國內(nèi)二次再熱高效燃煤機組關(guān)鍵技術(shù)探析

鄭文廣，賈小偉，阮慧鋒，劉心喜

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310030）

化石能源是中國重要的一次能源，在發(fā)電當(dāng)中占主導(dǎo)地位。隨著化石能源的枯竭和環(huán)保要求的提高，如何提高燃煤機組的整體效率是當(dāng)前重要研究課題，二次再熱技術(shù)和提高蒸汽參數(shù)則是節(jié)能降耗、提高機組效率的主要方向。受金屬材料和機組運行安全限制，提高蒸汽參數(shù)比較難以實現(xiàn)，因此，大力發(fā)展二次再熱技術(shù)是提高燃煤機組經(jīng)濟和環(huán)保收益的最佳途徑。

1 二次再熱機組的發(fā)展和應(yīng)用

在國際上，從20 世紀(jì)50 年代開始，美國、德國、日本、丹麥等國家均建設(shè)了一批二次再熱機組，據(jù)不完全統(tǒng)計，國外投入運行的二次再熱機組至少有52 臺[1]。國際上的二次再熱機組建設(shè)分兩個階段，第一階段（1957—1976 年），以美國和日本為主，建設(shè)了超過40 臺二次再熱機組。第二階段（1989 至今），以歐洲和日本為主，最新投運的二次再熱機組為丹麥Nordjylland#3 機組，目前DONG Energy 正在開發(fā)900 MW 二次再熱機組，示范項目位于波蘭。

中國從2009 年開始進行二次再熱技術(shù)研究（儲備），2012-09 全球第一臺百萬等級超超臨界二次再熱發(fā)電示范項目——國電泰州二期工程三大主機正式簽約，該工程的兩臺機組已分別于2015-09 和2016-01 正式投入商業(yè)運行[2]，2012-11 月華能集團下屬兩個項目——萊蕪2×1 000 MW 機組擴建和安源2×660 MW 機組工程三大主機正式簽約，標(biāo)志著中國火電機組在高參數(shù)、低煤耗技術(shù)領(lǐng)域，進入全球先進行列。

2 二次再熱機組關(guān)鍵技術(shù)

二次再熱鍋爐相對于一次再熱，不僅僅是增加一級再熱，在設(shè)計時要考慮機組參數(shù)和材料的選取、調(diào)溫方式的選擇、溫度偏差的控制等一系列問題，因此，二次再熱機組的設(shè)計是一個相當(dāng)復(fù)雜的優(yōu)化過程。

2.1 機組參數(shù)選擇

選擇合適的機組參數(shù)，對二次再熱機組設(shè)計來說非常重要。根據(jù)理想工況熱力循環(huán)的計算結(jié)果，再熱器壓力一般取高壓缸入口壓力的20%～35%。機組經(jīng)過二次再熱后，壓力比一次再熱機組下降較多，汽輪機排汽濕度加大，若需保證低壓加熱蒸汽壓力和汽輪機低壓缸運行安全，則需要提高過熱器出口壓力，即提高主蒸汽壓力。增加主蒸汽壓力，雖然于機組效率有利，但對主機高壓部件、高壓加熱器的強度、嚴(yán)密性均提出了更高的要求。隨著主蒸汽壓力的提高，承壓部件的壁厚必然增加，設(shè)備造價也相應(yīng)提高。因此，從設(shè)備、材料、效率等多方面綜合考慮，主蒸汽壓力一般選取31 MPa左右。鑒于國內(nèi)外近些年新建且已投產(chǎn)的超超臨界汽輪機主蒸汽溫度均已達到600 ℃，相關(guān)技術(shù)已相當(dāng)成熟，所以主蒸汽溫度可以取600 ℃。

提高再熱蒸汽溫度不僅有利于機組經(jīng)濟性，同時還能降低低壓排汽濕度[3]。但當(dāng)前材料限制了再熱蒸汽溫度提高，在目前使用的材料檔次前提下，再熱蒸汽溫度可以達到620 ℃。

2.2 機組材料選擇

因為溫度和壓力的增加，使得二次再熱鍋爐受熱面材料也有相應(yīng)的變化，需要在常規(guī)超超臨界機組的設(shè)計方案上進行材料調(diào)整。與一次再熱機組相比，二次再熱機組增加了一級再熱循環(huán)，鍋爐主汽、一次再熱蒸汽、二次再熱蒸汽三者之間吸熱特性發(fā)生變化，吸熱平衡和汽溫調(diào)節(jié)控制相對復(fù)雜。這就要合理分配各受熱面的吸熱比例，并在合適的位置布置受熱面，且布置足夠多的受熱面積，滿足各級汽溫要求[4]。

因再熱蒸汽壓力較低，適當(dāng)增加再熱器出口溫度，同時采用控制偏差的措施降低再熱器出口壁溫的增減幅度，可以滿足在目前的材料結(jié)構(gòu)下將再熱蒸汽出口溫度提高至610～620 ℃的要求[5]。

在維持常規(guī)一次再熱機組材質(zhì)和設(shè)計方案不變的基礎(chǔ)上，再熱蒸汽溫度可以提高到613 ℃，但是材料的溫度余量減少；如果提高再熱器出口汽溫至623 ℃，高再出口集箱、管道、受熱面的壁溫會有相應(yīng)增加，因此需要著重關(guān)注材料的安全性。具體如下。

2.2.1 高再出口集箱和管道材質(zhì)

高再出口連接管原設(shè)計溫度為608 ℃，出口蒸汽溫度增加到623 ℃，則其設(shè)計溫度會達到628 ℃，在這個溫度范圍的管道仍可選用材料SA-335P92。

在高再出口集箱設(shè)計時，采用減少溫度偏差的方法，可將此集箱的設(shè)計溫度控制在630 ℃內(nèi)，因此高再出口集箱仍可選用SA-335P92。

集箱的另一種備選材料為SA-335P122，其使用溫度最大為650 ℃，其抗氧化性能比P92 略高。但由于其許用應(yīng)力較P92 低，所需要的材料規(guī)格壁厚較大，質(zhì)量較重。

2.2.2 高再受熱面管材質(zhì)

爐內(nèi)受熱面采用的不銹鋼管，其管材HR3C、SUPER304H 等最高使用溫度為720 ℃，溫度余量較大，在620 ℃的參數(shù)下仍可以滿足要求[6]。因此，爐內(nèi)管仍可選用這些材質(zhì)。但是為了適應(yīng)溫度提高，管壁的厚度需要相應(yīng)增加。

2.2.3 出口爐外段與集箱連接的管接頭材質(zhì)

按常規(guī)超超臨界鍋爐方案，出口爐外段與集箱連接的管接頭設(shè)計壁溫將在650 ℃左右[7]，SA-213T92 或SA-213T122的最高使用溫度為650 ℃，因此可以采用這兩種材料。為了留有一定的溫度余量，需要通過采取相應(yīng)的措施，控制此管接頭的設(shè)計溫度為640 ℃左右，那么管接頭材料仍可選用SA-213T92 或 SA-213T122。

2.3 再熱器溫度偏差控制

通過采取一系列熱力和水力優(yōu)化措施，可以把溫度控制在T92/T122 材料的許用壁溫以內(nèi)?？梢圆扇〉拇胧┯校孩賰?yōu)化爐膛結(jié)構(gòu)，減少鍋爐左右兩側(cè)的煙氣溫度偏差，從而減少左右側(cè)汽溫偏差；②降低高再的焓增，將原高再拆分成中再和高再兩部分，以降低屏間汽溫偏差；③中再至高再的連接管道左右交叉布置，減少高再進口汽溫左右側(cè)偏差；④在水平煙道內(nèi)高溫過熱器的后面順流布置高溫過熱器，使其處于煙氣溫度相對較低的煙道內(nèi)，有利于高溫再熱器的安全；⑤在進口集箱上對每根管子開設(shè)孔徑不一的節(jié)流孔，從而調(diào)節(jié)同屏管間流量，減少同屏管排的結(jié)構(gòu)、熱力偏差對壁溫的影響；⑥受熱面的級間連接結(jié)構(gòu)沒有使用三通，因此就不會有三通渦流區(qū)的影響；⑦放大集箱規(guī)格，使集箱內(nèi)的混合效果得到增強，屏間偏差減少；⑧放大外圈管的規(guī)格等。因此在目前使用的材料檔次前提下，無論Ⅱ型鍋爐還是塔型爐，均可以實現(xiàn)汽輪機入口再熱蒸汽溫度為620 ℃。采用塔式鍋爐，可有效減少汽溫及煙溫偏差。

由上海鍋爐廠設(shè)計制造的國內(nèi)首臺高效超超臨界參數(shù)鍋爐——淮滬煤電田集電廠＃3 機組于2013-12-22 通過168 h滿負荷試運行，實現(xiàn)了在623 ℃的再熱溫度下的再熱器溫度偏差可控運行。

2.4 鍋爐受熱面布置及蒸汽溫度調(diào)節(jié)方式

二次再熱機組相對于一次再熱機組增加了一級受熱面，這樣就使二次再熱機組的鍋爐受熱面布置更加復(fù)雜，設(shè)計上要重新考慮受熱面吸熱量的分配。同樣的，對于再熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)上面，也不能僅僅像一次再熱機組采用煙氣擋板和噴水減溫兩種調(diào)溫方式，而要綜合受熱面的布置方式，采取更加快速精準(zhǔn)的調(diào)溫手段。

目前，國內(nèi)三大主機廠商對二次再熱機組設(shè)計選型都有相應(yīng)的研究及應(yīng)用。下面，分別以三大鍋爐廠典型1 000 MW二次再熱機組為例，介紹一下二次再熱機組的幾種受熱面布置及蒸汽溫度調(diào)節(jié)方式。

2.4.1 上鍋

上鍋設(shè)計的1 000 MW 超超臨界二次再熱鍋爐選用是單爐膛塔式鍋爐、切圓燃燒方式、膜式水冷壁、尾部雙煙道、固態(tài)排渣、平衡通風(fēng)，全鋼懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐中全部的受熱面（水冷壁和懸吊管除外）均采用臥式布置，且布置在爐膛的上方，尾部煙道中并沒有受熱面，僅僅作為爐膛和空氣預(yù)熱器的聯(lián)通煙道[9]。

采用三級過熱器，第一、第二級過熱器采用逆流布置，第三級過熱器采用順流布置。過熱蒸汽采用“煤水比+噴水減溫”的調(diào)溫方式調(diào)節(jié)。

鍋爐一次、二次再熱系統(tǒng)均布置兩級受熱面。高溫再熱器布置在高煙溫區(qū)域，順流布置，既能吸收爐內(nèi)直接輻射熱，又能靠對流換熱吸收熱量；低溫再熱器布置在煙氣溫度相對較低的區(qū)域，逆流布置，通過對流換熱吸收熱量。再熱蒸汽采用“煙氣擋板+擺動燃燒器+噴水減溫”的調(diào)溫方式。

省煤器布置在爐膛的最上部的出口處，主要通過對流換熱來降低爐膛出口的煙氣溫度。由于省煤器所處的煙氣溫度較低，需要采用有效的防磨措施保證省煤器的安全性，通常在選擇合理的煙氣流速的情況下考慮加裝阻流板等措施。

2.4.2 哈鍋

哈鍋的1 000 MW 超超臨界二次再熱直流鍋爐采用單爐膛塔式或Ⅱ型布置、切圓燃燒方式、膜式水冷壁、尾部雙煙道、固態(tài)排渣、平衡通風(fēng)、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)[9]。

過熱器采用三級布置，分別是低溫過熱器（屏式過熱器）、二級過熱器和末級過熱器，采用煤水比作為主要汽溫調(diào)節(jié)手段，并配合二級噴水減溫對主汽溫度進行綜合調(diào)節(jié)。

高、低壓再熱器均為兩級布置，分別為低溫再熱器和末級再熱器。汽溫以煙氣擋板和煙氣再循環(huán)為主要調(diào)溫手段，擺動燃燒器僅作為輔助的溫度調(diào)節(jié)方式。

省煤器布置在雙煙道的出口兩側(cè)，通過煙氣對流換熱吸熱。

2.4.3 東鍋

東鍋設(shè)計的超超臨界二次再熱鍋爐典型方案采用單爐膛Ⅱ型鍋爐，前后墻對沖燃燒方式。水冷壁采用螺旋盤繞上升加垂直管屏的膜式壁結(jié)構(gòu)，尾部雙煙道，平衡通風(fēng)，全鋼懸吊結(jié)構(gòu)[10]。

過熱器分為兩級，屏式過熱器和高溫過熱器，其中屏式過熱器布置在爐膛上部，吸收爐膛輻射熱；高溫過熱器布置在折焰角上方，是半輻射受熱面，過熱蒸汽溫度采用“煤水比+噴水減溫”控制。

一、二次再熱器均分成低溫再熱器和高溫再熱器，均為對流傳熱，其中一、二次高溫再熱器布置在水平煙道內(nèi)，一、二次低溫再熱器布置在前、后煙道內(nèi)。再熱蒸汽溫度采用“煙氣擋板+煙氣再循環(huán)”調(diào)節(jié)，這樣一次再熱汽溫和二次再熱汽溫可分別進行調(diào)節(jié)。

省煤器布置在一、二次低溫再熱器下方，按前后煙道順序順流布置。

3 結(jié)論與展望

通過對國內(nèi)二次再熱高效燃煤機組關(guān)鍵技術(shù)進行分析論述，為二次再熱機組設(shè)計、選型、研究提供了參考。國內(nèi)二次再熱技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，積累了一定的經(jīng)驗，三大鍋爐廠也在其常規(guī)百萬機組設(shè)計經(jīng)驗上面，創(chuàng)新和改進出了有自身特色的二次再熱技術(shù)，未來在耐熱合金材料研發(fā)的基礎(chǔ)上，更高參數(shù)的二次再熱超超臨界燃煤機組將是重要發(fā)展方向。