泰州電廠二次再熱機組煙風系統設計

楊雪平，姚向昱，朱佳琪，李 林，陳仁杰

(華東電力設計院有限公司，上海 200063)

泰州電廠二次再熱機組煙風系統設計

楊雪平，姚向昱，朱佳琪，李 林，陳仁杰

(華東電力設計院有限公司，上海 200063)

本文介紹了國電泰州電廠二期2×1000 MW工程鍋爐煙風系統的設計，結合百萬機組首次采用二次再熱鍋爐的現狀，對二次再熱鍋爐煙風系統的選型設計進行了研究。

煙風系統；送風機；一次風機；引風機；二次再熱。

隨著化石燃料的枯竭以及國際社會對電廠CO2排放限制的增強，發展高參數大容量的超超臨界機組、提高火電機組發電效率、降低污染物及CO2排放成為我國電力行業發展的必然趨勢。采用二次再熱技術可進一步提高超超臨界機組的熱效率，是超超臨界高效燃煤發電技術的發展方向。

國電泰州電廠二期二次再熱1000 MW工程采用上海鍋爐廠生產的二次再熱塔式鍋爐，本文針對該工程煙風系統的選型設計進行研究。

1 機組條件

1.1 二次再熱鍋爐

鍋爐為超超臨界參數變壓運行螺旋管圈水冷壁直流爐，單爐膛、二次中間再熱、采用四角切圓燃燒方式、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊結構、塔式、露天布置燃煤鍋爐。

每臺磨煤機引出4根煤粉管道到爐膛四角，爐外安裝煤粉分配裝置，每根管道分配成兩根管道分別同兩個一次風噴嘴相連，共計48只直流式燃燒器分12層布置于爐膛下部四角(每兩個煤粉噴嘴為一層)，在爐膛中呈四角切圓方式燃燒。

1.2 煤質資料

本工程以神華煙煤作為設計煤種；滿世混煤為校核煤種1；東北煤為校核煤種2。煤質分析資料見表1。

2 煙風系統及風機選型

2.1 二次再熱技術對煙風系統的影響

鍋爐煙風系統的系統流程主要受鍋爐總體方案的影響。對于本工程依托的二次再熱鍋爐，不同的鍋爐調溫方式將對配套煙風系統造成不同影響。

表1 煤質分析

2.1.1 鍋爐調溫方式及配套煙風系統

經調研，目前國內大容量超超臨界二次再熱煤粉鍋爐擬采用的再熱器調溫方案主要包括：燃燒器擺動調溫、擋板調溫及煙氣再循環調溫。

(1)燃燒器擺動調溫

擺動燃燒器調溫的原理主要是通過擺動燃料和空氣噴嘴，使爐膛中火焰位置抬高或降低，從而改變熱量在爐膛和過/再熱器之間的分配。可以控制由于負荷變化引起的爐膛出口煙溫變化。補償積灰對水冷壁吸熱變化的影響。

采用燃燒器擺動調溫后，對配套的煙風系統影響不大，仍可采用常規一次再熱煤粉鍋爐的煙風系統方案。

(2)擋板調溫

煙氣擋板調節是一種應用較廣的再熱汽溫調節方法。煙氣擋板可以手控也可自控，當負荷變化時，調節擋板開度可以改變通過再熱器的煙氣流量達到調節再熱汽溫的目的。如當負荷降低時，開大再熱器側的煙氣擋板開度，使通過再熱器的煙氣流量增加，就可以提高再熱汽溫。

采用擋板調溫后，對配套的煙風系統影響不大，仍可采用常規一次再熱煤粉鍋爐的煙風系統方案。

(3)煙氣再循環調溫

煙氣再循環調溫的原理是利用省煤器后煙氣或引風機后煙氣的一部分，通過再循環風機從爐膛下部送入，以降低爐膛的輻射換熱量，改變鍋爐輻射與對流受熱面的吸熱量比例，達到調節汽溫的目的。爐膛溫度隨再循環煙氣量增加而降低，使輻射吸熱量減少。而對流受熱面的吸熱量卻隨煙氣量增加而增加。煙氣再循環調溫可用于調節再熱蒸汽溫度。

2.1.2 煙氣系統的擬定

國電泰州電廠二期2×1000 MW工程采用的是塔式鍋爐，再熱系統的主調溫方式采用燃燒器擺動+煙氣擋板的調溫方案，因此二次再熱的調溫方式對煙風系統的影響不大，煙風系統的方案擬定可借鑒常規一次再熱大容量煤粉鍋爐的配套煙風系統。

(1)二次風系統

二次風由兩臺動葉可調軸流式送風機提供。二次風經空氣預熱器預熱，經鍋爐燃燒器風箱進入爐膛。調節風機可變節距動葉來控制通風量和風壓。

送風機出口風道上裝有補償器和電動隔離擋板門。在該擋板門之后裝有連接兩臺風機的聯絡母管，其通流能力為單臺送風機額定出力的50%。正常運行時，用以平衡兩側二次風風壓；當其中一臺送風機故障停運時，二次風通過聯絡母管，仍可使停運送風機對應的空氣預熱器繼續運行(即一臺送風機對兩臺空氣預熱器運行)。母管上裝設一電動隔離擋板門，該擋板常開，僅在一側空氣預熱器和送風機同時停運時才關閉。

采用容克式三分倉回轉式空氣預熱器，一次風和二次風同時在空氣預熱器內被加熱。為防止空氣預熱器冷端腐蝕，在送風機前的冷風管上接入熱風再循環管道，在啟動和低負荷運行時可以適當提高送風機進風溫度。

空預器出口的二次風(熱風)經電動隔離擋板門、熱風聯絡母管進入鍋爐四角的風箱接口，進入爐膛內。

空預器出口熱風聯絡母管：正常運行時，平衡風壓；當單臺空預器運行時，仍可向兩側分風箱提供熱二次風。

為了減少NOx的排放，從鍋爐的熱二次風管道引出風管作為燃盡風，經CCOFA、SOFA燃燒器送入爐膛。

(2)一次風系統

一次風由兩臺動葉可調軸流式風機提供，經空氣預熱器預熱后進入中速磨煤機。調節風機可變節距動葉來調整風機風量和風壓。一次風機出口裝有補償器和電動隔離擋板門。

一次風經三分倉空預器預熱后，進入磨煤機前的熱一次風道母管，并分別經氣動插板式隔絕門及電動調節擋板門接入每臺磨煤機。

空預器一次風的出口風道上裝設補償器及電動隔離擋板門。

磨煤機調溫用冷一次風，不經過空氣預熱器，直接由一次風機出口引來。分別經氣動插板式隔絕門及電動調節擋板門接入每臺磨煤機前熱一次風進口。

通過磨煤機前熱一次風調節擋板門和冷一次風調節擋板門的自動調節，可使磨煤機進口獲得滿意的混合風溫度和流量。

(3)煙氣系統

用兩臺動葉可調軸流式引風機來抽吸爐膛內的燃燒產物—煙氣。

爐膛內燃燒生成的煙氣經過鍋爐尾部各受熱面從省煤器出來，分兩路進入兩臺回轉式空氣預熱器，再進入兩組各為50%容量的干式靜電除塵器，除塵器后的煙氣連接成一聯絡母管，經兩臺50%容量的引風機、脫硫系統及濕式電除塵器由煙囪排入大氣。為提高機組運行的經濟性、利用煙氣余熱，分別在干式靜電除塵器進口及脫硫吸收塔的進口煙道處設置二級低溫省煤器。

引風機前后均裝設補償器及電動隔離擋板門(引風機停用時關閉)。

為保證低溫省煤器的充分換熱及干式靜電除塵器效率(運行除塵效率≮99.93%)，煙道布置考慮了煙氣分配的均勻性。

鍋爐的煙氣系統設置脫硝(SCR)裝置。SCR反應器布置在空氣預熱器的上游，不設旁路。

脫硫系統中不設置旁路煙道，不設置增壓風機，不設置GGH，濕煙氣經濕式電除塵器直接由煙囪排放。

2.1.3 二次再熱機組對煙風參數的影響

對比常規一次再熱機組，二次再熱技術對鍋爐的煙風系統影響不大，常規煙風系統的擬定原則可應用于二次再熱機組的設計中。

由于二次再熱機組能夠降低機組的煤耗指標，相應鍋爐的煙風量也將降低，風機的運行電耗相應降低。

依托國電泰州電廠二期2×1000 MW工程，在所有邊界條件不變的情況下，二次再熱機組的送風機及引風機的風量將比一次再熱機組小約5%，風機風壓基本相當。

一次風機的風量主要受煤質資料、制粉系統的磨煤機選型等因素的影響。相同邊界條件下，二次再熱機組的制粉系統磨煤機出力比一次再熱機組低5%。對于工程的煤質資料，5%的煤耗差異并未對磨煤機的型號及運行臺數造成影響，因此二次再熱機組的一次風機風量也只是略微降低約5%，風機風壓基本相當。

根據國電泰州電廠二期2×1000 MW工程的邊界條件，三大風機的參數對比見表2。

表2 三大風機的參數對比

2.1.4 燃燒及煙風系統選型計算

本工程的燃燒及煙風系統計算見表3，數據按鍋爐BMCR工況。

2.2 一次風機選型研究

2.2.1 一次風機風量風壓裕量

94 版“火規”規定的一次風機BMCR工況點風量的計算與2000版“火規”的計算方法基本上是一致的。風量裕量的取值上，94版為50%，2000版中的條文說明中規定：當空預器漏風率變化較大，煤質變化較大和送粉管道布置復雜時推薦40%加溫度裕量。94版火規和2000版火規要求一次風機的壓頭裕量均為30%。

《大中型火力發電廠設計規范》(GB50660－2011)中提出一次風機風量余量20%～30%；按夏季通風室外溫度確定溫度余量；風壓余量20%～30%。規范中風量余量向下調整的主要考慮因素是：

(1)基本風量按BMCR工況及空預器運行一年后的保證漏風率已包含了一定的裕量；

(2)冷一次風機選型參數與管網特性匹配中應壓頭裕量偏大而引起的附加風量裕量偏大問題。長興、張家口、石嘴山、玉環等電廠機組容量從300 MW到1000 MW，實際風量裕量均偏大，有些要高達60%風量裕量；

(3)隨著回轉式空氣預熱器密封技術的改進，漏風率已趨于降低，鍋爐三大風機裕量中選擇中一次風機降幅為最大。

根據上述情況結合本工程的技術特點，本工程的空氣預熱器采用多重密封結構，能有效的減少漏風。故本工程一次風機風量取30%；另按夏季通風室外溫度確定溫度余量，壓頭裕量取25%。

本工程一次風機風量和壓頭裕量的取值和各參考工程的取值見表4。

表4 一次風機的風量，風壓裕量

由于在實際的運行過程中，一次風機的風量及風壓受煤質變化及磨煤機運行數量的影響，波動的范圍較大，因此一次風機的風量及風壓裕量也不能過小。綜合考慮以上因素，本工程對一次風機的風量及風壓裕量進行了一定的優化，比目前投運的1000 MW機組的一次風機裕量有所下降，同時滿足現行《大火規》的要求。本工程一次風機風量裕量30%、另加溫度裕量(按夏季室外大氣溫度38℃計算)，壓頭裕量為25%。

2.2.2 一次風機型式選擇

一次風機具有風量小、風壓高，運行中風量變化大，風壓變化小的特點。一次風機可采用動葉可調軸流風機或離心風機。動葉可調軸流風機可滿足鍋爐不同負荷時的風量、風壓需要，離心式風機則更適合于鍋爐帶基本負荷的運行工況。而靜葉可調軸流式風機幾乎不作為一次風機來使用，針對本工程，我院請風機制造廠對一次風機采用靜調風機進行選型，風機制造廠明確一次風機無法選用靜葉可調軸流式風機。

動葉可調軸流式一次風機將采用2級葉輪。采用2級葉輪，雖然動葉可調風機的價格較高、初投資大，但其運行效率高，尤其是在變負荷工況下更加明顯。軸流式風機的變工況性能要優于離心式風機，其效率隨負荷降低而下降的幅度比離心式風機小得多。軸流式風機能夠通過調節葉片的角度來改變風量風壓，因此具有較寬的調節范圍，其調節性能優于離心式風機。并且軸流式風機運行效率比較高，電耗省，檢修、維護較方便。

本工程1000 MW機組在電力系統中主要承擔基本負荷，同時也要能夠滿足電網調峰運行的要求，而在風機的調節特性及整個機組運行的經濟性上軸流風機明顯優于離心式風機。此外考慮到國內風機生產廠家到目前為止1000 MW機組無配套離心式一次風機的投運業績，本工程的一次風機推薦采用國產動葉可調軸流式風機。

2.2.4 一次風機選型結論

綜合以上比較、分析，本工程的一次風機推薦采用動葉可調軸流風機，一次風機風量裕量30%、另加溫度裕量(按夏季室外大氣溫度38℃計算)，壓頭裕量為25%。

2.3 送風機選型及調速方式研究

2.3.1 送風機風量風壓裕量

94 版“火規”將送風機的風量裕量從原5%提高到10%～30%，風壓裕量從原來的10%提高到10%～30%，并推薦300 MW以上的機組取用上限。這是由于當時300 MW、600 MW機組的空氣預熱器漏風較為嚴重，而計算送風機基本風量時空預器的漏風系數取得較小，因此送風機須取較大的裕量來彌補空預器實際運行時高于制造廠保證的漏風損失。隨著空預器設計，制造和安裝技術的提高，近年來300 MW、600 MW機組空預器運行的漏風率一般能夠滿足8%～10%，達到了制造廠保證值。目前空預器電廠和電廠都會采取措施減少空預器的漏風，如給空預器加不銹鋼毛刷密封，漏風率可降到4.5%～5.5%，如采用多重密封結構空預器漏風率基本上可降到4%～5%，為降低送風機的風量和壓頭裕量創造了前提條件。在2000版“火規”中將送風機的風量裕量規定為：質量流量的裕量不小于5%，體積流量的裕量在此基礎上考慮夏季溫度下的體積流量的增量，壓頭裕量不小于10%。而《大中型火力發電廠設計規范(GB50660－2011)》提出送風機風量余量5%；按夏季通風室外溫度確定溫度余量；風壓余量15%。規范中風量余量是在分析了現有空氣預熱器一次風漏入二次風側與二次風漏入煙氣側大體持平得出送風機風量余量5%。

本工程的空氣預熱器采用多重密封結構，漏風量少。故本工程根據《大中型火力發電廠設計規范》(GB50660－2011)意見送風機風量取5%；另按夏季通風室外溫度確定溫度余量，壓頭裕量取15%。

國內首臺百萬機組玉環工程送風機風量的質量流量裕量為17%，另加溫度裕量，壓頭裕量為37%。根據玉環工程調試運行反饋的經驗，風機檔板門的開度在40～60%，送風機的裕量確實可調低。因此本工程送風機遵循《大中型火力發電廠設計規范(GB50660－2011)》意見，在現有1000 MW機組運行經驗的基礎上，進行適當的降低。

本工程的送風機風量和壓頭裕量的取值和各參考工程的取值見表5。

表5 送風機的風量，風壓裕量

通過表5可以看出，本工程的送風機裕量已明顯小于目前已投運的1000 MW機組，并且裕量的選取滿足現行《大火規》的要求。

2.3.2 送風機型式選擇

一般來說送風機的工作條件比較好，其設計風量是按鍋爐最大連續蒸發量及空氣預熱器漏風最不利的情況來考慮，再加上風機的裕量等因素，使送風機的實際運行值偏離設計點較多。動葉可調軸流式風機，它具有調節范圍廣，運行效率高，經濟性好，體積小、重量輕等優點，當機組負荷大范圍變化、運行工況偏離設計值時，動葉可調風機仍能保持高效率。采用動葉可調軸流風機雖然價格較貴，一次性投資較大，但因能長期高效運行，因而年運行費用必然最小，經濟效益顯著優于其它類型的風機。

對于送風機采用靜葉可調軸流式風機或離心式風機，根據本工程的風機參數，我們請相關風機廠進行了選型。由于靜調風機在低負荷時，風機的失速線下壓較低，在低負荷工況下容易引起送風機的失速，因此風機制造廠不推薦采用靜葉可調軸流式風機。

對于離心式風機，適用于低流量、高壓頭的情況。而送風機的流量相對較高、壓頭相對較低，造成了風機的線速度高，葉輪直徑龐大，葉輪、軸承的承載能力要求高，對鋼材機械性能的要求較高。在這種情況下，離心式送風機的體積龐大，重量笨重，制造成本很高。對于本工程的送風機參數，咨詢相關風機制造廠，風機制造廠不推薦采用離心式送風機。

基于以上原因，本工程的送風機推薦采用動葉可調軸流式。

2.3.4 送風機選型結論

綜合以上比較、分析，本工程的送風機推薦采用動葉可調軸流風機。送風機風量裕量5%、另加溫度裕量(按夏季室外大氣溫度38℃計算)，壓頭裕量為15%。

2.4.1 引風機型式、風量風壓裕量

由于本工程脫硫系統不設置煙氣旁路系統，為簡化煙氣系統流程、提高系統的安全可靠性、方便系統的運行、降低設備的初投資，本工程將引風機與增壓風機合并，采用三合一的引風機。

引風機輸送介質為具有含塵且溫度較高的煙氣。選用引風機的因素除考慮風機體積、重量、效率和調節性能外，還要求耐磨、對灰塵的適應性好，以保證在規定的檢修周期內能安全運行。在此可供選擇的風機型式有三類：動葉可調軸流式風機、靜葉可調軸流式風機以及雙速或變頻、雙吸入口導葉離心式風機。根據電廠的負荷特性，要求機組具備調峰能力和變負荷運行方式。雙速離心式風機調峰經濟性差，運行電耗大；采用變頻離心式風機，變頻器必須采用進口設備，電氣設備費用昂貴。此外，離心式風機設備體積和重量龐大，給檢修和維護帶來很大困難。靜葉可調軸流式風機和動葉可調軸流式風機(均為定速電機驅動時)的綜合比較見表6。

表6 靜調、動調風機綜合對照

從設備初投資、運行業績角度，靜調風機優于動調風機；從檢修角度考慮，兩者基本相當；從風機性能角度，對于常規電廠，引風機采用定速電機驅動時，動調風機優于靜調風機。從已經投運電廠的運行情況來看，由于制造廠提供的阻力偏差較大等原因，部分工程機組中引風機運行偏離選型點；在低負荷工況條件下，靜調引風機運行效率低于曲線上的效率。且隨著環保標準的提高，機組中均采用了高效的電除塵器，對引風機磨損因素不再是影響風機選型的決定因素。根據國內兩家知名風機廠家的初步選型調研情況來看，兩家風機廠家均只提出了動調風機方案，認為本工程的引風機參數已無法選到合適的靜調風機型號。

因此，針對本工程引風機與增壓風機合并、同步設置脫硝裝置且采用低溫省煤器的方案，推薦采用動葉可調軸流風機。

綜上所述，本工程煙氣系統按每臺爐配兩臺50%容量的電動動葉可調軸流式引風機。引風機風量和風壓計算如下：

(1) 對于引風機的風量裕量，94版“火規”和2000版“火規”都規定對于引進型鍋爐，由于引風機的基本風量計算中不考慮尾部受熱面、煙道和除塵器的漏風，空預器的漏風率也取值較低，引風機的風量裕量和壓頭裕量可取得大些。94版“火規”規定對于空預器出口過剩空氣系數1.35左右時，風量裕量為17%，壓頭裕量取32%。2000版“火規”規定如不計鍋爐尾部受熱面的漏風、空預器漏風取值偏小的情況下，引風機風量裕量可增大到15%，對在空預器低位端堵灰傾向嚴重的燃料，壓頭裕量可增大到30%。考慮鍋爐、脫硝和脫硫廠家的設備阻力會選上限，目前空預器電廠和電廠都會采取措施減少空預器的漏風，如給空預器加不銹鋼毛刷密封，漏風率可降到4.5%～5.5%；為降低送風機的風量和壓頭裕量創造了前提條件，故引風機壓頭裕量可盡量小一點。

(2) 本工程空氣預熱器漏風量少，故本工程根據《大中型火力發電廠設計規范(GB50660－2011)》意見引風機風量取10%；另加15℃溫度裕量；風壓裕量20%。2000版“火規”規定中10℃調整至15℃溫度裕量的說明如下：

根據西安院的調研結果，有相當多的電廠存在著排煙溫度偏高的現象，與設計值之間正偏差+10℃，有的電廠高于+20℃；新近投運的百萬機組中如玉環、泰州電廠排煙溫度明顯偏高。

排煙溫度升高的可能情況是：因夏季環境溫度升高，送一次風機溫度裕量引起；因送一次風機溫升引起。

考慮到上述因素和本工程煤質的變化的可能，考慮采用15℃的溫度裕量。

本工程煙氣系統按每臺爐配兩臺50%容量的電動動葉可調軸流式引風機。本工程引風機風量和壓頭裕量的取值和各參考工程的取值見表7。

通過表7可以看出，本工程的引風機裕量在目前已投運的1000 MW機組基礎上進行了適當的降低，并且裕量的選取滿足現行《大火規》的要求。

2.4.2 引風機選型結論

綜合以上比較、分析，本工程引風機推薦采用動葉可調軸流風機。引風機風量裕量10%、另加溫度裕量15℃，壓頭裕量為20%。

2.4.3 鍋爐爐膛安全性評估

由于本工程采用引增合一的引風機配置方案，引風機在環境溫度下的TB點風壓高于本工程鍋爐爐膛的瞬態設計負壓9.8 kPa，因此需要對鍋爐的爐膛安全性進行評估。

表7 引風機的風量，風壓裕量

根據《火力發電廠燃燒系統設計計算技術規程》(DL/T 5240－2010)的規定，“2)若引風機在環境溫度下的TB點風壓高于8.7 kPa，但不大于12 kPa時，則爐膛瞬態設計負壓仍取為－8.7 kPa。3)若引風機在環境溫度下的TB點風壓由于省煤器及空預器下游煙氣系統阻力增大等因素而大于12 kPa時，爐膛瞬態設計負壓仍可按－8.7 kPa。但此時宜根據引風機特性進行安全性評估；或與鍋爐廠協商論證進一步優化爐膛結構設計標準”。

本工程引風機的TB點風壓為9392 Pa，對應環境溫度下TB點的風壓為12533 Pa，略大于規程規定的12 kPa的上限，需要進行安全性評估。

查詢《火力發電廠燃燒系統設計計算技術規程》中相應的條文說明，當爐膛瞬態抗爆設計壓力為±8.7 kPa時，爐膛所能適應的引風機在環境溫度下TB點風壓安全線下限取為－12 kPa的計算公式為：

式中：βc=(0.6～0.75)，8.7即為爐膛的瞬態抗爆設計壓力，PID.max為引風機最大全壓。

由于本工程鍋爐爐膛的瞬態抗爆設計壓力為±9.8 kPa，因此(－)PIDmax=－14.29～－17.86 kPa。因此，鍋爐爐膛的瞬態抗爆設計壓力為±9.8 kPa時，爐膛所能適應的引風機在環境溫度下TB點風壓安全線下限取為－14 kPa。

本工程引風機環境溫度下TB點的風壓為12533 Pa，小于14 kPa的安全線。因此，本工程的爐膛爐膛的瞬態抗爆強度滿足引風機的要求，鍋爐爐膛是安全的。

3 煙風系統及風機選型的研究結論

二次再熱鍋爐不同的再熱器調溫方式將對煙氣系統的方案擬定產生影響，由于本工程的鍋爐再熱系統的主調溫方式采用燃燒器擺動+煙氣擋板的調溫方案，二次再熱的調溫方式對煙風系統的影響不大，煙風系統的方案擬定可借鑒常規一次再熱大容量煤粉鍋爐的配套煙風系統。

對比一次再熱機組，由于二次再熱機組能夠降低機組的煤耗指標，相應鍋爐的煙風量也將降低。煙氣系統的方案可以借鑒一次再熱機組，風機的煙風流量將適當降低，風機的運行壓力基本不變，風機的運行電耗相應降低。

Exhaust Gas and Air System Design of Double Reheat Unit in Tai Zhou Power Plant

YANG Xue-ping, YAO Xiang-yu, ZHU Jia-qi, LI Lin, CHEN Ren-jie
(East China Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

This paper introduces the exhaust gas and air system design of TaiZhou 2×1000 MW thermal power plant. As the application of the 1000MW double reheat boiler is for the first time, the exhaust gas and air system for double reheat boiler is studied.

exhaust gas and air system; forced draft fan;primary air fan;induced draft fan; double reheat.

TM621

A

1671-9913(2016)06-0001-08

2016-02-17

楊雪平(1983- )，男，江西樟樹人，碩士，工程師，主要從事火力發電廠鍋爐設計。