电厂锅炉(火力发电厂三大主要设备之——锅炉)

圈圈笔记 82

电站锅炉 utility boiler

火力发电厂中向汽轮发电机组提供蒸汽的锅炉。包括锅炉本体和配套辅机。燃料在锅炉的炉膛中燃烧后释放热能,经过金属壁面传热使锅炉中的水转化成具有规定参数(温度和压力)和品质的蒸汽,然后把蒸气送入汽轮机,由汽轮机驱动发电机发出电能。

电站锅炉是火力发电厂三大主要设备之一。(2006年)全世界火力发电量约占总发电量的65%,在中国约占75%。因此,电站锅炉无论从它的作用还是从能源消耗来看,对国民经济的发展都有重要的影响。

1.组成和原理

主要由汽水系统和燃烧系统两部分组成。

1.1.汽水系统

给水在锅炉内吸收燃料燃烧放出的热量,经过预热、汽化、过热三个阶段,变成具有规定参数和品质的过热蒸汽,为提高蒸汽动力循环的效率,还需经过第四个阶段再过热。过热蒸汽被送入汽轮机高压缸,经膨胀做功降温降压后回到锅炉再热器中,再加热到一定温度,然后送入汽轮机的中压缸和低压缸中继续膨胀做功。

预热、汽化、过热、再过热过程分别在省煤器、蒸发受热面(水冷壁、凝渣管、对流管束)、过热器及再热器中进行。

1.2.燃烧系统

电站锅炉燃料可以是固体料、液体燃料和气体燃料,燃料特性决定燃料的制备、供给及燃烧方式的不同。

煤是火力发电厂的主要燃料,电站燃煤锅炉以悬浮、流化床燃烧方式为主。

①煤粉锅炉的燃烧系统。原煤进入磨煤机加热干燥并磨成煤粉。有两种方式将煤粉送入炉膛中与来自空气预热器的热空气混合烧。一种为直吹式,即将磨煤机磨制的煤粉直接送入炉膛中燃烧;另一种为中间仓储式,即将磨煤机磨制的煤粉先送到煤粉仓中储存,然后用给粉机将煤粉送入炉膛中燃烧。

燃烧生成的高温烟气流经炉膛和对流烟道中的各级受热面把热量传给水和空气,烟气离开锅炉时温度已较低,然后经过除尘器、脱硫脱硝装置、引风机和烟囱排入大气。

②流化床燃烧系统。原煤破碎成一定粒度的煤粒,通过给料机进入炉膛与炉内高速流动的气体一一固体两相流体强烈掺混烧。与煤粉锅炉的主要区别在于流化床燃烧室内的颗粒浓度远大于煤粉锅炉。

2.锅炉本体的结构类型

本体的结构类型主要取决于燃料特性、锅炉容量和蒸汽参数等因素,常见的有Π型、塔型和箱型(图1)。

2.1.Π型

即倒U型,适用于各种容量的锅炉和各种类型的燃料,是电站锅炉中应用最广泛的形式。锅炉的高度较低,安装起吊方便,受热面易于布置,尾部受热面的检修较方便,风机、脱硫脱硝装置、除尘器等均可置于地面但占地面积较大。

2.2.塔型

适用于燃烧多灰分劣质烟煤、褐煤。无转弯烟道,可减轻飞灰对受热面的局部磨损,煤粉管道和燃烧器布置方便,占地面积较小。但炉体高,将空气预热器、除尘器、送引风机等设备置于炉顶时,锅炉构架支撑困难,安装检修较复杂。

2.3.箱型

适用于中、大容量的燃油和燃气锅炉。除空气预热器外的各个受热面都布置在一个箱形炉体中,外形尺寸小,构架简单,占地面积小,密封性能好,锅炉与汽轮机的连接较方便。缺点是制造工艺要求高,安装检修困难。

3.燃烧器及其布置

燃烧器是电站锅炉的主要燃烧设备,其作用是保证燃料和燃烧用空气充分混合,及时着火和稳定燃烧。按其出口气流持性可分为直流式烧器和旋流式烧器。

燃烧器的布置主要采用前墙布置、前后墙对冲布置和四角布置三种方式。按前两种方式布置时,一般采用旋流式烧器,其优点是煤粉管道布置较简单,但不宜用于低挥发分和高灰分的燃料。

四角布置就是把直流式燃烧器布置在炉膛四角,燃烧器出口气流的几何轴线与炉膛中心的一个或几个假想圆相切优点是燃烧比较稳定,适用于煤(包括烟煤、褐煤和贫煤等)、燃油、燃气等多种燃料锅炉。缺点是风道布置较复杂。

4.水循环方式

电站锅炉蒸发系统内工质的循环有自然循环、强制循环、直流和复合循环四种方式。

4.1.自然循环

依靠蒸发系统的下降管与上升管中工质的密度差所产生的压力差建立的循环。适用于从低压到高压直至亚临界压力的锅炉,使用最为普遍,但锅筒内压力一般限于20兆帕以下。

4.2.强制循环

工质除依靠水与汽水混合物的密度差以外,主要依靠装设在下降管与上升管间的循环泵的压头进行的循环。因此,蒸发受热面的布置较自由,锅筒直径也可较小。主要用于亚临界压力的锅炉。

4.3.直流锅炉

给水依靠给水泵的压头,顺次通过加热、蒸发、过热各级受热面最终全部成为所要求压力、温度的过热蒸汽。直流锅炉不设锅筒。锅炉的水容量及相应的蓄热能力较小,且不能靠连续排污去除给水带入锅炉的盐分,所以对自动控制及水处理的要求很高。广泛应用于高压以上的机组,能应用到超临界压力及以上参数。

4.4.复合循环

将直流锅炉与强制循环锅炉二者结合起来,在直流锅炉汽水系统中增设循环泵。适用于亚临界及超临界压力锅炉。复合循环锅炉的汽水系统有多种布置形式。

在高负荷时,循环泵作为增压泵,系统按直流锅炉方式运行。当低于一定负荷投入再循环时,通过水冷壁的流量为给水流量与再循环流量之和。这种系统的特点是减小了高、低负荷下水冷壁中流速的差值,有利于低负荷运行,且高负荷时的流动阻力也不致太大。

一种亚临界压力的复合循环系统,又称低循环倍率锅炉。在这种系统中,蒸发受热面出口装设汽水分离器,额定负荷时的循环倍率K≤2,一般在1.3~1.8之间,同纯直流锅炉相比,低循环倍率锅炉的蒸发系统的阻力较小,更适合于变压运行,而且所用分离器直径远小于一般的锅筒。

5.发展趋势

电站锅炉总的发展趋势是:提高蒸汽参数,增大单机容量,环保与洁净煤燃烧,垃圾锅炉等。

5.1.提高蒸汽参数

提高蒸汽压力和过热蒸汽温度,可提高电站汽轮发电机组的效率。以亚临界机组过热和再热汽温均为538℃为例,保持汽温不变,把出口压力从16.5兆帕提高到超临界24.2兆帕时,电站效率可提高1.8%。若温度不变进一步提高压力,则电站效率提高不多。

若保持出口汽压24.2兆帕不变,汽温从538℃提高到621℃,则电站效率可提高3.7%。蒸汽压力30~31兆帕,蒸汽温度580~600℃时,机组效率可达到45%~49%。

随着工艺性能良好的高强度耐热钢种的开发成功,高参数电站锅炉得到广泛应用。

5.2.增大单机容量

增大单机容量可以降低电站单位功率(千瓦)的设备造价,但设备造价并非随着单机容量的增加成比例降低。电站锅炉发展方向总的说来是增大单机容量,但当容量超过某一定值时,经济性反而要降低,单机的最大容量究竟应增大到何等程度,尚在探讨中。

5.3.环保与洁净煤燃烧

电站锅炉所排放烟气中含有硫氧化物、氮氧化物及二氧化碳等有毒有害物质,排放量约占各类污染物总量四分之一。

洁净煤燃烧技术可以在烧过程中控制硫氧化物和氮氧化物的生成,或从烟气中除去硫氧化物和氮氧化物,保证污染物的排放达到环保要求。

20世纪90年代开始,采用先进燃烧技术的循环流化床锅炉(CFB)、煤联合循环机组〔增压流化床燃煤联合循环(PFBC-CFB)和整体煤气化联合循环(IGCC)〕已经得到广泛应用,并向大型化发展。

无论从提高电站效率还是从污染物排放控制来看,洁净煤烧技术将是电站锅炉的一个发展方向。

5.4.垃圾锅炉

以城市生活垃圾或固体废弃物为燃料的锅炉。它以实现城市垃圾减量化、无害化及资源化为目标。锅炉的容量参数和效率均不高,但社会效益明显。

发达国家垃圾资源化率已达50%,中国尚处于起步阶段。垃圾电厂因其排放控制严格,烟气处理设备价格昂贵等因素,在一定程度上影响了它的发展。

摘自:《中国大百科全书(第2版)》第5册,中国大百科全书出版社,2009年

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