首臺(tái)全燃準(zhǔn)東高堿煤660 MW超超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐的研發(fā)

朱 駕， 冉燊銘， 潘紹成， 易廣宙， 劉文建，唐真華， 楊章寧， 胡修奎

(1. 清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611731；2. 東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643001)

準(zhǔn)東煤田作為目前我國乃至全世界最大的整裝煤田[1]，其儲(chǔ)煤量占整個(gè)新疆總儲(chǔ)煤量的17.8%，占全國儲(chǔ)煤量的7%左右。準(zhǔn)東煤田的大規(guī)模開發(fā)利用對(duì)我國能源體系建設(shè)的意義重大。準(zhǔn)東煤是優(yōu)良的動(dòng)力煤[2]，但是準(zhǔn)東高堿煤中堿金屬鈉和鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%～9%。與國內(nèi)其他動(dòng)力煤相比，準(zhǔn)東高堿煤具有嚴(yán)重的沾污、結(jié)渣特性，屬于高堿煤種。高堿煤在燃燒中存在的嚴(yán)重沾污、結(jié)渣問題屬于世界性難題，這嚴(yán)重制約了準(zhǔn)東高堿煤的開發(fā)與利用。

目前，電站鍋爐對(duì)準(zhǔn)東高堿煤的利用只能采用摻燒沾污性弱的煤種的方法，但該方法僅能減緩沾污，不能從根本上解決沾污問題。因此，需要開發(fā)適合大比例燃用準(zhǔn)東高堿煤的超超臨界機(jī)組鍋爐的技術(shù)。為此，很多研究者也針對(duì)準(zhǔn)東高堿煤的沾污、結(jié)渣特性進(jìn)行了研究。王智化等[3-4]研究了礦物質(zhì)在高堿煤燃燒過程中的賦存形態(tài)及遷徙規(guī)律。馬達(dá)夫等[5]研究了高堿煤結(jié)渣沾污層的形成機(jī)制。王禮鵬等[6]研究了準(zhǔn)東高堿煤的渣樣并進(jìn)行了結(jié)渣沾污特性分析。張守玉等[7]分析總結(jié)了燃用高堿煤時(shí)出現(xiàn)的難題。聶立等[8]進(jìn)行了半工業(yè)性試驗(yàn)并得出煙氣溫度和管壁溫度是影響沾污積灰的主要因素。李楠等[9]通過相圖法并結(jié)合試驗(yàn)研究了高堿煤的摻燒比例。杜智華等[10]通過數(shù)值模擬研究了某機(jī)組摻燒高堿煤出現(xiàn)結(jié)渣的情況。楊忠燦等[11]總結(jié)了新建燃用高堿煤鍋爐的注意事項(xiàng)并提出了相關(guān)的選型建議。趙勇綱等[12]提出了純?nèi)几邏A煤機(jī)組防結(jié)渣沾污的一體化設(shè)計(jì)思路。

筆者研發(fā)全燃準(zhǔn)東高堿煤660 MW超超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐，并將其應(yīng)用于大唐新疆準(zhǔn)東五彩灣電廠一期2臺(tái)660 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，介紹技術(shù)的相關(guān)特點(diǎn)，探究準(zhǔn)東高堿煤在該機(jī)組的應(yīng)用情況。

1 對(duì)沖燃燒鍋爐的技術(shù)特點(diǎn)

該機(jī)組鍋爐為660 MW超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流П形鍋爐，采用內(nèi)螺紋管螺旋管圈、一次再熱、單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒、尾部雙煙道、平衡通風(fēng)、全緊身封閉布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)。主要技術(shù)特點(diǎn)為：

(1) 水冷壁采用下部內(nèi)螺紋管螺旋結(jié)構(gòu)+半爐膛中間全混合結(jié)構(gòu)+上部光管垂直結(jié)構(gòu)，不需要設(shè)置節(jié)流圈，水動(dòng)力穩(wěn)定性高，全負(fù)荷工況運(yùn)行偏差小，安全裕度大。

(2) 采用成熟可靠的前后墻對(duì)沖燃燒方式，熱量輸入偏差小，可減少爐膛出口工質(zhì)溫度偏差，防止?fàn)t膛結(jié)焦。煤種適應(yīng)性強(qiáng)，并且機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)燃能力及深度調(diào)峰能力強(qiáng)。

(3) 采用一系列措施精準(zhǔn)控制壁溫偏差，對(duì)璧溫偏差控制技術(shù)進(jìn)行全面的升級(jí)，包括焓增及溫升再匹配、進(jìn)出口集箱內(nèi)徑再匹配、節(jié)流孔精確再匹配；過熱器、再熱器壁溫偏差小。

(4) 過熱蒸汽溫度采用調(diào)節(jié)煤水比和兩級(jí)噴水減溫進(jìn)行控制，再熱蒸汽溫度采用尾部煙氣擋板調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)性能好。過熱器受熱面布置采用輻射-對(duì)流型，通過調(diào)節(jié)煤水比和兩級(jí)噴水來調(diào)節(jié)汽溫；再熱器受熱面均為純對(duì)流傳熱受熱面，通過尾部煙氣擋板調(diào)節(jié)汽溫；保證過熱器、再熱器能達(dá)到額定蒸汽參數(shù)。

(5) 配置最新的OPCC型雙調(diào)風(fēng)旋流低NOx燃燒器，采用單個(gè)燃燒器穩(wěn)燃并單獨(dú)配風(fēng)的燃燒方式，并且機(jī)組在高、低負(fù)荷采取相同的燃燒方式，通過燃燒精確控制，保證全負(fù)荷段下的低NOx排放量及高效穩(wěn)定燃燒。

(6) 采用一系列措施防止沾污結(jié)渣和水冷壁高溫腐蝕。П形對(duì)沖燃燒鍋爐爐膛出口煙氣無殘余旋轉(zhuǎn)，屏式過熱器區(qū)域煙氣流向與受熱面平行，受熱面對(duì)煙氣灰粒捕集率低，管屏不易結(jié)焦；燃燒器設(shè)置合適的擴(kuò)錐角度，火焰不飛邊、不刷墻；設(shè)置貼壁風(fēng)，可有效保護(hù)側(cè)墻水冷壁；側(cè)墻水冷壁布置吹灰器，可有效防止結(jié)渣。

2 全燃準(zhǔn)東高堿煤的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 選擇爐膛關(guān)鍵參數(shù)

該鍋爐的爐膛斷面尺寸(寬度×深度)為23.534 m×16.980 8 m，高度為73 m，燃盡高度為27.238 5 m，燃燒器層數(shù)為6(前墻3層、后墻3層)。爐膛出口煙氣溫度為965 ℃，鍋爐保證效率為94.30%，NOx生成質(zhì)量濃度為180 mg/m3。

爐膛熱負(fù)荷是設(shè)計(jì)燃用高堿煤鍋爐的關(guān)鍵參數(shù)。降低各爐膛熱負(fù)荷并增加燃盡高度，有利于控制爐膛平均煙氣溫度水平，顯著提升鍋爐全燃高堿煤的適應(yīng)能力。根據(jù)DL/T 831—2015 《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導(dǎo)則》，將該鍋爐與同等級(jí)鍋爐爐膛關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，具體見表1。設(shè)計(jì)時(shí)，選取的爐膛熱負(fù)荷低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值，而燃盡高度(上一次風(fēng)距屏下緣距離)也高于標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值。

表1 爐膛關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

根據(jù)爐膛參數(shù)的變化趨勢(shì)和防止結(jié)渣的要求，選取燃用高堿煤的鍋爐爐膛參數(shù)(見表2)。

表2 不同容量燃用準(zhǔn)東高堿煤鍋爐的熱負(fù)荷參數(shù)選取

2.2 優(yōu)化受熱面布置

為了防止?fàn)t內(nèi)各級(jí)受熱面沾污、積灰搭橋，影響鍋爐的安全運(yùn)行，加大了易沾污區(qū)間的受熱面節(jié)距，降低煙氣速度，使煙氣攜帶灰顆粒通過管組間的空隙，并且盡量減少灰顆粒與受熱面接觸形成黏結(jié)。

低溫過熱器與低溫再熱器水平段采用不同的節(jié)距，與吊掛管的匹配存在一定難度。高溫區(qū)的寬節(jié)距管屏若按常規(guī)設(shè)計(jì)支撐耳板將不能滿足長期安全運(yùn)行的需要。因此，研發(fā)了一種適用于寬節(jié)距蛇形管屏的吊掛管支撐裝置，具體見圖1。

圖1 適用于寬節(jié)距蛇形管屏的吊掛管支撐裝置

2.3 設(shè)計(jì)及計(jì)算方法

通過3 MW試驗(yàn)臺(tái)研究了沾污對(duì)傳熱系數(shù)的影響(見圖2)。

圖2 沾污對(duì)傳熱系數(shù)的影響

對(duì)已投運(yùn)的350 MW鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析，提出了燃用準(zhǔn)東高堿煤鍋爐受熱面利用系數(shù)的選取方法，為燃用準(zhǔn)東高堿煤鍋爐設(shè)計(jì)提供可靠的計(jì)算手段，并且根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)，結(jié)合水動(dòng)力計(jì)算和熱力計(jì)算的方法，修正爐膛、燃燒、受熱面?zhèn)鳠岬哪Ｐ瓦吔鐥l件。

不同工況下，受熱面利用系數(shù)的對(duì)比見表3。

表3 受熱面利用系數(shù)的對(duì)比

為保證鍋爐熱力計(jì)算的準(zhǔn)確，采取的措施包括：

(1) 根據(jù)煤種的結(jié)渣和沾污特性，結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際投運(yùn)項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)了不同煙氣溫度區(qū)域受熱面管因管壁沾污導(dǎo)致的傳熱系數(shù)的變化情況，并且對(duì)鍋爐方案進(jìn)行校核。在計(jì)算上對(duì)沾污區(qū)域受熱面積利用系數(shù)進(jìn)行修正，保證鍋爐在爐膛及受熱面有輕微的結(jié)渣和沾污時(shí)也能達(dá)到鍋爐額定參數(shù)和設(shè)計(jì)的排煙溫度，確保鍋爐高效運(yùn)行。圖3為不同煙氣溫度區(qū)域的劃分。

圖3 不同煙氣溫度區(qū)域的劃分

(2) 在排煙溫度控制上，相比于常規(guī)項(xiàng)目，放大空氣預(yù)熱器的型號(hào)，優(yōu)化改進(jìn)空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)，降低空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率，保證空氣預(yù)熱器傳熱面積有足夠的裕量。

(3) 考慮爐膛和受熱面結(jié)渣和沾污后，各位置的煙氣溫度存在波動(dòng)，但均在安全范圍，同時(shí)進(jìn)入空氣預(yù)熱器的煙氣溫度也存在波動(dòng)。鍋爐的整體布置和受熱面布置要完全能適應(yīng)燃用高堿煤，并且具有足夠的裕量，能保證結(jié)渣和沾污后鍋爐的性能基本不變。圖4為各位置的煙氣溫度。

圖4 各位置的煙氣溫度

2.4 采用專用燃燒器

對(duì)燃燒器整體結(jié)構(gòu)、布置方案及風(fēng)粉參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在燃燒器噴口專設(shè)了火焰分割塊，有利于減少燃燒器噴口的煙氣回流，降低燃燒器區(qū)域熱強(qiáng)度，防止燃燒器噴口的結(jié)焦。同時(shí)，通過設(shè)置合適的燃燒器擴(kuò)錐角度，并且降低燃燒器區(qū)域壁面熱負(fù)荷，防止燃燒器區(qū)域的結(jié)渣。

該鍋爐配6臺(tái)磨煤機(jī)，5臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用。每臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)一層的6個(gè)低NOx燃燒器，前、后墻各布置3層燃燒器，每層布置6個(gè)，燃燒器結(jié)構(gòu)見圖5。在低NOx燃燒器組的上方布置燃盡風(fēng)噴口，前、后墻各布置2層，每層布置6個(gè)。另外，布置了貼壁風(fēng)以防止水冷壁側(cè)墻的高溫腐蝕。燃燒器的整體布置方案見圖6。

圖5 低NOx燃燒器結(jié)構(gòu)

圖6 燃燒器的整體布置方案

2.5 設(shè)計(jì)燃燒器區(qū)域差異化熱負(fù)荷技術(shù)

在燃燒器區(qū)域容積熱負(fù)荷(即燃燒器總高度)不變的情況下，將中間層燃燒器適當(dāng)下移，使第1層與第2層燃燒器的間距小于第2層與第3層燃燒器的間距，具體移動(dòng)的距離根據(jù)爐膛容積熱負(fù)荷來選取。圖7為中間層燃燒器下移前后主燃區(qū)水冷壁輻射熱流密度的對(duì)比。

圖7 中間層燃燒器下移前后主燃區(qū)水冷壁輻射熱流密度的對(duì)比

中間層燃燒器下移使?fàn)t膛火焰中心整體降低，中層與下層燃燒器的相對(duì)集中布置使?fàn)t膛下部煤粉熱量釋放得更及時(shí)，從而降低了爐膛出口煙氣溫度，有利于防止屏式過熱器超溫及高溫受熱面沾污。中間層燃燒器下移可以增加第2層燃燒器煤粉在爐膛中的停留時(shí)間，提高煤粉的燃盡程度。爐膛采用空氣分級(jí)燃燒器，主燃區(qū)生成的NOx可以在爐膛的還原區(qū)被還原。但是，主燃區(qū)是富燃料區(qū)，還原性氣氛的含量較高，燃燒產(chǎn)生的NOx可以在主燃區(qū)內(nèi)被還原。中間層燃燒器下移可以在第2層和第3層燃燒器之間形成“第2個(gè)還原區(qū)”，下2層煤粉燃燒所產(chǎn)生的NOx一部分可以先被還原，剩下的部分再進(jìn)入爐膛主燃區(qū)內(nèi)被還原，可以大幅度降低鍋爐的NOx排放量。

2.6 合理布置吹灰器

相比于常規(guī)660 MW鍋爐，燃用高堿煤鍋爐需要進(jìn)一步優(yōu)化吹灰器的布置，同時(shí)可以提高吹灰頻率或提升吹灰壓力來提升吹灰效果。

表4為吹灰器布置數(shù)量的對(duì)比。

表4 吹灰器布置數(shù)量對(duì)比

在布置蒸汽吹灰器的同時(shí)，還需要考慮布置水力吹灰器。遠(yuǎn)程水力吹灰器吹掃的最大射程可達(dá)30 m以上。初步方案是在爐膛前、后墻各布置2層遠(yuǎn)程水力吹灰器，每層布置1個(gè)，前、后墻共布置4個(gè)。上層水力吹灰器在吹掃時(shí)需要注意避開屏式過熱器，下層水力吹灰器在吹掃時(shí)需要注意避開燃燒器噴口。

3 鍋爐設(shè)計(jì)方案

3.1 煤質(zhì)分析

鍋爐燃用準(zhǔn)東高堿煤的煤質(zhì)分析見表5。準(zhǔn)東高堿煤的特點(diǎn)為灰分含量較低、鈉鉀等堿金屬含量較高、硅鋁含量較低。準(zhǔn)東高堿煤在燃燒過程中生成的鈉鉀鈣硫酸鹽共熔體易沉積在受熱面上而造成沾污積灰。

表5 鍋爐燃用準(zhǔn)東高堿煤的煤質(zhì)分析

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)見表6，其中：BMCR工況為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況；BRL工況為鍋爐額定工況；THA工況為汽輪機(jī)熱耗驗(yàn)收工況。

表6 設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 主要部件組成

鍋爐的整體布置見圖8。

圖8 鍋爐的整體布置

3.4 爐膛結(jié)構(gòu)

鍋爐的爐膛四周為全焊式膜式水冷壁，爐膛由下部螺旋水冷壁和上部垂直水冷壁組成，兩者間由過渡段水冷壁和水冷壁中間集箱連接。

3.5 煙風(fēng)系統(tǒng)

送風(fēng)機(jī)將空氣送往回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，熱煙氣將熱量傳給空氣，熱一次風(fēng)與部分冷一次風(fēng)混合后進(jìn)入磨煤機(jī)，然后進(jìn)入煤粉燃燒器，熱二次風(fēng)進(jìn)入燃燒器風(fēng)箱，并通過各調(diào)節(jié)擋板進(jìn)入每個(gè)燃燒器內(nèi)、外二次風(fēng)通道，同時(shí)部分二次風(fēng)進(jìn)入燃盡風(fēng)、還原風(fēng)、貼壁風(fēng)噴口。

風(fēng)和粉被送入爐膛燃燒，產(chǎn)生熱煙氣，熱煙氣沿爐膛向上依次經(jīng)過屏式過熱器、高溫過熱器、高溫再熱器，然后再分為兩路，一路經(jīng)過低溫再熱器、省煤器，另一路經(jīng)過低溫過熱器、省煤器，進(jìn)行輻射、對(duì)流傳熱后到達(dá)尾部出口煙道。通過選擇性催化還原(SCR)脫硝裝置后，煙氣再進(jìn)入空氣預(yù)熱器與空氣進(jìn)行換熱，最后經(jīng)空氣預(yù)熱器出口煙道離開鍋爐。

3.6 汽水系統(tǒng)

3.6.1 省煤器及水冷壁系統(tǒng)

鍋爐主給水由鍋爐右側(cè)引入省煤器，經(jīng)省煤器管組加熱后，再經(jīng)集中下降管被引入水冷壁下集箱，然后沿爐膛向上依次經(jīng)過冷灰斗、下部螺旋水冷壁、中間混合集箱、上部垂直水冷壁。最終，汽水混合物在水冷壁出口集箱內(nèi)進(jìn)行全混合后再通過6根連接管分別進(jìn)入2個(gè)汽水分離器。

3.6.2 過熱器系統(tǒng)

過熱蒸汽依次經(jīng)過汽水分離器、頂棚過熱器、包墻過熱器、吊掛管過熱器、低溫過熱器、一級(jí)減溫器、屏式過熱器、二級(jí)減溫器、高溫過熱器、過熱蒸汽出口管道。

3.6.3 再熱器系統(tǒng)

再熱蒸汽依次經(jīng)過再熱蒸汽冷段管道、低溫再熱器、再熱器事故噴水減溫器、高溫再熱器、再熱蒸汽熱段管道。

3.6.4 汽溫調(diào)節(jié)

鍋爐通過調(diào)節(jié)煤水比和噴水減溫來控制過熱蒸汽溫度，主要通過調(diào)節(jié)尾部煙氣擋板來控制再熱蒸汽溫度。

3.6.5 啟動(dòng)系統(tǒng)

啟動(dòng)系統(tǒng)的作用是保證鍋爐啟動(dòng)過程中的最小流量需求，避免管壁超溫。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷達(dá)到臨界點(diǎn)(約25%BMCR負(fù)荷)以上時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入備用狀態(tài)，鍋爐進(jìn)入直流運(yùn)行工況。

3.7 鍋爐鋼結(jié)構(gòu)

鍋爐為П形布置，主要受壓部件都懸掛在爐頂?shù)拇蟀辶荷?，而這些大板梁是由鍋爐四周的鋼柱來支撐的。鍋爐爐墻通過水平布置鋼性梁連接起來，同時(shí)通過垂直鋼性梁來固定。

3.8 燃燒系統(tǒng)

采用前后墻對(duì)沖布置的低NOx燃燒器，在爐膛前墻和后墻各分3層，每層布置6個(gè)燃燒器，全爐共設(shè)有36個(gè)燃燒器。在最上層低NOx燃燒器的上部布置了2層燃盡風(fēng)噴口，共設(shè)有24個(gè)燃盡風(fēng)噴口。在燃燒器靠近水冷壁側(cè)墻設(shè)有3層貼壁風(fēng)，共設(shè)有12個(gè)貼壁風(fēng)噴口。

3.9 空氣預(yù)熱器系統(tǒng)

每臺(tái)鍋爐配有1臺(tái)三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，型號(hào)為35VNT2350，傳熱元件總高度為2 350 mm；熱端傳熱元件采用Q235材料，冷端傳熱元件采用雙表面鍍搪瓷涂料的搪瓷板。

4 機(jī)組運(yùn)行情況

2臺(tái)機(jī)組自運(yùn)行以來，受熱面不超溫，鍋爐熱效率、鍋爐最大蒸發(fā)量、鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷、NOx排放濃度、過熱蒸汽及再熱蒸汽溫度等指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)值。

表7為鍋爐在試運(yùn)行期間準(zhǔn)東高堿煤摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)。自機(jī)組投運(yùn)以來，鍋爐表現(xiàn)出優(yōu)良的高堿煤適應(yīng)能力，準(zhǔn)東高堿煤綜合摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到90%以上，接近全燃高堿煤的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表7 鍋爐在試運(yùn)行期間準(zhǔn)東高堿煤摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)

5 結(jié)語

(1) 研究了爐膛關(guān)鍵參數(shù)、受熱面布置優(yōu)化、鍋爐計(jì)算方法、燃燒器設(shè)計(jì)及布置、吹灰器設(shè)計(jì)及布置等鍋爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，為高堿煤鍋爐的設(shè)計(jì)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

(2) 研發(fā)全燃準(zhǔn)東高堿煤鍋爐并成功投運(yùn)，為世界首臺(tái)(批)采用完全自主研發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)制造的燃用準(zhǔn)東高堿煤660 MW超超臨界對(duì)沖燃燒П形鍋爐。

(3) 鍋爐投運(yùn)后具有優(yōu)良的高堿煤適應(yīng)能力，并且準(zhǔn)東高堿煤綜合摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到90%以上，解決了難以大比例燃用準(zhǔn)東高堿煤的難題。