1000MW 等級超超臨界雙煙道鍋爐

文/蔡宏 王剛 上海鍋爐廠有限公司（200245）

蔡宏（1977年~），男，西安交通大學(xué)研究生畢業(yè)?，F(xiàn)為上海鍋爐廠有限公司工程師，從事大型電站鍋爐設(shè)計和研發(fā)工作。

1 前言

火力發(fā)電廠的熱經(jīng)濟(jì)性隨著蒸汽參數(shù)的提高而上升，提高機組熱效率是火電機組發(fā)展的目標(biāo)之一。自20世紀(jì)50年代以來，國外火電機組始終以提高蒸汽參數(shù)和增大單機功率為發(fā)展重點，目前300MW等級火電機組通常采用亞臨界參數(shù)，600MW等級及以上容量的機組已普遍采用超臨界參數(shù)。新設(shè)計的機組多采用變壓運行，可適應(yīng)帶中間負(fù)荷和調(diào)峰的需要，運行的靈活性大為提高。隨著火電機組蒸汽參數(shù)的進(jìn)一步提高，機組進(jìn)入了超超臨界的參數(shù)范圍。與此同時，國家對發(fā)電設(shè)備在環(huán)保和污染物排放控制方面的要求也越來越高，因而發(fā)展高效、節(jié)能、環(huán)保的大容量電站鍋爐勢在必行。超（超）臨界鍋爐以其高效、環(huán)保、技術(shù)先進(jìn)、市場前景廣闊等顯著優(yōu)勢，成為國內(nèi)市場需求的主導(dǎo)產(chǎn)品。

機組蒸汽參數(shù)的提高和容量的增大，不僅與應(yīng)用于高參數(shù)機組材料的開發(fā)有關(guān)，而且與設(shè)計技術(shù)和制造工藝的進(jìn)步密不可分。經(jīng)過40多年的不斷完善和發(fā)展，目前超臨界和超超臨界機組的發(fā)展已進(jìn)入了成熟和實用階段，具有更高參數(shù)的超超臨界機組也已經(jīng)成功地投入商業(yè)運行。

上海鍋爐廠有限公司在設(shè)計600MW等級超臨界鍋爐的基礎(chǔ)上，結(jié)合超超臨界機組參數(shù)要求及已有經(jīng)驗，開發(fā)研制了1000MW超超臨界雙煙道鍋爐產(chǎn)品。該產(chǎn)品的投運標(biāo)志著上海鍋爐廠有限公司在產(chǎn)品系列上的完善，同時成為國內(nèi)首家具有1000MW超超臨界雙煙道和塔式鍋爐兩種產(chǎn)品設(shè)計制造運行業(yè)績的鍋爐生產(chǎn)企業(yè)。

首臺產(chǎn)品鍋爐性能鑒定試驗于2010年3月完成。在試運行生產(chǎn)期間，鍋爐在各種不同負(fù)荷情況下燃燒穩(wěn)定，運行參數(shù)正常，實測鍋爐效率高，燃燒器低負(fù)荷不投油穩(wěn)燃性好，能較好地滿足機組調(diào)峰的需要，環(huán)保性能良好，NOx排放低。鍋爐各項主要性能指標(biāo)均超過設(shè)計值。

2010年12月，中國電力企業(yè)聯(lián)合會和中國機械工業(yè)聯(lián)合會在北京共同組織召開了上海鍋爐廠有限公司“1000MW等級超超臨界雙煙道鍋爐”產(chǎn)品鑒定會，與會專家一致認(rèn)為上海鍋爐廠有限公司1000MW等級超超臨界雙煙道鍋爐達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

2 主要技術(shù)

1000MW超超臨界雙煙道鍋爐為，超超臨界參數(shù)、變壓運行、一次中間再熱、螺旋管圈，單爐膛、雙切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、全鋼懸吊雙通道型結(jié)構(gòu)、露天布置、固態(tài)排渣，制粉系統(tǒng)配正壓冷一次風(fēng)機直吹式送粉系統(tǒng)，采用帶循環(huán)泵的啟動系統(tǒng)，爐后尾部布置兩臺三分倉容克式空氣預(yù)熱器。

鍋爐整體布置及系統(tǒng)方面。

整個爐膛由膜式水冷壁組成，水冷壁采用螺旋管圈布置方案。爐膛上部布置有前屏過熱器和后屏過熱器，水平煙道依次布置高溫過熱器和高溫再熱器，尾部煙道布置有低溫再熱器、低溫過熱器和省煤器。

鍋爐燃燒系統(tǒng)按配中速磨煤機正壓直吹式制粉系統(tǒng)設(shè)計。燃燒方式采用低NOx切向燃燒系統(tǒng)，煤粉燃燒器布置在爐膛下部四角和前后墻中部，在爐膛中呈雙切圓方式燃燒。通過燃燒設(shè)備設(shè)計和爐膛布置的匹配來滿足鍋爐各項燃燒指標(biāo)要求，在煤種允許的變化范圍內(nèi)確保煤粉及時著火、穩(wěn)燃、燃燼、爐內(nèi)不發(fā)生明顯結(jié)渣、NOx排放量低、燃燒器狀態(tài)良好、不被燒壞。

過熱器汽溫通過煤水比調(diào)節(jié)和三級噴水來控制。再熱器汽溫采用煙氣擋板調(diào)溫、燃燒器擺動和過量空氣系數(shù)的變化調(diào)節(jié)，低溫再熱器進(jìn)口連接管道上設(shè)置事故噴水裝置。

鍋爐啟動系統(tǒng)采用帶再循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動系統(tǒng)。

鍋爐出渣采用機械出渣系統(tǒng)。

鍋爐配備兩臺三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。空氣預(yù)熱器主軸垂直布置，煙氣和空氣以逆流方式換熱。

鍋爐本體內(nèi)設(shè)有墻式吹灰器、長伸縮式吹灰器和半伸縮式吹灰器。爐膛出口裝有煙溫探針，啟動時用來控制爐膛出口煙溫。在爐膛出口處還裝有負(fù)壓測點。鍋爐本體部分配有安全閥和動力釋放閥。鍋爐爐頂采用大罩殼熱密封，爐頂管采用全金屬密封，爐墻為輕型結(jié)構(gòu)帶梯型金屬外護(hù)板，屋頂為輕型金屬屋蓋。鍋爐構(gòu)架采用全鋼結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件的接頭采用扭剪型高強度螺栓連接，其他構(gòu)件的接頭采用高強度螺栓或焊接連接。除回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器支撐在構(gòu)架上以外，鍋爐其余部分全懸吊于構(gòu)架上。

圖1 鍋爐受熱面及燃燒系統(tǒng)布置

1000MW超超臨界雙煙道鍋爐有以下主要技術(shù)特點：

2.1 采用超超臨界技術(shù)，確保鍋爐具有較高的可用率

采用包括設(shè)計、制造、質(zhì)量控制、儀控、安裝、投運和調(diào)試等各個方面在內(nèi)的一整套成熟、先進(jìn)的超超臨界專有技術(shù)，從而能夠確保機組長期安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運行。

2.2 采用較大的爐膛斷面和容積，較低的爐膛斷面熱負(fù)荷和爐膛出口煙氣溫度

爐膛設(shè)計針對設(shè)計煤種和校核煤種，充分考慮煤粉的著火、燃燒的穩(wěn)定和高效、煤質(zhì)的適應(yīng)能力、負(fù)荷調(diào)節(jié)能力、低NOx排放、低負(fù)荷穩(wěn)燃、爐內(nèi)結(jié)渣以及高溫受熱面的安全；同時兼顧煤種變化和煤質(zhì)變差的情況。

2.3 爐膛水冷壁采用螺旋管圈水冷壁的優(yōu)化設(shè)計

對于超臨界及超超臨界鍋爐，既有螺旋管圈水冷壁設(shè)計，又有垂直管圈水冷壁設(shè)計，而采用螺旋管圈水冷壁設(shè)計，尤其是結(jié)合切向燃燒方式，有其自身技術(shù)特點。對于螺旋管圈水冷壁而言，傾斜上升的水冷壁管保證了每根管都通過爐膛不同受熱區(qū)域，水冷壁傾斜管環(huán)繞圈數(shù)超過一圈，每根蒸發(fā)器管通過爐膛熱和冷的區(qū)域，結(jié)果是水冷壁均勻吸熱,不受火球位置影響，水冷壁管出口溫度較為均勻。同時，鍋爐燃燒系統(tǒng)為切向燃燒，故爐膛每側(cè)的熱負(fù)荷曲線是基本一致的。綜合爐膛結(jié)構(gòu)和熱負(fù)荷分布可以知道，采用螺旋管圈水冷壁方案能夠確保螺旋段和垂直段出口熱負(fù)荷分布都很均勻，這一方面可以確保鍋爐運行的安全性，同時也可以保證鍋爐長期高效運行。螺旋管圈水冷壁的壓降受管子規(guī)格、長度以及質(zhì)量流速的影響，而管子規(guī)格取決于管子內(nèi)部最小允許質(zhì)量流速，管子長度取決于管子上升傾角以及螺旋圈數(shù)，帶有最佳質(zhì)量流速以及最佳螺旋圈數(shù)的螺旋管圈水冷壁設(shè)計能減少水冷壁壓降。通過調(diào)整和優(yōu)化螺旋角度和螺旋管與垂直管的比例，從而有效降低了鍋爐一次汽阻力，提高了鍋爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

圖2 螺旋管圈水冷壁展開

2.4 采用單爐膛雙切圓燃燒方式和低NOx環(huán)保型燃燒設(shè)備。在保證爐膛不結(jié)渣的前提下，燃燒效率高、煤種適應(yīng)性強、煙氣溫度及速度偏差小、NOx排放低

切向燃燒系統(tǒng)具有高燃燒效率、穩(wěn)定的熱力特性和低污染物排放等特點，有著獨特的空氣動力結(jié)構(gòu)。燃料和助燃空氣通過爐膛的四角引入，方向指向位于爐膛中心的一個假想切圓。隨著燃料和空氣進(jìn)入爐膛并著火，在爐膛內(nèi)就形成一個旋轉(zhuǎn)的“火球”（見圖3），受上游高溫?zé)煔饧訜岷芸熘?，激烈燃燒的射流末尾又沖撞下游鄰角的燃料射流，四角射流相互碰撞加熱，從而形成燃燒穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)上升火焰。下一層旋轉(zhuǎn)上升火焰，促進(jìn)上一層的燃燒強化和火焰穩(wěn)定；上一層的旋轉(zhuǎn)氣流同時加強對下層火焰的擾動，這種角與角和層與層之間的相互摻混擾動，即爐膛內(nèi)整體而不是局部的強烈的熱量和質(zhì)量交換，保證了煤粉的著火穩(wěn)定性。由此切向燃燒可認(rèn)為整個爐膛是一個燃燒器。低NOx煤粉燃燒，是通過分析煤粉燃燒時NOx的生成機理，建立早期著火和使用控制氧量的燃料/空氣分段燃燒技術(shù)，當(dāng)揮發(fā)氮物質(zhì)形成時、非常關(guān)鍵的早期燃燒階段中O2降低，它把整個爐膛內(nèi)分段燃燒和局部性空氣分段燃燒時降低NOx的能力結(jié)合起來，在初始的富燃料條件下促使揮發(fā)氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化成N2，因而達(dá)到總的NOx排放減少。切向燃燒和低NOx燃燒兩者的結(jié)合——低NOx切向燃燒系統(tǒng)，是一種高效環(huán)保的燃燒技術(shù)。在降低NOx排放的同時，著重考慮提高鍋爐不投油、低負(fù)荷穩(wěn)燃能力和燃燒效率，在防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣、高溫腐蝕和降低爐膛出口煙溫偏差等方面，同樣具有獨特的效果。

2.5 采用可靠的受熱面布置方式和合理的調(diào)溫方式，使得汽溫偏差盡可能小，蒸汽溫度的調(diào)節(jié)范圍大；管材選用上留有足夠的裕度，以保證受熱面安全可靠

2.6 采用帶再循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動系統(tǒng)

圖3 切向燃燒“火球”

直流鍋爐的啟動系統(tǒng)形式及容量的確定是根據(jù)鍋爐最低直流負(fù)荷、機組運行方式、啟動工況及最大工況時水冷壁質(zhì)量流速的合理選取、以及工質(zhì)的合理利用等因素確定。對于帶再循環(huán)泵的啟動系統(tǒng)，在鍋爐的啟動及低負(fù)荷運行階段，爐水循環(huán)確保了在鍋爐達(dá)到最低直流負(fù)荷之前的爐膛水冷壁的安全性。當(dāng)鍋爐負(fù)荷大于最低直流負(fù)荷時，一次通過的爐膛水冷壁質(zhì)量流速能夠?qū)λ浔谶M(jìn)行足夠的冷卻。在爐水循環(huán)中，由分離器分離出來的水往下流到鍋爐啟動循環(huán)泵的入口，通過泵提高壓力來克服系統(tǒng)的流動阻力和省煤器最小流量控制閥的壓降。水冷壁的最小流量是通過省煤器最小流量控制閥來實現(xiàn)控制的。從控制閥出來的水通過省煤器，再進(jìn)入爐膛水冷壁。在循環(huán)中，有部分的水蒸汽產(chǎn)生，然后此汽水混合物進(jìn)入分離器。分離器通過離心作用把汽水混合物進(jìn)行分離，并把蒸汽導(dǎo)入過熱器中。分離出來的水則進(jìn)入位于分離器下方的貯水箱。貯水箱通過水位控制器來維持一定的水位。貯水箱布置靠近爐頂，這樣可以提供循環(huán)泵在任何工況下所需要的凈吸壓頭。貯水箱較高的位置同樣也提供了在鍋爐初始啟動階段汽水膨脹時疏水所需要的靜壓頭。由于帶再循環(huán)泵的啟動系統(tǒng)在啟動的整個過程中能100%吸收疏水熱量，可有效縮短冷態(tài)和溫態(tài)啟動時間，更適合于頻繁啟動、帶循環(huán)負(fù)荷和二班制運行機組。

2.7 具有較好的低負(fù)荷穩(wěn)燃性能和啟、停及調(diào)峰性能

2.8 過熱器、再熱器受熱面材料選取留有較大的裕度

為了降低超超臨界鍋爐因過熱器和再熱器出口汽溫的提高所導(dǎo)致的高溫段管子煙氣側(cè)高溫腐蝕和管內(nèi)高溫氧化，采用了大量的奧氏體鋼管。

3 創(chuàng)新點

3.1 節(jié)能環(huán)保技術(shù)——低NOx燃燒技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用

應(yīng)用雙切圓、低NOx燃燒技術(shù)，降低了各項污染排放指標(biāo)的設(shè)計值。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)燃用煙煤NOx的排放指標(biāo)為450mg/Nm3，使用低NOx燃燒技術(shù)后NOx的排放指標(biāo)可以為300 mg/Nm3甚至更低。

3.2 水冷壁型式的改進(jìn)

在1000 MW超超臨界雙煙道鍋爐水冷壁設(shè)計中提出了新的改進(jìn)方案，調(diào)整了螺旋角度和螺旋管和垂直管的比例，降低了鍋爐一次汽阻力，達(dá)到了既安全又經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

3.3 再熱器調(diào)溫方式的創(chuàng)新

再熱器的汽溫調(diào)溫方式采用尾部煙氣擋板調(diào)溫為主，替代了常規(guī)的以燃燒器擺動為主，在調(diào)節(jié)再熱器汽溫的靈活性和靈敏度上有了突破。

3.4 尾部煙道防振技術(shù)

低溫過熱器和低溫再熱器及省煤器都布置在尾部前后煙道中，為了避免在運行中出現(xiàn)振動問題，采用了尾部煙道防振技術(shù)以防止受熱面振動的發(fā)生。

3.5 過熱器、再熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

過熱器、再熱器采用優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

3.6 合理進(jìn)行溫度偏差的控制

通過爐膛、燃燒系統(tǒng)及受熱面的設(shè)計和布置匹配，并應(yīng)用數(shù)值模擬計算，從而來控制鍋爐煙氣側(cè)和蒸汽側(cè)的偏差。

3.7 新材料、新工藝的研究和掌握

1000MW超超臨界雙煙道鍋爐中使用了大量的高等級新材料，新材料的大量應(yīng)用必然會給鍋爐制造帶來大量新的變數(shù)，因此對這些新材料進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的試驗研究，了解并掌握這些新材料的焊接性能、冷熱成形加工性能、高溫持久斷裂性能等。同時對成排彎水冷壁組件、分離器及再循環(huán)混合球等關(guān)鍵組件的制造工藝進(jìn)行了研究。

4 社會效益

該項目的成功設(shè)計制造使得上海鍋爐廠有限公司同時具備了百萬等級塔式、雙煙道鍋爐的設(shè)計制造能力，符合國家節(jié)能減排的要求，具有很好的示范和推進(jìn)作用；1000MW超超臨界雙煙道鍋爐燃用煙煤有著低于300mg/m3以下的NOx排放水平和高于94%以上的鍋爐效率，在國內(nèi)、國際上處于領(lǐng)先水平。