高海拔地區660 MW超超臨界鍋爐及輔機選型研究

劉學軍，雷步紅，陳曉文，雷曉明，王桂芳，張喜來

(1.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075 ；2.青海黃河上游水電開發有限公司，青海 西寧 810003；3.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032 )

1 概述

國內在高海拔地區建設燃煤火電機組已經有一定的工程實踐，但機組容量均小于300 MW。高海拔低氣壓下空氣密度減小、氧含量低，對鍋爐燃燒產生負面影響。目前國內投入運行的高海拔機組表明，其運行特性與平原地區有明顯的差異，若不能采取科學的技術措施，會出現鍋爐排煙溫度高、效率降低、廠用電率偏高、全廠供電煤耗高等問題，進而影響電廠整體的安全性、經濟性。類似的研究結果表明海拔高度對煤粉的著火、燃燼均有較大影響。國內黃必重等針對1501 m海拔高度燃用高灰分煙煤的660 MW機組鍋爐燃燒進行了研究，提出了初步的意見，對于本項目研究具有借鑒意義。李東鵬等對2900 m海拔高度下660 MW機組鍋爐熱負荷參數選擇進行了數模研究，給出了熱負荷參數的選取范圍，也可供本次研究參考。

中電投西寧火電擬在海拔高度2484 m區域建設兩臺660 MW超超臨界煙煤機組，高參數、大容量機組在類似高原環境進行工程實踐，在中國乃至世界為第一次，因此沒有成功的經驗可供借鑒。本文針對該項目建設，對項目煤粉燃燒特性變化進行了試驗室研究，并分析了高海拔低氣壓對主要輔機設備的影響，提出了鍋爐主要爐膛熱負荷參數及鍋爐主要輔機的選型方案。

2 試驗方法與設備

2.1 試驗大氣環境條件

本文依托工程廠址地形標高2473～2495 m，大氣壓約為海平面標準氣壓的72.8%。本文選取鍋爐實際海拔2484 m(大氣壓74.88 kPa)進行研究，同時對海拔高度414 m(大氣壓96.63 kPa)、海拔高度1891 m(大氣壓80.61 kPa)時煤粉燃燒特性進行了測試，以便于進行對比分析。

2.2 試驗煤質

本文以中電投西寧電廠鍋爐設計煤為典型煤樣進行研究，基本煤質數據見表1，可見試驗煤樣為典型的煙煤。

表1 試驗煤樣的基本煤質特性

續表1

2.3 試驗設備及試驗方法

圖1 燃燒試驗臺原理

本文中對燃料特性影響研究在特定的試驗臺上進行，圖1為模擬高海拔低氣壓環境的燃燒試驗原理圖。該試驗臺由密封艙、羅茨風機、以及放置于密封艙內的一維火焰爐與煤粉氣流著火爐燃燒試驗系統組成。一維火焰爐用于研究燃煤的燃燼與結渣特性，著火爐用于研究燃料的著火特性，相關評價方法已經形成了電力行業標準。

一維火焰爐試驗時，羅茨風機不但作為抽氣裝置，形成并維持密封艙負壓，而且還在燃燒系統中充當引風機，通過羅茨風機將尾部煙道壓力維持和密封艙的壓差為50 Pa左右。在頂部燃燒器設有氣壓平衡孔，保持爐內的氣壓和密封艙的壓力相等。試驗人員進入密封艙，關閉艙門后啟動羅茨風機、抽取艙內空氣，直至艙內氣壓值達到指定值。隨后開啟煙氣系統閥門，并啟動送風機，按要求調整一、二次風量，并投入煤粉。待燃燒穩定后，試驗人員開始進行測量與觀察。

著火爐試驗時，開啟羅茨風機形成設定的氣壓值，通電加熱爐體，至200℃時啟動送、引風機，然后投入煤粉。隨著溫度的升高，氣流產生火花，初期為不穩定著火，最后達到穩定著火，此時氣流溫度超過壁溫。將氣流溫度與壁溫的交叉點定義為“著火溫度IT。

3 燃燒特性試驗結果與分析

3.1 著火特性

由圖2所示不同氣壓、不同煤粉細度條件下著火溫度IT的測試結果可見，常壓下試驗煤樣屬于易－中等著火性能煤種，在77.83 kPa氣壓下著火性能降為中－難等級，高海拔低氣壓環境下試驗煤的著火溫度明顯提高。這表明低氣壓環境抑制了煤粉燃燒的反應速度，延長了著火時間，著火溫度上升。

此外試驗結果也顯示煤粉著火溫度受煤粉細度的影響較大，海拔高度越高影響越為明顯顯著。為保證穩定著火，鍋爐煤粉細度R90應在15%左右，同時燃燒器設計上應有一定的穩燃措施。

圖2 不同氣壓、不同煤粉細度下煤粉氣流著火溫度

3.2 燃燼特性

由圖3中測試結果可見，常壓下運行氧量2.5%～4.5%范圍內，試驗煤樣燃燼率均在98.5%以上，為“極易”燃燼等級。海拔高度2481 m工況下試驗煤燃燼率在2.5%氧量條件下降低到98%以下，為“易”燃燼等級，略低于常壓環境條件下的燃盡率，但仍屬于燃盡性能較為優異的煤種。

試驗結果顯示，由于用于試驗煤種本身的燃燒特性好，低壓環境雖然抑制了煤粉燃燒的反應速度，但是對燃煤的最終燃盡效果影響并不明顯，鍋爐設計中不必過多的考慮煤粉的燃燼率問題，可以采用較為嚴格的低氮分級燃燒技術。

圖3 不同氣壓條件下氧量對煤樣一維火焰爐燃燼率的影響

圖4中為高海拔條件下煤粉細度對燃燼率的影響規律，與常壓海拔環境下的規律相同，采用較細的煤粉細度可提高煤粉的燃燼率。結合煤粉氣流著火溫度測試結果，鍋爐煤粉細度R90控制在15%左右是必要的。

圖4 氣壓為74.83 kPa時煤粉細度對煤樣一維火焰爐燃燼率的影響

3.3 結渣特性

在一維火焰爐上，模擬煤粉氣流在爐內的燃燒過程、溫度水平和氣氛等條件，采用硅碳棒作為結渣源，以反映不同區域煤粉燃燒的顆粒形態和粘結強弱，從而更直觀和實際的反映煤的結渣趨勢。硅碳棒作為具有較高溫度的結渣源可直接模擬鍋爐不同部位的結渣情況。在試驗前調整各級爐體壁溫，使爐內各區域的火焰溫度處于1000～1500℃間的不同溫度水平。待燃燒穩定后，將6個12×8×200的碳化硅棒插入選定的測孔作為結渣源，在結渣源上沉積下的灰渣依照其粘結的緊密程度由強到弱分為熔融、粘熔、強粘聚、粘聚、弱粘聚、微粘聚及附著灰七個等級。對具體的煤種，根據6個結渣源上的渣型等級，將煤種的結渣性用嚴重、高、中等和低四類型標示。

圖5 不同氣壓下渣棒結渣形態(1～6級)

試驗模擬各種大氣壓下各個測點的結渣試驗結果見表2。

對于本文研究的煤樣，一維火焰爐結渣工況試驗結果表明不同氣壓條件下燃煤的結渣特性均為“中等”等級，煙溫在1300℃以上時僅出現不嚴重的強粘聚渣型，鍋爐設計中不需要過多考慮燃煤的結渣性。

4 爐膛參數選取建議

鍋爐爐膛參數選擇的重要方法是根據燃煤特性，對比性能類似的煤種在同容量鍋爐的運行特征，以及已有鍋爐的技術特點和關鍵設計參數，根據《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》為新建鍋爐推薦適合的技術參數。圖6、圖7中為我國已投運的少數幾個高海拔地區鍋爐爐膛容積熱負荷與截面熱負荷與常壓海拔鍋爐的對比，從實際運行情況看，選用較低熱負荷參數的鍋爐運行情況較為良好。

圖6、圖7中包括了14個煤質特性與本文研究煤樣接近的600 MW 等級機組鍋爐的主要熱負荷參數，容積熱負荷qv分布區間為78.036～96.784 kW/m3，斷面熱負荷qF分布區間為4.176～5.133 MW/m2。

表2 不同大氣壓下工程設計煤一維火焰爐結渣試驗結果(O2=3.5%，R90=20%)

圖6 我國高海拔地區典型電站鍋爐容積熱負荷取值比較

圖7 我國高海拔地區典型電站鍋爐截面熱負荷取值比較

在研究項目所處的高原地區，如果爐膛放熱強度特性技術參數值以及由其導出的爐膛輪廓尺寸仍維持常規選型標準，則爐內煤粉氣流停留時間會過分縮短，導致燃盡度下降，氣壓和密度的降低也會導致燃燒反應速率和傳熱的減緩。因此，此區域電廠鍋爐爐膛選型應充分考慮低氣壓的影響，并充分考慮設計煤種的燃燒特性。按照《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》的規定，對較易著火煤(IT＜700℃)，從海拔超過700 m起開始進行爐膛參數的修正，平原地區的大氣壓規定為96 kPa(相應海拔高度450 m)，爐膛選型參數根據以下原則進行修正：

(1)高原地區的爐膛容積熱負荷qv高原

式中：對于褐煤，k的范圍為1.05～1.1；煙煤k≈1，無煙煤k為0.95或更低些；P為實際氣壓，西寧電廠取值為74.88 kPa。

(2)高原地區的爐膛斷面熱負荷qF高原

式中：k的范圍為0～2/3；當(P/100)＞0.9時選用k=0；當(P/100)＜0.9時選用可考慮k＞0；對于貧煤及無煙煤，尤其是易結渣煤種，k宜選用相對較大值，但不應超過2/3。

(3)燃燒器區高原壁面熱負荷qB高原

qB高原仍宜沿用平原地區選定值，除非對嚴重結渣煤種可比原選定值適當降低。

(4)高原地區爐膛燃盡區高度的修正h1高原

對于切向燃燒及墻式燃燒鍋爐，如采用爐膛燃盡區高度h1作爐膛選型輪廓特征參數之一時，則高原地區的鍋爐h1高原取值應按式(3)修正：

(5)燃燒器區尺寸一般應按(P/100)－1/2比值放大

表3給出了在標準大氣壓P0狀態下，以及經給定的高海拔修正公式計算后的爐膛特征參數。同時，表中也根據本文中的煤質特點，并結合已運行高海拔地區鍋爐與其他典型600 MW煙煤鍋爐的設計運行實踐給出本文研究的西寧電廠設計推薦值。

表3 新建機組鍋爐爐膛設計參數推薦值

5 主要輔機選型建議

5.1 制粉系統選型及設計參數推薦

推薦新機組采用直吹式制粉系統，配6(5+1運行方式)臺中速磨煤機。考慮到穩定著火、促進燃盡以及適應低NOx燃燒的需要，推薦煤粉細度R90為15%左右，磨煤機出口溫度應控制在70℃左右。

為適應煤種的變化、在煤質變差時仍能保證良好的燃燒效果，磨煤機選型應考慮一定的裕度，同時應配備動靜結合的選旋轉分離器，以保證制粉系統具有煤粉細度R90達到10%左右，且均勻性指數n大于1.1的能力。

另外，同樣的質量流量下，高海拔地區由于空氣密度低，體積流量要大很多，制粉系統設備和管道更易發生磨損，設計選型中應考慮低氣壓對氣流速度的影響，適當控制氣流速度，并考慮采用比平原地區更強的防磨措施。

5.2 鍋爐附屬煙風、制粉系統設計注意問題

高原地區氣壓降低，等溫氣體體積將發生膨脹，對于電廠鍋爐、煙風以及制粉系統的設計主要考慮以下幾個方面：

(1)由于煙氣體積增大而引起爐膛體積增加，煙道斷面尺寸也相應增加，電廠煙風系統擬定時應考慮合適的修正系數和裕量；空氣壓力和密度的降低會導致燃料燃燒反應速率的降低，因此要求燃燒產物在爐內停留的時間比P0條件下適當延長，鍋爐廠爐膛設計時必須給予特別關注。

(2)為維持燃燒器出口的最佳空氣動力學條件，保證入爐煤的穩定著火，燃燒器的結構尺寸應予以必要的放大，使其出口速度、動量比及旋流強度等參數均能等同于P0的條件。考慮高海拔影響，燃燒器尺寸一般應按(P/100)－1/2比值放大。海拔愈高，燃燒過程愈趨向化學動力學控制，燃燒的穩定性和完全性愈趨脆弱，可采取降低煤粉細度R90、濃淡分離燃燒器、提高二次風溫等措施以消弱其影響。

(3)從傳熱角度，氣壓下降也會促使煙氣的輻射放熱和對流放熱能力有所降低，前者影響微小，后者對流放熱系數大致與壓力的0.6次冪呈正比，故對流受熱面設計需考慮其影響。

(4)對于煙風流通面積，從對流換熱角度看，對流放熱系數與煙氣密度的0.6～0.65次冪成正比。高海拔地區鍋爐尾部豎井中煙、風流速增加(P/100)－1倍，造成磨損和阻力增加。故高海拔地區鍋爐尾部豎井中各煙、風通流截面積應增加(P/100)－1倍。

(5)對于電除塵器：需注意低氣壓對電場通流面積、煙氣流速、工作電流、極間距的選擇，并考慮低氣壓擊穿電壓降低的特殊條件，采用適當的極配形式、極間距，以避免除塵器效率下降。

6 結論與建議

(1)本文中選用的煤樣在高海拔低氣壓環境下著火性能中等、極易燃盡，結渣傾向中等，設計中應注意采取積極的強化燃燒措施以穩定著火。

(2)考慮到高海拔低氣壓環境的影響，推薦新機組鍋爐容積熱負荷qV≤70 kW/m3，截面熱負荷qF約為4.2 MW/m2，燃燒器區壁面熱負荷qB為1.6～1.8 MW/m2，最上層燃燒器中心到屏底距離不低于22 m。

(3)建議新機組采用直吹式制粉系統，配6(5+1運行方式)臺中速磨煤機，推薦煤粉細度R90為15%左右、磨煤機出口溫度控制在70℃左右。磨煤機選型應考慮一定的裕度，同時應配備動靜結合的選旋轉分離器。

(4)制粉系統設備和管道選型、設計中應考慮低氣壓對氣流速度的影響，適當控制氣流速度，并考慮采用比平原地區更耐用的防磨措施。