[科普中國]-電站鍋爐

所謂電站鍋爐，通俗來講就是電廠用來發(fā)電的鍋爐。一般容量較大，現(xiàn)在主力機(jī)組為600MW，目前較先進(jìn)的是超超臨界鍋爐，容量可達(dá)1000MW。 電站鍋爐主要有兩類：煤粉爐和循環(huán)流化床鍋爐。這兩類鍋爐是目前電站所用的主要類型。流化床爐和煤粉爐的最大區(qū)別是燃料的狀態(tài)不同，即液體和煤塊粉狀。1

簡介電站鍋爐又稱“電廠鍋爐”，是指發(fā)電廠中向汽輪機(jī)提供規(guī)定數(shù)最和質(zhì)量蒸汽的中大型鍋爐?；鹆Πl(fā)電廠的主要熱力設(shè)備之一。常與一定容量的汽輪發(fā)電機(jī)組相配套，主要用于發(fā)電，但在某些特殊場合下也可兼作對外供熱之用。一般其蒸發(fā)量較大，蒸汽參數(shù)(汽溫和汽壓)很高，需要有一整套的輔助設(shè)備，多需配置室燃爐膛，采用強(qiáng)制通風(fēng)方式，可燃用多種燃料(煤粉、原油或重油、高爐煤氣或煉焦?fàn)t煤氣)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，效率較高，多數(shù)可達(dá)85～93%左右，對運(yùn)行管理水平、機(jī)械化程度以及自動控制技術(shù)則有相當(dāng)高的要求。2

布置方式主要有前墻布置、前后墻對沖布置和四角布置。按前兩種方式布置時,一般采用旋流式燃燒器,其優(yōu)點(diǎn)是煤粉管道布置較簡單，但不宜用于低揮發(fā)分和高灰分的燃料。四角布置就是把直流式燃燒器布置在爐膛四角，其噴口中心線與爐膛中心的一個假想圓相切。四角布置的缺點(diǎn)是風(fēng)道布置較復(fù)雜，但燃燒比較穩(wěn)定，它適用于多種燃料（包括褐煤、煙煤和貧煤等）。1

結(jié)構(gòu)類型電站鍋爐的本體結(jié)構(gòu)類型主要取決于燃料特性、鍋爐容量和蒸汽參數(shù)等因素。常見的有倒u型、塔型和箱型，如圖1所示。

(1)倒U型適用于各種容量的鍋爐和燃料，故應(yīng)用廣泛。鍋爐的高度比其他爐型低，受熱面布置較方便，風(fēng)機(jī)和除塵設(shè)備都可放在地面上，但占地面積較大。

(2)塔型適用于燃用多灰煙煤和褐煤的鍋爐，無轉(zhuǎn)彎煙道，可減輕飛灰對受熱面的局部磨損，且占地面積較小。但爐體高，安裝和檢修較復(fù)雜。

(3)箱型適用于容量較大的燃油和燃?xì)忮仩t。爐膛以上的煙道分為兩部分：一部分直接接在爐膛出口，煙氣上流；另一部分煙氣下流。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積較小，鍋爐與汽輪機(jī)的連接較方便。缺點(diǎn)是制造工藝較復(fù)雜，檢修困難。1

循環(huán)方式電站鍋爐蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的循環(huán)有自然循環(huán)、輔助循環(huán)、直流和復(fù)合循環(huán)4種方式。

自然循環(huán)依靠蒸發(fā)系統(tǒng)的下降管和上升管中工質(zhì)的密度差建立循環(huán)。超高壓以下的鍋爐普遍采用自然循環(huán)方式。亞臨界壓力鍋爐也可采用自然循環(huán)方式，但鍋筒內(nèi)壓力一般限于20兆帕以下。1

輔助循環(huán)與自然循環(huán)的主要差別是在蒸發(fā)系統(tǒng)的下降管和上升管之間裝有循環(huán)泵。循環(huán)推動力除靠工質(zhì)密度差以外，還加上循環(huán)泵的壓力。因此蒸發(fā)面的布置較自由，鍋筒直徑也可較小。這種循環(huán)方式主要用于亞臨界壓力的鍋爐。1

直流鍋爐直流鍋爐中沒有鍋筒，給水依靠給水泵壓力通過各級受熱面最終全部變成過熱蒸汽輸出。直流鍋爐廣泛用于高壓以上的機(jī)組，它能用到超臨界壓力參數(shù)。直流鍋爐因沒有鍋筒，采用小直徑的管子，鍋爐中汽水和金屬的蓄熱量比較小，也不能靠排污去除隨給水進(jìn)入鍋爐的鹽分，所以對自動控制和水處理要求比較高。1

復(fù)合循環(huán)在直流鍋爐汽水系統(tǒng)中增設(shè)循環(huán)泵，把直流鍋爐與輔助循環(huán)二者結(jié)合起來。復(fù)合循環(huán)鍋爐的汽水系統(tǒng)有多種布置方案。圖3是一個典型的超臨界壓力復(fù)合循環(huán)示意圖。在高負(fù)荷時,循環(huán)泵作為增壓泵,系統(tǒng)按直流鍋爐方式運(yùn)行。當(dāng)?shù)陀谝欢ㄘ?fù)荷投入再循環(huán)時，通過水冷壁的流量為給水流量與再循環(huán)流量之和。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是減小了高、低負(fù)荷下水冷壁中流速的差值，有利于低負(fù)荷運(yùn)行，且高負(fù)荷時的流動阻力也不致太大。圖4為一種亞臨界壓力的復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)，也稱為低倍率循環(huán)。在這種系統(tǒng)中，蒸發(fā)受熱面出口裝設(shè)汽水分離器。滿負(fù)荷時的循環(huán)倍率在1.2～2.0之間。同純直流鍋爐相比，低倍率循環(huán)鍋爐的蒸發(fā)系統(tǒng)的阻力較小，更適于變壓運(yùn)行，而且所用分離器的直徑遠(yuǎn)小于一般的鍋筒。1

鍋爐及工作原理介紹流化床鍋爐循環(huán)流化床鍋爐是在鼓泡床鍋爐(沸騰爐)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此鼓泡床的一些理論和概念可以用于循環(huán)流化床鍋爐。但是它們又有很大的差別。早期的循環(huán)流化床鍋爐流化速度比較高，因此稱作快速循環(huán)床鍋爐?？焖俅驳幕纠碚撘部梢杂糜谘h(huán)流化床鍋爐。鼓泡床和快速床的基本理論已被研究了很長時間。要了解循環(huán)流化床的原理，必須了解鼓泡床和快速床的理論以及物料在鼓泡床一湍流床一快速床各種狀態(tài)下的動力特性、燃燒特性以及傳熱特性。

1)流態(tài)化

當(dāng)固體顆粒中有流體通過時，隨著流體速度逐漸增大，固體顆粒開始運(yùn)動，且固體顆粒之問的摩擦力也越來越大，當(dāng)流速達(dá)到一定值時，固體顆粒之問的摩擦力與它們的重力相等，每個顆粒可以自由運(yùn)動，所有固體顆粒表現(xiàn)出類似流體狀態(tài)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為流態(tài)化。

對于液固流態(tài)化的固體顆粒來說，顆粒均勻地分布于床層中，稱為“散式”流態(tài)化。而對于氣固流態(tài)化的固體顆粒來說，氣體并不均勻地流過床層，固體顆粒分成群體作紊流運(yùn)動，床層中的空隙率隨位置和時間的不同而變化，這種流態(tài)化稱為“聚式”流態(tài)化。循環(huán)流化床鍋爐屬于“聚式”流態(tài)化。固體顆粒(床料)、流體(流化風(fēng))以及完成流態(tài)化過程的設(shè)備稱為流化床。1

2)臨界流化速度

對于由均勻粒度的顆粒組成的床層，在固定床通過的氣體流速很低時，隨著風(fēng)速的增加，床層壓降成正比例增加，并且當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時，床層壓降達(dá)到最大值，該值略大于床層靜壓，如果繼續(xù)增加風(fēng)速，固定床會突然解鎖，床層壓降降至床層的靜壓。如果床層由寬篩分顆粒組成的話，其特性為：在大顆粒尚未運(yùn)動前，床內(nèi)的小顆粒已經(jīng)部分流化，床層從固定床轉(zhuǎn)變?yōu)榱骰驳慕怄i現(xiàn)象并不明顯，而往往會出現(xiàn)分層流化的現(xiàn)象。顆粒床層從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲬B(tài)化所需的最低速度稱為臨界流化速度。隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增大，床層壓降幾乎不變。循環(huán)流化床鍋爐一般的流化風(fēng)速是2～3倍的臨界流化速度。

影響臨界流化速度的因素如下：

(1)料層厚度對臨界流速影響不大。

(2)料層的當(dāng)量平均料徑增大則臨界流速增加。

(3)固體顆粒密度增加時臨界流速增加。

(4)流體的運(yùn)動黏度增大時臨界流速減?。喝绱矞卦龈邥r，臨界流速減小。1

電站煤粉鍋爐室燃爐又稱煤粉爐。原煤經(jīng)篩選、破碎和研磨成大部分粒徑小于0.1 mm的煤粉后，經(jīng)燃燒器噴人爐膛作懸浮狀燃燒。煤粉噴入爐膛后能很快著火，煙氣能達(dá)到1 500℃左右的高溫。但煤粉和周圍氣體問的相對運(yùn)動很微弱，煤粉在較大的爐膛內(nèi)停留2～3 s才能基本上燒完，故煤粉爐的爐膛容積常比同蒸發(fā)量的層燃爐爐膛大一倍。這種鍋爐的優(yōu)點(diǎn)為能燃燒各種煤且燃燒較完全，所以鍋爐容量可做得很大，適用于大、中型及特大型鍋爐。鍋爐效率一般可達(dá)90%～92%。其缺點(diǎn)為附屬機(jī)械多，自動化水平要求高，鍋爐給水須經(jīng)過處理，基建投資大。1

技術(shù)問題及預(yù)防技術(shù)問題電站鍋爐的“水冷壁”、“過熱器管”、“再熱器管”、“省煤器管”的高溫腐蝕和磨損，是造成管道泄露的主要原因，也是常見的技術(shù)問題，它給電廠的安全運(yùn)行帶來很大威脅，常常導(dǎo)致事故的發(fā)生。電廠簡稱其為電站鍋爐“四管”。

成因分析爐外小管道爆破主要有焊縫爆破和沖刷、腐蝕減薄爆破兩種。在設(shè)計、施工、運(yùn)行及檢修等各個環(huán)節(jié)上質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)，是導(dǎo)致爐外小管道爆破事故的主要原因。

1. 設(shè)計方面的原因

按設(shè)計慣例，DN≤80 mm的管道，鍋爐廠及設(shè)計院均不提供施工布置圖，而施工單位往往也不進(jìn)行二次設(shè)計，管道的安裝位置只能根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際條件決定。按此施工，可能會產(chǎn)生兩方面的缺陷：一是管道支承不合理，或直管段過長，造成管子受熱時膨脹受阻，導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生應(yīng)力裂紋；二是彎頭過多，管路過長，流動阻力大，管內(nèi)介質(zhì)溫降過大，不同溫度的介質(zhì)匯合后容易造成高溫主管或設(shè)備產(chǎn)生熱疲勞裂紋。另外，在設(shè)計疏水、排污等管道時，閥門后的管道材料按降溫降壓考慮，造成閥門前、后管段的材質(zhì)不一致，這就滿足不了熱態(tài)啟動及主汽溫急劇下降事故發(fā)生時的使用要求。1

2. 施工方面的原因

(1) 管道安裝工藝不良

管子對口處錯口， 沖刷減薄后焊口爆破；過熱器不銹鋼取樣管等的焊接普遍采用火焰焊對接方法，造成焊縫質(zhì)量差。

(2) 管道加工質(zhì)量差

管子冷彎后彎曲半徑過小、橢圓度和波浪度偏大，造成有效通徑減小，彎頭處容易因沖刷減薄而爆破。

(3) 質(zhì)量檢驗(yàn)要求不嚴(yán)

施工規(guī)范DL5007-92焊接篇明確將鍋爐水壓范圍內(nèi)的*76 mm以下的疏水、放水、排污、取樣管子定為Ⅲ類接頭，即一次或二次門后的施工焊縫僅作外觀檢查，不作探傷；與主蒸汽管相連的疏水管，被誤認(rèn)為只作啟動疏水，將其劃為Ⅱ類焊接接頭，僅按5%的檢驗(yàn)量控制檢驗(yàn)，造成檢驗(yàn)率大大低于50%，這些焊縫的質(zhì)量均無法保證管道在高溫高壓下的使用要求。

3. 運(yùn)行維修方面的原因

(1) 監(jiān)督管理不嚴(yán)

運(yùn)行、檢修單位對爐外小管道安全運(yùn)行的重要性認(rèn)識不足，沒有將爐外小管道納入監(jiān)督檢查范圍，致使管道嚴(yán)重腐蝕、沖刷減薄和閥門泄漏等缺陷長期存在。

(2) 檢修質(zhì)量不高

檢修單位力量不足，焊接、金屬檢驗(yàn)水平不高，大、小修時只重視鍋爐本體及壓力容器，忽視爐外小管道，檢修質(zhì)量難以保證。

(3) 超期服役普遍

按《電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)規(guī)程》(DL647-1998)的規(guī)定，與過熱器出口聯(lián)箱、集汽聯(lián)箱、主蒸汽管相連的小口徑管、彎頭、三通和閥門，運(yùn)行105 h以上，應(yīng)全部更換。1

預(yù)防方法1. 對爐外小管道的安全運(yùn)行給予充分的重視

生產(chǎn)單位必須轉(zhuǎn)變觀念，統(tǒng)一思想，充分認(rèn)識爐外小管爆破事故的危害性和采取有效防范措施的必要性，加大管理力度，摸清爐外小管道的實(shí)際工作狀況，堵塞漏洞，遏止?fàn)t外小管惡性爆管事故的發(fā)生。

2. 加強(qiáng)對設(shè)計、施工等環(huán)節(jié)的管理

在設(shè)計、施工時，要把爐外小管道與相應(yīng)等級的母管、閥門前與閥門后的管子同等對待，提高小管道的安裝檢修工藝和質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)焊縫探傷和安裝工藝的檢查和監(jiān)督，把安全、質(zhì)量隱患消滅在初始階段。

3. 加強(qiáng)生產(chǎn)運(yùn)行階段的監(jiān)檢

電廠應(yīng)將在役爐外小管道納入廠金屬監(jiān)督范圍，研究制定出爐外小管的監(jiān)督方法、周期和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合大、小修付之實(shí)施。特別是管道焊縫、彎頭、閥門、支吊架等薄弱環(huán)節(jié)，是金屬監(jiān)督和定期檢驗(yàn)的重點(diǎn)部位。對爐外小管的監(jiān)檢要形成制度，使其安全運(yùn)行切實(shí)得到保障。

4. 更換處理不合格的管段

對爐外小管道進(jìn)行普查，對于腐蝕、沖刷減薄超標(biāo)、焊縫缺陷超標(biāo)的管道或管件，應(yīng)進(jìn)行更換或消缺處理；對于從過熱器出口聯(lián)箱、集汽聯(lián)箱引出的空氣、疏水、壓力信號等小口徑管，以及與主蒸汽管相聯(lián)的小管道、彎頭、三通和閥門，運(yùn)行105 h以上的，作全部更換處理。1

發(fā)展前景火力發(fā)電是我國主要的發(fā)電方式，電站鍋爐作為火力電站的三大主機(jī)設(shè)備之一，伴隨著我國火電行業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。

近年來，環(huán)保節(jié)能成為中國電力工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要方向，火電行業(yè)在“上大壓小”的政策導(dǎo)向下積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，關(guān)閉大批能效低、污染重的小火電機(jī)組，在很大程度上加快了國內(nèi)火電設(shè)備的更新?lián)Q代。

中國的電站鍋爐產(chǎn)業(yè)，它既不是“朝陽產(chǎn)業(yè)”，也不是“夕陽產(chǎn)業(yè)”，而是與人類共存的永恒產(chǎn)業(yè)。伴隨我國國民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，近年來工業(yè)鍋爐制造業(yè)取得了長足的進(jìn)步。其突出成效是：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)日益規(guī)范，技術(shù)水平逐步提高，產(chǎn)品品種不斷增加，經(jīng)濟(jì)規(guī)模顯著擴(kuò)大。3

2011年1-12月，電站鍋爐及輔助設(shè)備制造業(yè)銷售收入總額達(dá)到（規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)銷售收入之和）1447.276億元，同比增長21.69%；利潤總額達(dá)到113.940億元，同比增長40.06%。2012年1-9月，鍋爐及輔助設(shè)備制造業(yè)銷售收入總額達(dá)到1089.477億元，同比增長7.59%；利潤總額達(dá)到73.914億元，同比增長2.89%。

我國電站鍋爐行業(yè)是一個不斷發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，同時鍋爐行業(yè)和企業(yè)也面臨著各種挑戰(zhàn)。鍋爐行業(yè)必須堅持市場導(dǎo)向戰(zhàn)略，緊緊依靠科技進(jìn)步，依靠科技創(chuàng)新，在國家能源和環(huán)保政策的引導(dǎo)下，調(diào)整企業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，制造銷售符合市場需求的鍋爐才能在激烈的市場競爭中占有一席之地。

“十二五”期間，火力發(fā)電在全國電力中的比例將下降4-5個百分點(diǎn)，然而中國煤炭豐富、電力偏緊的資源特征決定了在今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，火力發(fā)電仍將在電力工業(yè)中占據(jù)重要地位。

雖然當(dāng)前火電發(fā)展增速減慢，但長遠(yuǎn)來看，在環(huán)保技術(shù)進(jìn)步、發(fā)電成本降低、電力需求增加等積極因素的推動下，火電行業(yè)未來發(fā)展前景較為樂觀。由此可見，火電站用燃煤鍋爐市場發(fā)展?jié)摿薮?，其中CFB（循環(huán)流化床鍋爐）鍋爐、IGCC氣化爐的增長潛力將更為顯著。4

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王強(qiáng) - 副教授 - 西南大學(xué)