2 080t/h亞臨界褐煤鍋爐設(shè)計要點

潘 挺

（北京巴布科克·威爾科克斯有限公司，北京100043）

燃用褐煤的鍋爐設(shè)計中需要解決的關(guān)鍵問題是，高水分條件下制粉系統(tǒng)型式和參數(shù)的合理選擇，以及如何控制褐煤強結(jié)焦特性對鍋爐安全、穩(wěn)定運行產(chǎn)生的影響。國內(nèi)在2000年以前設(shè)計、投運的褐煤鍋爐多采用風(fēng)扇磨煤機切圓燃燒系統(tǒng)，從實際情況看，風(fēng)扇磨煤機制粉系統(tǒng)雖然可適應(yīng)極高水分褐煤（w（Mar）＞40%）煤粉制備的要求，但也存在系統(tǒng)復(fù)雜、維修工作量大的缺點；而對于我國蘊藏量巨大的（w（Mar）＜40%）褐煤而言，采用MPS中速磨煤機直吹制粉系統(tǒng)則更為適宜。

筆者著重介紹由北京B＆W公司制造，已成功投運2年的內(nèi)蒙古白音華金山坑口電廠2臺容量2 080t/h亞臨界壓力褐煤鍋爐的設(shè)計要點。

1 鍋爐設(shè)計技術(shù)背景

美國B＆W公司曾在20世紀60～90年代中期設(shè)計、制造了多臺容量在66～775MW燃用褐煤（絕大多數(shù)為w（Mar）＜40%）的鍋爐，其中容量在400MW以上的工程占多數(shù)，均采用MPS直吹制粉系統(tǒng)。中速磨煤機適用于磨制w（Mar）不高于40%的褐煤；哈氏可磨系數(shù)最低為30。美國的褐煤分為北部平原褐煤和南部Texas褐煤兩大類，其中南部Texas褐煤屬于發(fā)熱值較高、灰分和水分中等的褐煤，與我國白音華工程采用的煤種非常相近。白音華工程的方案設(shè)計所參考的是B＆W公司于1978年設(shè)計制造的美國西南電力公司Henry W.Pirkey Plant的2臺640MW褐煤鍋爐（RB580）。

2 鍋爐設(shè)計主要技術(shù)參數(shù)

白音華金山坑口電廠位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗白音華蘇木境內(nèi)，海拔高度為990～993m，安裝2臺600MW亞臨界參數(shù)燃煤空冷汽輪發(fā)電機組。

鍋爐為亞臨界壓力、一次再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、自然循環(huán)汽包鍋爐，設(shè)計燃料為白音華煤礦的褐煤，采用中速磨正壓直吹制粉系統(tǒng)，前、后墻對沖燃燒方式，配置B＆W標(biāo)準的DRB－XCL低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器。鍋爐尾部設(shè)置雙煙道，采用煙氣分流擋板調(diào)節(jié)再熱器出口汽溫；尾部豎井下設(shè)置2臺三分倉容克式空氣預(yù)熱器。本體采用緊身封閉布置，固態(tài)連續(xù)排渣。

鍋爐帶基本負荷，并具有變負荷調(diào)峰能力。鍋爐變壓運行，采用定-滑-定的運行方式，滑壓運行范圍為（30%～90%）BMCR。鍋爐主要技術(shù)參數(shù)見表1，煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表2。

1.當(dāng)前在小學(xué)生英語的教學(xué)領(lǐng)域，有一大部分教師沿用傳統(tǒng)英語教學(xué)方法，不僅在方法上被時代所淘汰，在教學(xué)理念上也非常陳舊和落后，很多農(nóng)村的教師在新式的教學(xué)方法方面幾乎沒有涉及過信息化教學(xué)模式，在他們的教學(xué)過程中根本無法有效地在課堂上吸引學(xué)生的注意力。在這種情況下，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性很難被充分調(diào)動。

表1 鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

表2 煤質(zhì)數(shù)據(jù)

3 鍋爐系統(tǒng)配置

3.1 汽水系統(tǒng)

鍋爐采用自然循環(huán)方式，在爐頂前部設(shè)置懸吊式汽包。4根下降管分別布置于汽包筒體下方和左右兩封頭處，由爐前和爐側(cè)向下至爐底，通過120根供水管為水冷壁供水。爐膛由膜式水冷壁組成，爐膛尺寸為23 700mm（深）×17 400mm（寬）×70 000mm（高）。鍋爐總體布置圖見圖1。

圖1 鍋爐總體布置圖

爐膛熱負荷高的區(qū)域采用內(nèi)螺紋管，以便水冷壁得到足夠的冷卻。爐膛上方布置屏式過熱器，折焰角上方和水平煙道分別布置后屏過熱器、末級過熱器和末級再熱器。鍋爐尾部煙道由隔墻分隔成前、后兩煙道：前煙道布置低溫再熱器和省煤器，后煙道設(shè)有低溫過熱器和省煤器。過熱器系統(tǒng)采用兩級噴水減溫器來調(diào)節(jié)過熱器汽溫，并通過蒸汽連接管道的交叉，消除由于煙氣側(cè)熱負荷不均勻造成的蒸汽側(cè)汽溫偏差。再熱器系統(tǒng)采用美國B＆W公司傳統(tǒng)的煙氣擋板調(diào)節(jié)裝置，通過尾部煙道煙氣流量的分配來控制再熱器出口汽溫。煙氣調(diào)節(jié)擋板布置在尾部前、后煙道的下方，擋板的開度由電動執(zhí)行機構(gòu)實施調(diào)節(jié)。

3.2 制粉系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)

鍋爐的制粉、燃燒和煙風(fēng)系統(tǒng)由磨煤機、煤粉管道、煤粉燃燒器、空氣預(yù)熱器、（冷熱）一次風(fēng)風(fēng)道、二次風(fēng)風(fēng)道和鍋爐大風(fēng)箱等組成。

3.2.1 制粉系統(tǒng)

制粉系統(tǒng)采用MPS直吹式制粉系統(tǒng)，每臺鍋爐配置7臺引進德國技術(shù)設(shè)計制造的MPS225HP－Ⅱ液壓加載型磨煤機（6臺運行，1臺備用）。為保證足夠的干燥能力和碾磨能力，在工程前期采集了一定數(shù)量的煤樣進行試磨，以保證磨煤機選型的準確性。煤粉設(shè)計細度R90＝35%。

3.2.2 燃燒器及其布置

燃燒器布置在前、后墻的分隔大風(fēng)箱內(nèi)，分隔大風(fēng)箱各分風(fēng)倉由二次風(fēng)總風(fēng)道上的分風(fēng)道供風(fēng)。分風(fēng)道上裝設(shè)測速裝置及調(diào)風(fēng)擋板，根據(jù)測速裝置的測定數(shù)據(jù)和負荷要求來調(diào)整擋板開度，控制各層燃燒器的風(fēng)量及相互間的平衡。當(dāng)負荷變化時，也是通過擋板的調(diào)節(jié)實現(xiàn)二次風(fēng)量及停運燃燒器冷卻風(fēng)的控制。由于分隔風(fēng)箱單個風(fēng)倉的風(fēng)量可以單獨控制，為燃燒器的運行提供了靈活方便的調(diào)控手段。每臺鍋爐設(shè)置42支美國B＆W公司第三代DRB－XCL低NOx燃燒器，見圖2。

圖2 DRB－XCL低NOx燃燒器

燃燒器通過內(nèi)、外二次風(fēng)的分級送風(fēng)方式，為煤粉的著火和后續(xù)燃燒提供合理的風(fēng)量配比和適當(dāng)?shù)男鲝姸?，形成兩級分段燃燒，達到降低NOx排放質(zhì)量濃度的目的。在爐膛前、后墻共布置7層燃燒器，燃燒器層間距大于5m，有效地降低了燃燒器區(qū)壁面熱負荷，可避免水冷壁上嚴重結(jié)焦現(xiàn)象的發(fā)生。燃燒器層采用前4后3的配置方式，每層布置6支，每層對應(yīng)1臺磨煤機。

4 設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題

4.1 爐膛設(shè)計

高水分是世界上所有褐煤的共同特點，白音華褐煤水分也較高，w（Mar）最高時可達34%左右。高水分使得煙氣中水蒸氣的體積分數(shù)φ（H2O）要大大高于其他煤種燃燒時的φ（H2O），這種三原子氣體的大量存在會極大地影響爐膛輻射換熱的效果［1］，降低爐膛單位面積的傳熱量，如果不能準確評估大量水蒸氣的影響，就不能確定合理的爐膛傳熱面積，最終將導(dǎo)致蒸發(fā)受熱面和過熱器對流受熱面的比例失調(diào)，一般就會出現(xiàn)過熱器系統(tǒng)的實際減溫噴水量大大高于設(shè)計值。因此褐煤鍋爐設(shè)計時需適當(dāng)增加爐膛的傳熱面積，以應(yīng)對煙氣中φ（H2O）增高對爐膛傳熱的影響。一般做法是采用較大的爐膛，通過將爐膛容積熱負荷控制在一個較小的水平來實現(xiàn)的，這樣可以使蒸發(fā)受熱面和對流受熱面達到一個合理的比例；同時還可以比較好地控制褐煤這種易結(jié)焦煤種在爐膛內(nèi)的結(jié)焦傾向。因為較大的爐膛斷面和燃燒器縱向、橫向間距可有效降低爐膛斷面熱負荷和燃燒器區(qū)域壁面熱負荷，使著火強度不會過大，水冷壁金屬溫度不致過高，從而有效地抑制爐內(nèi)高熱負荷區(qū)域嚴重結(jié)焦現(xiàn)象的發(fā)生。

爐膛出口煙溫設(shè)計計算的準確與否直接關(guān)系到過熱器系統(tǒng)和再熱器系統(tǒng)受熱面布置的合理性，也關(guān)系到鍋爐是否具備良好的汽溫調(diào)節(jié)特性，可避免高溫受熱面嚴重結(jié)焦。B＆W公司的爐膛出口煙溫是在標(biāo)準的爐膛出口煙溫曲線基礎(chǔ)上，設(shè)計時根據(jù)煤質(zhì)的實際特點進行修正。通過對參考工程的實地考察、分析和模擬運算，最終確定該工程鍋爐爐膛出口煙溫修正值為55.6K的方案。

鍋爐實際運行達到了預(yù)期的效果：爐膛內(nèi)水冷壁非常干凈，管子輪廓清晰，沒有任何明顯的結(jié)焦現(xiàn)象；蒸發(fā)和對流受熱面比例得當(dāng)，過熱器、再熱器系統(tǒng)受熱面布置得當(dāng)，過熱器系統(tǒng)實際減溫噴水量為100～120t/h，略高于設(shè)計值（約10 t/h），各級受熱面沒有超溫現(xiàn)象，再熱器系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)范圍廣。

4.2 制粉系統(tǒng)參數(shù)選取

褐煤的高水分對制粉系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的設(shè)計提出了比較苛刻的要求，需要解決好褐煤制粉系統(tǒng)一次風(fēng)率高和燃燒器需控制一次風(fēng)率之間的矛盾。制粉系統(tǒng)的設(shè)計需要同時考慮磨煤機干燥能力和碾磨能力的要求，像煙煤、貧煤等水分較低的煤種，干燥能力一般都不會存在問題，系統(tǒng)選型時主要解決碾磨能力。解決磨煤機干燥能力不足，可通過提高進入磨煤機風(fēng)溫和提高磨煤機通風(fēng)量來解決。由于提高空氣預(yù)熱器一次風(fēng)出口溫度受到其入口煙溫的制約；因此一次風(fēng)溫提高的幅度有限，例如該工程熱一次風(fēng)溫為390℃，考慮到進入空氣預(yù)熱器煙溫至少與一次風(fēng)溫應(yīng)保持20K的溫差，進一步提高熱一次風(fēng)溫會對空氣預(yù)熱器的選型造成極大困難（空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子的軸承不能承受過高的煙溫）。受熱一次風(fēng)溫的制約，提高進入磨煤機的風(fēng)溫也受到了限制。為了保證干燥能力就勢必加大一次風(fēng)率，即磨煤機的通風(fēng)量，但是較大的一次風(fēng)率又給燃燒器爐內(nèi)燃燒的組織帶來了困難。

經(jīng)過對燃用煤種進行取樣試磨，取得了較為可靠的煤粉水分、白音華褐煤磨制特性等制粉系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計數(shù)據(jù)，為制粉系統(tǒng)的選型提供了科學(xué)的依據(jù)；同時對燃燒器、磨煤機進行了設(shè)計優(yōu)化，使得燃燒器盡可能擴大煤質(zhì)的適應(yīng)范圍和降低磨煤機的一次風(fēng)率。實際運行結(jié)果表明：在一次風(fēng)率超過40%（設(shè)計一次風(fēng)率為33%～35%），空氣預(yù)熱器出口溫度在370～380℃的情況下，制粉系統(tǒng)干燥和碾磨能力均滿足負荷要求，實現(xiàn)了燃燒器在全負荷范圍內(nèi)的高效、穩(wěn)定運行。

實踐證明，選用液壓加載型的MPS直吹系統(tǒng)磨制水分不高于40%的褐煤是完全可行的，且性能良好。

4.3 提高燃燒器抗干擾能力

由于褐煤鍋爐制粉系統(tǒng)存在一次風(fēng)溫低、一次風(fēng)率高的特點，燃燒器的設(shè)計本身難度就比其他煤種大，且同一褐煤礦不同煤層的煤質(zhì)變化有時也比較大，鍋爐運行時燃用的煤質(zhì)不穩(wěn)定，一次風(fēng)率隨煤質(zhì)的變化也會有比較大的波動。燃燒器設(shè)計時應(yīng)充分考慮這一特點，因而燃燒器應(yīng)具備較強的負荷變化適應(yīng)能力和抗干擾能力。

綜合考慮燃燒效率和低NOx排放質(zhì)量濃度要求，選用美國B＆W公司第三代DRB－XCL低NOx燃燒器。這種燃燒器具有如下優(yōu)點：

（1）良好的著火和啟動特性——每只燃燒器自身進行一、二次風(fēng)匹配，不需要相鄰燃燒器輔助，可單獨組織燃燒。

（2）較強的抗結(jié)焦能力——風(fēng)包火的燃燒方式可有效防止水冷壁結(jié)焦。

（3）良好的煤種適應(yīng)性和低負荷穩(wěn)燃能力——調(diào)節(jié)手段多樣，可適應(yīng)煤質(zhì)和運行條件出現(xiàn)的較大變化。

（4）低NOx排放特性。

在恰當(dāng)選用燃燒器型號的基礎(chǔ)上，針對煤質(zhì)和運行條件的特殊性對燃燒器的設(shè)計參數(shù)進行了調(diào)整，優(yōu)化了一次風(fēng)和內(nèi)外二次風(fēng)的動量配比，提高了燃燒器適應(yīng)煤種和運行條件發(fā)生變化的能力。在實際燃用煤質(zhì)比設(shè)計煤種差、一次風(fēng)率最高達到43%的情況下，仍能維持穩(wěn)定、高效燃燒，低負荷不投油穩(wěn)燃負荷小于30%，未燃盡碳損失只有0.01%～0.02%。

4.4 自然循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計

自然循環(huán)是鍋爐蒸發(fā)系統(tǒng)循環(huán)方式，但鍋爐壓力升高到亞臨界壓力后，下降管和水冷壁內(nèi)工質(zhì)密度差減小，使得循環(huán)動力隨之減?。?］，安全裕度有所降低；因此許多鍋爐制造公司將蒸發(fā)部分循環(huán)系統(tǒng)改為強制循環(huán)系統(tǒng)。美國B＆W公司為了適應(yīng)自然循環(huán)的需要，開發(fā)出了管子內(nèi)壁帶有螺旋上升齒形的內(nèi)螺紋管，成功地改善了水冷壁內(nèi)工質(zhì)的傳熱條件，使得亞臨界壓力自然循環(huán)鍋爐的循環(huán)安全性得到了提高，完全可以滿足鍋爐長期安全、穩(wěn)定運行的要求。自然循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、不消耗廠用電和無需特別維護保養(yǎng)。目前美國B＆W公司自然循環(huán)鍋爐的最大容量已經(jīng)達到875MW。

該褐煤鍋爐采用自然循環(huán)系統(tǒng)，實踐證明這種設(shè)計是成熟可靠的。

4.5 排煙溫度的選取

由于褐煤水分高，如果排煙溫度選得過低易造成空氣預(yù)熱器冷端結(jié)露，其冷端受熱面結(jié)露后，水滴與煙氣中的灰分結(jié)合會導(dǎo)致空氣預(yù)熱器的阻塞。為了防止這種情況發(fā)生，當(dāng)煤中w（Mar）高于30%時，排煙溫度應(yīng)高于145℃；當(dāng)w（Aar）也較高時，排煙溫度還應(yīng)適當(dāng)提高。該鍋爐排煙溫度設(shè)定為150℃（BMCR）；但排煙溫度也不宜設(shè)置太高，否則會大幅降低鍋爐熱效率。

5 結(jié)語

內(nèi)蒙古白音華金山坑口電廠2臺鍋爐性能考核試驗結(jié)果如下：

（1）1號鍋爐BRL工況下鍋爐熱效率試驗平均值和修正后平均值分別為93.04%和92.87%，比保證值92.39%高出了0.65%和0.48%；BMCR工況下過熱蒸汽流量為2 082t/h（保證值2 080t/h），NOx排放質(zhì)量濃度為319.7mg/m3（低于400mg/m3的合同要求）。

（2）2號鍋爐BRL工況下鍋爐熱效率試驗平均值和修正后平均值分別為92.44%和92.53%，比保證值92.39%高出了0.05%和0.14%；BMCR工況下過熱蒸汽流量為2 084t/h，NOx排放質(zhì)量濃度為230.2mg/m3。

（3）2臺鍋爐無油助燃最低穩(wěn)燃負荷達到保證值（不大于30%BMCR）要求；制粉系統(tǒng)產(chǎn)粉量（給煤量）和單機電耗均能滿足合同的要求。

［1］陳學(xué)俊，陳聽寬.鍋爐原理［M］.2版.北京：機械工業(yè)出版社，1991.

［2］黃承懋.鍋爐水動力學(xué)及鍋內(nèi)傳熱［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1982.