國產(chǎn)第一臺(tái)UP型直流鍋爐改造

馬俊偉

(平頂山姚孟電力工程有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467099)

1 機(jī)組存在的問題及改造的必要性

姚孟發(fā)電公司#1鍋爐是七十年代初由原上海鍋爐廠開發(fā)設(shè)計(jì)、制造的第一臺(tái)雙爐膛、一次垂直上升的935t/h亞臨界壓力中間再熱直流鍋爐，以匹配300MW汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)的需求。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)及客觀條件所限，操作復(fù)雜且自動(dòng)化程度低，運(yùn)行中暴露出水冷壁爆漏頻繁、調(diào)峰能力低兩大致命弱點(diǎn)。1992年，#1機(jī)組經(jīng)能源部電力司和其它8個(gè)單位的20名專家初步核定出力為270MW。

為提高鍋爐的配套發(fā)電能力和提高鍋爐效率，使其適應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)峰需求，2001年委托由英國三井巴布科克能源有限公司(Mitsui Babcock EnergyLimited，簡稱MB)重新設(shè)計(jì)改造的單爐體、雙爐膛π型布置、四角切圓燃燒、固態(tài)排渣、低質(zhì)量流速、具有正流量響應(yīng)的垂直管水冷壁、亞臨界壓力、中間再熱直流鍋爐。

1.1 姚電公司四臺(tái)機(jī)組目前的調(diào)峰狀況

隨著電網(wǎng)容量不斷增加，電網(wǎng)競爭也越來越激烈，對發(fā)電廠機(jī)組調(diào)峰能力的幅度要求越來越大，對不適應(yīng)這一形勢的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰技術(shù)研究與設(shè)備改造已迫在眉睫。由于歷史原因和技術(shù)水平所限，#1鍋爐在設(shè)計(jì)和制造方面存在著諸多先天不足，已不能滿足電網(wǎng)調(diào)峰及連續(xù)安全運(yùn)行的要求。

1.2 #1鍋爐改造前存在的問題

姚電公司#1鍋爐屬國產(chǎn)第一臺(tái)300MW亞臨界中間再熱直流鍋爐，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)及客觀條件所限，出現(xiàn)了由于采用一次垂直上升技術(shù)必然會(huì)造成爐管管徑小，水動(dòng)力穩(wěn)定性差，應(yīng)力工況差，熱敏感性強(qiáng)，易出現(xiàn)過熱、變形、爆漏等先天性的嚴(yán)重缺陷。同時(shí)鍋爐的水動(dòng)力工況與燃燒方式的匹配方面也存在較大問題，而且在燃燒器區(qū)域產(chǎn)生較嚴(yán)重的高溫腐蝕。燃燒器屬于量原始的CE技術(shù)直流燃燒器，其煤種適應(yīng)性和低負(fù)荷穩(wěn)燃性均較差。同時(shí)由于采用前后墻布置，爐膛出現(xiàn)了冷、熱角現(xiàn)象，因而造成鍋爐投運(yùn)后，熱角結(jié)焦、水冷壁超溫等安全運(yùn)行方面的問題。綜上所述，該鍋爐不具備低負(fù)荷下的電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行。因此改造前后#1爐垂直管圈水冷壁的水動(dòng)力特性就是改造是否成功的關(guān)鍵。

2 #1鍋爐技術(shù)改造設(shè)計(jì)概論

2.1 設(shè)計(jì)概論

為提高鍋爐的配套發(fā)電能力和提高鍋爐效率，使其適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)峰需求，2001年委托英國三井巴布科克能源有限公司(Mitsui Babcock EnergyLimited，簡稱MB)將#1鍋爐改造、設(shè)計(jì)為單爐體、雙爐膛∏型布置、四角切圓燃燒、固態(tài)排渣、低質(zhì)量流速、具有正流量響應(yīng)的垂直管圈，亞臨界參數(shù)的直流鍋爐。該爐水循環(huán)系統(tǒng)是采用西門子的專利技術(shù)。

#1鍋爐改造前質(zhì)量流速，雙面水冷壁、膜式水冷壁為：1900、1842kg/m2.s;改造后質(zhì)量流速，雙面水冷壁、膜式水冷壁為：690、687kg/m2.s。

運(yùn)行于高質(zhì)量流速。吸熱增加，動(dòng)態(tài)阻力損失增加而靜態(tài)阻力損失減少;動(dòng)態(tài)阻力損失的大幅度增加導(dǎo)致總阻力損失增加。由于水冷壁管子接于相同的進(jìn)出口聯(lián)箱，單管阻力損失取決于整組管子阻力損失的平均值，并不隨單管或部分管子的吸熱值大于或小于平均值而發(fā)生變化。吸熱值高于平均值的管子流量減少，而吸熱值低于平均值的管子流量增加。因此，高質(zhì)量流速設(shè)計(jì)呈負(fù)流量響應(yīng)特性。簡單地說，溫度最高的管子所需的冷卻水流量本應(yīng)最大，而實(shí)際流量最小，這就導(dǎo)致了金屬溫度升高并產(chǎn)生熱應(yīng)力。

然而，低質(zhì)量流速設(shè)計(jì)呈正流量響應(yīng)特性，吸熱多的管子流量相應(yīng)增加，吸熱少的管子流量相應(yīng)減少。需要冷卻流量高的管子的實(shí)際流量也相對較高的特性常見于自然循環(huán)鍋爐，稱為自然循環(huán)鍋爐的自補(bǔ)償特性。這種特性可限制金屬溫度和熱應(yīng)力。將現(xiàn)有爐膛水冷壁改為較大直徑的內(nèi)螺紋管，采用低質(zhì)量流速設(shè)計(jì)。在推薦的質(zhì)量流速和質(zhì)量含汽率條件下，采用內(nèi)螺紋管保證安全運(yùn)行的金屬壁溫。

研究試驗(yàn)證明，鍋爐水動(dòng)力特性由負(fù)流量響應(yīng)特性過度到正流量響應(yīng)特性，質(zhì)量流速的臨界點(diǎn)約為1000Kg/m2.s，此項(xiàng)技術(shù)受西門子公司支持，并予以專利授權(quán)研制。三井巴布科克對#1鍋爐低質(zhì)量流速正流量響應(yīng)揚(yáng)長避短，與改造前的UP型小管徑負(fù)流量響應(yīng)特性比較研究，并經(jīng)理論計(jì)算、試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)證明此方案可行。

2.2 鍋爐調(diào)峰技術(shù)改造及目標(biāo)

1)恢復(fù)#1鍋爐額定蒸發(fā)量＞950t/h的銘牌出力，使汽輪發(fā)電機(jī)出力恢復(fù)300MW。

2)機(jī)組調(diào)峰能力達(dá)到50～100%BMCR(力爭40～100%BMCR)。

3)鍋爐不投油最低穩(wěn)定負(fù)荷為40%BMCR。

4)機(jī)組應(yīng)具有良好的變負(fù)荷能力，正常負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍內(nèi)變負(fù)荷率不＜3%BMCR/min。

5)燃用設(shè)計(jì)煤種(按低位發(fā)熱值)，在負(fù)荷為80% ～100%BMCR時(shí)，保證鍋爐熱效率不低于91.25%。

2.3 鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)

改造后鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)采用內(nèi)置式分離器加爐水循環(huán)泵形式，可保持爐膛水冷壁的最低流量保護(hù)管子，鍋爐停運(yùn)、啟動(dòng)初期或低負(fù)荷運(yùn)行，通過爐水再循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制循環(huán)，到“本生負(fù)荷”時(shí)以純直流方式運(yùn)行。給水及爐水循環(huán)采用自動(dòng)控制，將保證水冷壁流量與鍋爐燃燒率相匹配，可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)。鍋爐采用滑壓運(yùn)行。

2.4 低質(zhì)量流速，正流量響應(yīng)特性的水動(dòng)力設(shè)計(jì)

本次鍋爐水冷壁改造范圍包括全部四周水冷壁、雙面水冷壁和水冷壁進(jìn)、出口聯(lián)箱。水冷壁改造依托西門子具有自補(bǔ)償特性的低質(zhì)量流速理論為技術(shù)支持，為改善工質(zhì)流動(dòng)特性，加強(qiáng)傳熱效果，水冷壁管全部選用優(yōu)化內(nèi)螺紋管，由三井巴布可科公司從英國本土加工采購。

改造后雙面水冷壁與四周水冷壁并聯(lián)，三井巴布可科公司通過對不同質(zhì)量流速、不同熱負(fù)荷工況下內(nèi)螺紋管流量響應(yīng)和溫度響應(yīng)模擬計(jì)算和相關(guān)試驗(yàn)，通過對同一水冷壁管的不同熱負(fù)荷區(qū)域和不同位置的水冷壁管(熱負(fù)荷不同)選用不同規(guī)格的優(yōu)化內(nèi)螺紋管，確保并聯(lián)的各水冷壁管流量和熱負(fù)荷分配相一致。

為保證水冷壁各管間進(jìn)出口壓差一致，實(shí)現(xiàn)水冷壁自補(bǔ)償特性，水冷壁進(jìn)、出口聯(lián)箱都有壓力平衡管連接，同時(shí)在標(biāo)高28.7米處加裝水冷壁中間混合聯(lián)箱，確保各水冷壁管進(jìn)口、中間段、出口壓力平衡。

為保證鍋爐爐墻剛度，在水冷壁改造的同時(shí)，三井巴布可科公司對鍋爐剛性梁進(jìn)行了改造，主要方案是部分利用現(xiàn)有剛性梁，在基本保持原有H型鋼性梁密度的同時(shí)，在各H型剛性梁中間增加較小規(guī)格的橫梁和立柱，同時(shí)也對剛性梁原有連接件進(jìn)行設(shè)計(jì)更新，確保鍋爐剛性梁整體框架的剛度。

在壓力低于200bar時(shí)，內(nèi)螺紋管能保證優(yōu)良的傳熱性能，尤其在低質(zhì)量流速條件下。這個(gè)特點(diǎn)允許鍋爐本生負(fù)荷點(diǎn)可降到20%，主蒸汽仍保持較高的溫度運(yùn)行，這樣可以避免調(diào)峰機(jī)組的頻繁啟停，蒸發(fā)系統(tǒng)壓力損失降低可相應(yīng)降低機(jī)組的熱耗和煤耗。低于本生負(fù)荷時(shí)，通過再循環(huán)泵使膛水冷壁維持該流量。所有的管子都是濕的，因而沒有危險(xiǎn)。

姚電#1鍋爐在100%BMCR負(fù)荷時(shí)，改造前下爐膛外墻水冷壁的質(zhì)量流量約1800kg/m2.s，而中間分隔墻水冷壁的質(zhì)量流速約1900kg/m2.s。MB的設(shè)計(jì)方案采取雙面水冷壁和外墻水冷壁并聯(lián)布置，為了保證水冷壁管的低質(zhì)量流速，使?fàn)t膛中的每根管子都具有正的流量響應(yīng)，所有水冷壁管采用了SKWU研究的優(yōu)化內(nèi)螺紋管，以保證在低質(zhì)量流速下的核態(tài)沸騰。在100%BMCR負(fù)荷時(shí)，下爐膛外墻水冷壁的質(zhì)量流量小于700 kg/m2.s，中間分隔墻水冷壁的質(zhì)量流速小于690 kg/m2.s。其最佳水質(zhì)流速是通過選擇水流量、管子尺寸和節(jié)距的正確組合來實(shí)現(xiàn)的。三井巴布科克已和西門子共同對水冷壁回路的流動(dòng)不穩(wěn)定性及脈動(dòng)進(jìn)行了核算，并確認(rèn)其穩(wěn)定性。

3 #1鍋爐改造后的性能狀況

姚電#1機(jī)組調(diào)峰技術(shù)改造完工后，為考核#1機(jī)組性能指標(biāo)是否達(dá)到合同要求，并真實(shí)準(zhǔn)確地評價(jià)#1機(jī)組改造后的運(yùn)行性能，由國電熱工研究院(下簡稱TPRI)于2002年7月21日至8月8日對#1機(jī)組進(jìn)行了考核試驗(yàn)。

3.1 改造前后鍋爐性能對比

為了客觀地評價(jià)#1鍋爐改造的效果，下面將改造前后鍋爐的主要運(yùn)行性能作對比分析。改造前的性能數(shù)據(jù)來自于TPRI在1999年10月提出的《平頂山姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司#1號鍋爐性能試驗(yàn)報(bào)告》。

1)最大出力

同改造前相比較，鍋爐的最大出力至少提高了66.3t/h，電負(fù)荷由280.6MW提高到了323.0MW，相差42.4MW。

2)鍋爐熱效率

改造前在270MW負(fù)荷下進(jìn)行了兩次平等工況的熱效率測試，而此次是在300MW負(fù)荷下進(jìn)行了兩次平等工況的熱效率考核試驗(yàn)，雖然電負(fù)荷略有差異，但鍋爐的主蒸汽流量比較接近，因而具有可比性。

通過分析比較可知，由于飛灰可燃物含量降低較多，使得固體未完全燃燒損失下降近1個(gè)百分點(diǎn)，排煙溫度改造前后變化不大，因而排煙熱損失的降低幅度也比較小，改造后試驗(yàn)的煤質(zhì)發(fā)熱量要比改造前試驗(yàn)的煤質(zhì)發(fā)熱量低約2500kj/kg，這對于鍋爐的熱效率影響比較大，若以改造前的試驗(yàn)煤質(zhì)估算改造后的鍋爐熱效率，則改造后的鍋爐熱效率由90.3%提高到91.4%，比改造前高出了1.66個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)能效果明顯。機(jī)組的熱耗由每千瓦時(shí)8833千焦下降到了7858千焦。

3.2 #1鍋爐性能考核試驗(yàn)結(jié)論

國電熱工院TPRI此次對姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司#1鍋爐進(jìn)行了考核，考核的最終結(jié)果表明，本次改造#1爐的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超過設(shè)計(jì)要求，改造是卓有成效的。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

參與電網(wǎng)調(diào)峰效益，根據(jù)改造后不投油調(diào)峰穩(wěn)燃負(fù)荷計(jì)算，#1機(jī)組改造后在校合煤種下，可實(shí)現(xiàn)不投油助燃調(diào)峰負(fù)荷可達(dá)50%BMCR(有時(shí)可達(dá)40%BMCR)，投入調(diào)峰運(yùn)行時(shí)間每年按1000小時(shí)估算，則改造后#1機(jī)組調(diào)峰可創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)880萬元人民幣以上，且調(diào)峰的幅度越大，投入調(diào)峰運(yùn)行的時(shí)間越長，調(diào)峰機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性越好。

間接效益：改造后，機(jī)組的可靠性，安全性和經(jīng)濟(jì)性將有很大的提高，因鍋爐“四管”爆漏的停機(jī)次數(shù)大大減少，有效延長了機(jī)組連續(xù)運(yùn)行周期。

此次技術(shù)改造后，機(jī)組出力由改造前的270MW提高到320MW，相當(dāng)于凈增一臺(tái)50MW裝機(jī)容量等效于降低供電煤耗約6.5g/kw.h，每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1.1萬噸，折合人民幣240萬元。

5 結(jié)論

此次技術(shù)改造方案的實(shí)施，使姚電公司#1機(jī)組原來幾乎不能參與調(diào)峰、原來核定出力為270MW的機(jī)組，經(jīng)過改造后最大連續(xù)穩(wěn)定出力達(dá)到了310MW，最小無油助燃穩(wěn)定出力可以達(dá)到150MW。一臺(tái)被一些專家判為“死刑”的300MW機(jī)組起死回生。為“國產(chǎn)UP型直流鍋爐技術(shù)協(xié)作網(wǎng)”同類鍋爐的技術(shù)改造提供參考和借鑒，開創(chuàng)了鍋爐水循環(huán)技術(shù)概念鍋爐的成功典范。

[1]Mitsui Babcock.Yaomeng Boiler No.1 Refurbishiment to YPGL.2002.12

[2]《姚孟電力》

[3]中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)教育培訓(xùn)部-《熱力發(fā)電廠》

[4]《姚孟電廠#1爐鍋爐運(yùn)行規(guī)程》

[5]金維強(qiáng)編《大型鍋爐運(yùn)行》

[6]南京工學(xué)院/西安交大-電廠鍋爐原理.1979.12

[7]國電熱工研究院.姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司No.1機(jī)組鍋爐性能考核試驗(yàn)報(bào)告.2002.8

[8]國電熱工研究院.姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司No.1機(jī)組大修前鍋爐性能試驗(yàn)報(bào)告.1999.10

[9]國電熱工研究院.姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司No.1機(jī)組鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)報(bào)告.2002.9

[10]國電熱工研究院.姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司No.1機(jī)組鍋爐水動(dòng)力試驗(yàn)報(bào)告.2002.9

[11]唐人虎.國產(chǎn)UP直流爐水冷壁改造方安分析.熱能動(dòng)力工程，2002.17(11)：641-643