660MW超超臨界塔式鍋爐優化設計

董師宏

摘 要： 在總結660 MW超超臨界Π型鍋爐和1 000 MW超超臨界塔式鍋爐的設計經驗及實際運行情況，比較Π型鍋爐和塔式鍋爐的主要特點的基礎上，結合具體工程要求和容量等級，對660 MW超超臨界塔式鍋爐的汽水流程、燃燒系統、汽溫偏差、空氣預熱器等方面進行了設計優化，研制了660 MW超超臨界塔式鍋爐，并通過了實際運行機組的驗證.

關鍵詞： 660 MW塔式鍋爐； 超超臨界； 優化設計

中圖分類號： TK 229.2 文獻標志碼： A

Abstract： Based on the summary of the designing experience and actual operations of 660 MW ultrasupercritical twopass type boiler and 1 000 MW ultrasupercritical towertype boiler in our company，as well as the comparison of their main properties，optimized design of watersteam flow，combustion system，steam temperature deviation，air preheater，and so on in 660 MW ultrasupercritical towertype boiler was conducted by taking considerations of specific project requirements and capacity grade.660 MW grade ultrasupercritical towertype boiler was developed and validated by the actual running unit.

Keywords： 660 MW towertype boiler； ultrasupercritical； optimized design

從2003年全面引進超臨界技術開始至今，600 MW及1 000 MW等級超超臨界機組已成為我國發電行業的主力機組.在超臨界技術全面引進之前，我國發電機組多采用Π型鍋爐，僅針對某些特定煤質有少量進口的塔式鍋爐.塔式鍋爐相比于Π型鍋爐有諸多優勢.上海鍋爐廠有限公司（簡稱“上鍋”）在2004年引進了1 000 MW等級的塔式鍋爐技術，設計生產了一批1 000 MW超超臨界塔式鍋爐產品，已投運塔式鍋爐以外高橋三期1 000 MW超超臨界塔式鍋爐為代表.該鍋爐以其優良的性能廣受用戶好評.塔式鍋爐已成為上鍋優勢產品.上鍋是國內三家主要電站鍋爐設備供應商中唯一一家可提供成熟塔式鍋爐技術的供應商.憑借塔式鍋爐的技術優勢，上鍋在

1 000 MW超超臨界鍋爐市場的占有率一直處于領先地位.開發660 MW超超臨界塔式鍋爐產品，可將這種優勢延伸至660 MW超超臨界鍋爐市場，對上鍋發展具有極其重要的意義[1-2].

在總結660 MW超超臨界Π型鍋爐和1 000 MW超超臨界塔式鍋爐的設計經驗及實際運行情況的基礎上，結合具體項目要求和容量等級，對660 MW超超臨界塔式鍋爐進行了優化設計.

1 塔式鍋爐相對型鍋爐的優勢

已投運的1 000 MW超超臨界塔式鍋爐在安全性和經濟性方面具有一系列優勢.

（1） 塔式鍋爐煙溫偏差小，對于同等級的材料，受熱面具有更高的安全裕度.

Π型鍋爐由于有折焰角，在爐膛內旋轉的煙氣在爐膛出口轉向水平道時必然發生90°的旋轉，使煙氣流場復雜.而塔式鍋爐的所有受熱面都布置在第一煙道，爐膛出口煙溫相對較均勻，這在相同的選材情況下帶來了更大的安全裕度，提高了運行的安全性.

塔式鍋爐煙氣流速較低且更加均勻，而且粒子受重力方向與煙氣流向相反，可大大降低對流受熱面的磨損.

塔式鍋爐所有受熱面水平布置于第一煙道，該布置方式優點為：受熱面內部的積水可通過疏水管完全排放，減少了鍋爐沖管時間和啟動時間；受熱面可以進行酸洗，提高管內抗氧化能力，提高鍋爐運行的安全性.

塔式鍋爐由于所有受熱面呈水平布置，水平長管處于同一煙溫范圍，各段管道膨脹差小，氧化皮不易脫落.即使有少量脫落，水平布置的受熱面中的氧化皮也很容易被沖出管道，從凝汽器排走，能有效防止氧化皮堵塞爆管，并避免固體顆粒侵蝕汽輪機葉片.

（2） 塔式鍋爐結構簡單，固有熱容量小，能適應快速啟停要求，更好地滿足電網調度要求.

塔式鍋爐的蛇形管受熱面都在爐膛上方，鍋爐的膨脹中心在爐膛正中且只有一個，熱膨脹工況簡單，適應負荷快速升降的變化.

（3） 塔式鍋爐爐膛出口煙氣.

溫度相對較低，在燃用低灰熔點煤時，可以更有效地防止鍋爐結渣.

（4） 塔式鍋爐能獲得更低的廠用電率.

塔式鍋爐的煙氣系統阻力明顯低于其他爐型.

同等條件、燃用相同煤種情況下，塔式鍋爐煙氣側阻力都略低于同容量等級的Π型鍋爐，因此在設計選型時可以降低風機的容量要求，并可以降低實際運行中風機電耗.

對于同步配置脫硝設備的機組，塔式鍋爐由于其尾部煙道的布置特點，其煙氣側阻力的降低更為明顯，運行經濟性體現得更為突出.

塔式鍋爐相比Π型鍋爐，沒有復雜的包覆系統，一次汽阻力遠低于Π型鍋爐.

（5） 塔式鍋爐占地面積更小.

綜上所述，塔式鍋爐具有安全性更高、運行經濟性更優的特點.

2 660 MW塔式鍋爐相對1 000 MW塔式鍋爐的優化

在充分吸取1 000 MW塔式鍋爐設計運行經驗的基礎上，結合設計容量等級變化，對660 MW塔式鍋爐進行了優化設計.endprint

2.1 660 MW塔式鍋爐管道引出數量比1 000 MW塔式鍋爐少，汽水偏差得到優化

受熱面引入引出管道數量的選擇需要綜合考慮受熱面集箱和引出管道的合理口徑，保證受熱面具有較小的流量偏差.集箱管道口徑選取過大會引起其壁厚同比增加，受壓元件壁厚過厚既不經濟也不利于制造.1 000 MW超超臨界塔式鍋爐由于蒸汽量較大，只能采用增加引出管、增大流量分配因子以平衡管道與集箱口徑和受熱面流量偏差.660 MW塔式鍋爐容量等級較1 000 MW減小，有條件對引入引出管道數量進行優化.

圖1（a）、（b）分別為典型1 000 MW超超臨界塔式鍋爐、660 MW超超臨界塔式鍋爐過熱器系統流程.由圖中可見，與1 000 MW超超臨界塔式鍋爐過熱器系統相比，660 MW超超臨界塔式鍋爐采用簡化的過熱器系統連接管道，即：三級過熱器出口為一個集箱兩端引出；二級過熱器和三級過熱器之間的連接管道由原來的四根變為兩根；一級過熱器采用單端引出方式連接至二級過熱器進口集箱；上一級與下一級間仍采用內外側交叉形式，進一步降低了攜帶偏差.

圖2（a）、（b）分別為典型1 000 MW超超臨界塔式鍋爐、660 MW超超臨界塔式鍋爐再熱器系統流程.由圖中可見，660 MW超超臨界塔式鍋爐與1 000 MW超超臨界鍋爐相比，一級再熱器和二級再熱器之間的連接管道由原來的四根變為兩根，因此，原來需對四根引入、引出管道進行汽溫偏差控制，簡化后僅需控制兩根管道的汽溫偏差.

2.2 優化燃燒器切圓大小，減小燃燒偏差

660 MW超超臨界塔式鍋爐一次風采用對沖設計，即采用如圖3所示的“對沖同心正反切圓燃燒系統”.該燃燒系統一次風/煤粉氣流的假想切圓直徑接近于0，切圓燃燒的組織依靠偏置的部分二次風帶動，從而形成“風包粉”的空氣動力場結構，防止煤粉氣流沖刷水冷壁.

塔式鍋爐過熱器、再熱器等爐內受熱面水平布置于爐膛上方.受熱面管屏平行于左、右側墻，在左右方向上排列.由于沒有型鍋爐的煙氣轉向，其受熱面的吸熱偏差較小.但在實際運行中，發現各屏受熱面出口溫度并非完全均勻，而是呈馬鞍形分布.這主要是因為對于采用四角切圓燃燒技術的鍋爐來說，煤粉氣流在爐內旋轉燃燒，形成一個如圖4所示的環狀區域.環狀區域內的煙氣溫度、速度較高，而爐膛中心和靠近爐膛四周水冷壁的區域，煙氣溫度、速度均較低.各受熱面管屏中，穿過環狀區域面積多的屏，吸熱多；中心的屏和爐膛兩側的屏，穿過環狀區域的面積少，吸熱少.這就使得各屏吸熱呈馬鞍形分布.該環狀區域的大小及強弱主要和燃燒設備有關.因此，各受熱面屏的吸熱偏差也受到燃燒設備的影響[3].660 MW超超臨界塔式鍋爐一、二次汽溫偏差相比1 000 MW鍋爐明顯減小，過熱器、再熱器的壁溫分布也更加均勻.

常規1 000 MW超超臨界塔式鍋爐，一次風相對爐膛對角線偏6°，形成了一個較大的切圓，即使采用分離燃燼風進行消旋，在爐膛出口處仍存在較大的殘余旋轉.這使得靠兩側墻的受熱面吸熱較多，靠爐膛中心的受熱面吸熱較少.一、二次汽溫存在“外高內低”現象，偏差較大.過熱器、再熱器的壁溫也存在較大偏差，嚴重時會限制汽溫的提升，在一定程度上影響機組效率.

3 某工程660 MW超超臨界塔式鍋爐設計優化及實際運行驗證

3.1 針對煤質特點，合理選擇爐膛大小，合理分配受熱面比例，保證低負荷再熱汽溫

爐膛結構尺寸和熱負荷指標的正確合理選取是防止爐膛及受熱面發生嚴重結焦、沾污的根本所在.而鍋爐爐膛尺寸選擇取決于燃煤特性.

采用普華煤燃燒技術開發中心煤質分析法[4]判斷某工程的燃煤特性，判斷結果如表1所示.

綜合國內對燃煤特性判斷可知，該工程燃煤具有以下特性：

（1） 設計煤種和校核煤種均具有較好的著火穩定性，設計煤種具有中等燃燼特性，校核煤種易燃燼；

（2） 綜合灰熔點溫度、酸堿比等指標判斷，設計煤種和校核煤種結渣性輕微、沾污性中等；

（3） 從灰中SiO2、Al2O3、Fe2O3含量以及磨損指數等綜合判斷，設計煤種和校核煤種具有嚴重磨損特性.

根據上述煤種特性判斷結果可決定爐膛的截面熱負荷、燃燒器區域熱負荷和爐膛容積熱負荷，然后根據熱負荷確定合適的爐膛尺寸.

爐膛容積熱負荷與爐膛最上層燃燒器到屏底距離直接相關.在確定此高度時，必須使燃燒的煤粉在爐膛中有足夠的停留時間以實現完全燃燒，同時降低爐膛出口煙氣溫度，減小對流受熱面的積灰.進入對流受熱面或爐膛垂直出口平面理想的煙氣溫度應小于灰分軟化溫度.

根據DL/T 831—2002《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》[5]，鍋爐熱負荷與燃燼高度比較見表2.

該工程660 MW超超臨界塔式鍋爐爐膛尺寸是根據成熟的煤及其灰分評價標準和本工程實際，并綜合考慮用戶要求確定的.選用的爐膛尺寸和熱負荷可有效避免燃用該工程設計煤種和校核煤種出現嚴重沾污結渣，可以確保該工程的設計使得鍋爐具有廣泛的煤種適應性，同時獲得合理的汽水系統吸熱比例，保證低負荷再熱汽溫.

3.2 磨煤機數量優化

常規600 MW等級煤粉爐磨煤機采用“五用一備”.該工程磨煤機采用“四用一備”，磨煤機數量減少，降低了設備投資及廠用電消耗.該660 MW超超臨界塔式鍋爐一臺磨煤機帶兩層煤粉噴嘴，共布置10層煤粉噴嘴燃燒器.其具有以下優勢：

（1） 單只噴嘴熱功率減小，有利于防止噴嘴燒壞及噴嘴區域結渣；

（2） 使爐內溫度分布更均勻，降低了燃燒器區域的熱負荷，有利于防止水冷壁結渣；

（3） 降低了爐內主燃區的峰值溫度，有利于減少熱力型NOx的生成，降低鍋爐污染物排放；

（4） 爐內峰值溫度降低，有利于降低水冷壁吸熱偏差，提高水冷壁的安全性.endprint

3.3 空氣預熱器單列布置

隨著電站輔機系統可靠性的提高，尤其是風機系統可靠性的提高，采用單列布置空氣預熱器已成為可行的選擇.[6]

該660 MW超超臨界塔式鍋爐采用單列空氣預熱器布置.單列空氣預熱器較同等級雙列空氣預熱器的漏風率大大降低，同時，單列空氣預熱器布置還具有設備造價低、運行成本小、現場占地面積小、系統布置簡單、安裝量少等優點.

3.4 增加受熱面防磨罩和阻流板設計

針對部分電廠燃燒高灰分、強磨損性的煤種出現的低溫再熱器區域、省煤器區域、二級過熱器穿墻管、高溫再熱器穿墻管等磨損問題，該工程采用以下優化措施：

① 在低溫受熱面區域采取更充分的防磨措施；

② 用穿墻套筒設計與低溫受熱面加裝阻流板增強防磨能力.

3.5 實際運行情況分析

經優化設計的660 MW超超臨界塔式鍋爐已于2015年4月在某電廠投入運行.目前該鍋爐運行情況良好，安全可靠，燃燒穩定，爐膛及受熱面無嚴重結渣沾污，鍋爐效率達到94.5%以上，脫硝裝置前NOx約為200 mg·Nm-3（O2體積分數為6%），蒸汽管路溫度左右偏差小于5 ℃，受熱面最高壁溫均遠低于限定值；空氣預熱器漏風率約為4%；汽水阻力和煙風阻力也低于同等級其他產品.實際運行情況達到了優化設計的預期效果.

4 結 論

在總結660 MW超超臨界Π型鍋爐和1 000 MW超超臨界塔式鍋爐的設計經驗及實際運行情況，比較Π型鍋爐和塔式鍋爐的主要特點的基礎上，結合具體項目要求和容量等級，對660 MW超超臨界塔式鍋爐的汽水流程、燃燒系統、汽溫偏差、空氣預熱器等方面進行了設計優化，研制了660 MW超超臨界塔式鍋爐.某電廠一期2×660 MW超超臨界機組的成功投運表明，上鍋在660 MW超超臨界塔式鍋爐中所做一系列設計優化是非常成功的，同時豐富了上鍋的產品系列，為上鍋在660 MW超超臨界鍋爐項目上的角逐增加了有力籌碼.

參考文獻：

[1] 高子瑜，徐雪元，姚丹花，等.1 000 MW超超臨界鍋爐塔式鍋爐設計特點[J].鍋爐技術，2006，37（1）：1-5.

[2] 姚丹花，徐雪元.上海鍋爐廠有限公司超（超）臨界鍋爐主要技術特點[J].鍋爐技術，2009，40（4）：1-7.

[3] 蔣欣軍，王煜偉.基于吸熱偏差的燃燒調整在超超臨界塔式鍋爐中的應用[J].華北電力技術，2015（2）：66-70.

[4] 哈爾濱普華煤燃燒技術開發中心.大型煤粉鍋爐燃燒設備性能設計方法[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2002.

[5] 國電熱工研究所.DL/T 831—2002大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則[M].北京：中國電力出版社，2003.

[6] 劉鶴忠.鍋爐單列輔機配置在600 MW級機組運用探討[J].電力勘測設計，2011（3）：27-32，40.endprint