超超临界锅炉技术

超超临界锅炉技术

张文博

（浙江省玉环县华能玉环电厂，317600）

我国一次能源消耗以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的75％以上。由于电力是最大的煤炭用户，要提高煤炭的利用效率，提高燃煤电厂的效率是一个主要途径。超临界技术在国际上已是常规技术，加上脱硫、脱氮技术的成功运用，使其成为比较有竞争力的技术。因此，我国在今后的若干年煤电发展中，首选的应是大容量的超临界机组。

所谓的超超临界参数的概念实际为一种商业性的称谓，以表示出发电机组具有更高的压力和温度，因此各国、甚至各公司对超超临界参数的开始点定义也有所不同，例如：日本的定义为压力大于24.2MPa,或温度达到593℃；丹麦定义为压力大于27.5MPa；西门子公司的观点是应从材料的等级来区分超临界和超超临界机组等等。我国电力百科全书则将超超临界定义为：蒸汽参数高于27MPa。综合以上观点，一般将超超临界机组设定在蒸汽压力大于25MPa，蒸汽温度高于580℃的范围。

关键词：超超临界 锅炉

1超超临界锅炉的发展状况

从上个世纪50年代开始，世界上以美国和德国等为主的工业化国家就已经开始了对超临界和超超临界发电技术的研究。经过近半个世纪的不断进步、完善和发展，目前超临界和超超临界发电技术已经进入了成熟和商业化运行的阶段。

阶段超超临界机组的技术发展具有以下三方面的特点：

1) 蒸汽压力取得并不太高，多为25MPa左右，而蒸汽温度取得相对较高，主要以日本的技术发展为代表。近期欧洲及日本生产的新机组，大多数机组的压力保持在25MPa左右，进汽温度均提高到了580℃-600℃左右。

2) 蒸汽压力和温度同时都取较高值(28MPa-30MPa，600℃左右)，从而获得更高的效率。主要以欧洲的技术发展为代表，在采用高温的同时，压力也提高到27MPa以上。压力的提高不仅关系到材料强度及结构设计，而且由于汽轮机排汽湿度的原因，压力提高到某一等级后，必须采用更高的再热温度或二次再热循环。近年来，提高压力的业绩主要来源于欧洲和丹麦一些设备制造厂家。

3) 开发更大容量的超超临界机组以及百万等级机组倾向于采用单轴方案。为尽量减少汽缸数，大容量机组的发展更注重大型低压缸的开发和应用。日本几家公司和西门子，阿尔斯通等在大功率机组中己开始使用末级钛合金长叶片。

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。

表格1超超临界机组的供电效率

蒸汽参数Mpa/℃/℃供电效率（%）供电煤耗g/kWh

24.1/538/56640.94300

31/566/566/566 42.8 287 31/593/593/593 43.1~43.4 284~285

34.5/649/593/593 43.7~44 279~281

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。

3．1材料

随着蒸汽参数的提高，蒸汽管道、阀门、锅炉和汽轮机的材料也有相应的提

高。超临界锅炉高温部件(过热蒸汽和再热蒸汽最后一级受热面)的管子材料随蒸

汽参数增高而提高，具体见表2。

表格2超临界锅炉高温部件管材随蒸汽参数的变化

蒸汽参数Mpa/℃/℃ 16.7/538/538 25/540/560 27/585/600

高温部件材料牌号F12F12P91

蒸汽参数Mpa/℃/℃ 30/600/620 31．5/620/620 35/700/720 高温部件材料牌号 NF616 奥氏体钢 INCONEL镍基合金

3．2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。

3．3 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

华能玉环电厂2×1000MW超超临界变压运行直流锅炉（型号：HG-2953/27.46-YM1）是我国国内运行的首台超超临界锅炉。锅炉蒸汽参数（Mpa/℃/℃）27.46/605/603 炉膛宽×深32.084m×15.67m，高度66.6m.。其主要技术特点：

1. 采用内螺纹管改进型垂直水冷壁，加装了中间混合集箱及两级分配器，进一步减少了水冷壁偏差，并将节流管圈装于水冷壁下联箱外面的水冷壁管上以便于调试、简化结构。

2. 采用低NOx的改进型PM主燃烧器和MACT燃烧技术。

3. 反向双切圆燃烧方式以获得均匀的炉内空气动力场和热负荷分配，降低炉膛出口烟气温度场和水冷壁出口工质温度的偏差。

4. 采用较大的炉膛截面和容积，较低的炉膛断面热负荷、容积热负荷和炉膛出口烟温；因采用双切圆使燃烧器数目成倍增加，降低了单只燃烧器热功率，这些均对防止结焦有利。

5. 过热汽温调温方式为煤水比加三级喷水，再热汽为烟气挡板调温、燃烧器摆动并装有事故紧急喷水。

6. 过热器采用四级布置，再热器为二级布置。为了降低超超临界锅炉因主汽/再热汽温提高到605℃/ 603℃所导致的高温级管子的烟侧高温腐蚀和内壁蒸汽氧化问题，采用了经过长期运行考验的25Cr20Ni奥氏体钢。

7. 采用带有再循环泵的启动低负荷系统，能回收启动阶段的工质和热量并增加了运行的灵活性。

根据国内权威研究机构对机组运行半年后的性能指标现场测试，各项技术性能指标均达到了设计值。其中，锅炉效率为93.88%、供电煤耗为283.2克/千瓦时。机组热效率高达45.4%，达到国际先进水平。二氧化硫排放浓度每立方米17.6毫克，优于发达国家排放控制指标。

华能玉环电厂2×1000MW超超临界变压运行直流锅炉在投运初期遇到了很多