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锅炉全生命周期安全高效运行和节能减排

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  • 发布时间:2014-09-12
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锅炉属危险性大、能耗高的特种设备,是保障国民经济发展的重大基础设施↑年来,锅炉向着更大容量、更高蒸汽参数的方向发展,而在高温耐热钢炼制与设计选型、生产制造、锅炉设计及运行监控等关键技术问题上没有取得实质性突破,导致锅炉事故频发,锅炉安全高效运行面临着严峻挑战。生产实践表明:锅炉-旦发生事故,往往造成重大人员伤亡;常伴有大范围爆炸、严重火灾和环境污染;财产损失惨重,社会影响恶劣。

锅炉事故不断发生的根本原因是锅炉安全高效运行存在以下 5个方面的共性技术问题:(1)高温耐热钢的炼制与生产关键技术没有取得实质性突破;(2)传统设计选型技术不能满足高温耐热钢精确选型的需要;(3)锅炉耐热材料在生产制造过程中的焊接、弯制、热处理关键技术不能满足新材料使用的需要;(4)缺乏高效率离线检测、高可靠性在线监测、安全评估方法及装置;(5)缺乏安全高效的锅炉和燃烧器结构的整体优化设计技术。我们面临的挑战是如何实现这些共性技术问题的重大突破,保障锅炉长周期安全高效运行。

但由于锅炉安全高效运行涉及动力工程及工程热物理、材料科学及工程以及测量控制等多学科问题交叉,机理复杂,难度大;而且锅炉安全高效运行涉及锅炉材料、设计、制造和运行等依次关联的过程控制,其多过程相互耦合。因此,传统的基于单-学科、单-过程的锅炉安全高效运行保障技术无法克服复杂服役环境和材料耦合导致锅炉失效的技术难题,这也-直是国内外动力工程及工程热物理和材料科学与工程领域的技术前沿和挑战。

经过建国后相关部门的共同努力,我国锅炉行业的研究和工程技术人员经过 60多年持续攻关,特别是经过了十-五”和十二五”的大规模的关键技术研发和工程示范,在综合研究的基础上揭示了复杂服役环境与材料耦合导致锅炉失效的机理,提出了锅炉全生命周期预防预警控制失效的新思想,发明了锅炉高温耐热钢炼制、锅炉设计选型,生产制造以及锅炉运行中的检测监测、安全评估和预防预警等技术方法及其系列装置和产品,实现了锅炉全生命周期的安全高效运行。目· , ·前,我国初步实现了基于锅炉材料、设计、制造和运行的锅炉全生命周期的安全高效运行协同预防理念,并以共性技术发明为依托,建立了锅炉全生命周期安全高效运行的保障技术体系,取得了显著的经济、社会效益和节能减排效果,引领了我国锅炉安全高效运行技术的进步。

1 主要技术突破面向锅炉安全高效运行的重大需求,突破了以往基于单-学科进行锅炉安全分析的传统理念,形成了以锅炉材料、设计、制造和运行的锅炉全生命周期的安全高效低排放运行协同预防理念,实现了锅炉全生命周期的安全高效运行和节能减排,总体思路如图1所示 。

H 麓I I·锅炉高温耐热钢炼制和生产关键技术关蓑蔷术H糕 纛 I l·锅炉安全高效设汁及应用的关键技术H图 I 总体思路1.1 发明了通过控制杂质和残余元素含量显著提高锅炉高温耐热钢综合性能的方法,并研制了耐热钢性能数据库系统,开发 了性能优于国外同类产品的系列锅炉高温耐热钢,解决了锅炉高温耐热钢国产化的重大技术难题,从锅炉制造的源头上保证了其安全高效运行耐热钢是制造锅炉的核心材料,是制约世界各国提高锅炉蒸汽参数的瓶颈。1974年后,美、欧和日本相继开发出锅炉高温耐热钢,但-直对我国实行技术保密和产品垄断,致使我国长期依赖进 口。1993年,试验发现我 国 自主试制 的lOCr9Mol VNbN高温耐热钢存在蠕变脆化和强度弱化的致命缺陷,无法实现锅炉高温耐热钢的国产化 严重制约了我国超(超)临界锅炉制造业发展,同时,也影响了我国电力和国民经济的快速发锅炉全生命周期安全高效运行和节能减排循环可靠性差、停电保护差的安全高效运行难题,成为制约其大型化的主要瓶颈。研究发明了工业锅炉新结构、精确配风装置和设计方法,根除了燃煤锅炉长期存在的安全隐患。同时,开发了29MW~140 MW系列等8种燃煤工业锅炉产品,产品性能优于国外产品,已转让应用到多家企业,实现了燃煤工业锅炉安全高效运行。

- 图 12 研发的煤粉燃烧器及 1000 MW超超临界锅炉1.5.3 燃油燃气锅炉安全高效设计油气燃烧器是燃油燃气锅炉的心脏,也是制约我国自主化发展的瓶颈。我国因缺少油气燃烧器的安全检测和测试技术,油气燃烧器长期依赖国外高价进口。通过研究发明了油气燃烧器测试炉,该测试炉具备烟气分析和燃烧器功率曲线测试和绘制功能,可同时检测评价燃烧器输出热功率、燃烧效率和燃烧安全性,是我国第-个且目前唯-通过中国合格评定国家认可委员会认可的燃烧器测试平台,填补了我国燃油燃气燃烧器性能测试的空白。制定了我国第-、二部油气燃烧器安全技术和试验规范,利用该测试平台,设计开发了0.35 MW ~7 MW系列的国产化油气燃烧器和锅炉产品,并应用到多家企业,为油气燃烧器和锅炉安全高效设计提供先进的技术支持。

1.5.4 余热锅炉安全高效设计余热锅炉是回收工业余热发电或供热的装置,我国起步较晚,因缺乏理论和基础研究 ,在防止积灰、磨损、低温腐蚀和有毒烟气泄露安全高效设计上存在盲目性。本项目突破了余热锅炉设计的传统概念,提出了以烟尘特性数据规范设计的思想,发明了突扩形烟风通道导流装置设计方法、钢珠播撒装置和人口多级防磨装置,解决了余热锅炉在受热面积灰、磨损和低温腐蚀方面的难题,开发了余热锅炉热力计算设计系统,同时,设计开发了2500 t/d-6000 t/d系列水泥窑、玻璃窑、铬盐和硅提纯工艺处理有毒烟气的余热锅炉,其中,. 6 。

铬盐余热锅炉和多晶硅提纯废物焚烧余热锅炉填补国内空白。系列技术发明已应用到多个企业,实现了余热锅炉的安全高效运行。

1.6 技术方法、法规、标准锅炉全生命周期的安全高效运行和节能减排关键技术研究的目的是:通过共性技术基础研究形成各种预测、预防和风险评估技术方法,通过关键技术研究形成装置、专利和各种预测、预防和风险评估软件,并以技术创新成果为核心制定锅炉技术规程、导则和标准,确保锅炉全生命周期的安全高效运行和节能减排的顺利实施 ,在十-五”期间,针对锅炉全生命周期的安全高效运行提出了超临界、超超临界电站锅炉承压部件典型耐热金属材料性能综合评价方法、复杂服役环境电站锅炉热交换管失效预警与预防方法、基于风险的电站锅炉安全检验和评价方法以及电站锅炉过热器与再热器剩余寿命评估方法;在方法研究的基础上试制了带保温层管道腐蚀电磁导波检测、水冷壁管腐蚀多通道低频涡流检测、电站锅炉过热器和再热器管高可靠性寿命在线监测系列装置,制订了-系列保障电站锅炉安全高效运行的技术法规和标准,如:《电站锅炉主要承压部件寿命评估技术导则》、《基于风险检验的电站锅炉安全综合评价实施方法 》、《无损检测--磁致伸缩超声导波检测方法》等多项国家标准草案,推动了我国电站锅炉离线检测、在线监测安全评定、寿命预测和风险评估的整体技术进步。

2 研究展望十-五”期间电站锅炉安全高效保障关键技术研究作为攻关课题在我国首次提出,满足了国家实施特种设备安全战略规划的重大需求。通过十-五”和十二五”前期科技攻关 ,我国涉及锅炉安全高效运行关键技术研发的高效和科研单位初步建立了国内具有学科交叉和优势互补的合作团队--以年轻研究人员为主的老中青结合的活力团队,这个团队具有扎实的研究基础,雄厚的研究实力,因此,取得了-系列的研究成果及示范工程应用,但是,科学技术的研究是无止境的,十-五”期间,虽经努力,初步建立了电站锅炉安全高效低排放的保障技术体系,但是仍然有很多实际问题等待着我们去解决 J。

第 30卷第 1期 压 力 容 器 第 242期2.1 新型耐热钢和耐高温合金的国产化在成功揭示了高温耐热钢 T91/P91钢蠕变脆化机理之后,1998年,长城特殊钢公司批量试制了I'91钢管,并实现了向东方锅炉厂供货。同期,宝钢股份公司等单位也开展了T91钢管的试制工作∝止2010年底,北满特殊钢有限责任公司、宝钢股份公司、江苏常州常宝精特钢管有限公司、江阴兴澄特种钢铁公司、太原钢铁公司等冶金企业已基本可稳定供应I'91钢坯(管),基本上实现了T91钢的国产化。

扬州诚德钢管有限公司是我国大型钢管制造企业,主要生产 0219 mm以上的大口径高压锅炉管、石化用管等高端管材产品,是国内无缝钢管品种较全的科技民营企业。该公司在北满特殊钢有限责任公司提供管坯的基础上经过多次技术创新和关键技术攻关,采用独特的新型锥形辊斜轧延伸新工艺,研制成功大口径高端锅炉合金钢管,并实现批量生产,钢管性能达到且部分指标优于国外进口的锅炉耐热钢管,彻底解决了我国锅炉新型耐热钢 自主生产的瓶颈难题,实现 P91和 P92钢管的国产化供应,截止2011年底,该公司累计生产 P91/P92钢管4.1万吨,该公司生产的大口径锅炉钢管成品还出口到美国、欧洲和东南亚等地,取得重大的技术进步。

锅炉的技术进步依赖于锅炉高温耐热钢的技术进步,尽管T91/P91国产化工作取得了丰硕的研究成果和广泛的工程应用,但是,锅炉高温耐热钢必须系列化才能促进锅炉技术的整体进步,·因此 ,从 2007年开始,国家已经将 T/P23,T/P91,T/P92,T/P122,$30432,$31042等新型钢种纳入国产化的轨道。同时,我们也应该看到:国外-直没有停止研发适应更高蒸汽参数用电站锅炉材料,而且不断研制各种改进型的新钢种,如 Tem-paloyAA - 1,TempaloyAA - 3,NF709,NF707,NF12,SAVE12,SAVE25,HR6W等,力图实现奥氏体不锈钢从现有 的主蒸汽温度 600℃ 向 610,620,630和 650 oC的跨越∩见,我国在使用中国自主耐热钢装备中国电站锅炉的道路上还有很长的路要走。

主蒸汽温度要达到700℃,所有的铁素体和奥氏体耐热钢都不能满足700 oC蒸汽温度下近750℃的金属壁温要求,只能采用镍基合金,如国内外已经开发的 GH2984(中国),Haynes 230,In-conel 617,CCA617,Nimonic 263,Inconel 740以及Inconel 740H,这些材料都具有-定的竞争力,因此,针对700℃超超临界机组用关键材料,我国应及时开展有计划、有组织的自主研究和开发,并尽早实现关键材料的国产化 J。

除了研究合金化对锅炉耐热钢材蠕变强度等基本性能的影响规律外,不能忽视锅炉耐热钢材在运行环境中的服役行为,如高温过热器、再热器管内的蒸汽氧化,过热器、再热器和水冷壁管的高温腐蚀,以及低温运行部件有可能发生的低温腐蚀,如板式或管式 GGH、脱硫塔、静电除尘器极板、烟囱等,对使用于低温受热面的特殊材料目前似乎缺乏基本研究,如抗硫酸露点腐蚀钢、抗氯离子腐蚀钢,未来高效低排放的运行要求为工作在排烟温度 150 oC以下的抗酸腐蚀钢提出了更高的要求,如 ND钢,316L不锈钢,904L,317LM,317LMN,合金625等,这些钢种的抗酸腐蚀能力都应该加强研究。

2.1.1 协同创新的三结合研究格局锅炉钢的开发周期漫长,投入巨大,技术难度很大,过去,开发-个新钢种往往需要 10年甚至20年的时间,随着技术手段的进步,现在开发或改进-个新钢种也需要 5~7年时间。耐热钢性能复核及国产化研究必须走产学研联合攻关、分工协作研究的道路。国内外耐热钢研制开发和应用的成功经验已表明:发挥大学和国家研究院的基础理论研究优势,可以为电站耐热钢试制和生产工作明确方向,同时为企业解决耐热钢研发过程中出现的新问题。

2.1.2 持续攻关方能实现自主化突破目前,650和700 o蒸汽参数机组所用材料在世界范围内都处于预研阶段,还没有形成定型产品。中国已确立了以优先完成 600℃蒸汽参数机组选用钢铁产品的国产化,积极开展650和700℃蒸汽参数机组用材及其产品的研制”为超超临界火电机组用钢技术未来发展的方向。虽然中国还未掌握 650和700℃蒸汽参数机组所用关键材料和产品技术,但由于国外也刚起步不久,因此中国与国外的差距不大。相信,通过国内广大学者和行业专家的共同努力,坚持走产学研的道路,重视基础理论的研究,中国可能在 650和 700℃蒸汽参数机组用材方面形成 自主知识产权,并在产品技术上与国外保持同步。

锅炉全生命周期安全高效运行和节能减排在高压管或管道泄露检测、监测技术上,我们已经取得了-些突破,开发了泄漏监测方法及其装置,为锅炉受热面安全高效运行奠定了基矗但是,目前在低压管和管道泄露监测技术上仍然没有突破,这使得火 电厂中和低压加热器联立(或串联、并联)运行的低压省煤器或烟气深度冷却器的长周期安全高效运行缺少必要的技术支撑,而且,这种低压受热面不仅承受积灰、磨损,而且烟气冷却到酸露点以下,还要承受低温腐蚀的严酷工作环境之下,-旦发生工质泄漏,则硫酸结露和积灰发生严重的协同作用,严重时堵塞烟道,或堵塞部分烟道使烟气流动发生偏斜。

2.4 锅炉新结构、高效燃烧及设计技术未来,锅炉仍然向着更大容量、更高蒸汽参数的方向发展。目前,日本已经在建成投产橘湾 1和橘湾 2 1050 MW,25 MPa,600 oC/610℃机组和新矶子 1 610℃再热蒸汽温度机组的基础上,建成投产了新矶子 2 的600 MW,25.0 MPa,600oC/620℃的超超临界机组,实现了从 593℃向610℃和 620℃的顺利过渡,在世界范围内首次实现 620 qC的再热蒸汽温度。

欧洲也开展了高参数燃煤电站发展计划。根据2001年的发展计划,预计于 2005年将投运热效率为 50%以上的 33.5 MPa/610℃/630℃机组,到 2014年将投运热效率达 52% -55% 的40.0 MPa,700℃/720 oC的超超临界发电机组(目前已经推迟至2020年左右)。实际上欧洲 目前建成投运的机组基本上都是 600 oC/610℃和600 oC/620 c《的机组,可见,欧洲的第二步计划原定为主蒸汽温度610C/630℃,虽然高于我国预期的发展计划,但是并没有最终实施。

2011年,美国根据其镍基合金焊接过程中存在的问题也提出了其煤电发展的修正计划,预计在2020年左右实现煤电向700 oC/760℃超超临界发电机组的迈进。

我国华能集团等联合设计院所、制造企业进行了更大容量和更高蒸汽参数超超临界发电机组的可行性研究工作。普遍认为:借助日本和欧洲已有的火电机组经验,在现有成熟的耐热材料生产制造技术的基础上,发挥现有的耐热材料的潜能,在 1000 MW,600℃/600℃的基础上将机组容量提高到 1200~1300 MW,蒸汽参数提高到更高压力和蒸汽温度 600 oC/610 oC或 600℃/620℃的水平上具有现实的可行性。

因为 1200~1300 MW,600℃/620 oC机组锅炉的材料是在 1000 MW,600℃/600 oC机组的锅炉材料基础上发展起来的,而 1000 MW超超临界锅炉中成功使用了HR3C和 Super304H的经验也为更大容量、更高蒸汽参数机组打下扎实的基矗因此,为了更大容量和更高蒸汽参数锅炉的长周期安全运行,在锅炉结构上必须进行细致的设计,如锅炉整体结构、燃烧器结构、各受热面(二级再热器)管束结构、弯管结构、挡板结构等,以期降低锅炉受热面金属的壁温和避免使用更高级别的锅炉耐热材料。

在锅炉燃料选用上,我们目前面临着特殊煤种的选用难题,如褐煤、准东煤等,这些煤种对锅炉安全高效运行提出了新的挑战,燃用这些煤质需要锅炉和燃烧系统做出更大的改变来适应煤质的变化。例如:准东煤田资源预测储量达 3900亿吨,是我国目前最大的整装煤田。准东煤具有高水分、高挥发分、低灰、低硫的特点,煤灰中含有较高的Na 0,K 0,CaO,MgO等碱金属氧化物和较低的A1 O,,SiO:等酸性氧化物,准东煤燃烧后具有结焦性、沾污性强的特点,燃用准东煤电厂都出现了严重结焦、积灰问题,纯烧准东煤遇到了障碍,限制了该煤种在电厂的大量使用。

十二五”期间,国家将把新疆作为全国重要的煤电煤化工和战略资源接替基地,为加快新疆实施优势资源转换战略,实现新疆经济跨越式增长,提供了史无前例的机遇。准东是新疆煤炭资源储量最为富集的区域,是新疆自治区3个储量大于3000亿吨的超级煤田之-,是新疆发展煤电、煤化工产业不可多得的好地方。作为新疆新型工业化建设的重点地带,准东地区的建设与发展对未来新疆新型工业化进程具有举足轻重的作用。目前,燃用准东煤的电厂的长周期安全高效运行受到严峻的挑战,纯烧准东煤结焦、沾污的状况得不到缓解,准东煤田作为全国煤电、煤化工基地的想法就难以实现,因此,解决准东煤结焦、沾污问题,成为当务之急。使用准东煤的锅炉结构设计需要针对该煤严重结渣、严重沾污特性进行深入研究,在确保既能高效燃烧又要长周期安全运行,给锅炉结构设计带来了技术上的困惑,为此,锅炉制造企业、高等院校和科研院所拟定了准东煤结焦沾污问题的以下研究开发方案 :(1)准第 30卷第 1期 压 力 容 器 总第242期东煤燃料特性评价体系研究;(2)适合准东煤的制粉系统、燃烧器和低 NO 燃烧技术开发;(3)准东煤锅炉结渣沾污积灰特性研究;(4)准东煤锅炉结渣沾污积灰防控技术研究;(5)准东煤锅炉本体结构优化设计技术开发;(6)以煤粉和添加剂耦合的防结渣沾污煤质改性技术研究;(7)创建设计、工艺、工装装备配套等生产制造技术平台。通过以上关键技术研究进行系统集成并实施工程示范。

2.5 锅炉节能减排技术目前,能源和环境成为我国可持续发展的关键问题,电站 锅炉每年消耗 我 国煤炭 产量 的50%,工业锅炉每年消耗我国煤炭产量的20%,因此,锅炉每年消耗我国煤炭总量的70%,其污染物排放也给社会发展造成了巨大的压力。中国能源、电力、机械部门专家经过慎重研究认为:超超临界燃煤发电技术(USC)是基于常规发电系统的渐进技术,发展 USC技术是最具有现实意义的,和其他技术(如 IGCC,PFBC-CC)相 比极具竞争力,发展超临界和超超临界发电技术已成为我国洁净煤发电技术的必然选择。

2.5.1 锅炉安全和节能减排(1)节能减排导致锅炉安全问题图20示出了锅炉节能减排发展的重要方向,由此可见,提高蒸汽参数是优先的节能减排,降低排烟温度是比较有效的节能减排途径(见图21)。

正是对节能减排的不懈追求使得世界范围内的锅炉不断向着超大容量、超高蒸汽参数的方向发展,但是超大容量、超高蒸汽参数的发展,迫使锅炉受热面不断使用蠕变强度更高、更耐高温腐蚀和蒸汽氧化的性能更加优良的耐热材料,但是这些新材料并没有获得很长时间的实际验证,导致锅炉事故频发,使锅炉长周期安全高效运行受到前所未有的挑战。

随着锅炉容量的增大,对锅炉影响最大的是锅炉炉膛内的截面热负荷增大,炉膛出口水平烟道的热偏差增加。锅炉水冷壁,过热器、再热器管的金属温度会有较大提高,水冷壁管内壁的气液两相流动与传热可能发生恶化,锅炉容量增大引起烟气旋转动量流率矩增加,对四角切圆燃烧:截面热负荷增加加剧了结渣和高温腐蚀的倾向,烟气旋转动量流率矩增加加剧冲蚀结渣的倾向,锅炉事故几率增加,对锅炉安全研究提出新挑战。

图20 锅炉节能减排的重要方向锅炉排烟温度/℃170-180140-15O125-230105-l2585~1OO器熠-/图21 锅炉排烟温度的发展趋势随着蒸汽温度的提高,主蒸汽管道和集箱、水冷壁管、过热器或再热器所用材料中主加元素铬、镍含量都相应提高。如:过热器或再热器材料,温度从566℃增加到649℃时,当腐蚀性较小时,铬含 量 向 9%Cr 12%Cr- 18%Cr 9%Ni÷23%Cr 18%Ni过渡;当腐蚀性较大时,铬含量向25% Cr 20% Ni- 23% Cr 43% Ni- 18% Cr 9% Ni/44%Cr 56%Ni过渡。

目前,提高锅炉热效率的另-个关键途径是减低排烟温度,使烟气温度得到深度冷却,但是降低排烟温度有可能使排烟温度低于酸露点,硫酸发生冷凝结露,引起硫酸沉积和积灰的协同作用,严重时会发生堵灰、磨损和低温腐蚀,引起更大的锅炉安全问题。

(2)锅炉安全保障节能减排- 旦锅炉安全不能保证,锅炉发生停炉事故,锅炉事故启、停时,锅炉能耗和排放都会增加。如锅炉停炉事故熄火时:大量燃料来不及燃烧,积存在锅炉中,引起大量不必要的能量损耗和排放;锅炉启动时:需要消耗大量的燃油和辅助蒸汽,加之启动时,除尘器、脱硫塔可能并未实时投入运行,因此,能耗比较大、污染物直接排放,环境污染严重;另外,锅炉发生事故停炉时,鼓、引风机、水泵. 11。

第30卷第 1期 压 力 容 器 总第242期(2)除尘增效技术2011年 9月,国

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