650 ℃高參數(shù)燃煤機(jī)組鍋爐方案及關(guān)鍵技術(shù)措施

熊 鵬,易廣宙,尹朝強(qiáng),劉宇鋼,潘紹成,黎懋亮

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

為應(yīng)對(duì)氣候變化,推動(dòng)以二氧化碳為主的溫室氣體減排,我國(guó)提出“力爭(zhēng)2030年前達(dá)到碳達(dá)峰,力爭(zhēng)2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)。這意味著,我國(guó)能源結(jié)構(gòu)面臨轉(zhuǎn)型,傳統(tǒng)化石能源需進(jìn)一步給清潔能源、可再生能源讓步。然而,受我國(guó)能源結(jié)構(gòu)限制,電力用煤占我國(guó)社會(huì)總化石能源消耗的近一半[1-2],在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)仍為我國(guó)主要能源。

提高機(jī)組參數(shù)是未來(lái)燃煤電站節(jié)能降碳的關(guān)鍵途徑。隨著620 ℃參數(shù)高效超超臨界機(jī)組相繼投運(yùn)[3],為開(kāi)發(fā)更高參數(shù)機(jī)組打下了技術(shù)基礎(chǔ),但受制于材料等關(guān)鍵技術(shù),700 ℃參數(shù)超超臨界機(jī)組應(yīng)用尚需時(shí)日。從目前新型材料的研發(fā)進(jìn)展[4-6]來(lái)看,650 ℃參數(shù)燃煤火電機(jī)組實(shí)現(xiàn)的可能性更大。

蒸汽參數(shù)提升到650 ℃之后,鍋爐各受熱面吸熱比例、傳熱溫壓等均發(fā)生了較大變化,尤其是水冷壁要承受更高的壓力和溫度,因此需要對(duì)水冷壁進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和選材。同時(shí),爐內(nèi)燃燒與受熱面?zhèn)鳠狁詈咸匦浴⒈跍仄羁刂萍夹g(shù)、高等級(jí)受熱面的選材等都是650 ℃鍋爐開(kāi)發(fā)過(guò)程中的研究重點(diǎn)。

本文提出了1 000 MW等級(jí)高效超超臨界650 ℃燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐總體布置方案,包括П型和塔式2種典型布置方式,同時(shí)對(duì)650 ℃鍋爐方案開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)提出了相應(yīng)措施,例如水冷壁設(shè)計(jì)、壁溫偏差控制和高等級(jí)受熱面選材等方面。650 ℃高參數(shù)超超臨界機(jī)組是未來(lái)煤電轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要一步,本文提出的650 ℃鍋爐方案和關(guān)鍵技術(shù)措施為未來(lái)工程示范打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 鍋爐基本方案

1.1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,并與目前已投運(yùn)1 000 MW等級(jí)機(jī)組中最先進(jìn)的620 ℃高效超超臨界參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

表1 650 ℃鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)(BMCR工況)

從表1可以看出,機(jī)組參數(shù)提升到650 ℃之后,過(guò)熱蒸汽和再熱蒸汽流量均有所減小,總吸熱量也隨著減少,在相同功率負(fù)荷下,會(huì)帶來(lái)鍋爐燃煤消耗量的減少,有助于節(jié)能降碳減排。

1.2 總體布置

鍋爐采用高效超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐,一次中間再熱、前后墻對(duì)沖燃燒方式、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全懸吊鋼結(jié)構(gòu)П型爐或塔式鍋爐。兩種布置方式如圖1、2所示。

圖1 П型鍋爐總體布置

圖2 塔式鍋爐總體布置

圖3 前后墻對(duì)沖燃燒溫度場(chǎng)分布

圖4 雙進(jìn)雙出的集箱連接方式

制粉系統(tǒng):采用中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng),每臺(tái)鍋爐配備6臺(tái)磨煤機(jī),BMCR工況5運(yùn)1備。

脫硝系統(tǒng):每臺(tái)鍋爐配置2臺(tái)SCR反應(yīng)器。

空氣預(yù)熱器:每臺(tái)鍋爐配置2臺(tái)四分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

啟動(dòng)系統(tǒng):帶啟動(dòng)再循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)。

1.3 汽水流程

П型爐和塔式鍋爐由于自身結(jié)構(gòu)布置不同,一次汽流程略有差異。

一次汽流程(П型爐):主給水管道—省煤器—集中下降管—螺旋水冷壁—過(guò)渡段水冷壁—垂直水冷壁—啟動(dòng)分離器—頂棚—包墻—一級(jí)過(guò)熱器—一級(jí)減溫器—二級(jí)過(guò)熱器—二級(jí)減溫器—高溫過(guò)熱器—汽輪機(jī)高壓缸。

一次汽流程(塔式爐):主給水管道—省煤器—集中下降管—螺旋水冷壁—過(guò)渡段水冷壁—垂直水冷壁—啟動(dòng)分離器—一級(jí)過(guò)熱器入口連接管—爐內(nèi)吊掛管—一級(jí)過(guò)熱器管屏—一級(jí)減溫器—二級(jí)過(guò)熱器—二級(jí)減溫器—高溫過(guò)熱器—汽輪機(jī)高壓缸。

П型爐和塔式鍋爐再熱器流程一致。

再熱汽流程:再熱器入口管道—低溫再熱器—再熱器微調(diào)噴水減溫器—高溫再熱器—汽輪機(jī)中壓缸。

1.4 受熱面布置

П型爐和塔式鍋爐受熱面級(jí)數(shù)相同,但由于2個(gè)爐型自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的差異,各級(jí)受熱面布置位置和布置方式均有所不同(見(jiàn)表2)。

表2 П型爐和塔式鍋爐受熱面布置差異

塔式鍋爐爐內(nèi)受熱面均水平布置在爐膛出口第一煙道,通過(guò)一級(jí)過(guò)熱器入口段形成的吊掛管懸吊在爐頂大板梁上;而П型鍋爐只有尾部豎井內(nèi)部分一級(jí)過(guò)熱器、部分低溫再熱器和省煤器水平布置,其余均垂直布置,通過(guò)頂棚上方的集箱懸吊在爐頂大板梁上。

1.5 燃燒系統(tǒng)

采用前后墻對(duì)沖燃燒方式,前后墻各3層,每層8只燃燒器,全爐共48只燃燒器。

燃燒器采用最新的OPCC雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器,由一次風(fēng)彎頭、一次風(fēng)管、煤粉濃縮器、穩(wěn)燃環(huán)、內(nèi)二次風(fēng)裝置、外二次風(fēng)裝置(含調(diào)風(fēng)器)燃燒器殼體等零部件組成。采用環(huán)形濃淡強(qiáng)化分級(jí)技術(shù),燃燒效率高、低負(fù)荷穩(wěn)燃能力強(qiáng)。

在前、后墻燃燒器上方各布置了2層燃盡風(fēng)噴口,每層布置8個(gè)。另外,在每層燃燒器上方靠近側(cè)墻的地方布置了貼壁風(fēng)(共12個(gè))以防止水冷壁側(cè)墻高溫腐蝕。

1.6 調(diào)溫方式

過(guò)熱蒸汽溫度采用煤水比作為主要的調(diào)節(jié)方式,同時(shí)在一級(jí)過(guò)熱器至二級(jí)過(guò)熱器連接管道上和二級(jí)過(guò)熱器至三級(jí)過(guò)熱器連接管道上分別布置一級(jí)減溫器和二級(jí)減溫器,用來(lái)調(diào)節(jié)受熱面出口汽溫和左右兩側(cè)的汽溫偏差。一級(jí)減溫器和二級(jí)減溫器均設(shè)有左、右側(cè)2個(gè)噴水點(diǎn),用單獨(dú)的調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)兩側(cè)減溫管路的噴水量,以消除左、右側(cè)的蒸汽溫度偏差。過(guò)熱器減溫水引自省煤器出口,總的設(shè)計(jì)噴水量為6%。

再熱蒸汽溫度采用尾部平行煙氣調(diào)節(jié)擋板調(diào)節(jié)汽溫,同時(shí)在低溫再熱器和高溫再熱器之間的左右側(cè)連接管上,布置有微調(diào)噴水減溫器,用作微調(diào)。

1.7 煙風(fēng)系統(tǒng)

煙氣通過(guò)尾部平行調(diào)節(jié)擋板后匯流至SCR脫硝設(shè)備后進(jìn)入空氣預(yù)熱器的煙氣倉(cāng),在空預(yù)器中利用煙氣熱量來(lái)加熱一次風(fēng)和二次風(fēng)。從空氣預(yù)熱器出來(lái)的煙氣通過(guò)余熱利用換熱器,進(jìn)入靜電除塵器、脫硫后由引風(fēng)機(jī)排至煙囟。

一次風(fēng)用作煤粉的輸送和干燥介質(zhì),通過(guò)一次風(fēng)機(jī)送入空氣預(yù)熱器的一次風(fēng)分隔倉(cāng),加熱后通過(guò)熱一次風(fēng)道進(jìn)入磨煤機(jī)。在磨煤機(jī)內(nèi),一次風(fēng)與煤粉充分混合后通過(guò)煤粉管道由燃燒器一次風(fēng)噴口進(jìn)入爐膛燃燒。

二次風(fēng)的作用是保證煤粉燃盡和控制氮氧化物的生成,通過(guò)送風(fēng)機(jī)進(jìn)入空氣預(yù)熱器的二次風(fēng)分隔倉(cāng),加熱后由鍋爐兩側(cè)經(jīng)熱二次風(fēng)道進(jìn)入大風(fēng)箱。通過(guò)燃燒器區(qū)域二次風(fēng)噴口、燃燒器上方燃盡風(fēng)噴口進(jìn)入爐膛。

1.8 鋼結(jié)構(gòu)布置

鍋爐構(gòu)架采用全鋼結(jié)構(gòu),分成鍋爐區(qū)域鋼架和空預(yù)器/脫硝區(qū)域鋼架2個(gè)部分,2個(gè)部分均可獨(dú)立承載,通過(guò)多層平臺(tái)予以連接。爐頂大板梁通過(guò)四周主要鋼柱支撐,鍋爐主要承壓件均懸吊在爐頂大板梁上。

2 鍋爐關(guān)鍵技術(shù)措施

2.1 水冷壁設(shè)計(jì)

650 ℃鍋爐相比目前較成熟的620 ℃高效超超臨界鍋爐,水冷壁出口工質(zhì)溫度有了較大的提升,對(duì)于水冷壁的材料選擇和安全性帶來(lái)了更高的設(shè)計(jì)要求。水冷壁初步計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 650 ℃鍋爐水冷壁初步計(jì)算結(jié)果

從上表可以看到,650 ℃鍋爐水冷壁壁溫和設(shè)計(jì)壓力相比目前成熟的620 ℃高效超超臨界鍋爐均有較大提升,需相應(yīng)提高水冷壁材料等級(jí)才能滿足要求。650 ℃鍋爐水冷壁推薦材料如表4所示。

表4 650 ℃鍋爐水冷壁推薦材料

目前SA-213T91材料在水冷壁中應(yīng)用較少,主要用在循環(huán)流化床鍋爐高溫過(guò)熱器和高溫再熱器直管屏中。主要存在水冷壁成排彎管的加工制造工藝、工地的焊后熱處理難度大等問(wèn)題。蒲貴明[7]研究表明SA-213T91水冷壁管屏進(jìn)行成排彎后,容易引起角焊縫根部裂紋、氣孔等缺陷,需采用針對(duì)性的控制措施來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。莫春鴻 等[8]在SA-213T91水冷壁管屏成排彎、開(kāi)孔等也做了大量的工藝試驗(yàn),試驗(yàn)顯示SA-213T91用在水冷壁管屏是可行的。

2.2 壁溫偏差控制

壁溫偏差如果控制得不好,一方面會(huì)帶來(lái)受熱面超溫,影響鍋爐安全性;另一方面會(huì)制約蒸汽溫度達(dá)到額定值,影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。因此,必須采取有效的技術(shù)措施來(lái)控制受熱面壁溫偏差。

2.2.1 煙氣側(cè)偏差控制

1)采用前后墻對(duì)沖燃燒方式,爐內(nèi)火焰充滿情況較好,燃燒更加均勻,使得爐膛左右兩側(cè)煙溫偏差小。

2)最上層燃盡風(fēng)采用左右擺動(dòng)型結(jié)構(gòu),可以根據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行情況,調(diào)整燃盡風(fēng)擺動(dòng)角度,確保沿爐膛寬度氧量分布均勻、煤粉燃燒更加均衡,確保爐膛空氣動(dòng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的均勻性。

2.2.2 工質(zhì)側(cè)偏差控制

1)合理分配各級(jí)受熱面的面積,使各級(jí)受熱面的焓增處于合理水平,控制高溫級(jí)受熱面的溫升水平,以控制偏差汽溫最高點(diǎn)。

雖然蒸汽參數(shù)從620 ℃提高到了650 ℃,但高溫級(jí)受熱面的溫升并沒(méi)有出現(xiàn)較大提高,主要是因?yàn)?50 ℃參數(shù)的給水壓力和溫度更高,使得分離器溫度提高了約43 ℃,再加上給水溫度也提高了約15 ℃,所以后面三級(jí)過(guò)熱器的溫升與620 ℃參數(shù)的溫升水平相當(dāng);主汽溫度提高后,高壓缸排汽溫度也有較大提高,再熱器進(jìn)口汽溫提高了約39 ℃,所以兩級(jí)再熱器的溫升也沒(méi)有較大變化。

2)集箱的連接形式采用雙進(jìn)雙出,能夠有效降低水力偏差。

3)設(shè)計(jì)合理的進(jìn)出口集箱內(nèi)徑,匹配進(jìn)出口集箱間的靜壓分布,降低集箱分配水力偏差。

4)設(shè)置糾偏噴水減溫,左右兩側(cè)減溫水量單獨(dú)調(diào)節(jié),對(duì)左右側(cè)汽溫偏差進(jìn)行糾偏。

2.3 高等級(jí)受熱面選材

目前已投運(yùn)的最高620 ℃參數(shù)機(jī)組鍋爐高溫級(jí)受熱面采用SUPER304H、HR3C奧氏體鋼,最高使用溫度一般不超過(guò)700 ℃;高溫管道集箱采用SA-335P92鐵素體鋼,最高使用溫度一般不超過(guò)630 ℃。當(dāng)機(jī)組參數(shù)提高到650 ℃后,考慮到受熱面壁溫偏差,受熱面最高壁溫會(huì)超過(guò)700 ℃,蒸汽出口管道SA-335P92材料也不再適用,因此需引入新的高等級(jí)材料。

650 ℃參數(shù)高等級(jí)受熱面小管候選材料主要有SP2215、Sanicro25、HR6W、617、HT700T。

650 ℃參數(shù)高溫管道集箱大管候選材料主要有G115、HR6W、617、HT700P。

650 ℃參數(shù)高溫部件材料[9-13]基本情況如表5所示。

表5 650 ℃高溫部件候選材料

鍋爐用材主要看工作條件下的許用應(yīng)力,許用應(yīng)力高的材料可以減薄管子壁厚,降低重量,也可以減少管子制造難度與部件制造難度。

650 ℃參數(shù)高溫部件候選材料許用應(yīng)力對(duì)比如圖5～6所示。

圖5 受熱面小管各材料許用應(yīng)力對(duì)比

圖6 管道集箱大管各材料許用應(yīng)力對(duì)比

從上圖對(duì)比可以看到,HT700材料在受熱面小管和管道集箱大管許用應(yīng)力上的優(yōu)勢(shì)均較明顯,在相同的設(shè)計(jì)壁溫和設(shè)計(jì)壓力下,管子壁厚可以更小,從而降低鍋爐重量。

目前,對(duì)于HT700新材料已做了大量試驗(yàn)研究,包括大小管母材試驗(yàn)研究、焊接試驗(yàn)研究、集箱管接頭焊接、成形試驗(yàn)研究、高溫長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)研究,積累了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù),持久強(qiáng)度試驗(yàn)正在進(jìn)行中。

3 結(jié)束語(yǔ)

650 ℃參數(shù)機(jī)組是未來(lái)火電朝著更加高效、清潔、靈活方向升級(jí)的重要一步,也是新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型方向。針對(duì)650 ℃參數(shù)超超臨界鍋爐,本文提出了П型和塔式2種布置方案,并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)提出了相應(yīng)措施。

1)650 ℃參數(shù)超超臨界鍋爐采用П型和塔式2種技術(shù)方案均可行。

2)水冷壁垂直段需采用SA-213T91以滿足參數(shù)提升后水冷壁管的強(qiáng)度要求。

3)從煙氣側(cè)和工質(zhì)側(cè)采用有效措施,控制受熱面壁溫偏差,保證寬負(fù)荷下汽溫達(dá)到額定值。

4)參數(shù)提升到650 ℃之后,鍋爐高溫級(jí)受熱面小管以及主汽、熱再出口集箱管道需要引入新材料,從目前650 ℃高溫部件候選材料來(lái)看,HT700鐵鎳基合金具有一定的優(yōu)勢(shì)。新材料的研發(fā)進(jìn)展將直接關(guān)系到未來(lái)650 ℃高參數(shù)機(jī)組工程示范的進(jìn)程,隨著新材料的深入研究,目前離工程化應(yīng)用也越來(lái)越近,相信不久之后便會(huì)有650 ℃示范工程的落地。