600MW 的超臨界機組鍋爐本體結構研究

趙加星，于建明，鄭景河

（中國特種設備檢測研究院，北京 100020）

我國火力發電的主力機型有兩種，一是超臨界，二是亞臨界機組，目前鍋爐的常用類型主要以∏型鍋爐和塔式鍋爐為主，現有投產的600MW 等級機組主要用于∏型鍋爐中。本次研究在總結查閱相關國內外研究成果的基礎之上，為了滿足600MW 的超臨界火力發電機組鍋爐運行的需要，借用工程實例，提出600MW 的超臨界機組鍋爐本體結構的分析，從而更好的規范機組的運行管理，確保機組安全、可靠、經濟、環保運行等。

1 設備概況

該設備為山西某電廠2 臺600MW 超臨界燃煤汽輪發電機組，鍋爐為超臨界參數變壓直流∏型鍋爐，一次再熱，單爐膛，尾部雙煙道結構，采用平行擋板調節再熱汽溫，固態排渣，全鋼構架，全懸吊結構，平衡通風，露天布置。

2 600MW 的超臨界機組鍋爐本體結構分析

2.1 總體布置

600MW 的超臨界機組鍋爐本體結構實施前，需要進行總體布局，首先需要掌握相關鍋爐主要規范，如過熱蒸汽流量、過熱器出口蒸汽溫度、再熱蒸汽流量、給水省煤器進口溫度、保證熱效率(按低位發熱量)、排煙溫度(修正前/后)等，對其需要的參數與標準，進行詳細羅列，依據各參考標準優化600MW 的超臨界機組鍋爐本體結構設計。其次，需要對鍋爐主要性能參數進行羅列，包括爐膛容積熱負荷、燃料耗量、鍋爐計算效率(按低位熱值)等，將所需性能參數逐一對照，保證數據的可依從性，還需要掌握鍋爐汽、水、煙、風阻力，對相應的限值，進行驗算，從而保證整體實施的效果。另外，負荷特性需要符合帶基本負荷，并具有一定調峰能力。運行方式采用定-滑-定方式運行，也可定壓方式運行。汽溫控制范圍則在過熱汽溫35%～100%B-MCR，再熱汽溫50%～100%B-MCR，爐膛壓力為設計壓力±5800Pa，瞬時承受壓力±8700Pa。鍋爐啟動時間則依次為冷態啟動7 ～8h、溫態啟動2 ～3h、熱態啟動1 ～1.5h、極熱態＜1h。

鍋爐主要界限尺寸的掌握，需要進行實地檢查，結合現場實際情況，繪制相應的圖紙。目前，本項目中采用П 型布置( 見圖1），主要因其較為常見，且具有一定的優勢，也是普遍采用的一種形式，爐膛煙氣通過水平作用下進入尾部煙道，從而使尾部煙道可經受熱后予以較好的排出，這一主要優點是鍋爐的高度非常低，而尾部煙道的煙氣可由下進行流動，從而達到自生吹灰的作用，無需二次操作，即可自行完成，并且每個受熱面容易布置形成逆流的形式，從而實現有利的傳熱效應。

2.2 水冷壁(見圖2）

（1）水冷壁采用螺旋管圈＋垂直管圈方式。水冷壁采用螺旋管圈＋垂直管圈方式，對于鍋爐的超臨界變壓運行而言，螺旋管圈水冷壁是最早應用于此的系統方式，鍋爐的水冷壁型式是初起應用于超臨界變壓運行的首要條件。而爐膛水冷壁采用螺旋管圈＋垂直管圈方式，也就是目前下部爐膛的水冷壁采用螺旋管圈（內螺紋管），上部爐膛的水冷壁為垂直形式，這一形式的設置可以較好的對質量流速予以保障。水冷壁的焊接方式主要以全焊接為主，一次中間混合聯箱的設置，能夠使水冷壁實現螺旋管至垂直水冷壁管的過渡。

圖1 П 型布置示意

圖2 水冷壁示意圖

水冷壁結構的爐膛寬為19419.2mm、 深度為15456.8mm、高度為67000m。本次研究水冷壁對于整個爐膛四周的焊接，則采用的是全焊式膜式，爐膛由兩個不同的結構組成，一是水冷壁下部螺旋盤繞上升，二是水冷壁上部垂直上升，二者之間還需要進行水冷壁轉換連接，即過渡水冷壁形成所需連接轉換，爐膛角部為R150m 圓弧，即指過渡結構設置。同時，需要對爐膛冷灰斗的傾斜角度進行設置，本次研究中設置為55°，除渣口的喉口寬度為1.2432m，每項尺寸設計，必須符合規范要求，并嚴格按照要求執行下一步的操作，從而保證水冷壁安全高效運行。

（2）螺旋管圈水冷壁。螺旋管圈水冷壁具有較多優越的性能，其技術成熟可靠，并且在布置管徑的選擇方面更具靈活性，很容易得到高質量的流動速度。另外，螺旋管圈水冷壁，它所需要的管子根數，以及相應的管徑可以通過改造管子水平傾斜角度，從而達到一定的調整效果。最終可以使設計者得到相適宜的設計數值，從而確保鍋爐安全運行，以及水冷壁自身的剛性均能夠得到較好的保障。并且在管子的根數使用方面，能夠大大降低數量。利用這種方法不僅可以達到一定的經濟效益，而且可以使大管子之間的間距，有效的進行節與節之間的距離調整。進而使管子肋片等金屬壁溫度，無論在任何工序狀況下均可達到既定的安全效果。

內螺紋螺旋管圈水冷壁中，使用內螺紋管材料，可以有效提高安全裕度，也就是說進一步提高水冷壁的使用性能，內螺紋管所使用的管圈，能夠有效控制設計的平均質量流動速度，并且保持其合理性，從而防止出現亞臨界狀態下，傳熱可能發生的惡化情況，也就是說在鍋爐高負荷的運轉下，提高水冷壁的安全裕度，該項操作實驗中選擇較高的質量流動速度，預先進行質量流動速度的測控，從而確保傳熱性能得到可拓展性的提升，以及質量流動速度的可靠性，進一步在實際運行中保證水冷壁的安全性，以及水冷壁具有較大的安全裕度，另外，此時的汽水阻力僅增加至10%左右，汽水阻力不會受到較大影響。

內螺紋螺旋管圈水冷壁，其在實際運行中，螺旋管之間的吸熱偏差較小，這一性能也較好的適應了變壓的運行，我們能夠看到螺旋管在盤旋上升時，它的每個管子都會由爐膛下部高熱負荷區域，進入整個周圍邊界面，并且所有的寬度都會途經各個區域的不同熱負荷分布，從而達到均勻的受熱傳熱性能，由此我們能夠看到螺旋管的每個管子，其在整個長度來看，不會存在較大的熱度偏差。

（3）過渡段水冷壁。對于過渡段水冷壁的螺旋水冷壁需要進行前墻以及兩側側墻出口管的抽出，將其全部抽出于鍋爐外，后墻出口管在抽出時需遵循四根抽出一根的原則，也就是說將管子直接調整為垂直水冷壁后墻凝渣管，則另外3 根抽出到鍋爐外，將所抽出的管子，全部收集在水冷壁的出口箱，而其余22 根連接管從螺旋水冷壁出口集箱進行有效的引入，引入位置則是在鍋爐左右兩側的兩個混合集箱內，將其進行混合后，再通過22 根連接管，引入到24 根垂直水冷壁進口集箱，從而形成垂直水冷壁管垂直光管與螺旋管二者之間的管束比例，需要控制在3：1 以內，這種結構的過渡段，能夠使螺旋水冷壁的核載平穩的進行傳遞，直至達到上部水冷壁位置。

（4）水冷壁系統的保護。水冷壁系統的保護主要是對溫度進行檢測，從而達到保護的效果，水冷壁的系統溫度一般是進行測點的布置，從而在鍋爐啟動與停止運行等過程中使管子金屬壁溫度能夠得到有效的監測與控制，從而實現保護的手段，也就是說需要提前進行觀測點位置的溫度測點布置，溫度的監視可以通過設置系統管道上不同位置的熱電偶，進而實現溫度的有效監測，金屬壁溫的監視則是通過裝設在水冷壁的壁溫測點，從而達到溫度的監控測點效果，進而實現水冷壁系統的整體保護作用。

2.3 啟動分離器

啟動分離器的設置采用的是超臨界鍋爐的典型結構設置，我們在實際進行鍋爐啟動與停止，包括正常運行的過程中，能夠看到汽水分離器，均投入到運行，在鍋爐啟動與停止或者是低負荷運行的過程中，汽水分離是在濕態運行下，汽水分離能夠達到相應的適用性作用，而在其正常運行期間，此時的汽水分離器，僅作為蒸氣通道使用，而在此時啟動時，可將蒸汽從水中進行有效分離，從而達到收集水排入儲水罐的作用。

2.4 燃燒方式

此次研究中所采用的燃燒方式是對前后墻進行對沖燃燒的方式，從而使熱量向爐膛寬度方向輸入，并且實現較為均勻的熱量分布，伴隨著鍋爐容量的逐漸擴張，通常僅需對爐膛寬度調整，達到爐膛斷面增加的效果，則可達到分布均勻的熱量傳輸，而鍋爐容量的增加與爐膛內的斷面增加，可以使燃燒器在一定數量的情況下方便增加，進而促進爐內火焰充滿狀態運行，從而保證其均衡的燃燒熱負荷狀態。

上述狀態下，能夠對煙氣通過旋轉進行消除，對逐個燃燒器具有良好的燃料供應作用，并且使空氣較為均勻的分布，獨特的燃燒器宏口設計結構，可以避免燃燒器區域結扎或者出現腐蝕狀態，從而保證爐膛寬度方向的煙氣溫度以及流速均在適宜的狀態下運行，分布較為均勻，進一步促進水冷壁出口溫度的偏差縮小，從而降低過熱鍋爐過熱蒸汽溫度，進一步提高過熱器和再熱器的安全性能。

3 結語

綜上所述，在600MW 的超臨界機組鍋爐本體結構分析過程中，依據標準規范、細節過程中的注間事項，以及相應的系統比較，從而較好的得到最優選系統，通過本體結構的分析，能夠明確認知600MW 的超臨界機組鍋爐的作用價值，注重鍋爐本體結構分析，從而得到最優選的設計結果，保證鍋爐的運行適用性，以及安全和可靠性。