1 000 MW高效超超臨界W火焰鍋爐關(guān)鍵技術(shù)

王 婷，龔 超，劉宇鋼，莫春鴻，潘紹成

（1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001）

0 引言

我國煤電技術(shù)經(jīng)過近20 年的快速發(fā)展，已從亞臨界技術(shù)發(fā)展至高效超超臨界技術(shù)，部分機(jī)組供電煤耗已低至270 g/kWh 以下［1］。但我國仍有一大批燃用無煙煤的W 火焰鍋爐機(jī)組，受制于無煙煤的燃燒特性差、碾磨電耗高、煙氣凈化電耗高等因素，其供電煤耗普遍高于其他機(jī)組。以目前投運(yùn)的600 MW級超臨界W火焰鍋爐機(jī)組為例，額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，平均供電煤耗在310～320 g/kWh，高于當(dāng)前全國煤電機(jī)組平均供電煤耗，亞臨界W 火焰鍋爐機(jī)組供電煤耗更高［2］。燃無煙煤的W 型火焰鍋爐機(jī)組供電煤耗若要降至300 g/kWh 以下，必須用更先進(jìn)的W 火焰鍋爐技術(shù)，或者對在役機(jī)組實(shí)施升級改造。

1 W火焰鍋爐技術(shù)現(xiàn)狀

截至2020 年底，我國共有約140 臺單機(jī)容量為300 MW及以上的W型火焰鍋爐機(jī)組，約占全國單機(jī)容量300 MW及以上煤電機(jī)組的7.6%［3］。已投運(yùn)的W火焰鍋爐機(jī)組中，單機(jī)容量最大為670 MW，鍋爐出口蒸汽參數(shù)最高為26.15 MPa/585 ℃/583 ℃。燃用煙煤/貧煤的對沖燃燒煤粉鍋爐已發(fā)展至高效超超臨界二次再熱技術(shù)，更高參數(shù)的630 ℃、650 ℃鍋爐也已在開發(fā)中，且不斷地向700 ℃鍋爐目標(biāo)前進(jìn)［4］。燃用無煙煤的W 火焰鍋爐在機(jī)組參數(shù)及機(jī)組容量上遠(yuǎn)落后于對沖燃燒的煤粉鍋爐。

在開發(fā)超臨界W 火焰鍋爐方面，國外福斯特·惠勒（FW）、原三井·巴布科克（MB，現(xiàn)更名為斗山·巴布科克DB）、美國巴布科克（B&W）等公司憑借自身已擁有的W火焰燃燒技術(shù)，通過與國內(nèi)的鍋爐制造廠合作的方式來實(shí)現(xiàn)這一新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。東方鍋爐通過自主研發(fā)的方式開發(fā)600 MW級超臨界W火焰鍋爐。

國內(nèi)首臺600 MW 級超臨界W 鍋爐于2009 年7月份在金竹山電廠投運(yùn)［5］。至2020 年底國內(nèi)主要鍋爐廠商共有39 臺600 MW 級超臨界W 火焰鍋爐機(jī)組投運(yùn)［6］。2010 年后，國內(nèi)主要鍋爐廠商設(shè)計(jì)的600 MW級超臨界W爐陸續(xù)投運(yùn)，投運(yùn)后暴露出爐膛結(jié)焦、水冷壁拉裂、燃燒穩(wěn)定性差、氮氧化物排放高等問題［5］，上述問題也在一定程度上制約了W 火焰鍋爐向更高參數(shù)、更大容量發(fā)展。

在開發(fā)1 000 MW級超超臨界W火焰鍋爐技術(shù)方面，北京巴布科克·威爾科克斯有限公司潘挺、王賢提出一種新型雙臺階拱形W火焰鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)，可將原W 火焰鍋爐典型的前后墻拱上單排燃燒器布置形式改為前后墻臺階拱上的雙排燃燒器布置形式，大幅降低1 000 MW 及以上等級W 火焰鍋爐的爐膛寬度［7］。東方鍋爐在完成600 MW 級超臨界W 火焰鍋爐自主研制后，2010年啟動了1 000 MW超超臨界W火焰鍋爐技術(shù)開發(fā)，從鍋爐總體布置、熱力計(jì)算、水動力計(jì)算、燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了針對性的設(shè)計(jì)，同時(shí)對W火焰鍋爐參數(shù)提升、容量放大后的關(guān)鍵技術(shù)，如水動力技術(shù)、高溫腐蝕防治技術(shù)等進(jìn)行了重點(diǎn)研究［8］。

2 1 000 M 級高效超超臨界W 火焰鍋爐關(guān)鍵技術(shù)

1 000 MW級高效超超臨界W火焰鍋爐與600 MW級超臨界W火焰鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)對比如表1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)對比

由表1 可知，1 000 MW 級高效超超臨界W 火焰鍋爐相比600 MW級超臨界W火焰鍋爐，鍋爐蒸汽參數(shù)變化較大，主要有：給水溫度、主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度更高，主蒸汽壓力更高。蒸汽參數(shù)的提高在提升發(fā)電機(jī)組效率的同時(shí)，對鍋爐研制提出更高要求。

在600 MW 級超臨界W 火焰鍋爐基礎(chǔ)上開發(fā)1 000 MW 高效超超臨界W 火焰鍋爐方案，容量放大引起爐膛寬度增加，導(dǎo)致水冷壁偏差進(jìn)一步加大，高效超超臨界工質(zhì)參數(shù)，導(dǎo)致水冷壁壁溫進(jìn)一步上升，需對水冷壁的安全性進(jìn)一步分析。高溫受熱面受偏差加大和參數(shù)提升雙重因素疊加，相應(yīng)的壁溫也會進(jìn)一步提高，對于燃用高硫無煙煤的鍋爐，高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加劇。

2.1 鍋爐總體方案設(shè)計(jì)

相比600 MW 級超臨界W 火焰鍋爐，1 000 MW高效超超臨界W火焰鍋爐爐膛尺寸進(jìn)一步放大。水冷壁采用具有正響應(yīng)特性的低質(zhì)量流速垂直管圈，分上、下兩部分，高熱負(fù)荷區(qū)域的下部水冷壁采用優(yōu)化內(nèi)螺紋管，上部水冷壁采用光管，同時(shí)在上、下水冷壁之間設(shè)有工質(zhì)混合集箱，以減小水冷壁出口工質(zhì)溫度偏差。過熱器受熱面采用輻射-對流型，沿工質(zhì)流程依次為：頂棚及后豎井過熱器、低過、屏過和高過。再熱器受熱面為對流換熱型，由低再和高再組成。省煤器布置在水平低過下方［6］。鍋爐總體布置方案見圖1。

圖1 1 000 MW級超超臨界W火焰鍋爐總體布置

過熱汽溫調(diào)節(jié)采用水煤比和兩級噴水減溫，在低溫過熱器和屏式過熱器之間、屏式過熱器和高溫過熱器之間設(shè)置了兩級噴水。再熱汽溫通過尾部雙煙道平行煙氣擋板調(diào)節(jié)，在低溫再熱器和高溫再熱器之間的連接管道上設(shè)有事故噴水減溫器。鍋爐汽水流程見圖2。

圖2 1 000 MW級超超臨界W火焰鍋爐汽水流程

每臺鍋爐設(shè)置8 臺雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，配32只外置分離直流式煤粉燃燒器，單臺磨煤機(jī)對應(yīng)4只燃燒器，燃燒器順列布置在下爐膛的前、后墻爐拱上，燃燒器布置如圖3 所示，磨煤機(jī)與燃燒器的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖3 燃燒器布置

圖4 磨煤機(jī)與燃燒器的對應(yīng)關(guān)系

2.2 鍋爐水動力安全分析

由于W 型火焰鍋爐爐拱的存在，下爐膛深度與上爐膛深度不一樣，不能采用螺旋盤繞水冷壁，只能采用垂直管圈水冷壁。W 型火焰鍋爐各燃燒器隨磨煤機(jī)隨機(jī)啟停，造成爐內(nèi)熱負(fù)荷分布變化較大，當(dāng)水冷壁采用中高質(zhì)量流速時(shí)，受熱較強(qiáng)的管子，管內(nèi)工質(zhì)流量減少，造成水冷壁管壁溫度升高，發(fā)生超溫爆管。因此超超臨界W火焰鍋爐必須采用低質(zhì)量流速，利用低質(zhì)量流速的自補(bǔ)償特性，使受熱較強(qiáng)的管子有較大的質(zhì)量流速，進(jìn)而使受熱強(qiáng)的管子有較好的冷卻效果。由于水冷壁質(zhì)量流速較低，為了使各負(fù)荷下水冷壁管都能得到可靠冷卻，需采用內(nèi)螺紋管。

低質(zhì)量流速垂直管圈水動力技術(shù)已在眾多600 MW級超臨界W 爐的應(yīng)用上證明可行。但1 000 MW 高效超超臨界W火焰鍋爐水冷壁入口溫度更高、水冷壁運(yùn)行壓力更高，水冷壁在同等焓增時(shí)溫升更高、壁溫更高，因此需要采取措施確保1 000 MW高效超超臨界W火焰鍋爐水冷壁運(yùn)行安全可靠、并有足夠的安全余量。

1 000 MW 高效超超臨界W 火焰鍋爐的爐膛周界尺寸相比600 MW 超臨界W 爐增加，選取合適的優(yōu)化內(nèi)螺紋管規(guī)格及水冷壁節(jié)距，以控制水冷壁管內(nèi)流速在低質(zhì)量流速，水冷壁進(jìn)出口工質(zhì)溫度、壓力提升，工質(zhì)參數(shù)對比見表2。

表2 水冷壁進(jìn)出口參數(shù)對比

對1 000 MW 高效超超臨界W火焰鍋爐水冷壁管子規(guī)格及節(jié)距進(jìn)行優(yōu)化布置，控制水冷壁質(zhì)量流速與600 MW 級超臨界W 型火焰鍋爐相當(dāng)。在考慮水冷壁流量偏差及吸熱偏差雙重影響，水冷壁偏差管壁溫相比600 MW 超臨界W 爐增加較多，但整體仍然在12Cr1MoVG 材質(zhì)的允許使用溫度范圍內(nèi)，且有一定余量，水動力整體安全可靠。水冷壁管壁溫計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 水冷壁壁溫計(jì)算結(jié)果 單位：℃

上部水冷壁及鰭片的最大壁溫分布對比見圖5和圖6。

圖5 600 MW超臨界W爐上部水冷壁管子及鰭片壁溫分布

圖6 1 000 MW高效超超臨界W爐上部水冷壁管子及鰭片壁溫分布

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，1 000 MW 高效超超臨界W 爐在考慮水冷壁流量偏差及吸熱偏差雙重影響時(shí)，水冷壁壁溫升高，但仍然有一定的計(jì)算余量，水冷壁整體安全可靠。

另外，在鍋爐負(fù)荷變化較快或低負(fù)荷運(yùn)行爐內(nèi)輸入熱量不均勻時(shí)，水冷壁管間正流量響應(yīng)的自補(bǔ)償特性不足以補(bǔ)償煙氣側(cè)熱偏差帶來的影響，水冷壁的壁溫偏差加大，熱應(yīng)力較大的區(qū)域易發(fā)生水冷壁或扁鋼拉裂。1 000 MW 高效超超臨界W火焰鍋爐水冷壁除采用上、下集箱全混合結(jié)構(gòu)外，還可在局部易拉裂區(qū)域采用強(qiáng)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化剛性梁和水冷壁之間的滑動設(shè)計(jì)、預(yù)設(shè)膨脹縫等措施，以降低水冷壁因偏差較大引起拉裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 鍋爐高溫腐蝕防治技術(shù)

我國無煙煤主要集中在云貴川地區(qū)，該區(qū)域無煙煤一般硫含量較高［9］。當(dāng)鍋爐參數(shù)從超臨界提升至高效超超臨界時(shí)，高溫級受熱面的高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)也將進(jìn)一步增大。

在燃高硫煤的受熱面高溫腐蝕研究方面，東方鍋爐與高校進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究［10］。根據(jù)已有研究成果，高溫級受熱面的高溫腐蝕速率主要與受熱面的金屬壁溫、受熱面上硫酸鹽的沉積、受熱面材質(zhì)Cr 含量等有關(guān)。目前國內(nèi)已有10 臺長期燃用高硫煤的高效超超臨界鍋爐投運(yùn)，見表4，信源電廠設(shè)計(jì)煤為高硫貧煤、橫山電廠和雷龍灣電廠設(shè)計(jì)煤為陜北高硫煙煤。

表4 燃高硫煤的高效超超臨界鍋爐

為進(jìn)一步準(zhǔn)確掌握西南地區(qū)高硫無煙煤的高溫腐蝕數(shù)據(jù)，對西南地區(qū)高硫無煙煤的高溫腐蝕特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)煙氣環(huán)境為西南某燃高硫無煙煤電廠采集的煤灰（見表5）與含SO2煙氣的耦合，試驗(yàn)溫度分別為650 ℃、660 ℃、670 ℃、680 ℃、690 ℃、700 ℃，試驗(yàn)受熱面為高效超超臨界鍋爐高溫級受熱面已批量使用的SUPER304H 和HR3C材質(zhì)。

表5 高硫無煙煤煤灰成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

初步試驗(yàn)研究結(jié)果表明，SUPER304H 和HR3C材質(zhì)在貴州高硫無煙煤燃燒的環(huán)境中，在合理控制受熱面壁溫時(shí)，高溫腐蝕速率整體可控，同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，HR3C的抗腐蝕性能優(yōu)于SUPER304H。

在合理的受熱面選材基礎(chǔ)上，同時(shí)采用精準(zhǔn)壁溫偏差控制技術(shù)，降低高溫級受熱面偏差管壁溫，可降低1 000 MW 高效超超臨界W火焰鍋爐高溫受熱面的高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)［11］。

3 結(jié)語

對1 000 MW 高效超超臨界W火焰鍋爐參數(shù)提升、容量放大帶來水冷壁水動力安全問題及高溫級受熱面的高溫腐蝕問題進(jìn)行了針對性的研究，并提出應(yīng)對措施：

1 000 MW 高效超超臨界W火焰鍋爐水冷壁構(gòu)成雙拱爐膛，受熱面采用600 MW 級超臨界W 爐成熟的布置方式，尾部雙煙道擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫。

選取合適的內(nèi)螺紋管規(guī)格及水冷壁節(jié)距，控制下部水冷壁管內(nèi)質(zhì)量流速在低質(zhì)量流速范圍，上部水冷壁選用12Cr1MoVG 材質(zhì)，水冷壁最高壁溫仍在材質(zhì)允許使用溫度范圍內(nèi)，且有一定余量，水動力整體安全可靠。

在合理控制受熱面壁溫時(shí)，SUPER304H 和HR3C材質(zhì)在貴州高硫無煙煤燃燒的環(huán)境中，腐蝕速率整體可控；在工程應(yīng)用中，可進(jìn)一步采取精準(zhǔn)壁溫控制技術(shù)以降低高溫級受熱面腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。