600MW等級超臨界W形火焰鍋爐

0 引 言

在我國現(xiàn)役發(fā)電設(shè)備中，火電機(jī)組占了相當(dāng)大的比例，而火電機(jī)組中燃煤機(jī)組又占了大部分，這種趨勢將持續(xù)相當(dāng)長時間。我國煤炭資源豐富，煤種齊全，云南、貴州、湖南、山西、廣東等地?zé)o煙煤、貧煤的儲量十分豐富，根據(jù)探明的煤炭儲藏量表明，無煙煤、貧煤占總煤炭儲藏量達(dá)20%以上。因為無煙煤、貧煤屬于難于燃燒的低揮發(fā)份煤種，具有難著火、不易燃盡等特點，這就給鍋爐提出了如何燃用低揮發(fā)份燃料的課題。

W形火焰鍋爐又稱雙拱型燃燒鍋爐，是世界上專用于燃燒低揮發(fā)份無煙煤、貧煤的特殊爐型。實踐證明，W形火焰鍋爐能夠燃用揮發(fā)份在5%～6%及以上的無煙煤、貧煤，經(jīng)過優(yōu)化燃燒調(diào)整后的飛灰可燃物已能降到較低水平，是解決無煙煤和貧煤難于燃燒這一課題的有效途徑之一。

在引進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上研制的首臺600MW等級超臨界W形火焰鍋爐產(chǎn)品，見圖1。該產(chǎn)品在關(guān)鍵技術(shù)上有新的突破，形成了以高效環(huán)保型燃燒器、低質(zhì)量流速垂直管圈水冷壁等多項技術(shù)集成的600MW等級超臨界W形火焰鍋爐產(chǎn)品。

首臺產(chǎn)品鍋爐于2011年12月一次順利通過168 h試運行，并成功投入商業(yè)運行生產(chǎn)。鍋爐在各種不同負(fù)荷情況下，運行參數(shù)正常、著火和燃燒穩(wěn)定、鍋爐效率高、低負(fù)荷不投油穩(wěn)燃性好，能滿足機(jī)組調(diào)峰的需要，環(huán)保性能良好，NOx排放低。該產(chǎn)品的順利投運標(biāo)志著我上海鍋爐廠有限公司在產(chǎn)品系列上的進(jìn)一步完善，能夠為燃料采用無煙煤等難燃煤種的火力發(fā)電廠提供經(jīng)濟(jì)、安全、可靠并且環(huán)保的解決方案。

圖1 600MW等級超臨界W形火焰鍋爐

1 主要技術(shù)

600MW等級超臨界W形火焰鍋爐為超臨界參數(shù)、變壓運行、單爐膛、一次中間再熱、W形火焰燃燒方式、垂直管圈、平衡通風(fēng)、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、固態(tài)排渣，采用帶循環(huán)泵的啟動系統(tǒng)，配雙進(jìn)雙出鋼球磨的正壓直吹式制粉系統(tǒng)，爐后尾部布置兩臺三分倉容克式空氣預(yù)熱器。

1.1 鍋爐整體布置及系統(tǒng)

整個爐膛由膜式水冷壁組成，水冷壁采用垂直管圈布置方案。爐膛上部布置有屏式過熱器和一級高溫過熱器，水平煙道依次布置二級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。鍋爐爐膛及受熱面布置見圖2。

鍋爐燃燒系統(tǒng)按配雙進(jìn)雙出鋼球磨的正壓直吹式制粉系統(tǒng)設(shè)計。燃燒方式采用新型W形火焰燃燒，燃燒器布置在爐膛前后墻拱部。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)良好且不被燒壞。

過熱器汽溫通過煤水比調(diào)節(jié)和兩級噴水來控制。再熱器汽溫采用煙氣擋板調(diào)溫和過量空氣系數(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(jī)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?？諝忸A(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、長行程伸縮式吹灰器和半行程伸縮式吹灰器。爐膛出口左右側(cè)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。鍋爐本體采用優(yōu)質(zhì)輕型保溫材料，外裝金屬外護(hù)板。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(qiáng)度螺栓連接，其他構(gòu)件的接頭采用高強(qiáng)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2 鍋爐爐膛及受熱面布置

1.2 技術(shù)特點

1.2.1 采用成熟、先進(jìn)的超臨界技術(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)的超臨界專有技術(shù)，從而能夠確保機(jī)組長期安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運行。

1.2.2 采用拱形爐膛設(shè)計，選取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；同時兼顧考慮煤種變化和煤質(zhì)變差的可能情況。

1.2.3 爐膛水冷壁采用垂直管圈布置的優(yōu)化設(shè)計

對于超臨界鍋爐而言，為達(dá)到超臨界直流鍋爐的安全可靠運行，需要限制水冷壁管子最高金屬溫度和相鄰管子間的溫差。在超臨界壓力運行下的直流爐中，沒有液相和汽相的區(qū)分，且介質(zhì)溫度是持續(xù)增加的。由于吸收輻射熱的不均和質(zhì)量流速差異，導(dǎo)致了管子的壁溫差異。如溫差過大，將導(dǎo)致熱應(yīng)力加大，如不加限制，將引起管子泄漏。常規(guī)的做法是，爐膛水冷壁設(shè)計多采用螺旋管圈或帶有節(jié)流孔圈的垂直管圈布置。然而，對于超臨界W形火焰鍋爐，由于其燃燒特性和爐膛形狀的不規(guī)則性，很難再采用螺旋管圈布置方式來保證合理的性能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此超臨界W形火焰鍋爐普遍采用垂直管圈布置的水冷壁設(shè)計。此設(shè)計所采用的垂直管圈水冷壁技術(shù)，與常規(guī)超臨界鍋爐通常所采用的螺旋管圈與垂直管圈技術(shù)都不同，采用的是低質(zhì)量流速垂直管圈技術(shù)。在垂直管圈的水冷系統(tǒng)中，爐膛水冷壁管由單一向上的垂直管形成（下部內(nèi)螺紋管，上部光管），并且通過管子規(guī)格和間距的合適選擇提供一個較低的工質(zhì)質(zhì)量流速。實際的運用情況表明，這種先進(jìn)的水冷系統(tǒng)技術(shù)完全能夠滿足超臨界鍋爐安全可靠運行的需要。同時，該技術(shù)具有其他水冷系統(tǒng)技術(shù)所不具有的優(yōu)點，例如具有一定的自然循環(huán)水冷系統(tǒng)技術(shù)的自補(bǔ)償特性和相對低的流動阻力。

1.2.4 采用高效環(huán)保型的W形火焰燃燒技術(shù)

W形火焰燃燒即拱式燃燒技術(shù)，因其具有著火及時、燃燒穩(wěn)定、燃盡充分等技術(shù)特點，廣泛適用于低揮發(fā)份無煙煤、貧煤的燃燒。W形火焰燃燒有著獨特的空氣動力場，燃料和助燃空氣通過布置在爐膛前后墻拱部的燃燒器引入，兩邊火焰先下后上，形成W形火焰，延長了煤粉顆粒在爐膛內(nèi)的停留時間，以利于燃盡。同時，在鍋爐的下部爐膛敷設(shè)大量衛(wèi)燃帶，提高了燃燒區(qū)域的溫度，以利于穩(wěn)燃，見圖3。低NOx煤粉燃燒，是通過分析煤粉燃燒時NOx的生成機(jī)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)，為使當(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。新型低NOx燃燒技術(shù)，是一種高效環(huán)保的燃燒技術(shù)，在降低NOx排放的同時，兼顧考慮提高鍋爐不投油低負(fù)荷穩(wěn)燃能力及燃燒效率，防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣、高溫腐蝕等。

圖3 W形火焰燃燒示意

1.2.5 燃燒系統(tǒng)配雙進(jìn)雙出鋼球磨的正壓直吹式制粉系統(tǒng)

制粉系統(tǒng)配6臺雙進(jìn)雙出鋼球磨的正壓直吹式制粉系統(tǒng)，雙進(jìn)雙出球磨機(jī)具有可用率高、可靠性強(qiáng)、維護(hù)簡單等特點，能長期保持穩(wěn)定的出力和所需的煤粉細(xì)度。負(fù)荷越低，煤粉細(xì)度越細(xì)。雙進(jìn)雙出球磨機(jī)在正常運行工況下可以保持較低的風(fēng)煤比，獲得較高的煤粉濃度，以及較高的出口風(fēng)溫。在這樣的溫度水平下，為煤粉氣流的著火、低負(fù)荷穩(wěn)燃和燃盡性能創(chuàng)造了良好的條件。

1.2.6 采用成熟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。

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

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(jī)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全部吸收疏水熱量，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(jī)組。

1.2.8 過熱器、再熱器受熱面材料選取留有大的裕度。

2 創(chuàng)新點

600MW等級超臨界W形火焰鍋爐產(chǎn)品使用了多項重大核心技術(shù)，使整個鍋爐的產(chǎn)品性能得到了很大的提高。

2.1 高效環(huán)保型W形火焰燃燒技術(shù)的應(yīng)用

通過合理布置拱部與拱下分級配風(fēng)及燃盡風(fēng)、改進(jìn)燃燒器本體等措施，既保證了難燃的低揮發(fā)份無煙煤能夠及時著火、燃燒穩(wěn)定、燃盡完全，又充分有效地降低了NOx污染物的排放。根據(jù)實際情況，使用低NOx燃燒技術(shù)后NOx的排放指標(biāo)可為800～600mg/Nm3甚至更低。

2.2 水冷壁型式的優(yōu)化創(chuàng)新—低質(zhì)量流速垂直管圈技術(shù)的應(yīng)用

在超臨界W形火焰鍋爐中，首次采用了低質(zhì)量流速垂直管圈技術(shù)。在超臨界鍋爐中運用垂直管圈設(shè)計，如何避免大的溫度偏差，保證水冷系統(tǒng)安全運行十分重要。通過充分、反復(fù)的理論計算來確定水冷壁設(shè)計方案，選取合理的管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速，一方面保證內(nèi)螺紋管對吸熱變化具有自補(bǔ)償能力，另一方面保證管子足夠的冷卻，使得低質(zhì)量流速垂直管圈技術(shù)的優(yōu)點得到充分發(fā)揮，不但降低鍋爐一次汽阻力，同時避免水冷壁出口出現(xiàn)較大的溫度偏差，達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，大大提升產(chǎn)品競爭力。

2.3 鍋爐受熱面結(jié)渣及高溫腐蝕的有效防止

通過正確判斷煤種結(jié)渣特性、合理選擇爐膛熱力參數(shù)、合理設(shè)計燃燒系統(tǒng)、優(yōu)化配置爐膛拱部、上部及下部的一二次風(fēng)比例等措施來防止?fàn)t膛及受熱面結(jié)渣。采用引入邊界風(fēng)、燃盡風(fēng)、合理布置燃燒器、燃燒器區(qū)域敷設(shè)衛(wèi)燃帶、控制水冷壁管壁溫度等措施來有效防止高溫腐蝕。

2.4 過熱器、再熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鍋爐的過熱器、再熱器采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，降低了流程阻力差。

2.5 尾部煙道防振技術(shù)的應(yīng)用

鍋爐的低溫過熱器和低溫再熱器都布置在尾部前后煙道中，如果設(shè)計不合理而導(dǎo)致尾部煙道發(fā)生振動，其后果是非常嚴(yán)重的。為了避免在實際運行中出現(xiàn)振動問題，在設(shè)計中采用了有效的尾部煙道防振技術(shù)以防止受熱面振動問題的發(fā)生。

2.6 合理進(jìn)行溫度偏差的控制

鍋爐設(shè)計中積極采用數(shù)值模擬計算，合理布置各段受熱面及連接管道，實現(xiàn)有效控制和防止煙氣溫度的偏差。

3 社會效益

600MW等級超臨界W形火焰鍋爐產(chǎn)品屬于符合國家節(jié)能減排政策的環(huán)保創(chuàng)新型產(chǎn)品。我國的煤質(zhì)總體特點是煤儲量大，開采不便，劣質(zhì)煤較多，伴生物較多。在無煙煤和貧煤儲量豐富的地區(qū)，著火穩(wěn)定性好、燃盡性能高的超臨界W形火焰鍋爐產(chǎn)品具有很大的競爭力和吸引力；另一方面，超臨界W形火焰鍋爐產(chǎn)品在燃燒低揮發(fā)份無煙煤、貧煤的低NOx控制方面擁有得天獨厚的優(yōu)勢，使得這一特殊爐型產(chǎn)品在我國擁有十分廣闊的市場前景。同時，這對于我國現(xiàn)階段電煤緊張的形勢也有較大程度上的緩解。

4 結(jié) 論

600MW等級超臨界W形火焰鍋爐產(chǎn)品，技術(shù)特點鮮明，高效、節(jié)能、環(huán)保，是一個融合引進(jìn)技術(shù)消化吸收、自主設(shè)計再創(chuàng)新的成功設(shè)計范例。600MW等級超臨界W形火焰鍋爐的創(chuàng)新研發(fā)過程，是在各級相關(guān)政府部門和上海電氣集團(tuán)的大力支持下，集中人力、物力、財力進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)與創(chuàng)新，引進(jìn)與自主開發(fā)并舉，提倡重視自身的核心基礎(chǔ)技術(shù)，特別是經(jīng)驗證明的一些成熟、可靠的先進(jìn)技術(shù)的采用，為鍋爐設(shè)計提供了堅實的保證，最終提高了我們產(chǎn)品設(shè)計的綜合能力，夯實了我們電站鍋爐設(shè)計制造的基礎(chǔ)。

600MW等級超臨界W形火焰鍋爐產(chǎn)品的成功開發(fā)和研制，造就了一個優(yōu)秀的團(tuán)隊，培育了一批成熟的設(shè)計人員，填補(bǔ)了上海電氣在600MW等級超臨界W形火焰鍋爐產(chǎn)品上的一個空白。