660 MW高效超超臨界雙爐膛循環流化床鍋爐的設計開發

張 縵， 蔡潤夏， 姜孝國， 呂俊復， 高新宇， 楊海瑞

(1． 清華大學 能源與動力工程系，電力系統國家重點實驗室， 北京 100084；2. 哈爾濱鍋爐廠有限責任公司， 哈爾濱 150046)

超臨界機組發電效率高，污染物排放低，是當今世界潔凈煤發電的主流技術之一。隨著蒸汽參數的提高，高效超超臨界機組相比于傳統超臨界機組供電煤耗明顯降低[1]。

循環流化床(CFB)鍋爐以其在低成本污染排放控制及煤種適應性等方面的優勢，被公認為是商業化程度最好的清潔煤燃燒技術之一[2-3]。10多年來，我國在機組高參數、大型化方面取得了突破性進展。2013年4月，我國自主研發的世界首臺600 MW超臨界CFB鍋爐正式投入商業運行，2015年末至今，350 MW超臨界CFB鍋爐也成批量投入商業運行。超臨界CFB鍋爐的運行實踐表明，CFB燃燒與超臨界蒸汽參數的結合表現出一定的優勢：采用低質量流速本生垂直管技術，使得水冷壁流動阻力降低，從而降低給水泵壓頭，節約廠用電；CFB鍋爐爐膛內熱負荷較低，熱流密度分布較均勻，有效保證了鍋爐水動力的安全性；CFB鍋爐氮氧化物和硫氧化物的原始排放濃度低，采用較低成本的爐外污染物脫除設備即可實現超低排放的目標[4]。

超臨界CFB鍋爐的成功投運為620 ℃高效超超臨界CFB鍋爐的開發奠定了基礎，然而隨著機組容量的增加和蒸汽參數的提高，對鍋爐的總體布置提出了新的挑戰：CFB鍋爐的低溫燃燒如何維持低負荷時的蒸汽參數，大爐膛斷面條件下如何保證床溫的均勻性，高效超超臨界參數條件下鍋爐水動力的安全性以及大尺度爐膛內物料的橫向擴散等，這些問題與鍋爐的運行穩定性、燃燒效率以及污染物排放等性能密切相關。筆者在已有研究[4-7]的基礎上，提出了620 ℃、660 MW高效超超臨界雙爐膛CFB鍋爐的設計方案。

1 高效超超臨界CFB鍋爐設計原則

1.1 爐膛-分離器布置

隨著鍋爐容量的增加，爐膛斷面增大，為保證二次風的穿透，目前已經投運的鍋爐主要有2種爐膛類型：一種是褲衩腿型雙布風板爐膛，另一種是傳統的單布風板爐膛。然而，當機組容量達到660 MW，再熱蒸汽溫度達到620 ℃時，CFB鍋爐的爐膛斷面將增加到550 m2左右，采用雙布風板結構設計時，為避免鍋爐發生翻床，則需要增設風道調節擋板，導致一次風機壓頭增加，廠用電率提高；采用傳統的單布風板爐膛設計時，考慮到二次風的穿透，爐膛寬度將超過40 m，大寬深比爐膛結構容易引起爐內床料的橫向動態不穩定性，如圖1所示[8-9]，且由于單布風板結構的布風面積是雙布風板的2倍，因此布風的均勻性也是值得高度重視的問題，布風不均勻容易導致爐膛內溫度分布不均，局部高溫會造成污染物排放增加和水動力的安全隱患。為更好地適應CFB鍋爐的大型化發展，筆者提出的620 ℃、660 MW高效超超臨界CFB鍋爐為雙爐膛布置，即2個獨立的爐膛及其分離回料系統對稱布置于爐前，尾部共用一個對流煙道，鍋爐結構示意圖見圖2。

圖1 某300 MW鍋爐床壓橫向波動

圖2 雙爐膛鍋爐結構示意圖

1.1.1 與雙布風板爐膛的比較

對于單爐膛雙布風板結構的四川白馬循環流化床示范電站有限責任公司(簡稱“白馬電廠”)600 MW超臨界CFB鍋爐，總體而言是一個爐膛，然而由于水冷中間隔墻將爐膛分為2個部分，在實際運行過程中，兩側氣固兩相流動、燃燒和傳熱相對獨立，爐膛兩側的床溫、床壓、給煤和排渣均是單獨調節，其運行和調節特性趨向于2個爐膛。單爐膛加裝中間隔墻后，兩側氣固兩相流動基本無橫向混合[10]。爐膛內若出現熱負荷偏差，主要還是通過每一側爐膛的給煤和配風來調節。

若采用雙爐膛結構，每個爐膛設有單獨的布風板和水冷風室，盡管鍋爐運行過程中2個爐膛內的氣固兩相流不可避免地存在差異，但由于二者獨立存在，不會出現單爐膛雙布風板鍋爐的翻床現象，因此無需在2個爐膛各自的一次風道上設置風門調節擋板作為抑制翻床的調節手段，從而降低一次風機壓頭，減少廠用電率。

1.1.2 與單布風板爐膛的比較

采用雙爐膛結構，每個爐膛截面僅為單布風板爐膛截面的一半，與已投運的350 MW超臨界CFB鍋爐爐膛截面尺寸相當，單個爐膛寬度約9 m，深度約30 m[11]，鍋爐運行實踐表明，爐膛的寬深比例適當，可有效避免爐膛內橫向動態不穩定性，同時由于截面積減小，更容易實現爐膛布風的均勻性，從而保證了床溫的均勻分布。此外，與單布風板爐膛CFB鍋爐相比，雙爐膛設計中爐膛周界增大，為爐膛內屏式受熱面的布置提供了足夠的空間。

雙爐膛結構的每個爐膛對應3個旋風分離器，布置在爐膛外側，組成熱循環回路，其結構參數與已投運的350 MW超臨界CFB鍋爐亦十分接近，工程實踐已驗證其具備良好的性能。

1.2 熱循環回路中受熱面的布置

對于大型CFB鍋爐，在保證燃料在爐膛內停留時間足夠的前提下，考慮到鍋爐建造的經濟性，應盡量降低爐膛高度，因此需要將部分水冷壁受熱面以屏式受熱面的型式布置在爐膛內。目前，各鍋爐制造公司針對超臨界鍋爐采取的解決方案主要有：并聯中隔墻[12]、并聯十字墻和串聯水冷屏[13]等方式。然而在超臨界蒸汽參數下，工質的物性參數不同于自然循環，并聯管屏之間的熱負荷差異容易引起屏的變形。因此，在并聯管組中應該盡量避免同時采用單面和雙面受熱的布置型式，而雙爐膛鍋爐很好地解決了這一問題，爐膛水冷壁均為單面受熱。

除布置屏式過熱器和屏式再熱器外，熱循環回路中還設置了外置式換熱器。對于660 MW高效超超臨界CFB鍋爐，即使采用雙爐膛布置，單個爐膛截面的寬深比依然較大，運行過程中要保證均勻的床溫變得更加困難，而外置式換熱器實現了床溫和再熱蒸汽溫度的分開調節，調節床溫靈活有效，是污染物控制和避免水冷壁熱負荷偏差的有效手段。與600 MW超臨界鍋爐相比，620 ℃高效超超臨界CFB鍋爐的工質出口溫度有所提高，過熱器和再熱器的吸熱比例進一步增加，鍋爐熱循環回路內的過熱器和再熱器吸熱比例將達到約30%(見圖3)，因此，如果不采用外置式換熱器，受熱面的布置將受到爐膛空間的限制。由于外置式換熱器內受熱面的傳熱系數高，可以有效解決受熱面的布置問題。

圖3 鍋爐各部分受熱面吸熱比例

1.3 雙爐膛煙溫偏差的控制

由于采用2個相對獨立的爐膛和熱循環回路，兩側爐膛內床溫的匹配對鍋爐的控制提出了更高的要求。鍋爐需采用2套獨立的控制系統，包括一、二次風機等都是分別針對單個熱循環回路獨立控制；但由于采用同一個尾部煙道及引風機系統，在鍋爐運行過程中可通過調節兩側爐膛的給煤、配風和床壓等參數的匹配，確保水動力的安全性。

對于雙爐膛結構的鍋爐，2個熱循環回路中的受熱面對稱布置，由于2個回路中煙氣和物料溫度以及流量的不完全對稱，蒸汽溫度必然會存在一定的差異，鍋爐設計時通過采用混合集箱等方式來消除蒸汽溫度偏差。此外，可將尾部入口煙道內煙氣流動方向與蛇形管受熱面平行布置(見圖4)，從而減小管間的溫度偏差。

圖4 鍋爐尾部入口煙道的布置

1.4 鍋爐水動力特性

鍋爐水冷壁為垂直管圈一次上升，與褲衩腿型雙布風板爐膛相比，由于雙面受熱的中隔墻被2片單面受熱的水冷壁替代，增加了水冷壁一次上升工質流通面積，在滿負荷工況下，水冷壁平均質量流速約為780 kg/(m2·s)，與白馬電廠600 MW CFB鍋爐質量流速相當，低質量流速可減小流動摩擦壓降，同時提高重位壓降占總阻力的比例，充分利用垂直管屏水冷壁中由于熱偏差形成的流量自補償特性，從而保證鍋爐的安全運行[14]。水動力計算以及超臨界 CFB鍋爐的運行實踐表明，在設計質量流速下，可以保證鍋爐在啟動及低負荷(最低直流負荷以下)運行時維持水動力的穩定，在亞臨界直流階段不發生膜態沸騰，在近臨界直流工況可控制高干度蒸干，在超(超)臨界直流工況不發生擬膜態沸騰。

1.5 鍋爐各系統吸熱比例

表1給出了高效超超臨界CFB鍋爐與常規超臨界CFB鍋爐典型參數的對比。由表1可知，與超臨界CFB鍋爐相比，高效超超臨界CFB鍋爐的過熱蒸汽和再熱蒸汽質量流量增加，溫度、壓力和鍋爐給水溫度均明顯升高。由于鍋爐汽水參數的改變，各受熱面的吸熱比例也發生了變化(見圖5)。從圖5可以看出，高效超超臨界CFB鍋爐過熱器及再熱器吸熱比例略有提高，水冷壁和省煤器吸熱比例有所降低。

表1 鍋爐主要參數

圖5 高效超超臨界CFB鍋爐與超臨界CFB鍋爐各系統的吸熱比例

Fig.5 Comparison of the heat absorbed by different heating surfaces between high efficiency ultra-supercritical and conventional supercritical CFB boilers

2 高效超超臨界CFB鍋爐設計方案

根據上述原則，進行620 ℃、660 MW高效超超臨界CFB鍋爐的設計開發。鍋爐設計燃料為煙煤與矸石混合后的低熱值燃料，成分分析見表2。

所設計的鍋爐整體布置如圖6所示，爐前并列布置2個完全獨立的爐膛，每個爐膛外側布置3個內徑為9.8 m的汽冷旋風分離器，鍋爐設有6個外置式換熱器和6個回料閥，分離器分離下來的高溫物料分別進入外置式換熱器和回料閥。靠近爐前的2個外置式換熱器內布置低溫再熱器，用于調節再熱蒸汽溫度，其余4個外置式換熱器內布置中溫過熱器，用于調節床溫。

表2 鍋爐設計燃料元素分析和工業分析

鍋爐采用回料閥給煤，一側爐膛的燃料供給通過6個返料斜腿上的給煤口實現，回料閥布置于爐膛外側，為增加燃料在爐內的停留時間，同時滿足鍋爐較大底渣量的要求，在爐膛內側布置了12臺滾筒冷渣器。

雙爐膛鍋爐每個爐膛的寬度為9.373 m，深度為30.493 m。2個爐膛內布置相同的受熱面，每個爐膛內側墻布置14片高溫過熱器屏和12片高溫再熱器屏。

尾部對流煙道為單煙道布置，四周為膜式壁包墻過熱器，沿煙氣流向依次布置低溫過熱器和省煤器，省煤器出口煙道與2臺回轉式空氣預熱器連接。

過熱蒸汽的溫度主要通過煤水比來調節，并配合布置在各級過熱器之間的三級噴水減溫進行微調。再熱蒸汽溫度通過進入外置式換熱器的灰量進行調節。低溫再熱器入口和兩級再熱器之間布置有緊急工況下使用的噴水減溫器。

采用大氣擴容式啟動系統，帶有2個內置式分離器。當負荷高于25 %最大連續蒸發量(BMCR)工況時，鍋爐進入直流運行，啟動分離器入口處蒸汽有一定的過熱度。

鍋爐BMCR工況下的主要性能參數如表3所示。通過熱力計算，對鍋爐BMCR工況進行了性能預測，鍋爐計算熱效率為92.49 %，工質和煙溫預測結果見表4。

圖6 高效超超臨界CFB鍋爐整體布置

表3 鍋爐BMCR工況下的主要性能參數

3 結 論

對比現有超臨界CFB鍋爐爐膛布置方案，提出了雙爐膛結構的660 MW高效超超臨界CFB鍋爐設計原則，并從結構布置、煙溫控制和水動力特性等方面分析了雙爐膛結構的優勢，結果表明該設計方案有利于燃料的燃盡，并改善了床溫不均勻問題；可避免翻床現象，從而省去一次風控制擋板，有利于節約廠用電耗；能有效控制蒸汽熱偏差，解決受熱屏變形問題；并在較低的質量流速下仍可保證水冷壁管正流量響應特性，從而保證鍋爐水動力的安全性。該設計方案為高效超超臨界CFB鍋爐的設計開發提供了參考。

表4鍋爐BMCR工況下煙氣側和工質側溫度計算結果

Tab.4CalculatedresultsofmaintemperaturesonfluegassideandwatersideoftheCFBboileratBMCRcondition℃

參 數數值煙氣側爐膛床溫890爐膛出口溫度890分離器出口溫度902低溫過熱器出口溫度591省煤器出口溫度407空氣預熱器出口溫度(修正后)130工質側省煤器入口工質溫度327省煤器出口工質溫度356水冷壁出口工質溫度422低溫過熱器出口工質溫度507中溫過熱器1出口工質溫度518中溫過熱器2出口工質溫度531高溫過熱器出口工質溫度605低溫再熱器入口工質溫度357低溫再熱器出口工質溫度541高溫再熱器出口工質溫度623

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