國產第一臺UP型直流鍋爐改造

馬俊偉

(平頂山姚孟電力工程有限責任公司，河南 平頂山 467099)

1 機組存在的問題及改造的必要性

姚孟發電公司#1鍋爐是七十年代初由原上海鍋爐廠開發設計、制造的第一臺雙爐膛、一次垂直上升的935t/h亞臨界壓力中間再熱直流鍋爐，以匹配300MW汽輪機發電機的需求。由于當時技術及客觀條件所限，操作復雜且自動化程度低，運行中暴露出水冷壁爆漏頻繁、調峰能力低兩大致命弱點。1992年，#1機組經能源部電力司和其它8個單位的20名專家初步核定出力為270MW。

為提高鍋爐的配套發電能力和提高鍋爐效率，使其適應電網的調峰需求，2001年委托由英國三井巴布科克能源有限公司(Mitsui Babcock EnergyLimited，簡稱MB)重新設計改造的單爐體、雙爐膛π型布置、四角切圓燃燒、固態排渣、低質量流速、具有正流量響應的垂直管水冷壁、亞臨界壓力、中間再熱直流鍋爐。

1.1 姚電公司四臺機組目前的調峰狀況

隨著電網容量不斷增加，電網競爭也越來越激烈，對發電廠機組調峰能力的幅度要求越來越大，對不適應這一形勢的發電機組進行調峰技術研究與設備改造已迫在眉睫。由于歷史原因和技術水平所限，#1鍋爐在設計和制造方面存在著諸多先天不足，已不能滿足電網調峰及連續安全運行的要求。

1.2 #1鍋爐改造前存在的問題

姚電公司#1鍋爐屬國產第一臺300MW亞臨界中間再熱直流鍋爐，由于當時技術及客觀條件所限，出現了由于采用一次垂直上升技術必然會造成爐管管徑小，水動力穩定性差，應力工況差，熱敏感性強，易出現過熱、變形、爆漏等先天性的嚴重缺陷。同時鍋爐的水動力工況與燃燒方式的匹配方面也存在較大問題，而且在燃燒器區域產生較嚴重的高溫腐蝕。燃燒器屬于量原始的CE技術直流燃燒器，其煤種適應性和低負荷穩燃性均較差。同時由于采用前后墻布置，爐膛出現了冷、熱角現象，因而造成鍋爐投運后，熱角結焦、水冷壁超溫等安全運行方面的問題。綜上所述，該鍋爐不具備低負荷下的電網調峰運行。因此改造前后#1爐垂直管圈水冷壁的水動力特性就是改造是否成功的關鍵。

2 #1鍋爐技術改造設計概論

2.1 設計概論

為提高鍋爐的配套發電能力和提高鍋爐效率，使其適應電網調峰需求，2001年委托英國三井巴布科克能源有限公司(Mitsui Babcock EnergyLimited，簡稱MB)將#1鍋爐改造、設計為單爐體、雙爐膛∏型布置、四角切圓燃燒、固態排渣、低質量流速、具有正流量響應的垂直管圈，亞臨界參數的直流鍋爐。該爐水循環系統是采用西門子的專利技術。

#1鍋爐改造前質量流速，雙面水冷壁、膜式水冷壁為：1900、1842kg/m2.s;改造后質量流速，雙面水冷壁、膜式水冷壁為：690、687kg/m2.s。

運行于高質量流速。吸熱增加，動態阻力損失增加而靜態阻力損失減少;動態阻力損失的大幅度增加導致總阻力損失增加。由于水冷壁管子接于相同的進出口聯箱，單管阻力損失取決于整組管子阻力損失的平均值，并不隨單管或部分管子的吸熱值大于或小于平均值而發生變化。吸熱值高于平均值的管子流量減少，而吸熱值低于平均值的管子流量增加。因此，高質量流速設計呈負流量響應特性。簡單地說，溫度最高的管子所需的冷卻水流量本應最大，而實際流量最小，這就導致了金屬溫度升高并產生熱應力。

然而，低質量流速設計呈正流量響應特性，吸熱多的管子流量相應增加，吸熱少的管子流量相應減少。需要冷卻流量高的管子的實際流量也相對較高的特性常見于自然循環鍋爐，稱為自然循環鍋爐的自補償特性。這種特性可限制金屬溫度和熱應力。將現有爐膛水冷壁改為較大直徑的內螺紋管，采用低質量流速設計。在推薦的質量流速和質量含汽率條件下，采用內螺紋管保證安全運行的金屬壁溫。

研究試驗證明，鍋爐水動力特性由負流量響應特性過度到正流量響應特性，質量流速的臨界點約為1000Kg/m2.s，此項技術受西門子公司支持，并予以專利授權研制。三井巴布科克對#1鍋爐低質量流速正流量響應揚長避短，與改造前的UP型小管徑負流量響應特性比較研究，并經理論計算、試驗臺試驗證明此方案可行。

2.2 鍋爐調峰技術改造及目標

1)恢復#1鍋爐額定蒸發量＞950t/h的銘牌出力，使汽輪發電機出力恢復300MW。

2)機組調峰能力達到50～100%BMCR(力爭40～100%BMCR)。

3)鍋爐不投油最低穩定負荷為40%BMCR。

4)機組應具有良好的變負荷能力，正常負荷調節范圍內變負荷率不＜3%BMCR/min。

5)燃用設計煤種(按低位發熱值)，在負荷為80% ～100%BMCR時，保證鍋爐熱效率不低于91.25%。

2.3 鍋爐啟動系統

改造后鍋爐啟動系統采用內置式分離器加爐水循環泵形式，可保持爐膛水冷壁的最低流量保護管子，鍋爐停運、啟動初期或低負荷運行，通過爐水再循環泵實現強制循環，到“本生負荷”時以純直流方式運行。給水及爐水循環采用自動控制，將保證水冷壁流量與鍋爐燃燒率相匹配，可實現快速啟動。鍋爐采用滑壓運行。

2.4 低質量流速，正流量響應特性的水動力設計

本次鍋爐水冷壁改造范圍包括全部四周水冷壁、雙面水冷壁和水冷壁進、出口聯箱。水冷壁改造依托西門子具有自補償特性的低質量流速理論為技術支持，為改善工質流動特性，加強傳熱效果，水冷壁管全部選用優化內螺紋管，由三井巴布可科公司從英國本土加工采購。

改造后雙面水冷壁與四周水冷壁并聯，三井巴布可科公司通過對不同質量流速、不同熱負荷工況下內螺紋管流量響應和溫度響應模擬計算和相關試驗，通過對同一水冷壁管的不同熱負荷區域和不同位置的水冷壁管(熱負荷不同)選用不同規格的優化內螺紋管，確保并聯的各水冷壁管流量和熱負荷分配相一致。

為保證水冷壁各管間進出口壓差一致，實現水冷壁自補償特性，水冷壁進、出口聯箱都有壓力平衡管連接，同時在標高28.7米處加裝水冷壁中間混合聯箱，確保各水冷壁管進口、中間段、出口壓力平衡。

為保證鍋爐爐墻剛度，在水冷壁改造的同時，三井巴布可科公司對鍋爐剛性梁進行了改造，主要方案是部分利用現有剛性梁，在基本保持原有H型鋼性梁密度的同時，在各H型剛性梁中間增加較小規格的橫梁和立柱，同時也對剛性梁原有連接件進行設計更新，確保鍋爐剛性梁整體框架的剛度。

在壓力低于200bar時，內螺紋管能保證優良的傳熱性能，尤其在低質量流速條件下。這個特點允許鍋爐本生負荷點可降到20%，主蒸汽仍保持較高的溫度運行，這樣可以避免調峰機組的頻繁啟停，蒸發系統壓力損失降低可相應降低機組的熱耗和煤耗。低于本生負荷時，通過再循環泵使膛水冷壁維持該流量。所有的管子都是濕的，因而沒有危險。

姚電#1鍋爐在100%BMCR負荷時，改造前下爐膛外墻水冷壁的質量流量約1800kg/m2.s，而中間分隔墻水冷壁的質量流速約1900kg/m2.s。MB的設計方案采取雙面水冷壁和外墻水冷壁并聯布置，為了保證水冷壁管的低質量流速，使爐膛中的每根管子都具有正的流量響應，所有水冷壁管采用了SKWU研究的優化內螺紋管，以保證在低質量流速下的核態沸騰。在100%BMCR負荷時，下爐膛外墻水冷壁的質量流量小于700 kg/m2.s，中間分隔墻水冷壁的質量流速小于690 kg/m2.s。其最佳水質流速是通過選擇水流量、管子尺寸和節距的正確組合來實現的。三井巴布科克已和西門子共同對水冷壁回路的流動不穩定性及脈動進行了核算，并確認其穩定性。

3 #1鍋爐改造后的性能狀況

姚電#1機組調峰技術改造完工后，為考核#1機組性能指標是否達到合同要求，并真實準確地評價#1機組改造后的運行性能，由國電熱工研究院(下簡稱TPRI)于2002年7月21日至8月8日對#1機組進行了考核試驗。

3.1 改造前后鍋爐性能對比

為了客觀地評價#1鍋爐改造的效果，下面將改造前后鍋爐的主要運行性能作對比分析。改造前的性能數據來自于TPRI在1999年10月提出的《平頂山姚孟發電有限責任公司#1號鍋爐性能試驗報告》。

1)最大出力

同改造前相比較，鍋爐的最大出力至少提高了66.3t/h，電負荷由280.6MW提高到了323.0MW，相差42.4MW。

2)鍋爐熱效率

改造前在270MW負荷下進行了兩次平等工況的熱效率測試，而此次是在300MW負荷下進行了兩次平等工況的熱效率考核試驗，雖然電負荷略有差異，但鍋爐的主蒸汽流量比較接近，因而具有可比性。

通過分析比較可知，由于飛灰可燃物含量降低較多，使得固體未完全燃燒損失下降近1個百分點，排煙溫度改造前后變化不大，因而排煙熱損失的降低幅度也比較小，改造后試驗的煤質發熱量要比改造前試驗的煤質發熱量低約2500kj/kg，這對于鍋爐的熱效率影響比較大，若以改造前的試驗煤質估算改造后的鍋爐熱效率，則改造后的鍋爐熱效率由90.3%提高到91.4%，比改造前高出了1.66個百分點，節能效果明顯。機組的熱耗由每千瓦時8833千焦下降到了7858千焦。

3.2 #1鍋爐性能考核試驗結論

國電熱工院TPRI此次對姚孟發電有限責任公司#1鍋爐進行了考核，考核的最終結果表明，本次改造#1爐的各項指標均達到或超過設計要求，改造是卓有成效的。

4 經濟效益分析

參與電網調峰效益，根據改造后不投油調峰穩燃負荷計算，#1機組改造后在校合煤種下，可實現不投油助燃調峰負荷可達50%BMCR(有時可達40%BMCR)，投入調峰運行時間每年按1000小時估算，則改造后#1機組調峰可創造直接經濟效益達880萬元人民幣以上，且調峰的幅度越大，投入調峰運行的時間越長，調峰機組的經濟性越好。

間接效益：改造后，機組的可靠性，安全性和經濟性將有很大的提高，因鍋爐“四管”爆漏的停機次數大大減少，有效延長了機組連續運行周期。

此次技術改造后，機組出力由改造前的270MW提高到320MW，相當于凈增一臺50MW裝機容量等效于降低供電煤耗約6.5g/kw.h，每年節約標準煤1.1萬噸，折合人民幣240萬元。

5 結論

此次技術改造方案的實施，使姚電公司#1機組原來幾乎不能參與調峰、原來核定出力為270MW的機組，經過改造后最大連續穩定出力達到了310MW，最小無油助燃穩定出力可以達到150MW。一臺被一些專家判為“死刑”的300MW機組起死回生。為“國產UP型直流鍋爐技術協作網”同類鍋爐的技術改造提供參考和借鑒，開創了鍋爐水循環技術概念鍋爐的成功典范。

[1]Mitsui Babcock.Yaomeng Boiler No.1 Refurbishiment to YPGL.2002.12

[2]《姚孟電力》

[3]中國電力企業聯合會教育培訓部-《熱力發電廠》

[4]《姚孟電廠#1爐鍋爐運行規程》

[5]金維強編《大型鍋爐運行》

[6]南京工學院/西安交大-電廠鍋爐原理.1979.12

[7]國電熱工研究院.姚孟發電有限責任公司No.1機組鍋爐性能考核試驗報告.2002.8

[8]國電熱工研究院.姚孟發電有限責任公司No.1機組大修前鍋爐性能試驗報告.1999.10

[9]國電熱工研究院.姚孟發電有限責任公司No.1機組鍋爐燃燒優化調整試驗報告.2002.9

[10]國電熱工研究院.姚孟發電有限責任公司No.1機組鍋爐水動力試驗報告.2002.9

[11]唐人虎.國產UP直流爐水冷壁改造方安分析.熱能動力工程，2002.17(11)：641-643