600 MW空冷機組鍋爐煙風道優(yōu)化設(shè)計分析

李江波，賈紹廣

(河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊 050031)

1 概述

河北建投沙河發(fā)電有限公司2臺600 MW超臨界空冷機組工程(簡稱“沙河工程”)是由河北省建設(shè)投資公司投資建設(shè)的火電廠工程。該項目安裝2臺600 MW國產(chǎn)超臨界參數(shù)直接空冷機組，目前正在建設(shè)中，預計2011年投產(chǎn)發(fā)電。該工程在電力系統(tǒng)中承擔基本負荷，并滿足電廠調(diào)峰的需要。該電廠為凝汽式電廠，不需要供熱。

該機組鍋爐為超臨界直流、單爐膛、一次再熱、平衡通風、半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐，空氣預熱器為三分倉回轉(zhuǎn)式，燃燒方式為前后墻對沖，采用“高能電火花-輕油-煤粉”的點火方式和機械霧化方式，過熱器為噴水減溫調(diào)節(jié)，再熱器為擋板調(diào)溫，噴水減溫僅用于事故工況。鍋爐主要性能數(shù)據(jù)有：過熱蒸汽流量2 015 t/h，過熱器出口壓力25.4 MPa，過熱器出口溫度571 ℃，再熱蒸汽流量1 643 t/h，再熱器出口溫度569 ℃，空氣預熱器入口一次風溫28 ℃，空氣預熱器入口二次風溫23 ℃，排煙溫度(未修正)130 ℃，鍋爐效率(BRL工況，保證值)92.0%。

在該項目設(shè)計過程中，按照節(jié)能減排、降低投資、提高效益的原則，對整個電廠的設(shè)計進行了全面優(yōu)化。下面對電廠鍋爐煙風道設(shè)計優(yōu)化的情況進行分析，以期對同類電廠設(shè)計工作提供參考和借鑒。

2 煙風道設(shè)計的優(yōu)化

煙風道設(shè)計的優(yōu)化一般主要包括道體形狀優(yōu)化和布置優(yōu)化。道體形狀優(yōu)化主要是將矩形道體改為圓形道體，從而降低道體單位長度的材料耗量；布置優(yōu)化是指通過優(yōu)化主廠房布置方案，減少機組占地，相應(yīng)縮短煙風道長度以及沿程阻力，達到減少材料耗量，節(jié)約初投資及運行費用的目的。

2.1 道體形狀的優(yōu)化

矩形煙風道的優(yōu)點在于斷面長寬比可以任意調(diào)整，在電站有限的空間內(nèi)布置方便，故長期以來電站的煙風道采用矩形道體居多。DL/T 5121-2000《火力發(fā)電廠煙風煤粉管道設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(簡稱“《煙規(guī)》”)雖然推薦在1 000 t/h以下的鍋爐上采用圓形煙風道，但規(guī)程及其配套計算方法還是涉及矩形斷面的居多。

隨著機組容量增大，煙風道的斷面也隨之增大，如600 MW等級機組，煙道母管斷面為35～40 m2。在抗內(nèi)(外)爆炸壓力條件下矩形道體為平板受力，要使變形不超過規(guī)定范圍，需設(shè)置相當多的內(nèi)撐構(gòu)件和外加強構(gòu)件，不但耗鋼量多，也增加了設(shè)計難度。

《煙規(guī)》規(guī)定，300 MW及以上機組的煙風道按抗爆炸壓力設(shè)計。由于脫硫、脫硝裝置的加入，煙道負壓甚至超過通?！?.7 kPa的抗爆炸壓力。對于正壓直吹式制粉燃燒系統(tǒng)，一次風壓達到10～20 kPa，磨煤機進口風道受磨煤機內(nèi)爆炸沖擊波波及的范圍，需要按磨煤機抗爆炸壓力等級0.35 MPa設(shè)計。這種情況下，矩形煙風道平面受力的缺點愈加突出。圓形截面煙風道只要合理解決布置問題，其高質(zhì)量、低造價、低運行成本的優(yōu)越性就可得以充分發(fā)揮。

在同樣通流面積時，圓形煙風道有下列優(yōu)勢：

a. 風道斷面周長比矩形風道小，無內(nèi)撐桿，加固肋也少得多，節(jié)省用料；

b. 風道直徑比采用正方形時的邊長要大，且上下左右都需要同樣大的空間；圓形風道與矩型風道相比，空間適應(yīng)性稍差；

c. 管道采用捲扳機捲制，加固肋少，因此焊縫少，加工工作量?。?/p>

d. 管道道體較輕，節(jié)省支吊架和土建費用；

e. 管道無內(nèi)撐桿，可以減少管道流通阻力；

當需要設(shè)插板門時，圓風道可能要特殊訂貨。

因此，得出煙風道優(yōu)化設(shè)計的原則是：在布置空間允許的前提下優(yōu)先采用圓形風道。

2.2 布置方案

2.2.1 除塵器進口煙道優(yōu)化

除塵器進口煙道的常規(guī)布置方案見圖1。

(a) 平面布置 (b) 斷面布置

在常規(guī)的煙道布置方案中，空氣預熱器出口煙道首先向上進入橫向布置的大風箱，然后在大風箱內(nèi)進行90°轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)向爐側(cè)，再進行90°轉(zhuǎn)彎，最后經(jīng)過一個“Y”形管進入除塵器。該布置方案中，由于煙氣經(jīng)過2次直角轉(zhuǎn)彎，同時伴隨著通流面積強烈地擴散和收縮，不但增大了煙氣阻力，同時極易引起煙氣湍流，導致煙道在運行中發(fā)生振動。

由于煙氣中飛灰的慣性作用，這種布置方案會導致電除塵器2個室的含塵量不均勻，原因是當灰在煙道中拐彎時，由于慣性的作用灰在彎道的外側(cè)濃度增加，內(nèi)側(cè)濃度減少。如圖1所示，實際運行中電除塵器2個室中靠鍋爐外側(cè)的煙氣含塵量較大。由于電除塵器各個室的集塵面積相同，勢必造成一側(cè)工作超負荷，而另一側(cè)則不能滿負荷工作。

工程同步建設(shè)脫硝裝置時，要求鍋爐最外排柱必須從0 m直達爐頂，用于支撐脫硝裝置。如圖1所示，該布置方案將導致鍋爐最外排柱被煙道遮擋，且難以避讓。另一個缺點是矩形大風箱體積龐大。由于此處煙氣處于負壓狀態(tài)，同時需要考慮積灰荷載，因此需要加大加固肋和內(nèi)撐桿的規(guī)格。與圓形煙道相比，常規(guī)矩形風道的材料費用高、加工復雜、工期長。

鑒于常規(guī)煙道的以上缺點，對沙河工程的煙道布置進行了大膽的創(chuàng)新，經(jīng)過反復優(yōu)化，確定沙河工程的煙道布置方案，見圖2。

(a) 平面布置 (b) 斷面布置

優(yōu)化后的煙道在鍋爐出口處先布置一個90°矩形彎頭，把煙氣流向轉(zhuǎn)為向上，為送風機和一次風機的布置騰出空間，然后緊接2個方圓節(jié)將煙氣流道一分為二，同時將矩形截面煙道變?yōu)閳A形截面。由于圓形管道空間轉(zhuǎn)角非常方便，因此方圓節(jié)后的煙道布置自由度很大，以煙道最短、阻力最小為原則。

除塵器進口煙道優(yōu)化方案具有以下優(yōu)點：

a. 保證除塵效率。由于煙道從鍋爐出來后很快被分隔成2根，避免了煙道經(jīng)過多個拐彎后，煙塵的濃度在不同煙道內(nèi)分配不均，使進入除塵器不同通道的煙氣含塵濃度差別大，保證了除塵效率。

b. 減小煙道阻力。優(yōu)化后的煙道阻力比常規(guī)布置方案的阻力更小，常規(guī)布置方案除塵器進口前的煙道大風箱流態(tài)很差，阻力較大，優(yōu)化后的煙道布置方案取消了大風箱，用圓形煙道的緩轉(zhuǎn)彎頭和直段把煙道出口的煙氣分送到除塵器的進口，氣流順暢，阻力較小，減少了引風機運行的電耗。

c. 減少工作量。由于采用圓形煙道，煙道的受力結(jié)構(gòu)比矩形煙道好，能節(jié)省大量煙道加固肋和內(nèi)撐的用量，減少鋼材及焊條耗量，減少加工工作量，縮短工期。

d. 方便空間轉(zhuǎn)彎。由于除塵器前煙道需要頻繁轉(zhuǎn)彎，采用圓形截面煙道將使布置更加簡便，對于其它300 MW機組、1 000 MW機組的煙道布置也有很強的適應(yīng)性。

沙河工程的煙道布置方案經(jīng)過優(yōu)化后，可優(yōu)化煙氣的流態(tài)，節(jié)省材料用量，縮短煙道的加工工期，實現(xiàn)“高速度、高質(zhì)量、低成本”的基建方針。

以某同類工程作為目標工程進行對比，根據(jù)同類工程施工圖設(shè)計，每臺鍋爐除塵器前煙道鋼材耗量為389.5 t，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，初步估算沙河工程的除塵器前煙道鋼材耗量為193.6 t。按照《火電工程限額設(shè)計參考造價指標(2008年水平)》取值，除塵器煙道鋼材成本加上制作費用單價為8 712 元/t，2臺鍋爐除塵器煙道可節(jié)省約170.7 萬元。

2.2.2 熱一次風道優(yōu)化

熱一次風道常規(guī)配置方案為母管采用1 800 mm×1 800 mm×4 mm，加固肋為槽鋼[8，間距為500 mm。經(jīng)過優(yōu)化，熱一次風道母管采用φ2 020 mm×4 mm 焊接鋼管，加固肋為角鋼∠50 mm×50 mm×5 mm，每2 m布置1個。

對于磨煤機入口干燥風道，根據(jù)DL/T 5203-2005《火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，熱風隔絕門后管道須按磨煤機抗爆炸壓力等級0.35 MPa設(shè)計，如此大的內(nèi)壓已經(jīng)超出了《煙規(guī)》配套設(shè)計計算方法的范圍。常規(guī)方案采用單跨梁模型進行計算，道體選用1 200 mm×900 mm×8 mm，加固肋間距為500 mm，加固肋為槽鋼[14a。改用圓形管道后，磨煤機入口干燥風道可采用φ1 220 mm×5 mm焊接鋼管，加固肋為扁鋼-50 mm×6 mm，每1.5 m布置1個。

與除塵器進口煙道鋼耗材計算方法相同，優(yōu)化后，每臺鍋爐熱一次風道共節(jié)約鋼材166.6 t。按照《火電工程限額設(shè)計參考造價指標(2008年水平)》取值，熱一次風道材料費用和制作費用單價為9 544 元/t，2臺鍋爐熱一次風道可節(jié)省材料費約159萬元。

2.2.3 引風機進口煙道優(yōu)化

將2臺引風機橫向(風機軸線與鍋爐對稱中心線垂直)對稱布置，2臺引風機出口煙道合二為一，去往脫硫系統(tǒng)。

由于優(yōu)化后的除塵器前煙道不對稱布置，理論上，內(nèi)、外側(cè)煙道阻力存在偏差，而且外側(cè)煙道比內(nèi)側(cè)煙道的阻力略大(A側(cè)>B側(cè))；對于除塵器后煙道，將引風機進口中心線適當偏向外側(cè)布置，勢必外側(cè)煙道較短，內(nèi)側(cè)煙道較長，理論上，外側(cè)煙道比內(nèi)側(cè)煙道的阻力略小(C側(cè)

(a) 煙道平面 (b) 煙道斷面

2.3 優(yōu)化經(jīng)濟性

該工程通過煙風道設(shè)計優(yōu)化后，經(jīng)計算每臺鍋爐節(jié)省煙風道耗材共362.5 t，2臺鍋爐共節(jié)省725 t。參照《火電工程限額設(shè)計參考造價指標(2008年水平)》，煙、風道材料費用和制作費用共約為9 000 元/t，2臺鍋爐共節(jié)省材料費約659.4萬元，優(yōu)化可取得的效益很明顯。

3 結(jié)束語

以上針對600 MW機組煙風道存在的問題，對河北建投沙河發(fā)電有限公司600 MW工程中煙風道的形狀及布置方案進行了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計的方案可以節(jié)省煙風道材料的用量、減少煙風道占地面積，節(jié)省費用，希望能對以后同類型機組煙風道的設(shè)計提供參考。