技术领域

本发明涉及一种用于电力工业的有两次再热器 的锅炉。 背景技术

在发电厂中， 蒸汽在汽轮机高压缸中做功后变为相对较低的 压力， 由高压缸 排出， 进入锅炉一次再热器中加热， 并供给汽轮机一次再热中压缸做功后排出， 进入锅炉二次再热器中加热， 并供给汽轮机二次再热中压缸和低压缸做功。 这种 具有两次再热的热力循环比一次再热的热力循 环具有更高的效率。上述具有二次 再热的锅炉用于发电厂中。

对热力循环效率影响因素主要有用于做功的蒸 汽压力、 蒸汽温度和再热级 数。 当前一次再热机组的蒸汽温度普遍在 600°C。 而已有的二次再热机组过热器 及再热器温度普遍较低， 未超过 580°C。 为了进一步提高热力循环效率， 本发明 提出过热汽温和再热汽温都达到 60CTC以上的二次再热锅炉。

通常一次再热锅炉过热器和再热器的吸热比例 约为 80: 20。 再热器吸热比 例较少， 且仅有一次再热出口温度达到 60CTC以上， 通常将再热器布置在烟温区 域在 loocrc到 8oo°c的区域，采用对流换热。而本发明的二次 再热锅炉过热器和 一次再热器和二次再热器的吸热比例约为 71 : 17： 12。 再热器吸热比例较大， 且有两次再热出口温度达到 60CTC以上， 由于传热需要有足够的传热温差， 否则 需要布置大量的换热面积， 不仅提高成本， 而且在有限空间内难以布置， 增大锅 炉尺寸。 因此如何布置包括过热器、一次再热器、 二次再热器在内的三次蒸汽温 度都达到 600°C的受热面， 成为高参数二次再热锅炉设计的一个难点。

另外，一次再热汽温的调节一般采用摆动燃烧 器、调节烟气挡板等手段中的 一种即可满足要求。 由于存在两次再热器， 如何调节两次再热器的汽温是另外一 个难点。

本发明所指的超超临界锅炉或者超临界锅炉， 指的是锅炉内工质的压力。锅 炉内的工质都是水， 水的临界压力是 :22.115MPa， 374°C ; 在这个压力和温度时， 水和蒸汽的密度是相同的， 就叫水的临界点， 炉内工质压力低于这个压力就叫亚 临界锅炉， 大于这个压力就是超临界锅炉， 炉内蒸汽温度不低于 593°C或蒸汽压 力不低于 31 MPa被称为超超临界， 超超临界也属于超临界范围。

本发明的背景技术文献有本申请人于 2011年 4月 7日申请的发明名称为： 一种烟道分割且流量可调节的塔式锅炉， 申请号为 201110085966.6.; 另外有其 他申请人于 2011年 12月 21日申请的发明名称为 350MW超临界塔式褐煤锅炉， 申请号为 201110432324.9。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有两次再热器的锅 炉，它的过热器、一次再热器、 二次再热器的出口温度都能够达到 600°C-695°C范围内， 根据工程需要， 温度优 选 610°C-620°C和 630°C-650°C。

为了实现本发明的目的， 本发明的技术方案为：

一种具有两次再热器的塔式锅炉，锅炉为超临 界锅炉，锅炉的受热面包括过 热器、 一次再热器、 二次再热器； 过热器包括低温过热器、 高温过热器；

主汽系统流程为：给水进入前、后烟道省煤器 ，前后烟道省煤器为并联布置， 省煤器出口水由炉膛下部进入水冷壁， 水冷壁出口连接分离器， 分离器出口蒸汽 依次进入低温过热器和高温过热器中， 最终进入汽机做功；

一次再热器的蒸汽来自汽机排汽，从蒸汽侧温 度由低到高流向看，一次再热 器依次包括一次再热低温再热器、一次再热高 温再热器； 最后该蒸汽进入汽机中 做功；

一次再热器的蒸汽在汽机做功后， 即成为汽机的排汽； 二次再热器的蒸汽来 自该汽机的排汽， 从蒸汽侧温度由低到高流向看， 包括二次再热低温再热器、 二 次再热高温再热器； 最后该蒸汽进入汽机做功；

一次再热器和二次再热器在炉膛垂直烟道中并 联布置。 优选的， 一次再热高温再热器分为冷段和热段， 二次再热高温再热器分为冷 段和热段；

低温过热器从蒸汽流向看，包括低温过热器悬 吊进口管，低温过热器垂直段 受热面和低温过热器屏管段； 一、 二次再热高温再热器冷段提前布置， 即放在高温过热器下方布置， 处在 辐射特性强的区域， 吸收部分辐射热， 一、 二次再热高温再热器热段放在高温过 热器上方布置；

炉膛上部垂直烟道沿烟气流向依次串联布置有 低温过热器屏管段， 一、二次 再热高温再热器冷段， 高温过热器， 一、 二次再热高温再热器热段， 一、 二次再 热低温再热器， 省煤器及低温过热器悬吊进口管； 一次再热器冷段和二次再热器 冷段并联布置， 一次再热器热段和二次再热器热段并联布置， 一次再热低温再热 器和二次再热低温再热器并联布置。 优选的， 低温过热器屏管段， 屏与屏之间的距离较大， 能够透过热辐射； 低 温过热器垂直段受热面还可悬吊在低温过热器 屏管段上方的省煤器、再热器、高 温过热器上；

一、二次再热高温再热器冷段设计成屏管式， 部分布置在低温过热器的屏与 屏之间空挡处的上方， 能够接受热辐射；

一、二次再热高温再热器冷段还包括垂直段受 热面，冷段和热段之间通过设 置在垂直烟道内的垂直段受热面连接。 优选的， 烟气流过一、二次再热高温再热器热段后， 烟气通道被分隔烟道隔 墙分隔为前、后烟道， 前烟道布置有一次再热低温再热器和前烟道省 煤器， 后烟 道布置有二次再热低温再热和后烟道省煤器； 分隔烟道隔墙延伸到第二烟道入口 处， 并在此处设置烟气挡板用于调节前后烟道烟气 流量；

分隔烟道隔墙由悬吊管膜式壁构成，该悬吊管 膜式壁作为低温过热器的一部 分，从低温过热器进口集箱引出， 回到低温过热器出口集箱或者回到中间混合集 箱；

一次再热器靠近前墙布置， 二次再热器靠近后墙布置。 优选的， 过热器、 一次再热器和二次再热器出口蒸汽温度达到 600 °C至 695 °C ;

二次再热锅炉过热器和一次再热器和二次再热 器的吸热百分比为，过热器吸 热量为 65%_75%， 一次再热器吸热量为 15%-25%， 二次再热器吸热量为 10%_15%， 三者之和为 100%。 优选的， 过热器内的蒸汽压力为 28MPa-35MP _{a ;} —次再热器内的蒸汽压力为 5MPa-14MPa _;

二次再热器内的蒸汽压力为 2MPa_5MPa。 优选的， 炉膛由膜式水冷壁组成， 下部水冷壁采用螺旋管； 上部水冷壁采用 垂直管的布置方式；

给水进入前、后烟道省煤器之后， 然后依次进入炉膛下部螺旋围绕管圈、进 入中间混合集箱、 炉膛上部垂直管屏、 分离器、 低温过热器和高温过热器， 最后 蒸汽进入汽机高压缸做功。 优选的， 过热器汽温通过煤水比调节和两级喷水来控制 ； 一、 二次再热器汽 温同步采用燃烧器摆动调节， 通过烟气挡板调节一、二次再热器间吸热平衡 ； 低 温再热器出口连接管道上设置微量喷水。 因此，本发明将部分再热器受热面置于靠近炉 膛部分的烟道中，借以吸收部 分炉膛的辐射热量， 从而达到用较少面积获得足够温升的目的。 同时， 再热器具 有辐射受热面特性对负荷降低时保证再热器出 口额定温度也有益处。

由于辐射热量在穿过受热面后有很大的下降。 为使两次出口温度在 60CTC以 上的再热器都能吸收部分辐射热，且保证都能 获得较高的传热温差。本发明不采 用通常采用的串联形式， 而采用将两次再热器并联布置的方式。

本二次再热方案与常规一次再热方案的不同点 就是增加了一路要求达到 600°C以上的蒸汽， 就是说一般的， 锅炉燃烧产生烟气温度不变， 要多一个高温 的受热面来吸热， 如何布置？ 因为传热是要有一定温差的， 一般连续串联放两个 出口温度达到 60CTC的受热面， 其后的烟气温度就不足以将第三个受热面加热 到 600°C了， 所以本发明采用了并联的方案， 让两个受热面共享比较高的烟温。 再 热器部分提前的目的一是为了提高传热效率， 二是为了摆动燃烧器这个调温手段 有较高的灵敏性。但提前再热器也不是简单的 提前就可以的， 而是有风险的。在 目前常规超超临界常用材料的选择范围内，为 保证安全性， 受辐射热的再热器的 蒸汽温度不能太高， 否则金属壁温会很高， 导致没有可选择的材料。 至于低温过 热器更靠前却不存在安全性问题，这是因为过 热器的压力比再热器高的多， 蒸汽 传热特性更好， 蒸汽的特性决定了同样的蒸汽温度下， 再热器的金属管壁温度比 过热器要更高， 所以再热器不能盲目提前。而目前的高参数二 次再热方案， 就要 精确地计算受热面布置， 既满足达到温度又达到安全可靠。

再热器的调温特性由摆动燃烧器，调节过量空 气系数和烟气挡板调节结合完 成。通过燃烧器的摆动使炉膛内火焰中心抬高 或降低， 具有辐射特性的再热器出 口温度会因此升高或降低。 由于两次再热器并联布置， 并处于同样的烟温区域， 所以它们的变化趋势是相同的。 增大过量空气系数使通过受热面的烟气流速增 大， 也具有提高再热器换热的作用。上部烟道由悬 吊管膜式壁中间隔墙分隔为前 后两个烟道， 两个烟道中分别布置有一次再热器的低温段和 二次再热器的低温 段，该悬吊管膜式壁作为低温过热器的一部分 ，是从低温过热器进口集箱引出的， 回到低温过热器出口集箱或者回到中间混合集 箱。中间隔墙一直延伸到尾部烟道 入口处， 并在此处设置两个烟气流量调节挡板。其目的 在于通过调节挡板的开度 来控制前后两个烟道的烟气流量， 以达到调节前后两个烟道内一、二次低温再热 器的蒸汽温升的目的。 一次再热低温段温升提高， 则二次再热低温段温升降低， 反之依然。 结合摆动燃烧器、调节过量空气系数和烟气挡 板的调节几种手段， 可 保证低负荷或燃料变化时， 两次再热器都达到额定温度。

优选的， 一次再热器靠近前墙布置， 二次再热器靠近后墙布置， 由于后墙烟 道靠近水平烟道， 流速相对于前墙烟道快一些， 而二次再热器的蒸汽压力要比一 次再热器压力小， 传热特性要差一些， 因此二次再热器布置在靠近后墙， 有利于 吸热， 使得一、 二次再热器吸热平衡。 本发明的二次再热锅炉过热器和一次再热器和 二次再热器的吸热百分比为， 过热器吸热量为 65%-75%， 一次再热器吸热量为 15%-25%， 二次再热器吸热量 为 10%-15%， 三者之和为 100%， 优选比例约为 71 : 17： 12， 各个比例数在正负 1 内浮动， 各个比例数之和为 100。 过热器内的蒸汽压力为 30MP _a -35MPa， 一次 再热器内的蒸汽压力为 5MPa_13MPa，二次再热器内的蒸汽压力为 2MPa_5MPa。一、 二次再热器的材料相同， 均为高等级不锈钢， 牌号例如为： SA-213TP347HFG、 SA- 213TP310HcbN、 SA- 213S304H、 SA- 335pgl、 15CrMoG、 12CrlMoVG、 SA213T12, SA213T23、 SA-335T9U SA210C。 附图说明

图 1为锅炉的侧视示意图； 附图标记说明： 前墙水冷壁 1、 后墙水冷壁 2、 中间混合集箱 3、 水冷壁进 口集箱 4、 炉顶 5、 炉膛 6、 燃烧器 7、 第二烟道的水平烟道 8、 第二烟道的垂直 烟道 9、 省煤器 10、 一次再热低温再热器 11、 二次再热低温再热器 12、 一次再 热高温再热器热段 13、 一次再热高温再热器冷段 14、 低温过热器屏管段 15、 低 温过热器垂直段受热面 16、 隔墙下部 （不带鳍片） 17、 带鳍片的隔墙 18、 分离 器 19、 低温过热器进口集箱 20、 烟气挡板 21、 低温过热器悬吊进口管 22、 上部 悬吊管 23、 低温过热器出口集箱 24、 垂直段受热面 25、 省煤器进口集箱 26、 省 煤器出口集箱 27、 水冷壁出口集箱 28、 二次再热高温再热器热段 29、 二次再热 高温再热器冷段 30、 高温过热器 31、 炉膛垂直烟道 32。 具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一 步详细的说明，但本发明不局 限于以下的实施例。

如图 1所示， 锅炉包含一个炉膛 6， 第一烟道即炉膛垂直烟道 32， 第一烟道 上下分为分隔烟道和主烟道，分隔烟道被带鳍 片的隔墙 18分为前烟道和后烟道; 带鳍片的隔墙 18以下为不带鳍片的受热面光管子 17， 由于没有鳍片的分隔， 烟 气不受阻拦， 带鳍片的隔墙 18为膜式水冷壁； 第二烟道分水平烟道 8和垂直烟 道 9。 该锅炉例如为燃用煤粉的锅炉。

来自炉膛 6下部的多个燃烧器 7的高温燃气通过炉膛 6， 进入垂直方向的第 一烟道 32， 然后进入第二烟道的水平烟道 8， 然后进入第二烟道的垂直烟道 9。

炉膛上部垂直烟道沿烟气流向依次串联布置有 低温屏式过热器， 一、二次再 热高温再热器冷段， 高温过热器、 一、 二次再热高温再热器热段及一、 二次再热 低温再热器， 前后墙省煤器， 低温过热器悬吊进口管； 一次再热器冷段和二次再 热器冷段并联布置， 一次再热器热段和二次再热器热段并联布置， 一次再热低温 再热器和二次再热低温再热器并联布置。

上部悬吊管 23是不通流通介质的， 用于悬吊低温过热器悬吊进口管 22。 如图 1所示， 锅炉为 1000MW等级燃煤汽轮发电机组， 超超临界参数变压运 行螺旋管圈直流炉， 单炉膛、 二次中间再热、 采用切圆燃烧方式、 平衡通风、 固 态排渣、 全钢悬吊结构塔式锅炉、 露天布置燃煤锅炉。

如图 1和表 1所示， 主汽系统流程为： 给水进入省煤器进口集箱 26后进入 前、 后烟道省煤器 10， 前后烟道省煤器为并联布置， 水在省煤器中加热后进入 省煤器出口集箱 27， 省煤器出口集箱中的水由炉膛下部水冷壁进口 集箱 4汇合 后进入前后水冷壁 1、 2, 在水冷壁中加热后进入水冷壁出口集箱 28， 水冷壁出 口集箱连接汽水分离器 19， 分离器出口蒸汽依次进入低温过热器 15和高温过热 器 31中， 最终进入汽机做功。 锅炉炉前沿宽度方向垂直布置 6只汽水分离器，其进出口分别与水冷壁和低 温过热器相连接。 当机组启动， 锅炉负荷低于最低直流负荷 30%BMCR时， 蒸发受 热面出口的介质流经分离器前的分配器后进入 分离器进行汽水分离，蒸汽通过分 离器上部管接头进入两个分配器后进入一级过 热器，而饱和水则通过每个分离器 筒身下方 1根连接管道进入下方 1只贮水箱中，贮水箱上设有水位控制。贮水� � 下方 1根疏水管道引至一个连接件。通过连接件一� �疏水至再循环系统， 另一路 接至大气式扩容器中。

炉膛由膜式壁组成， 水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式。从炉 膛冷灰斗 进口到高温过热器末端处炉膛四周采用螺旋管 圈；在高温过热器末端的上方为垂 直管圈。 过热器汽温通过煤水比调节和两级喷水来控制 。一、二次再热器汽温同步采 用燃烧器摆动调节， 通过烟气挡板调节一、二次再热器间吸热平衡 。低温再热器 出口连接管道上设置微量喷水。 本发明的关键技术 1、 受热面布置

二次再热锅炉和一次再热锅炉相比增加了一组 高温受热面， 有高温过热器、 一次再热高温再热器和二次再热高温再热器， 且再热器的吸热比例大幅增加， 因 此在设计中需要考虑合理进行受热面匹配以满 足过热蒸汽和再热蒸汽吸热的变 化， 同时满足再热蒸汽出口温度提高的带来的安全 性的要求。

如果按常规的一次再热设计理念，每一级受热 面串联布置，会导致有一级高 温受热面无法得到足够的换热温压，从而需要 布置大量效率低下的换热面积。故 在二次再热受热面设计中， 大胆地采用部分再热器提前， 吸收部分辐射热量， 并 将两次高再受热面并联布置的方式， 达到换热、 经济性、 安全性的最佳平衡。 由 于低温过热器在一、 二次再热高温再热器冷段之前， 挡住了部分热辐射， 因此将 低温过热器设计成屏管式过热器， 屏与屏之间的距离较大， 距离大约是

700mm- 1300 优选 900mm- 1100 部分热辐射能够穿透低温过热器屏管， 到 达一、 二次再热高温再热器冷段。 一、 二次再热高温再热器冷段设计成屏管式， 部分布置在低温过热器的屏与屏之间空挡处的 上方， 能够接受热辐射，此处温度 也较高， 超过 100CTC ,甚至达到 1300°C-1500°C， 具有较高的热辐射特性； 一、 二 次再热高温再热器冷段还包括垂直段受热面 （25)， 垂直段受热面 （25 ) 与一、 二次再热高温再热器热段相连， 垂直段受热面（25 )设置在炉膛中， 优选设置在 炉膛中间位置， 最优选设置在不带鳍片的隔墙 17的两侧。 设计成屏管式的低温 过热器， 屏与屏之间的距离较大， 能够透过热辐射； 低温过热器还包括垂直段受 热面 16， 垂直段受热面 16还可悬吊低温过热器管屏段上方的省煤器、 再热器、 高温过热器等，作为这些受热面的悬吊受力点 。另外低温再热器与再热高温再热 器冷段通过炉膛外的集箱相连， 更具体的，低温再热器出口集箱与再热高温再 热 器冷段进口集箱通过管道相连。

2调温方式

在机组运行过程中，往往需要无论在满负荷还 是低负荷， 过热蒸汽出口温度 还是再热蒸汽出口温度均能达到设计值，这样 机组就能获得较高的效率。在蒸汽 出口温度较低的机组中， 调温方式的选择已经是一个重要的课题， 对于选用的 600°C以上的蒸汽出口温度、 二次再热的二次再热超超临界机组， 调温方式的选 择就更为重要。

从各级蒸汽的做功能力来看， 一次汽的温度级别高于二次汽的温度级别， 二 次汽的温度级别高于三次汽的温度级别。在进 行调温方案选择时需要对各级蒸汽 进行分别控制。

3再热蒸汽调温方案

本实施例再热蒸汽调温方式： 摆动燃烧器 +烟气挡板 +喷水减温。

调温的目标： 通过采用有效的温度调节手段，确保一次再热 蒸汽出口温度在

50%~100%BMCR工况下和二次再热蒸汽出口温度在 65%~100%BMCR工况下均能达到 设计值。

为了有效解决低负荷时再热蒸汽的调温效果， 燃烧器的设计能够上下摆动， 通过燃烧器的摆动调节燃烧中心的高度，通过 燃烧中心的调整改变炉膛出口的烟 气温度， 影响高温再热器的吸热量， 从而调节再热蒸汽出口温度。 由于一二次高 再都设置了一部分吸收辐射热的受热面， 火焰中心的变化对再热汽温的影响显 著， 可保证一二次再热器在较大负荷范围内达到额 定汽温。 同时选用烟气挡板调 温方式，通过挡板开度控制进入前后分隔烟道 中的烟气份额， 改变一二次再热器 间的吸热分配比例来达到调节一二次再热器出 口温度平衡的目的。 同时另外，在 再热器的管道上配置喷水减温防止超温情况的 发生和有效控制左右侧的蒸汽温 度偏差。

低温再热器和高温再热器之间布置四点微量喷 水减温，低温再热器进口布置 两点喷水减温，在正常运行工况下喷水减温不 投入运行，仅在紧急事故工况下运 行， 总的喷水能力为 3%， 管道和阀门的能力按照设计喷水量的 250%考虑。

本方案一、 二次再热汽的蒸汽进出口温度是比较接近的， 一、 二次再热器受 热面面积的比例与一、 二次再热吸热量比例也是基本一致的。故一、 二次再热器 受热面并联布置的形式可保证两次再热器吸热 量随负荷变化的趋势是基本相同 的。通过摆动燃烧器对火焰中心的调整， 可保证一、 二次再热器出口汽温都基本 达到额定值，两者间本来就不大的吸热量差异 再通过尾部烟气挡板的调整达到平 衡。 另外， 一、 二次再热器都布置了一部分辐射受热面， 使锅炉具有了在较低负 荷也具有良好再热汽温的特点。