1 000 MW塔式爐與π型爐比較

裴利平，陳紹敏

(1.振石控股集團有限公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314500；2.重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053)

超臨界和超超臨界機組是我國火力發(fā)電的主力機型，鍋爐主要有π型鍋爐和塔式鍋爐兩種爐型。這兩種爐型特點鮮明，鍋爐生產(chǎn)商中阿爾斯通以塔式爐居多，而美(燃燒工程公司等)日(三菱等)以π型爐為主。在歐洲塔式爐也有很多成功應(yīng)用，在美國、日本和俄羅斯700 MW以上的超臨界和超超臨界機組基本上是采用塔式爐。中國的塔式爐及西門子機型的應(yīng)用是從外高橋電廠二期2×900 MW機組(簡稱外二)開始，并且逐漸向660 MW等級機組延伸。

外二塔式爐水冷壁采用T22材料，而從寧海二期、彭城二期、徐州二期、臺山二期、新密電廠、諫壁電廠等第一批1 000 MW塔式爐開始，水冷壁材料升級為T23。由于對T23材料焊接性能的認識出現(xiàn)偏差，對T23工地焊口做出了焊后不用熱處理的工藝評定，導(dǎo)致第一批1 000 MW塔式爐頻繁出現(xiàn)泄漏，而T23工廠焊口因做過熱處理幾乎沒有泄漏。在分析和應(yīng)對T23工地焊口頻繁泄漏過程中，廠家不太積極應(yīng)對自身存在的不足，導(dǎo)致在后來1 000 MW超超臨界機組高速發(fā)展過程中，塔式爐一直被區(qū)別對待，幾近被封殺，直到二次再熱1 000 MW機組的出現(xiàn)，塔式爐才又獲得了機會。目前哈鍋也有意推600 MW塔式爐。

對于塔式爐和π型爐，本文將從多個角度進行比較。

1 多角度比較分析

1.1 工程造價比較

早期塔式爐以外二的配置即阿爾斯通塔式爐配西門子機型為例分析，其成本高。1 000 MW等級鍋爐，塔式爐比π型爐高8 300萬元，“性價比”較低。而由于超低排放的要求導(dǎo)致π型爐脫硝鋼架成本增加不少(塔式爐可以在尾部煙道隨意增加脫硝層數(shù)而脫硝鋼架費用基本不變)，以及塔式爐鍋爐廠為挽回T23問題帶來的市場負面影響而有意壓低價格，塔式爐與π型爐之間價格差異不斷縮小。根據(jù)《火電工程限額設(shè)計參考造價指標(2018年水平)》規(guī)定，1 000 MW塔式爐價格高于π型爐2 500萬元/臺爐，其主要差價來源于其耗鋼量要多3 000～4 000 t，同時附加少部分的安裝成本。

單臺塔式爐在局部成本構(gòu)成上也有一定的差異，其中地基基礎(chǔ)費用增加200～300萬元，但是爐頂大罩和煤粉管道費用要低500萬元，同時撈渣機費用低100萬元。另外，由于塔式爐占地小，其管廊、橋架、電纜及各種管道費用也有所降低。

π型爐有四條尾部煙道，在脫硝采用后煙氣阻力增加很多，其引風(fēng)機功率也增加較多，根據(jù)廣東臺山電廠二期和廣東平海電廠的實際情況可知(同時期、都是兩層脫硝)，其功率比同類型塔式爐增加2 500 kW，其產(chǎn)生的額外費用為150萬元/臺爐，由此產(chǎn)生的附件配件費用增加了120萬元/臺爐。

綜上所述，相對于1 000 MWπ型爐，單臺塔式爐在總造價上增加2 200萬元。

1.2 可靠性比較

1.2.1 T23材質(zhì)水冷壁焊接失效導(dǎo)致頻繁泄漏

國內(nèi)1 000 MW超超臨界塔式爐中水冷壁材質(zhì)為T22，后期采用T23材質(zhì)(2.25Cr-1.6W-V-Nb鋼)代替T22，并加入微合金化元素釩、鈮，得到的一種新型低合金熱強鋼。T23材質(zhì)含碳量[不超過0.1%(質(zhì)量比)]降低了，其熱影響區(qū)(heat-afected zone， HAZ)的淬硬傾向(最高硬度不超過350 HV)減小。早期一批1 000 MW塔式爐T23水冷壁焊接失效，導(dǎo)致鍋爐在投運初期頻繁泄漏，問題的出現(xiàn)除了與焊接性能不好有關(guān)，也與對T23研究重視不夠，焊后不用熱處理有關(guān)(T23廠家焊口基本沒什么問題，絕大部分出在工地焊口，其焊后未做熱處理)。從新密電廠和諫壁電廠開始，上海鍋爐廠對此進行了針對性改進：

1)T23水冷壁兩頭接非T23材料，并全部在鍋爐廠焊接并做好熱處理，即取消T23工地焊口；2)取消T23水冷壁，用回12Cr1MoV材料。

改進后，水冷壁泄漏問題基本得到解決。從上鍋廠早期在北疆和平海4臺π型爐來看，其泄漏爆管也非常頻繁，投產(chǎn)多年也沒能很好解決，π型爐可靠性不一定比塔式爐高。

T23的高溫性能好過12Cr1MoV，1 000 MW塔式爐改用12Cr1MoV后水冷壁加厚，質(zhì)量增加，但兼顧了工地焊接需求。

第一批塔式爐工地焊口出現(xiàn)大量泄漏，無一幸免，和塔式爐爐型無關(guān)，但和上鍋爐廠的T23工地焊口焊接工藝評定出現(xiàn)偏差有關(guān)(認為不用焊后熱處理)。

1.2.2 受熱面均勻布置有利于運行維護

塔式爐受熱面的布置方式為水平布置，易于疏水，再配置較大容量的旁路，具有天然防止氧化皮沉積的優(yōu)勢，這是π型爐不能比的。塔式爐所有受熱面都能參與酸洗，而π型爐的“三器”無法參與酸洗，其“三器”的清潔度及抗氧化性能具有不確定性。減緩氧化皮的產(chǎn)生與爐型關(guān)系不大，主要靠壁溫控制及給水加氧。

1.2.3 無折焰角的爐膛減小熱負荷偏差

π型爐煙氣從爐膛進入對流受熱面時有折焰角，致使煙氣改變流動方向，從而造成煙氣速度場和飛灰濃度場的不均勻，影響傳熱并造成受熱面的局部磨損。而塔式爐無折焰角，無煙氣旋轉(zhuǎn)殘留，更不會形成煙氣走廊，煙氣分布均勻，熱負荷偏差小，因此汽水系統(tǒng)交叉混合少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單阻力小，相比π型爐優(yōu)勢比較明顯。

塔式爐無折焰角，無水平煙道，爐型結(jié)構(gòu)上保證了兩側(cè)煙氣偏差很小和兩側(cè)汽溫偏差很小。

1.3 鍋爐整體布置比較

1.3.1 占地面積小于π型爐

塔式鍋爐占地面積相對較小，高度相對較高。在超低排要求下，π型爐尾部煙道相對較小，被迫增加一個n型尾部煙道，其占地面積顯著增加，且煙氣阻力增大；而塔式爐尾部垂直煙道不布置受熱面，可直接在其后煙道上布置脫硝設(shè)備，既美觀且阻力小。

對鍋爐框架進行比較，1 000 MW塔式爐(含尾部煙道)比π型爐縱向占地短20 m，橫向占地少10 m/臺爐，節(jié)省占地30%左右。

1.3.2 后煙道布置簡單

超超臨界機組塔式爐尾部不布置受熱面，而π型爐豎井煙道布置很多的受熱面，再加上脫硝層數(shù)不斷增多，導(dǎo)致鍋爐尾部煙道布置擁擠，運行維護難度增加，同時也導(dǎo)致尾部煙道阻力增加、引風(fēng)機電耗增加。

同時期的1 000 MW鍋爐，廣東臺山電廠塔式爐引風(fēng)機電機選型功率6 100 kW、廣東平海電廠π型爐引風(fēng)機電機選型功率9 400 kW。

1.4 煤種適應(yīng)性比較

兩種鍋爐都沒原則性問題，對高揮發(fā)分、高水分、低熱值的褐煤來說，塔式爐的適應(yīng)性要好過π型爐。另外，塔式爐相比π型爐能夠承受更低的灰熔點而不結(jié)焦。

1.5 安裝周期比較

由于設(shè)計結(jié)構(gòu)上的差異，塔式爐在安裝上總體具有較大的優(yōu)勢。

塔式爐鋼結(jié)構(gòu)安裝簡單，進度快。塔式爐鋼結(jié)構(gòu)主要包括主體鋼架和輔助鋼架，同時還包括獨立的空氣預(yù)熱器鋼架。塔式爐采用全懸吊結(jié)構(gòu)，受力方向單一，膨脹自由，沒有任何應(yīng)力集中。懸吊結(jié)構(gòu)規(guī)則，支撐結(jié)構(gòu)簡單。雖然鋼結(jié)構(gòu)總重比π型爐重約15%，但是小梁、小件少，使得鋼結(jié)構(gòu)安裝單價更低，所以鋼結(jié)構(gòu)安裝總價與π型爐相近；同時，塔式爐在風(fēng)煙道、空預(yù)器大件等臨拋預(yù)存方面更方便，加上塔式爐的懸吊設(shè)計簡單、吊桿少，其安裝進度要快很多。

塔式爐由于安裝截面小，鍋爐在施工中通?？梢赃x擇單一的安裝方式，安裝流程相對便捷。兩臺塔式爐中間地帶很寬，可以在鍋爐兩側(cè)布置塔吊，而π型爐只能在鍋爐外側(cè)布置塔吊+爐頂?shù)醯姆绞?，且拆除爐頂?shù)鯐加缅仩t主線工期約10天(與鍋爐防雨大罩封閉沖突)。

1 000 MWπ型爐多4組燃燒器，燃燒器安裝、調(diào)整的工作量更大，燃燒器保溫量多不少(燃燒器保溫不好包)。1 000 MW塔式爐有約七八千道鏡面焊，焊接工藝早已成熟。塔式爐爐內(nèi)一般只開一個作業(yè)面，后期可以開兩個作業(yè)面(做好中間隔離)，受熱面的安裝進度可能會慢于π型爐。

綜上所述，結(jié)合現(xiàn)場安裝實際經(jīng)驗，塔式爐在施工中通常具有更高的安裝精度和施工高度，可以選擇單一的安裝方式，安裝流程相對便捷。塔式爐比π型爐的實際安裝成本略高：塔式爐鋼結(jié)構(gòu)更重但小梁小件小，安裝單價更低，π型爐則相反；塔式爐有鏡面焊，焊接成本更高，塔式爐工地焊口數(shù)量也略多；塔式爐各種混合聯(lián)箱少且聯(lián)箱全部在爐外。

1 000 MW塔式爐總體安裝工期比π型爐快半個月以上。

1.6 運行經(jīng)濟性比較

1.6.1 燃燒經(jīng)濟性

塔式爐燃燒行程長，出口煙溫低，煤粉與煙氣相向而行，且煤粉掉落速度略快于煙氣速度，煤粉的燃盡率更好；塔式爐采用下部螺旋管圈和上部垂直管圈布置的水冷壁結(jié)構(gòu)型式，水冷壁吸熱均勻，管間熱偏差?。凰讲贾脤α魇軣崦嬗欣阱仩t的快速啟停，煙氣溫度偏差小，減少了過/再熱器的交叉混合，汽水系統(tǒng)阻力小，磨損較輕，其給水泵功耗更低；同時，塔式爐受熱面水平布置能實現(xiàn)自疏水。因此，塔式爐的效率略高于π型爐(同等條件下)。

隨著脫硝系統(tǒng)的采用，從1層到4層，π型爐總共有4條尾部煙道，煙氣阻力增加很多，經(jīng)過比較，單臺引風(fēng)機運行電耗高約1 500 kW。按年運行6 000 h，每小時功耗差3 000 kW計算，全年節(jié)電1 800萬kW·h/爐，按電燃料成本0.35元/(kW·h)核算，則1年節(jié)約廠用電630萬kW·h/臺爐；考慮到塔式爐燃燒效率更高，汽水阻力小，全年運行成本可減少約800萬。同時，塔式爐與π型爐相比(見表1)，煙塵排放量、SO2排放量和NOx排放量有明顯減少。

表1 塔式鍋爐與π 型鍋爐的對比分析

2 結(jié)論

1)從建設(shè)初期的投資角度考慮，單臺1 000 MW塔式爐實際投資比π型爐高2 200萬元，但由于尾部煙道煙氣阻力小，引風(fēng)機電耗按年運行成本計算節(jié)約800萬元，3年內(nèi)可收回投資成本。

2)從基建進度考慮，塔式爐比π型爐進度快15天，按1 000 MW單天產(chǎn)生成本150萬元估算，可節(jié)約投資約2 250萬元。

3)從安裝工藝來看，塔式爐在施工中安裝流程相對便捷，具有更高的安裝精度和施工高度。

4)從鍋爐結(jié)構(gòu)來看，塔式爐占地面積小，總體高度相對較高，受熱面采用水平臥式布置，但安裝檢修不方便，費用較高。

5)從運行角度看，塔式爐能快速啟動，煙氣流場均勻，熱偏差小，受熱面磨損較小，風(fēng)煙系統(tǒng)阻力較小，相比π型爐有明顯優(yōu)勢。