动阻力大。内螺纹管的垂直管圈水冷壁受炉膛沿周界热负荷偏差的影响较大，除了需要采取一定的结构措施（例如加装节流装置）使管内工质流量的分配与管外热负荷的分布相适应外，还要求较高的运行操作水平和自动控制水平。在开发超超临界压力机组时，有必要在现有的超临界压力水冷壁内沸腾传热研究的基础上，扩展实验研究的压力范围，进一步进行试验研究，防止似膜态沸腾现象，确保水冷壁系统工作的安全性。
3）、二次再热系统
在设计二次再热锅炉时，必须考虑到高效率在基本负荷下运行，决定最佳的再热器受热面布置和再热蒸汽温度控制方法。超超临界压力锅炉采用了二次中间再热系统，蒸汽温度的控制要比一次再热机组复杂得多。原则上各种高温手段都可以进行再热温度的调节，但考虑到在部分负荷时再热蒸汽温度必须具备能确保设计值蒸汽温度的特性，负荷变化时，再热蒸汽温度对设计变化率必须稳定。
再热蒸汽温度的控制还应考虑到以下两点：
（1）为了不降低机组的效率，在正常运行时不用再热器喷水减温。
（2）采用再循环风机来控制再热蒸汽温度会增加电厂的动力消耗。
4、超超临界压力锅炉实例
1）、日本川越火力发电厂
川越电厂1＃、2＃机组是世界上第一台超超临界机组，采用超超临界压力二级再热系统（31 MPa、566℃／566℃／566℃）使热效率在发电端达到41．9％。其锅炉技术参数见表2所示。
锅炉为燃用液体天然气，直流变压运行。炉膛为长方形断面，每角有8个喷燃器，4角共计32个，喷燃器呈切向布置。在炉膛下部水冷壁管的双相流区域，采用传热性能良好的内螺纹管，内螺纹管里面有沟槽，工质沿沟槽流动。在炉膛上部，热负荷低的部分，水冷壁采用光管。水冷壁管垂直上升排列。内螺纹管材料为STBA23（Φ28．5×5．9mm），螺纹深度1mm、宽5mm，每10cm有4条螺纹。
对再热蒸汽温度的控制，主要采用烟气再循环的方式。在后部烟道的下部，采用分系统烟气档板（采用三菱改进型档板控制系统），作为对2级再热器进行汽温控制以及降低辅机的动力消耗。过热器出口集箱和主蒸汽管采用ASME．SA－335P91和SA－182F91新材料，过热器管采用具有足够抗水蒸汽氧化特性的ASME．SA213－TP347H细晶粒钢管。超高温高压阀采用了高温强度性能好的ASME．SA－182F91材料。
从川越电厂的运行情况看，超超临界机组与相同规模的超临界机组相比有着更好的运行特性，带中间负荷时运行正常，并且热效率一直很高（表3），自投运以来一直保持着很高的可靠性。
2）、丹麦诺加兰德火电厂3号炉
丹麦诺加兰德火电厂3＃机是一台超超临界燃煤供热机组。采用了超超临界蒸汽参数、二次再热，参数为29MPa、580℃／580℃／580℃。该机组的锅炉能适用多种煤种，能带中间负荷。锅炉为超超临界直流Benson塔型，具有螺旋管水冷壁和二次再热器。主蒸汽通过滑压运行和全开汽轮机调门来调控。锅炉的炉膛截面尺寸为12．25×12．25m，高为70m。锅炉安装了16个燃烧器和4个辅助点火燃烧器。它们是煤、油双燃，并且每个点火燃烧器可带负荷7万千瓦（按热值计算）。燃烧器安装在四层的四个角上。一次风系统和烟气再循环一起控制中压缸出口汽温。在一定条件下，烟气再循环可以引入燃尽风系统以控制锅炉出口烟气的温度。水冷壁和锅炉的上部通道选用13CrMo44材料，是因为需要一种不会在水冷壁的焊接处产生应力释放的材料。
540℃以上的过热器管道使用奥氏体合金，采用一种SA213－TP347H细粒钢，能耐蒸汽氧化和高温腐蚀。高温区的联箱和连接管由马氏体钢制造，这种钢的性能符合国际标准的强度系数。
美国和前苏联在发展超超临界机组的初期，遇到很多问题，机组的可靠性低，主要原因是选用了过高的参数，超出了当时的技术发展水平（特别是材料）。现在国外改进和开发的材料已满足了超超临界压力机组的要求，超超临界机组经过不断地完善发展，技术早已成熟。据美国EPRI的统计，超超临界机组的可用率已达90％，有的还要高一些，其可用率并不低于超临界机组和亚临界机组。超超临界机组的热效率高，与常规的超临界机组相比较，至少可节约燃料4％～5％（表1）。运行实践也表明，超超临界机组的变压运行方式能较好地满足调峰的要求。新一代大容量超超临界燃煤机组已具备了优良的经济、环保和启动调峰运行性能，并在低负荷时仍然保持较高的效率。从我国国情出发，发展超超临界机组有利于降低我国平均供电煤耗，有利于电网调峰的稳定性和经济性，有利于保持生态环境，提高环保水平，有利于实现技术跨越，创建国际一流的火力发电厂。
2020年全国装机容量将达到9.5亿kW，其中火电装机仍然占70%，即今后17年将投产4.0亿kW左右的火电机组。火电建设将主要是发展高效率高参数的超临界（SC）和超超临界（USC）火电机组。从目前世界火力发电技术水平看，提高火力发电厂效率的主要途径是提高蒸汽的参数，即提高蒸汽的压力和温度。发展超临界和超超临界火电机组，提高蒸汽的参数对于提高火力发电厂效率的作用是十分明显的。表1给出了蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系［1］。
表1 蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系
机组类型
蒸汽压力/Mpa
蒸汽温度/℃
电厂效率/％
供电煤耗*/kW·h
中压机组
3.5
435
27
460
高压机组
9.0
510
33
390
超高压机组
13.0
535/535
35
360
亚临界机组
17.0
540/540
38
324
超临界机组
25.5
567/567
41
300
高温超临界机组
25.0
600/600
44
278
超超临界机组
30.0
600/600/600
48
256
高温超超临界机组
30.0
700
57
215
超700℃机组
超700
60
205
*供电煤耗用标煤量统计，标煤量是一个统计折算标准，1千克标煤的发热量为7 000大卡。
从表1中的数据可以看出，随着蒸汽温度和压力的提高，电厂的效率在大幅度提高，供电煤 耗大幅度下降，而提高蒸汽参数遇到的主要技术难题是金属材料耐高温、高压问题。
1、承压锅炉部件对钢材的要求
火电厂锅炉关键承压部件主要指水冷壁、过热器、再热器、联箱及管道等，这些承压部件运行在较为恶劣的工况条件下，是设计选用钢材关注的重要部位。以下分类简要介绍超临界、超 超临界锅炉的关键承压部件用钢要求。
1）、水冷壁
水冷壁用钢一般应具有一定的室温和高温强度，良好的抗疲劳、抗烟气腐蚀、耐磨损性能，并要有好的工艺性能，尤其是焊接性能。
通常SC、USC锅炉都采用膜式水冷壁。由于膜式水冷壁组件尺寸及结构的特点，其焊后不可能在炉内进行热处理，故所选用的钢材的焊接性至关重要。要在焊前不预热、焊后不热处理的条件下，满足焊后热影响区硬度不大于360HV10、焊缝硬度不大于400HV10的有关规定（TRD201），以保证使用的安全性。另外，水冷壁管内介质是汽液两相，管外壁又在炉膛燃烧时煤粉颗粒运动速度最快的区域，积垢导致的管壁温度升高和燃烧颗粒冲刷都是选用钢材要考虑的问题。由此可见，水冷壁用钢的开发也是发展SC、USC锅炉的技术关键之一。
随着SC、USC锅炉蒸汽压力、温度的升高，水冷壁温度将提高，如在31 MPa/620℃的蒸汽参数下出口端的汽水温度达475℃，投运初期中墙温度为497℃，垢层增后可升至513℃，热负荷最高区域的管子壁温可达520℃，瞬间最高温可达540℃。这就需要合金含量更高，热强性更好的钢材。
为了满足这种高参数锅炉水冷壁用钢的要求，在SA213T22钢的基础上，开发了2种新钢材T23（HCM2S）和T24（7CrMoVTiB10-10），二者都具有良好的焊接性，在焊前不预热焊后不热处理的条件下（壁厚≤8mm），焊后焊缝和热影响区的硬度均低于360HV10。金属壁温可达600℃，是蒸汽温度620℃以下锅炉水冷壁的最佳用钢。
2）、过热器、再热器
过热器、再热器在高参数锅炉中所处的环境条件最恶劣，所用钢材在满足持久强度、蠕变强度要求的同时，还要满足管子外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀性能、管子内壁抗蒸汽氧化性能，并具有良好的冷热加工工艺性能和焊接性能。过热器、再热器管的金属壁温比蒸汽温度高出25℃～39℃（我国规定为50℃）。
在燃煤含硫量很低、烟气腐蚀性很小的条件下，从蠕变强度角度考虑，SC、USC锅炉的过热器、再热器，当壁温≤600℃时，可选用T91钢；当壁温≤620℃时，可选用T92、T122、E911钢；当壁温≤650℃时，可选用NF12、SAVE12钢。
采用含硫量高腐蚀性大的燃煤时，当壁温≥600℃时（蒸汽温度≥５６６℃），过热器、再热器应选择TP304H、TP321H、TP316H、TP347H奥氏体热强钢。而Super304H和TP347HFG两种细晶奥氏体热强钢蠕变强度高，抗烟气腐蚀和抗蒸汽氧化性能更好，在超超临界锅炉过热器、再热器用钢中得到广泛的应用。当壁温达700℃时，过热器、再热器只能选用高铬热强钢NF709、SAVE25和HR3C等。
3）、联箱与管道
由于联箱（末级过热器、末级再热器出口联箱）与管道（主蒸汽管道、导汽和再热蒸汽管道）布置在炉外，没有烟气加热及腐蚀问题，管壁温度与蒸汽温度相近。这就要求钢材应具有足够高的持久强度、蠕变强度、抗疲劳和抗蒸汽氧化性能，还要具有良好的加工工艺和焊接性能。
由于铁素体热强钢的热膨胀系数小、导热率高，在较高的启停速率下，不会造成联箱、管道壁部件严重的热疲劳损坏，所以铁素体热强钢是联箱、管道的首选钢材。
随着SC、USC锅炉蒸汽温度和压力参数的提高，要求使用热强性高的钢材，这样既可以提高联箱和管道运行的安全性，又可以减少因管壁过厚引起热应力的增加以及给加工工艺带来的困难。所以，SC、USC锅炉的联箱和管道，当壁温≤600℃时，选用P91钢；当壁温≤620℃时，选用P92、P122和E911钢；当壁温≤650℃时，选用NF12和SAVE12钢。