600MW等級超臨界W形火焰鍋爐

0 引 言

在我國現役發電設備中，火電機組占了相當大的比例，而火電機組中燃煤機組又占了大部分，這種趨勢將持續相當長時間。我國煤炭資源豐富，煤種齊全，云南、貴州、湖南、山西、廣東等地無煙煤、貧煤的儲量十分豐富，根據探明的煤炭儲藏量表明，無煙煤、貧煤占總煤炭儲藏量達20%以上。因為無煙煤、貧煤屬于難于燃燒的低揮發份煤種，具有難著火、不易燃盡等特點，這就給鍋爐提出了如何燃用低揮發份燃料的課題。

W形火焰鍋爐又稱雙拱型燃燒鍋爐，是世界上專用于燃燒低揮發份無煙煤、貧煤的特殊爐型。實踐證明，W形火焰鍋爐能夠燃用揮發份在5%～6%及以上的無煙煤、貧煤，經過優化燃燒調整后的飛灰可燃物已能降到較低水平，是解決無煙煤和貧煤難于燃燒這一課題的有效途徑之一。

在引進技術基礎上研制的首臺600MW等級超臨界W形火焰鍋爐產品，見圖1。該產品在關鍵技術上有新的突破，形成了以高效環保型燃燒器、低質量流速垂直管圈水冷壁等多項技術集成的600MW等級超臨界W形火焰鍋爐產品。

首臺產品鍋爐于2011年12月一次順利通過168 h試運行，并成功投入商業運行生產。鍋爐在各種不同負荷情況下，運行參數正常、著火和燃燒穩定、鍋爐效率高、低負荷不投油穩燃性好，能滿足機組調峰的需要，環保性能良好，NOx排放低。該產品的順利投運標志著我上海鍋爐廠有限公司在產品系列上的進一步完善，能夠為燃料采用無煙煤等難燃煤種的火力發電廠提供經濟、安全、可靠并且環保的解決方案。

圖1 600MW等級超臨界W形火焰鍋爐

1 主要技術

600MW等級超臨界W形火焰鍋爐為超臨界參數、變壓運行、單爐膛、一次中間再熱、W形火焰燃燒方式、垂直管圈、平衡通風、全鋼懸吊結構、露天布置、固態排渣，采用帶循環泵的啟動系統，配雙進雙出鋼球磨的正壓直吹式制粉系統，爐后尾部布置兩臺三分倉容克式空氣預熱器。

1.1 鍋爐整體布置及系統

整個爐膛由膜式水冷壁組成，水冷壁采用垂直管圈布置方案。爐膛上部布置有屏式過熱器和一級高溫過熱器，水平煙道依次布置二級高溫過熱器和高溫再熱器，尾部煙道布置有低溫再熱器、低溫過熱器和省煤器。鍋爐爐膛及受熱面布置見圖2。

鍋爐燃燒系統按配雙進雙出鋼球磨的正壓直吹式制粉系統設計。燃燒方式采用新型W形火焰燃燒，燃燒器布置在爐膛前后墻拱部。通過燃燒設備設計和爐膛布置的匹配來滿足鍋爐各項燃燒指標要求，在煤種允許的變化范圍內確保煤粉及時著火、穩燃、燃燼、爐內不發生明顯結渣、NOx排放量低、燃燒器狀態良好且不被燒壞。

過熱器汽溫通過煤水比調節和兩級噴水來控制。再熱器汽溫采用煙氣擋板調溫和過量空氣系數的變化調節，低溫再熱器進口連接管道上設置事故噴水裝置。

鍋爐啟動系統采用帶再循環泵的內置式啟動系統。

鍋爐出渣采用機械出渣系統。

鍋爐配備兩臺三分倉回轉式空氣預熱器。空氣預熱器主軸垂直布置，煙氣和空氣以逆流方式換熱。

鍋爐本體內設有墻式吹灰器、長行程伸縮式吹灰器和半行程伸縮式吹灰器。爐膛出口左右側裝有煙溫探針，啟動時用來控制爐膛出口煙溫。在爐膛出口處還裝有負壓測點。鍋爐本體部分配有安全閥和動力釋放閥。鍋爐爐頂采用大罩殼熱密封，爐頂管采用全金屬密封。鍋爐本體采用優質輕型保溫材料，外裝金屬外護板。鍋爐構架采用全鋼結構，主要構件的接頭采用扭剪型高強度螺栓連接，其他構件的接頭采用高強度螺栓或焊接連接。除回轉式空氣預熱器支撐在構架上以外，鍋爐其余部分全懸吊于構架上。

圖2 鍋爐爐膛及受熱面布置

1.2 技術特點

1.2.1 采用成熟、先進的超臨界技術，確保鍋爐具有較高的可用率

采用包括設計、制造、質量控制、儀控、安裝、投運和調試等各個方面在內的一整套成熟、先進的超臨界專有技術，從而能夠確保機組長期安全、可靠、經濟地運行。

1.2.2 采用拱形爐膛設計，選取較大的爐膛斷面和容積、較低的爐膛斷面熱負荷和爐膛出口煙氣溫度

爐膛設計針對設計煤種和校核煤種，充分考慮煤粉的著火、燃燒的穩定和高效、煤質的適應能力、負荷調節能力、低NOx排放、低負荷穩燃、爐內結渣以及高溫受熱面的安全；同時兼顧考慮煤種變化和煤質變差的可能情況。

1.2.3 爐膛水冷壁采用垂直管圈布置的優化設計

對于超臨界鍋爐而言，為達到超臨界直流鍋爐的安全可靠運行，需要限制水冷壁管子最高金屬溫度和相鄰管子間的溫差。在超臨界壓力運行下的直流爐中，沒有液相和汽相的區分，且介質溫度是持續增加的。由于吸收輻射熱的不均和質量流速差異，導致了管子的壁溫差異。如溫差過大，將導致熱應力加大，如不加限制，將引起管子泄漏。常規的做法是，爐膛水冷壁設計多采用螺旋管圈或帶有節流孔圈的垂直管圈布置。然而，對于超臨界W形火焰鍋爐，由于其燃燒特性和爐膛形狀的不規則性，很難再采用螺旋管圈布置方式來保證合理的性能設計和結構設計，因此超臨界W形火焰鍋爐普遍采用垂直管圈布置的水冷壁設計。此設計所采用的垂直管圈水冷壁技術，與常規超臨界鍋爐通常所采用的螺旋管圈與垂直管圈技術都不同，采用的是低質量流速垂直管圈技術。在垂直管圈的水冷系統中，爐膛水冷壁管由單一向上的垂直管形成（下部內螺紋管，上部光管），并且通過管子規格和間距的合適選擇提供一個較低的工質質量流速。實際的運用情況表明，這種先進的水冷系統技術完全能夠滿足超臨界鍋爐安全可靠運行的需要。同時，該技術具有其他水冷系統技術所不具有的優點，例如具有一定的自然循環水冷系統技術的自補償特性和相對低的流動阻力。

1.2.4 采用高效環保型的W形火焰燃燒技術

W形火焰燃燒即拱式燃燒技術，因其具有著火及時、燃燒穩定、燃盡充分等技術特點，廣泛適用于低揮發份無煙煤、貧煤的燃燒。W形火焰燃燒有著獨特的空氣動力場，燃料和助燃空氣通過布置在爐膛前后墻拱部的燃燒器引入，兩邊火焰先下后上，形成W形火焰，延長了煤粉顆粒在爐膛內的停留時間，以利于燃盡。同時，在鍋爐的下部爐膛敷設大量衛燃帶，提高了燃燒區域的溫度，以利于穩燃，見圖3。低NOx煤粉燃燒，是通過分析煤粉燃燒時NOx的生成機理，建立早期著火和使用控制氧量的燃料/空氣分段燃燒技術，為使當揮發氮物質形成時、非常關鍵的早期燃燒階段中O2降低，它把整個爐膛內分段燃燒和局部性空氣分段燃燒時降低NOx的能力結合起來，在初始的富燃料條件下促使揮發氮物質轉化成N2，因而達到總的NOx排放減少。新型低NOx燃燒技術，是一種高效環保的燃燒技術，在降低NOx排放的同時，兼顧考慮提高鍋爐不投油低負荷穩燃能力及燃燒效率，防止爐內結渣、高溫腐蝕等。

圖3 W形火焰燃燒示意

1.2.5 燃燒系統配雙進雙出鋼球磨的正壓直吹式制粉系統

制粉系統配6臺雙進雙出鋼球磨的正壓直吹式制粉系統，雙進雙出球磨機具有可用率高、可靠性強、維護簡單等特點，能長期保持穩定的出力和所需的煤粉細度。負荷越低，煤粉細度越細。雙進雙出球磨機在正常運行工況下可以保持較低的風煤比，獲得較高的煤粉濃度，以及較高的出口風溫。在這樣的溫度水平下，為煤粉氣流的著火、低負荷穩燃和燃盡性能創造了良好的條件。

1.2.6 采用成熟可靠的受熱面布置方式和合理的調溫方式，使得汽溫偏差盡可能小，蒸汽溫度的調節范圍大。

1.2.7 采用帶再循環泵的內置式啟動系統

直流鍋爐的啟動系統形式及容量的確定是根據鍋爐最低直流負荷、機組運行方式、啟動工況及最大工況時水冷壁質量流速的合理選取以及工質的合理利用等因素確定。對于帶再循環泵的啟動系統，在鍋爐的啟動及低負荷運行階段，爐水循環確保了在鍋爐達到最低直流負荷之前的爐膛水冷壁的安全性。當鍋爐負荷大于最低直流負荷時，一次通過的爐膛水冷壁質量流速能夠對水冷壁進行足夠的冷卻。在爐水循環中，由分離器分離出來的水往下流到鍋爐啟動循環泵的入口，通過泵提高壓力來克服系統的流動阻力和省煤器最小流量控制閥的壓降。水冷壁的最小流量是通過省煤器最小流量控制閥來實現控制的。從控制閥出來的水通過省煤器，再進入爐膛水冷壁。在循環中，有部分的水蒸汽產生，然后此汽水混合物進入分離器。分離器通過離心作用把汽水混合物進行分離，并把蒸汽導入過熱器中。分離出來的水則進入位于分離器下方的貯水箱。貯水箱通過水位控制器來維持一定的水位。貯水箱布置靠近爐頂，這樣可以提供循環泵在任何工況下所需要的凈吸壓頭。貯水箱較高的位置同樣也提供了在鍋爐初始啟動階段汽水膨脹時疏水所需要的靜壓頭。由于帶再循環泵的啟動系統在啟動的整個過程中能全部吸收疏水熱量，可有效縮短冷態和溫態啟動時間，更適合于頻繁啟動、帶循環負荷和二班制運行機組。

1.2.8 過熱器、再熱器受熱面材料選取留有大的裕度。

2 創新點

600MW等級超臨界W形火焰鍋爐產品使用了多項重大核心技術，使整個鍋爐的產品性能得到了很大的提高。

2.1 高效環保型W形火焰燃燒技術的應用

通過合理布置拱部與拱下分級配風及燃盡風、改進燃燒器本體等措施，既保證了難燃的低揮發份無煙煤能夠及時著火、燃燒穩定、燃盡完全，又充分有效地降低了NOx污染物的排放。根據實際情況，使用低NOx燃燒技術后NOx的排放指標可為800～600mg/Nm3甚至更低。

2.2 水冷壁型式的優化創新—低質量流速垂直管圈技術的應用

在超臨界W形火焰鍋爐中，首次采用了低質量流速垂直管圈技術。在超臨界鍋爐中運用垂直管圈設計，如何避免大的溫度偏差，保證水冷系統安全運行十分重要。通過充分、反復的理論計算來確定水冷壁設計方案，選取合理的管內工質質量流速，一方面保證內螺紋管對吸熱變化具有自補償能力，另一方面保證管子足夠的冷卻，使得低質量流速垂直管圈技術的優點得到充分發揮，不但降低鍋爐一次汽阻力，同時避免水冷壁出口出現較大的溫度偏差，達到既安全又經濟的目標，大大提升產品競爭力。

2.3 鍋爐受熱面結渣及高溫腐蝕的有效防止

通過正確判斷煤種結渣特性、合理選擇爐膛熱力參數、合理設計燃燒系統、優化配置爐膛拱部、上部及下部的一二次風比例等措施來防止爐膛及受熱面結渣。采用引入邊界風、燃盡風、合理布置燃燒器、燃燒器區域敷設衛燃帶、控制水冷壁管壁溫度等措施來有效防止高溫腐蝕。

2.4 過熱器、再熱器結構優化

鍋爐的過熱器、再熱器采用優化結構設計方案，降低了流程阻力差。

2.5 尾部煙道防振技術的應用

鍋爐的低溫過熱器和低溫再熱器都布置在尾部前后煙道中，如果設計不合理而導致尾部煙道發生振動，其后果是非常嚴重的。為了避免在實際運行中出現振動問題，在設計中采用了有效的尾部煙道防振技術以防止受熱面振動問題的發生。

2.6 合理進行溫度偏差的控制

鍋爐設計中積極采用數值模擬計算，合理布置各段受熱面及連接管道，實現有效控制和防止煙氣溫度的偏差。

3 社會效益

600MW等級超臨界W形火焰鍋爐產品屬于符合國家節能減排政策的環保創新型產品。我國的煤質總體特點是煤儲量大，開采不便，劣質煤較多，伴生物較多。在無煙煤和貧煤儲量豐富的地區，著火穩定性好、燃盡性能高的超臨界W形火焰鍋爐產品具有很大的競爭力和吸引力；另一方面，超臨界W形火焰鍋爐產品在燃燒低揮發份無煙煤、貧煤的低NOx控制方面擁有得天獨厚的優勢，使得這一特殊爐型產品在我國擁有十分廣闊的市場前景。同時，這對于我國現階段電煤緊張的形勢也有較大程度上的緩解。

4 結 論

600MW等級超臨界W形火焰鍋爐產品，技術特點鮮明，高效、節能、環保，是一個融合引進技術消化吸收、自主設計再創新的成功設計范例。600MW等級超臨界W形火焰鍋爐的創新研發過程，是在各級相關政府部門和上海電氣集團的大力支持下，集中人力、物力、財力進行關鍵技術的攻關與創新，引進與自主開發并舉，提倡重視自身的核心基礎技術，特別是經驗證明的一些成熟、可靠的先進技術的采用，為鍋爐設計提供了堅實的保證，最終提高了我們產品設計的綜合能力，夯實了我們電站鍋爐設計制造的基礎。

600MW等級超臨界W形火焰鍋爐產品的成功開發和研制，造就了一個優秀的團隊，培育了一批成熟的設計人員，填補了上海電氣在600MW等級超臨界W形火焰鍋爐產品上的一個空白。