1000MW超超臨界褐煤鍋爐的研究與初步設計

張殿軍, 尹向梅

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司,哈爾濱150046)

隨著我國煤炭消耗量的逐年增加,優質煙煤儲量的比例不斷下降.從我國電力工業可持續發展的角度出發,充分利用豐富的褐煤具有十分重要的意義.由于國內外沒有燃用老年褐煤的超超臨界褐煤鍋爐技術,因此,必須立足國內自主開發.

我國褐煤鍋爐容量從200～600 MW亞臨界經歷了十多年的發展,積累了大量的設計和運行經驗,并基本掌握了褐煤的燃燒特點,具備了向更高容量發展的條件.2006年12月,國家十一五“863計劃”立項開展1 000 MW超超臨界褐煤鍋爐的爐膛結構、水冷壁結構、水動力特性、燃燒器及制粉系統技術的研究.課題承擔單位哈爾濱鍋爐廠有限責任公司、大唐國際發電股份有限公司、國家電站燃燒中心、哈爾濱工業大學、西安交通大學和北京國電華北電力工程有限公司開展了相應的研究工作,并于2008年3月完成了1 000 MW超超臨界褐煤鍋爐的定型審查工作,以確保百萬千瓦褐煤鍋爐的制造技術先進、設備可靠及制造可行.

1 我國發展1000MW超超臨界褐煤鍋爐的必要性

我國擁有豐富的褐煤資源,已探明的褐煤可采儲量達186億t,占全國煤炭儲量的16.24%,而目前全國已建和在建的燃用褐煤的大型火力發電廠(單機容量＞200 MW)總裝機容量只有12 000～13 000 MW,僅占全國火力發電總裝機容量的3%左右.超超臨界褐煤鍋爐技術的應用,將在改變這種現狀的同時,大幅降低燃用褐煤鍋爐機組的發電煤耗,有效減少NO x、SO x及 CO2的排放.因此,開發1 000 MW等級的超超臨界褐煤機組對于充分利用我國的劣質煤資源、大幅度提高燃用褐煤火力發電廠的經濟性具有重要意義.

2 我國1000MW超超臨界鍋爐的基本情況

超超臨界發電技術已在世界主要發達國家得到廣泛應用.實踐表明：超超臨界機組具有成熟、先進和潔凈的發電技術,在機組可靠性、可用率、熱機動性和機組壽命等方面已經可以與亞臨界機組媲美.我國采用引進技術生產的、以玉環電廠為代表的第一批超超臨界百萬機組鍋爐的成功投運,使國內電力行業技術人員對超超臨界鍋爐特有的關鍵技術有了更為充分、全面的認識,如鍋爐的主要熱力參數、主要材料性能、主要結構、安全可靠性、運行性能、制造工藝、加工能力、大件運輸條件、廠址的選擇、國外采購材料費用等,并從最初的技術支持、技術引進發展為獨立自主技術開發,使超超臨界鍋爐中除少數高檔材料和配套件依靠進口外,鍋爐本體的設計、制造、工藝、調試和運行達到100%國產化.

3 1000MW超超臨界褐煤鍋爐的設計方案

3.1 煤質資料

本方案參考的設計和校核煤種的煤質及灰成分分析見表1.從收到基水分、揮發分、低位發熱量及哈氏可磨性系數等分析,設計煤種和校核煤種均屬于高水分、高揮發分、低可磨性、中等發熱值、易著火、中等灰分及易結渣的褐煤.從磨損指數分析,設計煤種為磨損性不強的煤質.

3.2 蒸汽參數的選擇

通常,褐煤鍋爐爐膛較大,且多數電廠為坑口電廠,原煤運輸成本低廉.綜合考慮投資成本的經濟性及減少進口高檔材料的采購量,最終采用了26.25 MPa、571℃/600℃的較為穩妥、先進的超超臨界機組參數,從而鍋爐主蒸汽管道可采用P91等超臨界鍋爐的主蒸汽管道材料,提高了主要管道的焊接和制造可靠性,同時使鍋爐、汽輪機高壓側的閥門造價大幅度降低.

表1 煤質及灰成分分析Tab.1 Analysis of coal qua lity and ash composition

3.3 爐膛型式和主要特征參數

1 000 MW超超臨界褐煤鍋爐方案的確定借鑒了國內外已投運大容量褐煤鍋爐的經驗.表2和表3分別給出了部分國內外大容量褐煤鍋爐的主要數據.

表2 國外典型大容量超臨界和超超臨界褐煤鍋爐的主要數據Tab.2 Main data of foreign typical large capacity supercritical&ultra-supercritical lignite-fired boilers

表3 哈爾濱鍋爐廠有限責任公司已投運大容量褐煤鍋爐的主要數據Tab.3 Main data of commissioned typical large capacity lignite-fired boilersmanufactured by Harbin Boiler Co.,Ltd.

續表3

根據國內外經驗,燃用褐煤爐膛尺寸的選擇必須保證足夠大的爐膛截面和容積以及較低的爐膛出口煙氣溫度,以避免水冷壁結渣及減輕煙氣的溫度場、速度場偏差.由于采用了墻式雙切圓燃燒方式,因此爐膛采用36.623 mm×17.806mm的長方形爐膛,單個切圓爐膛截面的寬深比為1.028,接近正方形爐膛,其他爐膛特性參數見表4.

表4 其他爐膛特性參數Tab.4 O ther characteristic parameters of the furnace

通過以上參數的選取,可以保證百萬千瓦褐煤機組鍋爐爐膛的基本選型參數與運行經驗相符.

3.4 爐膛水冷壁

3.4.1 水冷壁形式

目前,國內外流行的水冷壁布置形式有兩種：螺旋管圈和垂直管圈.設計爐膛水冷壁采用帶內螺紋管的垂直管圈型式,其主要優點是：①鍋爐高度較低;②調溫手段多,除燃燒器擺動外,還可采用擋板調溫等;③對燃燒方式適應性強;④結構簡單,便于安裝;⑤不需要用復雜的張力板結構,在鍋爐啟動或負荷變化時熱應力較小;⑥較好的正向流動特性,在各種工況下可保證水動力的穩定性;⑦阻力較小,比螺旋管圈水冷壁小1/3;⑧不易結渣.

在傳統的一次上升垂直管圈水冷壁的基礎上,為適應變壓運行的需要,又加裝了傳統型水冷壁二級中間混合集箱,以降低水冷壁出口沿爐膛周界工質的溫度偏差.同時,將水冷壁入口控制流量的節流孔圈由傳統的安裝在水冷壁下集箱處改為安裝在水冷壁集箱的出口管接頭上,便于在運行和調試過程中更換節流孔圈,并增大了安裝節流孔圈管段的直徑,因此增大了流量調節的幅度.

3.4.2 質量流速的選取

水冷壁質量流速是確保其安全運行的重要參數之一.機組在定-滑-定運行方式下,水冷壁中的工質不可避免地經歷亞臨界和超臨界壓力區域,因此,工質物性在相變點會發生突變,工質的比容、比熱容和比焓均有明顯變化,傳熱性能變差,如果設計不合理,會引起水冷壁壁溫的飛升[1].

根據哈爾濱鍋爐廠有限責任公司與西安交通大學在1993年進行的φ28mm×6mm的垂直上升內螺紋管的傳熱與阻力特性試驗可知：在低干度區,需要防止產生第一類傳熱惡化(DNB),而在熱負荷較高的燃燒器區域上方高干度區,需防止產生第二、第三類傳熱惡化(DRO和POST DRO),同時還需要考慮在低質量流速下影響水冷壁水動力不穩定性的因素,如停滯、倒流和水動力多值性等.綜上所述,為了保證水動力安全性,變壓運行垂直管圈的界限質量流速為300～400 kg/(m2?s),即當采用φ28 mm×6 mm的內螺紋管時,最小直流工況下的界限質量流速為300～400 kg/(m2?s),此數據與國外類似試驗的數據相近.

對變壓運行超臨界鍋爐采用的內螺紋管垂直管圈水冷壁來說,質量流速的選取以最低直流工況下的流速應高于此工況下的界限流速為基礎,反推出最大連續出力(MCR)工況時應選取的質量流速.在本設計方案中,最低直流工況為25%MCR,此工況下質量流速的設計值為451 kg/(m2?s),這是在上述界限質量流速上限400 kg/(m2?s)的基礎上考慮了足夠的裕量后得出的,由此推算出MCR工況下的設計質量流速為1 670 kg/(m2?s),實際采用值為1 803 kg/(m2?s),此數值的選取對超臨界鍋爐水冷壁有足夠的安全裕量.

3.5 燃燒及制粉系統

褐煤屬于含水量高的煤種,因此褐煤制粉系統的一個主要作用是干燥煤粉.燃用高水分褐煤的鍋爐常采用風扇磨煤機,并以熱爐膛煙氣作為干燥介質,而對于水分不太高的褐煤,除風扇磨煤機外也可采用中速磨煤機,并以熱風作為干燥介質.元寶山電廠3號、4號褐煤鍋爐和上都電廠1號、2號褐煤鍋爐均采用中速磨煤機、熱風干燥系統.在本設計方案中,燃煤全水分為30%,可采用中速磨煤機正壓式直吹系統和雙切圓八角燃燒方式,并采用分離燃盡風等先進技術,以進一步降低NO x的生成量.

元寶山和上都電廠制粉系統參數的匯總見表5.

表5 制粉系統參數的匯總Tab.5 Parameters of coal-pulverizing systems

為了解中速磨煤機在磨制高水分褐煤時的運行情況,對元寶山電廠 3號 600 MW 褐煤鍋爐MPS255型中速磨煤機直吹式制粉系統進行了試驗研究,重點分析了原煤水分、灰分、可磨性指數、煤粉細度及磨煤機運行時間對磨煤機出力的影響.結合磨煤機設計計算時上述各因素對磨煤機出力的修正情況,通過對比分析,得出MPS255型中速磨煤機在磨制高水分褐煤時原煤灰分、水分、可磨性指數、煤粉細度對磨煤機出力影響的修正曲線(圖1～圖4),為1000MW褐煤鍋爐中速磨煤機制粉系統的設計計算提供參考.

由圖1～圖4可知,采用一般的修正公式或圖表進行原煤灰分和可磨性指數對磨煤機出力的修正是可行的,基本不會產生誤差;而采用一般的修正公式或圖表進行原煤水分和煤粉細度對磨煤機出力的修正誤差較大,因此,應采用試驗方法校核磨煤機出力.從實際運行情況看,元寶山與上都電廠的制粉系統(M PS255型磨煤機)均存在出力不足的情況,磨煤機設計出力與運行出力至少相差7%以上.

采用MPS280型磨煤機磨制設計與校核煤種時,其常規計算與試磨結果見表6.由表6可知,采用常規計算得出的MPS280型磨煤機出力比試磨結果高出約7%.而采用從M PS255型磨煤機實際運行中所得的磨煤機出力修正系數進行磨煤機出力計算時,其結果與試磨結果相吻合.因此,確定本工程鍋爐制粉系統選擇10臺M PS280型磨煤機的方案可行.

圖1 灰分對磨煤機出力影響的修正曲線Fig.1 Correction curve for the influence of ash on m ill ou tpu t

圖2 水分對磨煤機出力影響的修正曲線Fig.2 Correction cu rve for the influence of water con tent onm ill output

圖3 可磨性指數對磨煤機出力影響的修正曲線Fig.3 Co rrection cu rve for the influence of HGI on m ill output

圖4 煤粉細度對磨煤機出力影響的修正曲線Fig.4 Correction cu rve for the influence of coal fineness onm ill output

3.6 過熱器、再熱器和省煤器系統

過熱器、再熱器和省煤器系統見圖5.

鍋爐的汽水流程以內置式汽水分離器為分界點,從水冷壁入口集箱到汽水分離器為水冷壁系統,從汽水分離器出口到過熱器出口集箱為過熱器系統.此外,還有省煤器系統、再熱器系統和啟動系統.

表6 MPS280型磨煤機出力常規計算與試磨結果Tab.6 Conventional calculation results and test results of the output o fMPS280m ill

圖5 過熱器、再熱器和省煤器系統圖Fig.5 Superheater,reheater and economizer system

過熱器采用三級布置,即低溫過熱器(一級)、分隔屏過熱器(二級)和末級過熱器(三級);再熱器采用二級布置,即低溫再熱器(一級)和末級再熱器(二級).其中,低溫再熱器和低溫過熱器分別布置于尾部煙道的前、后豎井中,均為逆流布置.在上爐膛、折焰角和水平煙道內分別布置分隔屏過熱器、末級過熱器和末級再熱器,由于煙溫較高,因此均采用順流布置.在尾部豎井的前、后分豎井的下部均布置一級省煤器,以逆流方式與煙氣進行熱交換.所有過熱器、再熱器和省煤器部件均采用順列布置,以便于檢修和密封,防止結渣和積灰.

超超臨界鍋爐出口蒸汽參數的提高,使得對過熱器和再熱器安全性的要求更加嚴格,因此,對過熱器和再熱器的布置及材料的選取更加謹慎.在設計過熱器和再熱器時,除了考慮每級受熱面的合理分配外,還應考慮各級之間的集箱、連接管道和管屏布置,使工質側的流量偏差最小.同時,機組容量的提高,理論上使得爐膛出口煙氣側溫度偏差增大,因此,還應考慮燃燒器設計,使煙氣側的溫度偏差減小.在壁溫計算中,考慮到多種惡劣工況的疊加,材料的允許壁溫與計算壁溫之間留有15 K以上的安全裕量,從而保證了鍋爐的長期安全運行.

過熱器和再熱器各級受熱面的吸熱量比例見表7和表 8.

表7 主蒸汽系統吸熱量比例Tab.7 Heat absorption percent ofmain steam system %

表8 再熱蒸汽系統吸熱量比例Tab.8 Heat absorption percent of reheating steam system %

對于本設計方案,過熱器采用三級布置,水平低溫再熱器的吸熱量占總再熱器吸熱量的44.9%,與過熱器采用四級布置的1000MW超超臨界煙煤鍋爐和過熱器采用三級布置的600 MW超臨界褐煤鍋爐相比取值適當,且整個再熱器系統布置于較低的煙溫區,不僅有利于控制壁溫,而且可以獲得較好的擋板調溫所需的對流特性[2].

3.7 調溫方式

過熱蒸汽溫度的控制：超臨界鍋爐過熱蒸汽溫度的變化主要呈輻射特性,分隔屏和末級過熱器受熱面的吸熱起主導作用,隨著負荷的增加,過熱器的吸熱量增加,這與直流鍋爐水煤比隨鍋爐負荷增加而增加的特點相吻合.過熱蒸汽溫度的調節主要通過調節水煤比來實現,在運行工況變化時,首先調節水煤比,再利用噴水微調,將過熱蒸汽溫度穩定控制在允許變化范圍內.當鍋爐在啟動及低負荷下處于再循環模式運行時(濕態運行),過熱蒸汽溫度主要依靠噴水調節(類似于汽包鍋爐的運行方式);當鍋爐轉入直流運行后,汽水分離器已無汽水分離作用,只起蒸汽匯集通道作用,即轉入干態運行,此時,過熱蒸汽溫度主要依靠改變水煤比來調節,而過熱器的噴水僅作為細調.過熱器系統采用兩級噴水,分別布置于低溫過熱器與分隔屏之間及分隔屏與末級過熱器之間[3].

再熱蒸汽溫度的控制：由于超超臨界直流鍋爐沒有壁式再熱器,低溫再熱器布置于尾部煙道入口處,再熱器的對流特性增強,因此,采用尾部煙道煙氣擋板調節再熱蒸汽溫度.此外,在一、二級再熱器之間的連接管上安裝事故噴水裝置,切向燃燒器通過執行機構可上下擺動,作為再熱蒸汽溫度的一種輔助調節手段.

3.8 啟動系統

采用帶循環泵的內置式汽水分離器啟動系統,啟動疏水可以排入大氣擴容器或凝汽器.在哈爾濱鍋爐廠有限責任公司生產的超臨界和超超臨界鍋爐中均采用此系統.實踐證明,該啟動系統不僅安全可靠,而且完全能滿足機組在啟動期間節約工質熱量、提高啟動速度的要求.

3.9 承壓部件鋼材

超超臨界鍋爐技術的發展建立在材料技術進步的基礎上,提高主蒸汽參數特別是溫度時,受影響的承壓部件主要為爐膛水冷壁、高溫過熱器和高溫再熱器等.

水冷壁的材料主要取決于所選用的水冷壁出口溫度,由于本鍋爐水冷壁出口溫度較低(420℃),因此仍可采用低Cr的15CrM oG管子,這種膜式水冷壁管屏不需要進行整屏焊后熱處理,其焊接工藝簡單且制造成本低.

由于過熱蒸汽溫度為571℃,再熱蒸汽出口溫度為603℃,末級過熱器管子的內、外壁溫度可以控制在TP347的適用范圍內,高溫再熱器管子某些管段的外壁和內壁溫度處于極易發生煙氣高溫腐蝕和蒸汽氧化的范圍內,因此,在末級再熱器中大量采用超級304H鋼和高Cr熱強鋼TP310HNbN,前者為含Cu達3%的鋼晶粒奧氏體鋼18C r10Ni3Cu,后者為含Cr達25%、含Ni達20%并含少量Nb的高Cr奧氏體鋼.這兩種鋼材在目前哈爾濱鍋爐廠有限責任公司汽水參數為600℃等級的超超臨界鍋爐上已廣泛采用.此外,在過熱器和再熱器的布置上也采取了措施,將末級過熱器布置于折焰角之上,而將末級再熱器布置于末級過熱器之后的水平煙道內,使末級再熱器盡可能布置于煙氣溫度較低的區域[4].

4 結 語

國外百萬千瓦等級的超超臨界燃煤發電機組已是成熟技術,機組可用率已達到傳統超臨界機組的水平.面對對電力的迫切需要、發電行業的激烈競爭以及日益嚴格的環保要求,中國已經出現對大容量超超臨界褐煤機組的市場要求.根據國內已有的火力發電設備制造的技術基礎以及國外制造商的技術合作,開發蒸汽參數為26～28 MPa、571℃/600℃的百萬千瓦等級超超臨界鍋爐的時機已成熟.

本設計方案根據電廠及褐煤煤質的實際特點,鍋爐選擇合適的長方形爐膛,采用墻式雙切圓燃燒方式,選擇較低的爐膛截面熱負荷和爐膛容積熱負荷;采用具有合適質量流速的垂直水冷壁管圈,使一次汽系統阻力減小;通過MPS280與MPS255試磨結果的比較,制粉系統選取10臺MPS280型磨煤機;過熱器采用三級布置,并通過調節水煤比控制過熱器出口蒸汽溫度,再熱器采用兩級布置,并通過尾部煙道煙氣擋板調節再熱蒸汽溫度;采用帶循環泵的內置式汽水分離器啟動系統;在末級再熱器中大量采用超級304H鋼和高Cr熱強鋼 TP310HNbN等奧氏體鋼.

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