1200 MW超超臨界參數(shù)鍋爐的研制與開發(fā)

徐雪元

(上海鍋爐廠有限公司，上海市，200245)

0 引言

華能玉環(huán)電廠、華電鄒縣電廠、外高橋電廠三期工程等1000 MW超超臨界機(jī)組相繼成功投入運(yùn)行，標(biāo)志著我國在超超臨界火電技術(shù)領(lǐng)域上有了跨越式的發(fā)展，火力發(fā)電技術(shù)與國外縮短30～40年，達(dá)到國際先進(jìn)水平，并為我國在該領(lǐng)域上拓展更高參數(shù)和更大容量的機(jī)組打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。世界上超超臨界技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)表明，開發(fā)更大容量、更高壓力和溫度參數(shù)的機(jī)組，以進(jìn)一步提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，降低機(jī)組單位造價(jià)，獲得良好的性價(jià)比是超超臨界機(jī)組發(fā)展的方向[1-7]。為此，上海鍋爐廠有限公司在1000 MW超超臨界鍋爐研制開發(fā)獲得成功的基礎(chǔ)上，自行開發(fā)和研制了1200 MW超超臨界鍋爐。在鍋爐方案設(shè)計(jì)階段，著重對(duì)影響其可行性的幾個(gè)方面進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

1 爐型選擇

在1000 MW容量等級(jí)上，從已經(jīng)投運(yùn)和正在設(shè)計(jì)的機(jī)組來看，無論是選擇塔式鍋爐還是選擇雙煙道鍋爐，都是可靠的。但當(dāng)容量在1000 MW等級(jí)的基礎(chǔ)上繼續(xù)提升時(shí)，選擇塔式爐型對(duì)于鍋爐今后的運(yùn)行更為安全、可靠，理由如下：

（1）選擇塔式鍋爐是綜合考慮爐膛尺寸和受熱面布置相匹配的結(jié)果。

隨著機(jī)組容量的增加，鍋爐爐膛斷面和容積也要求相應(yīng)放大。對(duì)于常規(guī)的雙煙道切圓燃燒鍋爐，機(jī)組的容量達(dá)到了800 MW以上，推出的是雙切圓燃燒方案（主要受制于受熱面布置），目前國內(nèi)已經(jīng)投運(yùn)或正在設(shè)計(jì)的1000 MW容量等級(jí)切圓燃燒的雙煙道鍋爐全部采用雙切圓燃燒方案。機(jī)組的容量達(dá)到1200 MW以上，如果繼續(xù)選擇該型鍋爐，爐膛寬度和深度的匹配以及受熱面的布置都存在較大困難。而對(duì)于塔式鍋爐而言，由于推出的是正方形爐膛的方案，隨著鍋爐容量的增加，爐膛寬度、深度和受熱面的匹配就不成問題。

（2）選擇塔式鍋爐更能夠適應(yīng)高參數(shù)機(jī)組發(fā)展的要求。

在目前的超超臨界參數(shù)鍋爐（27 MPa/600℃/600℃）中，高溫受熱面已經(jīng)大量使用了HR3C和Super 304H。在目前已投入商業(yè)運(yùn)行的鍋爐中，HR3C和Super 304H是受熱面中使用的最高檔次材料。如果將超超臨界鍋爐的參數(shù)進(jìn)一步提高，在目前材料使用狀況下降低鍋爐煙氣溫度和蒸汽溫度偏差是唯一的選擇，與雙煙道鍋爐相比，塔式鍋爐爐膛出口及各受熱面的左右煙溫偏差要小，因此，在沒有比HR3C和Super 304H更好的材料推出之前，塔式鍋爐對(duì)于機(jī)組參數(shù)提高的適應(yīng)性比雙煙道鍋爐更強(qiáng)。

（3）選擇塔式鍋爐更有利于減少汽輪機(jī)受固體顆粒侵蝕的危害。

水平布置的受熱面有利于減少汽輪機(jī)受固體顆粒侵蝕（solid particle erosin，SPE）的危害。因?yàn)殡S著蒸汽溫度的上升，受熱面管內(nèi)的高溫蒸汽氧化現(xiàn)象加劇，當(dāng)機(jī)組發(fā)生較大的負(fù)荷變化，尤其在啟停中，因受冷熱溫度應(yīng)力的作用，氧化顆粒很容易脫落。因此，SPE現(xiàn)象較多發(fā)生在鍋爐啟動(dòng)階段，鍋爐受熱面受熱沖擊引起管子汽側(cè)氧化鐵剝離并形成固體顆粒，使汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)和高、中壓缸第1級(jí)葉片產(chǎn)生侵蝕。造成SPE的原因有多種，鍋爐受熱面布置的形式也是其中之一，因?yàn)橥t后脫落的氧化顆粒沉積于受熱面中，鍋爐重新啟動(dòng)后，這些顆粒可能被蒸汽帶出鍋爐。對(duì)于垂直布置的過熱器和再熱器的雙煙道鍋爐，氧化顆粒一般沉積在U管的底部，在啟動(dòng)及低負(fù)荷階段，低流量的蒸汽動(dòng)量不足以將大的氧化剝離物帶出垂直管段，直到高負(fù)荷階段，蒸汽動(dòng)量的增加，這些物體才可能被沖出，此時(shí)的蒸汽動(dòng)量所攜帶的硬質(zhì)顆粒對(duì)汽輪機(jī)葉片所產(chǎn)生的侵蝕性最大。而塔式爐的受熱面呈水平布置，啟動(dòng)階段雖然蒸汽的動(dòng)量低，但也很容易將氧化顆粒帶走，并由旁路系統(tǒng)直接送入凝汽器。因此，除非是較大的氧化剝落物，在機(jī)組啟動(dòng)階段固體顆粒不會(huì)進(jìn)入汽輪機(jī)，而較大顆粒的剝落物由于離心力大，受到汽機(jī)進(jìn)汽流道結(jié)構(gòu)的限制，也不容易直接沖擊汽機(jī)的葉片。此外，塔式鍋爐的受熱面呈臥式布置，過熱器、再熱器受熱面能自疏水，所以塔式鍋爐的過熱器、再熱器受熱面能實(shí)現(xiàn)酸洗，經(jīng)過酸洗的受熱面在防止氧化皮產(chǎn)生上具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2 容量及參數(shù)

鍋爐出口蒸汽參數(shù)按29 MPa（a）/605℃/613℃考慮，最終可根據(jù)用戶的要求對(duì)鍋爐出口蒸汽參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以滿足機(jī)爐參數(shù)匹配的要求。1200 MW機(jī)組鍋爐的參數(shù)如表1。

表1 1200 MW超超臨界鍋爐蒸汽參數(shù)Tab.1 1200MW USC boiler steam parameter

3 方案設(shè)計(jì)所考慮的問題

3.1 大容量斷面選取的可行性

1200 MW和1000 MW斷面選取的對(duì)比見表2。

表2 1200 MW和1000 MW鍋爐斷面對(duì)比表Tab.2 Section comparison of 1200 MW to 1000 MW boilers m

23.21m×23.21 m是目前為止國內(nèi)最大的塔式鍋爐的爐膛，但由國外已經(jīng)投運(yùn)的機(jī)組的實(shí)例表明（見圖1，國外有24 m×24 m鍋爐爐膛斷面），如此大的爐膛斷面中采用切向燃燒是沒有問題的。

鍋爐容量增加雖然可導(dǎo)致螺旋管圈水冷壁吊掛結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，爐膛尺寸加大，水冷壁管帶過寬，過熱器、再熱器受熱面管子過長而受到熱偏差限制等問題，但國外24 m×24 m爐膛實(shí)際投運(yùn)的實(shí)例表明這些問題在技術(shù)上都是可以得到解決的。

3.2 高參數(shù)引起材料變化的可行性

壓力和溫度的同時(shí)提高對(duì)受熱面的選取提出了更高的要求，在目前使用的材料檔次前提下，經(jīng)過驗(yàn)算，受熱面的材料只要在1000 MW超超臨界參數(shù)的基礎(chǔ)上將壁厚進(jìn)行調(diào)整即可。具體對(duì)比如表3。

經(jīng)過對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，在1200 MW超超臨界參數(shù)下，鍋爐受熱面材料的選取基本等同于1000 MW超超臨界鍋爐，變化細(xì)微。

表3 受熱面選材的對(duì)比Tab.3 Comparison of heating surface material selection

表4 出口集箱管道選材的對(duì)比Tab.4 Comparison of outlet header pipe material selection

4 1200 MW超超臨界鍋爐方案可行性評(píng)估

對(duì)于1200 MW超超臨界設(shè)計(jì)方案，爐膛斷面和高度在國外已經(jīng)有更大的爐膛成功投運(yùn)的實(shí)例，因此對(duì)于容量增大后，鍋爐燃燒可靠性可以達(dá)到保證，而爐膛及受熱面結(jié)構(gòu)的變化也是可以實(shí)現(xiàn)的。鍋爐蒸汽參數(shù)提高經(jīng)過計(jì)算沒有引起受壓件材料的本質(zhì)變化，而1000 MW超超臨界鍋爐中成功使用高合金材料的經(jīng)驗(yàn)可為1200 MW中使用同等級(jí)材料打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

因此，對(duì)于1200 MW的塔式鍋爐，設(shè)計(jì)和制造技術(shù)均是成熟、可靠的。

[1]張建中.我國超（超）臨界火電機(jī)組實(shí)際投運(yùn)水平評(píng)述[J].電力建設(shè)，2009，30（4）：1-7.

[2]李續(xù)軍.超（超）臨界火力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及國產(chǎn)化建設(shè)[J].電力建設(shè)，2007，28（4）：60-66，81.

[3]葉勇健，何振東.華能玉環(huán)電廠1000 MW超超臨界鍋爐特性[J].電力建設(shè)，2007，28（11）：66-69.

[4]胡平.超（超）臨界火電機(jī)組鍋爐材料的發(fā)展[J].電力建設(shè)，2005，26（6）：26-29.

[5]孫葉柱.用于超超臨界鍋爐的Super304H材料的性能[J].電力建設(shè)，2003，24（9）：11-14.

[6]楊冬，于輝，華洪淵，等.超（超）臨界垂直管圈鍋爐水冷壁流量分配及壁溫計(jì)算[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（17）：32-38.

[7]楊建平，郭軍，喬亞霞.超超臨界機(jī)組用P92鋼焊接技術(shù)的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（23）：55-60.