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第23卷 第1期 2003年2月 动 力 工 程 POW ER EN GI N EER I N G Vol . 23 No. 1 Feb.2003 综述 文章编号 10002676120030122127208 1000MW级火电机组锅炉发展综述 匡江红1, 陈端雨2 1. 上海工程技术大学 机械工程学院,上海200336; 2.上海发电设备成套设计研究所,上海200240 摘 要介绍了国外1000 MW级火电机组锅炉参数及发展情况,并对我国大容量机组锅炉的发展提出了建 议。表4参9 关键词大容量;火电机组;锅炉;百万千瓦级 中图分类号 TK 08 文献标识码 A 收稿日期 2002208219 修订日期 2002208220 作者简介匡江红1967. 8- ,女,硕士,讲师。 长期从事电站 锅炉传热方面的试验研究工作。 0 前言 上海外高桥电厂第二期工程为引进2台 900 MW超临界压力变压运行发电机组,锅炉由 德国阿尔斯通公司设计制造,汽轮机由西门子公 司设计制造,将于2003年投运。这是我国迄今为 止单机容量最大的火电机组,是我国火电发展史 上的又一个新的里程碑。在我国自行设计发展百 万千瓦级火电机组以前,必须做好各种技术准备 和储备工作;另一方面,对大容量机组运行中可能 出现的问题和故障也应有所估计和准备。 为此,了 解百万千瓦级大容量机组锅炉的发展情况、 结构 特点以及运行情况是非常必要的。 直至90年代中期,已经投运了单机容量在 800 MW以上的火电机组的国家只有美国、 日本 和原苏联3个国家。德国在90年代末、21世纪初 才投运了一些800 MW以上的火电机组。我国东 北的绥中发电厂在90年代从俄罗斯引进了 800 MW机组。其它国家则少见有这类大容量机 组投运的报道。百万千瓦级的大容量火电机组从 60年代在美国的兴起, 70年代开始逐渐衰退,至 80、90年代在日本又崛起的经历,以及国外大容 量机组锅炉的运行和技术发展经验均值得我国借 鉴。 本文主要介绍美国、 日本以及原苏联等3个国 家大容量机组锅炉的发展情况。 1 美国的大容量电站锅炉 本世纪60、70年代是美国火电行业的黄金时 代。 由于不断增加单机功率和提高蒸汽参数,大容 量、 高参数火电机组不断涌现,单机容量迅速突破 1000MW。 首台1000 MW以上发电机组于1965年投 运,装于Consolidate Edison电力公司的Ravens W ood火电厂,其锅炉由CE公司设计制造。CE、 B②由于 是直流流动,管屏的所有管子中工质入口温度相 同;③双面曝光水冷壁和外围水冷壁是串联的;④ 所有的炉膛受热面均可疏水。 这些特点使锅炉具有许多优越性。通过炉膛 四周平行管子的流量可以调节,使管屏中的流速 不会过大,也不会过小。另外,由于使用了再循环 泵,水冷壁的压力降特性也得到了改善。 1. 2 B另外一个系列是配1300 MW 机组。首台1000MW以上机组锅炉于1965年订 货,装于美国TVA电力公司的Paradise电站3 号机组上。 表2为B 过热蒸汽压力 26. 65M Pa;过热蒸汽温度 543 C; 高压再热蒸汽流 量 2017t h; 高压再热蒸汽出口压力 6. 81 M Pa; 高压再热蒸汽出口温度 552 C; 低压再热蒸汽流 量 1822t h; 低压再热蒸汽出口压力 2. 30 M Pa; 低压再热蒸汽出口温度 566C。 2锅炉结构特点 炉膛高度为48. 16m ,深度为12. 19m ,宽度为 25. 0m。 炉膛中间为双面曝光水冷壁。 在炉膛前后 墙上分3层共布置了36只旋流式燃烧器,形成对 冲燃烧。 过热器由布置在炉膛的大节距屏和炉膛出口 的末级过热器组成,其间有喷水减温。 后烟道分2个烟气通道,前通道内布置高压 再热器,后通道内布置低压再热器,再热器采用的 是管屏结构。烟气流量由布置在省煤器后的烟道 挡板来调节。在锅炉负荷为60～100额定负 荷范围内,再热蒸汽温度通过调节挡板和少量喷 水保证。 9212 第1期动 力 工 程 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3汽水流程 给水经省煤器后流过双面曝光水冷壁、 前水 冷壁、 侧水冷壁、 后水冷壁、 炉膛上部水冷壁到尾 部包覆,再从顶棚到过热器。每个回路由联箱隔 开,并进行混合和再分配。这样,在进入下一回路 前,介质的温度偏差可得以缓解。 炉膛内水冷壁回 路的焓增在221～279kJkg之间,温升为21. 1C ～26. 7 C, 炉膛回路极为稳定,对热扰动也不敏 感。 4运行情况 A EP的5台835 MW锅炉,首台Big Sandy 电厂的锅炉于1969年5月启动。第5台,即 Amos电厂的锅炉于1972年4月启动。Big Sandy 电厂的锅炉在投运后2个月,过热器吊耳上出现 了纵向裂纹, 90发生在低压再热器部分, 10发 生在高压再热器部分。 分析表明这些裂纹是由振 动导致的应力引起。该锅炉同时还出现了喷水量 增加的问题,后4台锅炉经修改后避免了这些问 题。 已投运的5台机组,按4台锅炉统计 1 台因 汽轮机事故未计入 , 平均可用率为84. 1。 1. 4 小结 美国的电力事业由于是私人经营,火电机组 的容量和参数无一定规格。其电站锅炉的容量在 上世纪60年代出现了飞速发展。而进入70年代 后,美国大容量机组的发展趋于停滞,主要原因如 下①燃料发生变化,要求燃用劣质煤,对机组的 可用率产生了不利影响,尤其是对大容量机组的 影响更大。所以,从经济角度出发,电力业明显趋 向于要求发电设备有更大的可用率;②由于缺乏 经验即迅速增大容量,使得这些高参数大容量机 组的煤种适应性差,煤种改变后会产生腐蚀、 堵灰 等问题;③由于电源构成和电力需求的变化,要求 大容量火电机组也要承担调峰任务。而大容量机 组在设计时只考虑带基本负荷,不适应调峰的需 要。所有这些原因使得美国的电站锅炉不再向大 容量方向发展。锅炉设计趋于保守,主力机组为 500～800 MW机组。 80年代后,美国的注意力主要放在发电机组 的运行可靠性和运行准备程度上。 虽然,此后美国 的几大锅炉制造商从未放弃过对大容量机组的开 发研制,但由于美国国内电力业的日渐衰退,大容 量机组的订货很少,影响了及时向这一方向的发 展。 2 日本的大容量电站锅炉 2. 1 概述 日本国内缺乏燃料资源,要依赖进口。 为节约 燃料,必须大力提高火电设备的经济性,而提高蒸 汽参数、 采用大容量机组是提高发电效率、 减少基 建投资每千瓦装机容量的投资的最有效措施。 因此,自上世纪60年代开始,日本积极开发超临 界压力机组。由于不断增大单机容量和提高蒸汽 参数,大容量、 高参数机组不断涌现,单机容量迅 速达到百万千瓦级水平。 日本的首台1000 MW火电机组于1974年在 鹿岛电站投运。锅炉由三菱重工业公司制造。表 3为日本部分已投运的1000 MW及以上火电机 组的锅炉情况。 1989年6月,日本还在川越电站投运了世界 上首台超超临界变压运行直流锅炉,配700 MW 发电机组,锅炉蒸汽参数为31. 0 M Pa, 566C566 C566C。 2. 2 日本的锅炉制造厂 日立公司、 三菱重工业公司和石川岛播磨公 司是日本国内的三大锅炉制造商。这三大公司的 大容量、 超临界参数锅炉均分别按美国有关厂家 的许可证进行制造。日立公司按B三菱重工业公司按CE公司生产超临界压力 复合循环锅炉;石川岛播磨公司按FW公司的生 产许可证制造。 日本的锅炉制造公司在注意不断引进吸收国 外先进技术的同时,还能将引进技术和本公司原 有技术特点相结合。 如为适应变压运行的要求,日 本从西欧引进了螺旋管圈变压运行机组技术,但 三菱重工业公司仍采用四角切向燃烧,日立及石 川岛播磨公司仍采用旋流燃烧器。正是由于这一 特点,使得日本的锅炉制造业迅速挤身于世界先 进之列。 2. 3 日本大容量电站锅炉的发展 2. 3. 1 发展情况 早期的日本大容量锅炉技术源自美国,各大 公司均按美国有关厂家的制造许可证进行生产制 造,且以燃油、 燃气锅炉为主。但自1975年以后, 受世界石油危机的影响,大容量电站锅炉开始向 新的方向发展 1开展了对大容量燃煤电站锅炉的研制。 日 0312 动 力 工 程第23卷 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表3 日本的1000 MW级电站锅炉 发电厂 机组容量 MW 锅炉制造商 锅炉参数 蒸发量 th 主蒸汽压力 M Pa 蒸汽温度 C C 投运年份 鹿岛5号1000三菱重工业公司318024. 15385661974 鹿岛6号1000日立公司318024. 15385661975 袖浦2号1000三菱重工业公司318024. 15385661975 袖浦3号1000日立公司311024. 15385661977 袖浦4号1000三菱重工业公司317024. 15385661979 东扇1号1000日立公司306024. 15385661987 广野3号1000三菱重工业公司319024. 15385661989 松浦1号1000日立公司317024. 15385661990 东扇2号1000石川岛播磨312024. 15385661991 广野4号1000石川岛播磨319024. 15385661993 新地1号1000日立公司308024. 15385661994 新地2号1000三菱重工业公司308024. 15385661995 松浦2号1000日立公司295024. 15935931997 三隅1号1000三菱重工业公司290024. 56006001998 碧南4号1000石川岛播磨305024. 15935932001 本在80年代前以燃油锅炉为主, 1000 MW锅炉 多为燃油、 燃气锅炉,以后发展了1000 MW燃煤 机组。90年代,燃煤锅炉在日本得到迅速发展。 日 本燃煤锅炉的特点是①大容量。 已有几台 1000 MW燃煤火电机组在运行、 建设和设计中; ②超高温高压及二次再热;③可使用不同性质的 进口煤炭;④能带中间负荷;⑤注重环保;⑥便于 维修。 2开发变压运行机组。由于电源构成的变 化,即核电容量的增长和昼夜电力需求变化的加 剧,火电机组承担调峰负荷已成必然之势。 大容量 火电机组也需承担调峰负荷。 因此,日本的锅炉制 造商开始了对变压运行机组的开发。 由于美国的几大公司生产的大容量锅炉水冷 壁均采用垂直管圈,基本上不能适应变压运行。 为 此,日本从西欧引进了螺旋管圈变压运行机组技 术,即采用了螺旋管圈型的模式水冷壁结构。 通过 减少炉膛水冷壁管的根数来使管内流体的质量流 速提高2～3倍,从而避免了超临界机组锅炉在变 压运行时,当处于亚临界压力范围时出现的金属 管壁温度升高的问题。 但日本并未停留在引进技术上,仍不断研制 开发更新更好的技术。水冷壁采用螺旋管圈固然 可以实现变压运行,但与垂直管圈相比,存在结构 复杂、 系统阻力损失高、 输送动力增大、 支吊困难 等缺点。为此,日本三菱重工业公司在CE公司和 苏尔寿公司的帮助下开发了超临界参数的垂直管 圈变压运行机组。在原来的垂直管圈的基础上进 行了下述改进①水冷壁管采用了内螺纹管以防 止工质偏离核态沸腾;②加装了水冷壁节流圈以 减少热偏差;③在烟道内布置蒸发器。 通过采取上 述措施,采用垂直管圈的锅炉炉膛也能适应变压 运行的需要了。除了克服了前述的螺旋管圈的缺 点外,对于燃煤锅炉垂直管圈炉膛,还有这样一个 优点即灰渣易于脱落,使炉膛水冷壁的结灰渣量 减少。 目前在日本,垂直管圈型和螺旋管圈型变压 运行机组均有成功运行的例子。 3日本还相当重视高温材料的开发和实用 化。 开发了许多耐高温高压的新材料,并及时应用 于新建锅炉。目前已开发出超超临界锅炉用高强 度奥氏体钢; TEM PALOY AA21,可用于30 M Pa 以上630C的蒸汽参数。 2. 3. 2 大容量锅炉技术特点 日本的大容量火电机组锅炉的主要技术特点 如下 1锅炉型式和燃烧方式 锅炉为单炉膛,采用四角燃烧或八角燃烧方 1312 第1期动 力 工 程 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 式,如三菱重工业公司采用的是无分隔墙的八角 燃烧单炉膛,它由2个四角燃烧炉膛组合而成。 2高蒸汽参数。日本的锅炉设计自1959年 开始采用563C的蒸汽参数,沿用至1993年,以 后采用593C的蒸汽参数。 目前,常用的超临界压 力机组的蒸汽参数为24. 1 M Pa- 593C593C或 24. 1 M Pa- 593C593C593C。 3采用变压运行技术由再循环烟气量控制 炉膛吸热量,由后烟道挡板控制再热蒸汽温度。 4高温材料开发实用化。 5增加了机组可靠性监测技术,如锅炉管子 泄漏检测装置、 过热器及再热器检查用机器人等。 2. 3. 3 发展趋势 今后日本在大容量电站锅炉方面的发展趋势 为①以燃煤机组为主;②要求能实现变压运行; ③开发能适应更高参数要求的新钢种。 2. 4 大容量电站锅炉示例 2. 4. 1 新地发电厂1号机组锅炉 新地发电厂1号火电机组于1994年7月投 运,是当时世界上最大的变压运行燃煤机组。 锅炉 由日立公司制造,采用了螺旋管圈水冷壁结构,锅 炉设计参数示于表3。 从运行结果看,锅炉性能如下在各负荷下, 蒸汽温度特性基本上与设计值一致。螺旋管壁出 口金属温度分布均匀,锅炉效率达到了设计值。 2. 4. 2 新地发电厂2号机组锅炉 新地发电厂2号机组锅炉是日本第一台配有 垂直式炉膛水冷壁的超临界变压运行燃煤锅炉。 新地发电厂2号机组容量为1000 MW ,于1995年 7月正式工业运行。锅炉由三菱重工业公司制造。 锅炉的设计参数示于表3。 锅炉试运行期间的各种试验结果均证实了该 形式炉膛的可靠性达到了预期目的。 3 原苏联的大容量电站锅炉 3. 1 概述 原苏联发电机组的发展按国家计划进行,是 典型的计划经济模式。机组容量统一,规定为 200 MW、300 MW、500 MW、800 MW 和1200 MW。 300 MW及以上机组统一采用超临界压力。锅炉 出口蒸汽压力为25 M Pa,蒸汽温度最初为565C 570 C, 后因材料原因降至545C545C。 首台800 MW机组于1964年制造出厂, 1967 年投运,安装于斯拉维扬斯克电站。自1968年起 开始设计1200 MW机组, 1977年制成, 1980年试 运行, 1983年正式工业运行,安装在科斯特罗姆 电厂。 这是欧洲单机容量最大的发电机组,也是原 苏联唯一的1台单机容量在1000 MW以上的机 组。 原苏联曾规划在800 MW机组完善化后,将发 展1200 MW和1600 MW机组,但由于社会和电 网的原因,第二台1200 MW机组未能建造,而原 计划要发展1600 MW机组的打算也落空了。 3. 2 800 MW机组锅炉简介 原苏联制造800 MW机组锅炉的工厂有塔干 罗格锅炉厂Т К Э和波多尔斯克锅炉厂П К Э。 塔干罗格锅炉厂生产的800 MW机组锅炉的 型号有Т П П 2200、 Т П П 220021、 Т П П 2804、 Т Г М П 2 204;波多尔斯克锅炉厂的型号为 П 267。 Т П П 2200是原苏联最早的800 MW 机组锅 炉, 1964年出厂, 1967年在斯拉维扬斯克电站投 运。锅炉蒸发量为2650t h, 采用了双炉体结构, 实际上是2台对称布置的1325th锅炉,烧重油 和天然气。Т П П 220021型锅炉燃用顿涅茨克无烟 煤屑,以天然气为备用燃料,在炉膛前后墙上布置 了24个扰动式燃烧器。锅炉为双炉体结构,半开 式、 液态排渣。 Т П П 2200系列锅炉在调整和运行过程中暴 露了许多缺点,且双炉体对再热蒸汽温度的调节 无明显优点,投资比单炉体增加了2～3 ,加 之维护较复杂,所以 Т П П 2200系列锅炉只造了2 台, 1970年后不再生产。 塔干罗格锅炉厂在2台 Т П П 2200系列锅炉 设计、 制造、 运行的基础上,又设计制造了燃用重 油、 天然气的 Т Г М П 2204型锅炉和燃用库兹涅茨 烟煤的 Т П П 2804型锅炉。 由 П 267型锅炉由波多尔斯克锅炉厂于1967 年完成技术设计,投运在别列佐夫第一电站。 表4列出了上述4种型号的800 MW机组锅 炉的一些基本情况。 除 第 一 批 Т П П 2200型 锅 炉 外,原 苏 联 800 MW机组锅炉的共同特点是①蒸发量均为 2650t h, 一次蒸汽压力为25M Pa,蒸汽温度由 565C570C降至545C545 C; ②单炉体结构; ③开式炉膛;④下辐射部分为立式管圈;⑤燃煤的 800 MW机组锅炉均为T型布置、 固态排渣;⑥均 为超临界压力、 一次蒸汽再热锅炉。 2312 动 力 工 程第23卷 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表4 800 MW机组锅炉的特性数据 项目单位Т П П 2200Т Г М П 2204Т П П 2804П 267 锅炉制造厂Т К ЭТ К ЭТ К ЭП К Э 锅炉布置型式П型П型Т型Т型 锅炉出力th2500265026502650 主蒸汽压力M Pa25. 525. 525. 525. 5 主蒸汽温度C565545545545 再热蒸汽温度 C 570545545545 给水温度C271274270274 燃料重油,无烟煤屑重油、 天然气烟煤褐煤 排烟温度C120127135160 锅炉效率 92. 1993. 7391. 591. 5 首台锅炉安装电厂斯拉维扬斯克乌格列哥尔斯克彼尔姆斯克别列佐夫 首台锅炉投运年份1967197519871985 3. 3 1200 MW机组锅炉情况 3. 3. 1 概述 原苏联1200 MW机组锅炉的开发研制经过 了漫长的历程。1968年,原苏联中央锅炉透平研 究所Ц К Т И和塔干罗格锅炉厂Т К Э联合对锅 炉进行方案设计。 在设计过程中,曾提出了2个方 案,进行方案论证,最后确定了其中之一,并对其 主要部件进行了试验研究。 根据试验结果,对方案 设计中的许多参数进行了修改,于1973年才确定 了最终方案,并进行结构设计。 配1200 MW机组的锅炉型号为 Т Г М П 21202, 由塔干罗格锅炉厂制造,安装在科斯特罗姆电厂, 于1980年投入试运行, 1983年正式工业运行。 3. 3. 2 锅炉参数 Т Г М П 21202型锅炉的主要技术数据如下额 定蒸发量 3950t h; 过热蒸汽温度 545 C; 额定蒸 汽压力 25. 5 M Pa;再热蒸汽流量 3240t h; 再热 蒸汽出口压力 3. 75 M Pa;给水温度 270C。 3. 3. 3 结构特点 锅炉为单炉体 П型布置,炉膛与对流烟道均 由气密性水冷壁包覆,以适应低过量空气系数和 正压运行。锅炉燃用高硫重油和天然气。 锅炉炉宽为30. 95m ,深度为29. 026m ,炉膛 内装有56只燃烧器,沿高度分3层前后墙对冲布 置。 锅炉采用统一的水冷壁管屏,所有管子均采用 12Cr1M oV钢制成。 过热器由屏式过热器和两级对流过热器组 成,布置在水平烟道中。再热器由三级组成布置 在过渡水平烟道中的出口级、 下级竖井中的中间 级,以及布置在转向室中的受热面。 3. 3. 4 运行情况 运行过程中对锅炉受热面工况在800 MW～ 1200MW范围内进行了试验研究。从测量结果 看水冷壁下辐射区管子的金属温度分布不均匀 主要与炉膛火焰充满特性有关,水冷壁管屏之间 的温度偏差不超过10C。 在740 MW～1200 MW范围内进行了锅炉的 滑压运行试验。 试验结果表明锅炉受热面工作是 可靠的,没有蒸发受热面工质热力水力偏差和脉 动。但当负荷下降到550 MW时出现了温度工况 恶化现象。 从总的运行情况看锅炉通常在65～ 100负荷下以低过量空气系数运行,锅炉毛效率 达到94～94. 1 ,比设计值高。 与800 MW机组相比, 1200 MW机组的运行 经济性没有明显的优势,其可靠性尚需稳步提高, 这也是原苏联始终未筹建第二台1200 MW机组 的原因之一。 4 结语 从上述介绍不难发现美国是最早生产大容 量、 高参数火电机组的国家,但从上世纪70年代 起,由于受到所谓可用率的影响,阻止了其大容量 机组的进一步发展。尽管在1978年,美国组织调 查研究后,明确了超临界压力的大容量机组的可 靠性差与锅炉本身并无直接联系;同时美国国内 的许多锅炉厂已采用了西德的能适应滑压运行和 较宽广劣质煤燃烧的本生锅炉炉型。 但由于80年 3312 第1期动 力 工 程 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 代后,美国国内电力业衰退,订货很少,影响了及 时向这一方向的发展。 原苏联则由于政治原因,苏联的解体,使得发 展大容量电站机组的计划流产。 而日本由于其技术情报灵,重视试验研究工 作,能不断提高设计工艺和运行水平,广泛汲取国 外先进经验,果断、 及时地利用新技术,最终在大 容量火电机组的发展方面走在了世界前列。 日本发展大容量火电机组的经验值得我国借 鉴。目前,我国已具备设计、 制造600 MW超临界 机组的能力,但在百万千瓦级大容量火电机组技 术上与国外相比仍存在不少差距,为此提出如下 建议 1加快对大容量引进机组技术的消化吸收。 深入了解引进机组锅炉的设计特点和运行情况; 2在此基础上,逐步考虑国产化,自行开发 设计百万千瓦级火电机组锅炉。锅炉参数可先采 用超临界参数,如国外较成熟的24. M Pa, 539C 539C级蒸汽参数;进而可开发出更高参数的锅 炉,即超超临界参数锅炉,参数可先设定为31. 0 M Pa, 566C566 C, 条件成熟时,再实施更高一 级的蒸汽参数; 3抓紧对高参数锅炉材料的开发研究,如对 新型铁素体钢和奥氏体耐热钢的开发和改进。可 在调查研究基础上,先确定各蒸汽参数档次用的 新材料,集中力量消化复核和开发超超临界机组 用材。 总之,上海外高桥电厂二期900 MW机组的 引进是我国火电业发展的一个契机。我们应及时 利用这一机会,吸取国外大容量机组发展过程中 的经验教训,及早开发、 设计出我国的首台百万千 瓦级火电机组锅炉,使我国的火电领域向着高参 数、 高效率的方向稳步发展。 参考文献 [1] Bouton GW , Hansen WA. 1300MW U nit at TVA Lead the W ay for Tomorrow’s 2000MW U nits[C ]. Proceedings of the American Power Conference, 301968 383～393. [ 2] Dolan J E, Steven WD. AEP’s 835MW Boilers Series[C ]. Proceedings of the American Power Conference, 35 1973 593～602. [3] O lds FC. Trends in Power Boilers[J ].Power Engineering, 19782 42～52. [4] Davis CM , Haller KH, W ienerM. Large U tilityBoilers2Ex2 perience and Design Trends[C ].Proceedings of the Ameri2 can Power Conference, 381976 280～295. [ 5 ] Cincinnati Gas 2. Shanghai Pow er Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China Abstract The developing experience of foreign fossil2fuel fired boilers of the pow er station at the level of 1000 MW is introduced in this paper, and the suggestion is also proposed in the paper on how to de2 velop the large capacity fossil2fuel fired pow er boilers in our country.Tables 4 and refs 9. Key words large capacity; fossil2fuel fired pow er boiler; level of 1000 MW 4312 动 力 工 程第23卷 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.