基于可靠與靈活運行的超超臨界二次再熱鍋爐爐煙循環(huán)系統(tǒng)

蔣坤 昌永發(fā) 房新

摘要：本文介紹了國電宿遷660MW超超臨界二次再熱鍋爐的爐煙循環(huán)系統(tǒng)設計、系統(tǒng)特點及運行方式，針對目前爐煙循環(huán)系統(tǒng)典型布置情況與熱爐煙循環(huán)系統(tǒng)設計及運行問題提出幾點建議，以供參考。

關鍵詞：靈活運行 超超臨界 二次 爐煙循環(huán)系統(tǒng) 設計

一、超超臨界二次再熱鍋爐的熱力特性

我國是一個貧油和貧氣的國家，但又是一個能源需求大國，長時間以來只能以儲量豐富的煤炭作為主要能源，盡管目前開發(fā)了大量的水電和風電、太陽能等可再生能源，但以煤炭為主的能源格局依然存在。為了降低火力發(fā)電廠的能耗，我國自2010年以后研發(fā)更高效率的燃煤發(fā)電機組，超超臨界二次再熱機組就是這個時期的產(chǎn)物。2015年6月，國內(nèi)第一臺超超臨界二次再熱機組在華能安源電廠建成發(fā)電，開啟了超超臨界二次再熱機組建設的先河。

隨著2015年9月和2016年12月泰州二期及華能萊蕪1000MW超超臨界二次再熱機組的投產(chǎn)，國內(nèi)對超超臨界二次再熱機組的認知進一步深入。超超臨界二次再熱機組由于多了一級再熱，其熱量分配與一次再熱有明顯的區(qū)別，受熱面布置設計也較一次再熱復雜得多。經(jīng)過三個項目的建設經(jīng)驗表明，超超臨界二次再熱機組非額定負荷運行條件下都存在著不同程度的再熱器欠溫現(xiàn)象，而目前國家能源政策是要增加可再生能源發(fā)電份額，減少火力發(fā)電電量，因此燃煤機組日后調(diào)峰為主在非額定工況運行方式將成為新常態(tài)。再熱汽溫非額定負荷條件下欠溫減弱了超超臨界二次再熱機組的節(jié)能效果，成為目前超超臨界二次再熱鍋爐設計新課題。

超超臨界二次再熱鍋爐由于熱量分配要權(quán)衡水冷壁、過熱器、一次再熱器、二次再熱器四個對象，設計非常復雜。國電宿遷2×660MW超超臨界二次再熱機組的受熱面設計先后經(jīng)歷了無爐煙系統(tǒng)純凝工況、無爐煙抽汽工況、有爐煙純凝工況、有爐煙抽汽工況等幾個階段的熱力設計。因非額定負荷條件下再熱器布置區(qū)域低溫受熱面煙氣流速的急劇下降，其吸熱量明顯不足，上述工況計算對比也表明，超超臨界二次再熱機組要實現(xiàn)靈活調(diào)峰運行不欠溫，必須配置爐煙循環(huán)系統(tǒng)，抽汽供熱的存在可以顯著改善再熱汽溫的欠溫問題。

二、爐煙循環(huán)系統(tǒng)典型布置

典型的爐煙循環(huán)系統(tǒng)布置有熱爐煙和冷爐煙兩種方式，熱爐煙循環(huán)系統(tǒng)的抽氣點在空預器前，冷爐煙抽氣點在引風機出口。熱爐煙循環(huán)系統(tǒng)在國內(nèi)目前用于配合制粉系統(tǒng)改造居多，主要目的是提高制粉系統(tǒng)煤種適應性，用于調(diào)溫的案例較少。采用熱爐煙循環(huán)系統(tǒng)作為汽溫調(diào)節(jié)運用在運的超超臨界二次再熱機組為華能安源電廠2×660MW機組，該廠鍋爐為哈爾濱鍋爐廠的HG-1938/32.45/605/623/623-YM1型鍋爐，配置4臺重慶通用風機廠離心風機作為爐煙風機。采用冷爐煙系統(tǒng)作為再熱器調(diào)溫使用的超超臨界二次再熱鍋爐為華能萊蕪2×1000MW機組，該鍋爐為哈爾濱鍋爐廠制造的塔式鍋爐，采用南通大通寶富風機廠2臺風機作為爐煙風機。

熱爐煙循環(huán)系統(tǒng)主要存在的問題是風機磨損導致的系統(tǒng)運行可靠性降低，好處是寬負荷范圍內(nèi)鍋爐效率較高。經(jīng)相關項目設計熱力計算對比，相同鍋爐負荷條件下，熱爐煙循環(huán)鍋爐較冷爐煙循環(huán)鍋爐效率高0.5-3%，且負荷越低，兩者效率差值越大，即冷爐煙循環(huán)鍋爐負荷越低，鍋爐效率下降越多，熱爐煙循環(huán)系統(tǒng)鍋爐效率對負荷降低不敏感。冷爐煙循環(huán)系統(tǒng)運行的主要問題是煙風電耗高，設備投資費用高，且鍋爐效率對鍋爐負荷較為敏感，同時腐蝕問題突出，優(yōu)勢在于系統(tǒng)處于低飛灰環(huán)境，風機磨損小。綜合對比，居于從改善超超臨界二次再熱鍋爐再熱汽溫適應性和保證鍋爐效率穩(wěn)定來講，選擇熱爐煙循環(huán)系統(tǒng)是必然選擇，國電宿遷電廠超超臨界二次再熱鍋爐機組也采用這種布置方式。

三、熱爐煙循環(huán)系統(tǒng)運行存在的難題

（一）風機動靜部件磨損，系統(tǒng)運行可靠性低

爐煙風機的早期應用失敗，很大程度上是風機的葉輪及蝸殼磨損問題沒有得到有效解決，蝸殼穿孔漏煙氣、爐煙中飛灰對葉輪的不均勻磨損引起爐煙風機劇烈振動頻繁發(fā)生，嚴重影響運行可靠性。2015年以前為摻燒而配套改造的馬鞍山電廠及華能井岡山電廠爐煙風機投運后的一年內(nèi)也出現(xiàn)過類似問題。

（二）風門檔板泄漏，鍋爐運行期間在線檢修困難

此問題主要風門檔板設計選型不合理所致。部分爐煙循環(huán)系統(tǒng)出口門設計選用單檔板圓風門，在運行過程中邊緣逐漸磨損導致關閉不嚴，或是采用多葉片矩形檔板門，又沒有其他措施，無法保證嚴密隔斷，造成爐煙循環(huán)系統(tǒng)可用率低，甚至影響鍋爐運行行可靠性。

四、國電宿遷660MW超超臨界二次再熱鍋爐爐煙循環(huán)系統(tǒng)的設計

國電宿遷660MW超超臨界二次再熱鍋爐為上海鍋爐廠設計和制造，鍋爐的初步設計方案在2016年5月完成，由于長時間以來國內(nèi)爐煙循環(huán)調(diào)溫系統(tǒng)運行可靠性確實存在諸多問題，很多專家對于配置爐煙風機進行再熱器調(diào)溫的方案提出了質(zhì)疑。針對爐煙循環(huán)系統(tǒng)磨損與可靠隔離兩大難點，國電宿遷660MW超超臨界二次再熱鍋爐爐煙循環(huán)系統(tǒng)設計遵循以下技術要求：

（1）爐煙循環(huán)系統(tǒng)在保證調(diào)溫效果條件下再循環(huán)風量盡可能少，在降低系統(tǒng)能耗的同時，減輕系統(tǒng)磨損；

（2）選擇合理的抽煙位置或進行飛灰初步分離，減少爐煙循環(huán)系統(tǒng)的飛灰含量，保證爐煙風機運行可靠性；

（3）爐煙循環(huán)系統(tǒng)的風速全面考慮最低冷卻風量與最大流量工況，避免飛灰在系統(tǒng)內(nèi)沉積；

（4）鍋爐的安全可靠性不依賴于爐煙循環(huán)系統(tǒng)，在爐煙循環(huán)系統(tǒng)全部停運時不影響鍋爐安全運行，并能可靠隔離檢修。

（5）多方位考察研究爐煙風機應用情況，選擇成熟、可靠的爐煙風機產(chǎn)品。

五、國電宿遷660MW超超臨界二次再熱鍋爐爐煙循環(huán)的特點

2017年3月，國電宿遷660MW超超臨界二次再熱鍋爐爐煙循環(huán)系統(tǒng)設計完成，其系統(tǒng)設計布置方案與風機設計較好的解決了上述兩大難題，主要有以下特點：

（一） 采用低轉(zhuǎn)速變頻風機，風機葉輪采用法奧迪耐磨材料，蝸殼設計耐磨襯里，選擇成熟、可靠的低轉(zhuǎn)速爐煙風機產(chǎn)品，循環(huán)系統(tǒng)入口設置內(nèi)置式慣性分離裝置，爐煙風機入口煙道設置灰斗并設計飛灰輸送裝置，較為系統(tǒng)的解決了爐煙風機的磨損問題。

（二）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，避免風機異常振動。葉片采用直葉片避免飛灰沉積在彎曲表面導致質(zhì)量不均勻?qū)е嘛L機振動。風機葉輪采用懸臂支撐，并設置轉(zhuǎn)軸水冷套，有效防止冷熱態(tài)變化時大軸彎曲引起的風機振動。風機設計采用整體底座，安裝與檢修方便。

（三）采用大補償量低擾動爐煙混合設計。爐煙混入點位于灰斗水冷壁上部遠離燃燒器噴口，爐煙混入對燃燒影響小。同時因低負荷時爐煙循環(huán)量較大，此種設計提高了低負荷條件下鍋爐運行穩(wěn)定性。

（四）系統(tǒng)運行可靠、靈活。爐煙循環(huán)系統(tǒng)出口采用雙隔離門，兩個隔離門之間設置密封風，滿足在線檢修可靠隔離。同時在噴嘴側(cè)設計有熱二次風作為爐煙噴嘴冷卻風源，爐煙系統(tǒng)切除運行時也能保證鍋爐運行安全。

六、國電宿遷660MW超超臨界二次再熱鍋爐爐煙循環(huán)系統(tǒng)的運行方式

國電宿遷660MW超超臨界二次再熱鍋爐各負荷條件下爐煙循環(huán)量如下表所示，系統(tǒng)配置2臺361249 m3/h的離心式爐煙風機。

（一）純凝工況運行

鍋爐BMCR與BRL工況下只需運行一臺爐煙循環(huán)風機即可，在汽機額定負荷工況至50%THA負荷時需運行2臺爐煙風機。純凝工況非額定負荷條件下再熱汽汽溫欠溫明顯，爐煙循環(huán)量較大。

為了提高效率，鍋爐側(cè)省煤器受熱面面積布置相對較多，同時因鍋爐低負荷時爐煙循環(huán)量較大，在50%-40%負荷范圍內(nèi)易發(fā)生省煤器汽化問題，為了防范此問題需大幅度減小爐煙循環(huán)量，從表一中可以看出，純凝工況下50%負荷較40%爐煙循環(huán)量減少了近三分之二的流量，即使如此，一、二次再熱器仍能達到600℃以上的水平。

（二） 抽汽工況運行

抽汽工況條件下爐煙循環(huán)量相對較純凝工況小得多，100%-30%負荷范圍內(nèi)僅需一臺爐煙風機運行即可，相近或相似負荷條件下爐煙循環(huán)量遠小于純凝工況，在具備一定抽汽量的條件下30%負荷時一、二次再熱汽溫度仍能達到615℃以上。

七、結(jié)論

國電宿遷660MW超超臨界二次再熱鍋爐爐煙循環(huán)系統(tǒng)通過優(yōu)化設計，有效的改善了再熱汽溫的欠溫問題，系統(tǒng)運行可靠、靈活，結(jié)合目前國內(nèi)爐煙風機與二次再熱鍋爐的實際運行情況，得出以下結(jié)論：

（1）超超臨界二次再熱鍋爐要使再熱汽溫在較寬范圍內(nèi)不欠溫，采用爐煙循環(huán)作為調(diào)溫手段是目前相對較為經(jīng)濟、有效的解決措施，推薦作為提高參與調(diào)峰超超臨界二次再熱機組運行靈活性改造的較優(yōu)方案。同時為保證鍋爐調(diào)峰運行具有相對較高的效率，推薦采用熱爐煙循環(huán)方式。

（2）目前耐磨材料及防磨工藝的應用大大提高了爐煙風機的磨損性能，結(jié)合高壓變頻器的使用，爐煙風機的運行可靠性得到了極大的提高。同時通過華能南京、華能井岡山以及江陰蘇龍電廠、華能安源電廠爐煙風運行情況研究，爐煙循環(huán)系統(tǒng)入口設置飛灰輸送系統(tǒng)設計過于保守，不推薦設置。

（3）可靠的系統(tǒng)隔離與爐煙噴嘴冷卻設計是保證爐煙循環(huán)系統(tǒng)故障不影響鍋爐運行安全的必要措施，對于提高機組運行的靈活性具有重要意義。

（4）通過優(yōu)化設計，可以保證中溫爐煙風機大軸不彎曲，中溫爐煙風機的盤車裝置可以不設置。

（5）抽汽供熱可以有效的改善超超臨界二次再熱機組的再熱汽欠溫，能有效降低爐煙循環(huán)量，對降低爐煙循環(huán)系統(tǒng)的能耗有利。

（6）由于二次再熱機組給水溫度相對較高，設置爐煙循環(huán)系統(tǒng)的超超臨界二次再熱機組低負荷時要有防止省煤器汽化的措施。

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