國內1000 MW超超臨界二次再熱鍋爐技術比較與研究

韓 磊

中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東電力試驗研究院

0 引言

二次再熱技術是目前世界領先的燃煤發電技術，是提高火電機組熱效率的重要方法[1]。火電機組采用二次再熱的目的是為了進一步提高機組的熱效率[2]，在相同容量及鍋爐蒸汽參數條件下，二次再熱機組熱效率比一次再熱機組高2%左右[3]。但由于二次再熱增加一級再熱循環，導致汽機、鍋爐的結構和運行調整更加復雜，對吸熱量分配及汽溫控制要求更高[4,5]。

超超臨界二次再熱鍋爐，是在超臨界鍋爐基礎上，除過熱、再熱蒸汽系統外，增加了二次再熱系統，在技術上具有先進性，具有較高的經濟效益和環保效益，在國際上是一種高效、成熟、低污染排放的燃煤發電技術。我國超超臨界二次再熱鍋爐的發展相較于國外起步較晚，但近年來飛速發展，已具有很強的市場競爭力和廣闊的發展前景。

本文詳細介紹國內主要鍋爐廠1 000 MW二次再熱鍋爐的設計理念，比較各廠在鍋爐型式、選材、再熱汽溫控制等方面的特點，總結了國內1 000 MW二次再熱鍋爐運行控制的主要方法，為之后二次再熱鍋爐的設計及機組投產后的運行調溫提供思路。

1 發展前景

1.1 國外技術

從上世紀50年代開始，美國、西德、日本等國均建造了大量二次再熱機組。截止到1976 年，美國共有25臺投運，日本有11臺投運，其中以再熱汽溫逐步升高的538 ℃/552 ℃/566 ℃機組最為普遍[6]。

早期的二次再熱機組由于過分注重初壓的提高即主蒸汽壓力高于30 MPa，導致機組結構復雜、運行困難、實際可用率不高，運行參數被迫下降，出現發展停滯和參數反復的現象。

近30年，日本川越電站兩臺700 MW鍋爐(31 MPa/566 ℃/566 ℃/566 ℃/1989、1990年)和 丹 麥兩臺415 MW(28.5 MPa,580 ℃/580 ℃/580 ℃/1998 年)鍋爐采用了超超臨界二次再熱技術[7,8]。

1.2 國內技術

伴隨著我國電力行業的發展，“十一五”期間，各大電力設備制造廠家及電廠紛紛加快了高效燃煤機組的研制。隨著620 ℃等級要求的高溫材料研究和開發的逐步成熟，國內開始了基于620 ℃等級的二次再熱機組研發[9]。

上海、東方、哈爾濱等鍋爐廠分別于2008 年前后成立二次再熱設計團隊，隨后各大鍋爐廠從鍋爐型式與布置、受熱面材料、調溫手段、設備結構、投資成本等方面進行了綜合分析論證，并逐漸形成了二次再熱超超臨界參數31 MPa/600 ℃/620 ℃/620 ℃的初步共識。

2015年下半年，國電泰州、華能萊蕪1 000 MW超超臨界二次再熱機組順利投產，使中國成為擁有世界上首批應用二次再熱技術的百萬千瓦機組的國家。伴隨著大量機組的運行，國內百萬千瓦二次再熱機組技術逐步趨于成熟[10]。

2 結構設計

2.1 鍋爐爐型

煤粉鍋爐國內外普遍采用Π型和塔型。國內鍋爐廠在兩種爐型上各有傾向，均形成了一套具有鮮明特色和優勢的設計理念，而在百萬千瓦二次再熱機組的設計上，基本沿用各自的成熟爐型設計。東鍋和北京巴威均采用Π型設計；上鍋更多采用塔型設計，其代表爐型國電泰州二期百萬千瓦二次再熱機組已順利投產；哈鍋則對兩類鍋爐均有深入研究，其華能萊蕪百萬千瓦二次再熱機組為塔式爐。

塔式爐受熱面臥式布置，無煙氣拐彎，煙氣和汽水阻力小，且煙氣流速方向和灰粒的重力方向相反，磨損小。鍋爐爐膛斷面小，爐膛容積大，一方面降低了燃燒器區域的熱負荷，另一方面增加的燃盡高度在確保低灰熔點煤充分燃燒的同時降低了爐膛出口煙溫。塔式鍋爐的結構特點使其相對于其它爐型具有更小的煙氣側偏差。此外，受熱面臥式布置，在運行中即使出現少量氧化皮也較其它爐型更易被沖走。

Π型鍋爐整體高度較低，其抗震抗風能力強，總熱膨脹量小且應力均勻，Π型鍋爐尾部煙道煙氣向下流動，積灰較少，各過熱器、再熱器受熱面可布置成逆流形式，有利于受熱面換熱，此外，Π型鍋爐調節性能優于塔式爐。

2.2 受熱面布置

1 000 MW超超臨界二次再熱鍋爐與一次再熱鍋爐相比增加了一組再熱器受熱面，包括過熱系統、一次再熱系統和二次再熱系統，再熱器的吸熱比例從常規的一次再熱機組的18%大幅增加至二次再熱機組的28%，因此在設計中需考慮輻射、對流受熱面匹配以滿足過熱蒸汽和再熱蒸汽吸熱量的變化，同時滿足再熱蒸汽出口溫度提高帶來的安全性要求。

北京巴威采用Π型鍋爐設計，過熱器采用輻射-對流受熱面，一次再熱為半輻射-對流受熱面，二次再熱為純對流受熱面布置，尾部設三煙道，上部從前往后依次布置二次低再、一次低再及低溫過熱器，下部布置三段省煤器。每個煙道布置獨立的煙氣調節擋板，以改變各煙道的煙氣份額來調節各級再熱器的汽溫。受熱面布置見圖1。

圖1 北京巴威鍋爐受熱面示意圖

哈鍋和東鍋受熱面布置基本相同，過熱器采用輻射-對流受熱面，一次再熱、二次再熱均為純對流受熱面。尾部雙煙道，從前往后分別布置一次低再和二次低再受熱面，底部設兩級省煤器和煙氣擋板，通過煙氣擋板開度和煙氣再循環調節過熱蒸汽、再熱蒸汽溫度。受熱面布置見圖2。

圖2 哈鍋典型鍋爐受熱面示意圖

上海鍋爐廠采用塔式鍋爐，使用組合式高溫受熱面的布置方案，將部分再熱器受熱面提前，提高再熱器輻射吸熱比例，并將一、二次高溫再熱器受熱面并列布置，以達到不降低任何一級高溫再熱器換熱溫壓的目的。此外，高溫過熱器和高溫再熱器組合布置，在提高再熱器輻射吸熱量的同時也確保了再熱器出口受熱面的安全性。組合式高溫受熱面的布置方案達到熱交換、安全性、經濟性的最佳平衡，與此同時提高了擺動燃燒器的調溫性能。

2.3 水冷壁型式

國內目前已投運的4臺1 000 MW二次再熱機組均采用適應性較強的螺旋管圈+垂直管圈水冷壁系統，即爐膛下部螺旋水冷壁管以25°左右的角度盤旋上升進入布置于爐膛上部的中間混合集箱進行混合，以消除各螺旋管的熱力和水力偏差，由中間混合集箱進入上部爐膛的垂直水冷壁，示意圖見圖3。材質一般均選用成熟的12Cr1MoVG 合金鋼。此外，國內主要鍋爐廠設計螺旋管圈水冷壁多采用內螺紋管，可有效降低爐膛安全運行所需的最低質量流速，減小水冷壁壓降損失，可避免鍋爐在亞臨界壓力運行時發生膜態沸騰（DNB）。

圖3 水冷壁布置示意圖

螺旋管圈水冷壁能保證各水冷壁管內具有足夠的質量流速，管間吸熱均勻，確保在變壓運行的四個階段即超臨界直流、近臨界直流、亞臨界直流和啟動階段合理控制金屬壁溫、高干度蒸干（DRO）以及防止低干度高熱負荷區的DNB 確保水動力的穩定性等。

上部爐膛區域熱負荷較低，垂直水冷壁管可滿足冷卻要求，且上部爐膛結構較復雜，螺旋管圈在折焰角下方轉換成垂直膜式壁，有利于水冷壁的懸吊與拐彎。

2.4 燃燒器布置及型式

上鍋廠的塔式爐采用四角切圓燃燒方式，24只SG-2710/33.03-M7050型直流式燃燒器分6層布置于爐膛下部四角，煤粉和空氣從四角切向進入，在爐膛中呈切圓方式燃燒，燃燒器可實現上下擺動。燃燒器上部布置兩級可水平擺動的燃盡風（AGP）燃燒器，即低位燃盡風（BAGP）燃燒器和高位燃盡風（UAGP）燃燒器。

哈爾濱鍋爐廠在百萬機組的二次再熱機組上均采用自主研發的低氮MPM 燃燒器，塔式鍋爐燃燒器采用四角切圓布置，Π型爐多采用無分隔墻的八角雙火焰中心切圓燃燒布置。全擺動式燃燒器利用噴口交錯布置的小鈍體將煤粉氣流分成中心濃、外圍淡，再進入爐膛燃燒，濃淡燃燒均偏離了化學當量燃燒，大幅降低了NOx的生成。

東方鍋爐廠采用前后墻對沖燃燒并選用旋流低NOX燃燒器。前后墻分別布置三層旋流燃燒器，在前后墻距最上層燃燒器噴口一定距離處布置兩層燃盡風噴口，用于后期補燃。燃盡風和燃燒器之間布置一層還原風，每層燃燒器上方靠側墻位置布置貼壁風。

北京巴威鍋爐廠也采用前后墻對沖燃燒，布置型式與東鍋相似，燃燒器采用B&W 公司超低NOx旋流燃燒器，充分利用了空氣分級燃燒的特點，煤粉噴口位于燃燒器中心區，可有效控制空氣/煤粉在火焰根部的相互作用。通過控制燃燒率及二次風量降低NOx的生成量，同時在燃燒器一次風管道中加入中心風，加速煤粉氣流燃燒，使NOx 水平降到最低。

3 控制方法

3.1 主、再熱汽溫控制方式

3.1.1 過熱蒸汽調節

超超臨界鍋爐水冷壁無固定的汽水分界面，熱慣性小，水冷壁吸熱變化會使給水加熱段、蒸發段和過熱段的吸熱比例發生變化。過熱汽溫的調整采用煤水比作為粗調手段，以汽水分離器出口工質溫度（中間點溫度）作為汽溫調節的前置信號，以噴水減溫作為微調手段，即煤水比+2 級噴水減溫調節。

通過改變給水量，調節煤水比來改變水冷壁出口介質溫度，引起過熱器吸熱和水冷壁吸熱比例的變化，從而調節最終的過熱蒸汽出口溫度。

3.1.2 再熱蒸汽調節

二次再熱鍋爐的設計難點是主蒸汽、一次再熱蒸汽、二次再熱蒸汽三個汽溫之間的調節，再熱汽溫調節方式選取是否合理直接關系到機組運行的經濟性、安全性和可靠性，因此二次再熱鍋爐的再熱器調溫方式及可靠性對二次再熱鍋爐設計顯得尤為重要。目前，再熱汽溫常用的調節手段包括煙氣擋板、煙氣再循環、擺動式燃燒器、磨煤機投運方式、爐膛配風以及噴水減溫等。

對于鍋爐廠，再熱器的受熱面設計布置和調溫方式可從以下兩個方向考慮：

1）爐膛高溫區布置再熱器受熱面，使再熱器有足夠的吸熱溫差并吸收更多的輻射熱，低溫受熱面布置在低溫對流煙道的前后豎井，通過擺動燃燒器和煙道擋板開度調整低溫受熱面的熱量分配。

2）一、二次再熱器的高溫受熱面均布置在爐膛出口煙道下游的中溫煙道內，低溫受熱面布置在低溫對流煙道內，通過煙氣再循環提供不同負荷下的換熱量，通過煙氣擋板調整高低壓再熱器之間的熱量分配。

北京巴威Π型爐采用第一種思路，將一次再熱設計為半輻射-對流受熱面，二次再熱設計為純對流受熱面，尾部采用三煙道布置，每個煙道布置煙氣調節擋板，通過改變煙氣擋板的開度，控制前、中、后煙道的煙氣流量分配，從而分別調節一次再熱和二次再熱溫度。這種調溫方式不僅對爐內燃燒工況無影響，而且對排煙溫度影響較小，因此對鍋爐效率沒有顯著影響。

上鍋塔式爐將一、二次高溫再熱器的部分冷段受熱面置于低溫過熱器管屏之后，大幅提高了高溫再熱器的輻射吸熱比例，一、二次低溫再熱器布置于后部煙道，為純對流受熱面。再熱器溫調節方式采用以燃燒器擺動調節為主，低負荷下增大過量空氣系數為輔，煙氣擋板調節作為平衡手段，事故或緊急工況下考慮噴水減溫的方式。

哈鍋和東鍋均采用Π型鍋爐，尾部雙煙道，再熱器調溫思路基本一致，即采用煙氣擋板+煙氣再循環的組合式調溫方式。主要通過改變不同負荷下的再循環煙氣量，實現對鍋爐受熱面輻射和對流吸熱比例的調整，實現穩定大幅調整再熱汽溫的目標，具有控制直接、負荷可追蹤性、反應靈敏、與蒸汽溫度特性相匹配等優點。再通過調整煙氣擋板開度，控制煙氣流量，調整一、二次再熱蒸汽之間的溫度。

3.2 煙溫偏差控制方式

切圓燃燒因爐膛和燃燒器的相互匹配及各燃燒器配風等引起爐內空氣動力場不均，往往在爐膛出口處存在煙氣殘余旋轉見圖4，造成水平煙道兩側存在煙溫和速度的偏差。導致位于出口截面附近受熱面金屬溫度不一致，易引起局部管屏超溫爆管。典型的前后墻對沖燃燒方式，旋流燃燒器產生的熱量沿爐膛寬度方向分布較均勻，基本不存在煙氣殘余旋轉。

圖4 切圓燃燒煙氣殘余旋轉

上鍋四角切圓燃燒塔式爐，在燃燒器上部布置兩層分離燃盡風，通過單個控制的燃盡風二次風檔板，以及手動調節燃盡風水平擺角，有效控制燃盡風的動量分布，以削弱煙氣殘余旋轉。此外，增加從燃燒器區域至爐膛出口的距離以消除煙溫偏差。

哈鍋采用多種措施抑制爐膛出口煙溫偏差：

1）設計上采用八角雙切圓燃燒方式，因雙切圓的旋轉方向相反，爐膛出口煙氣沿爐膛寬度方向旋向相反，產生相互疊加抵消，使爐膛出口煙溫偏差降低。

2）采用大風箱結構，使每個燃燒器二次風動量均勻。

3）設置可水平擺動的燃盡風，利用反切削弱煙氣殘余旋轉。

4）選擇適宜的假想切圓直徑，防止火焰刷墻。

東鍋與北京巴威百萬千瓦二次再熱鍋爐均采用對沖燃燒，通過增加合適數量的燃燒器（每層8個），可保證爐膛沿寬度方向熱量均衡。

3.3 汽溫偏差控制方式

各鍋爐廠汽溫偏差控制策略基本一致，主要有以下幾個方面：

1）過熱器采用多級布置，每級焓增分配均勻，每兩級之間均設置有減溫水，可有效控制偏差。

2）分隔屏過熱器分成多片小屏，減少同屏間管數。

3）高溫過熱器、高溫再熱器管組通過跳管方式平衡管圈外側管子吸熱量，減小同屏管束不同管間吸熱偏差。

4）兩級過熱器、再熱器交叉布置，設置混合集箱。

5）再熱器入口設置事故噴水減溫器，必要時用于調節再熱器蒸汽溫度偏差。

6）采用雙集箱形式，通過管道的內外側交叉降低蒸汽的攜帶偏差。

7）集箱采用端進端出或小口徑管連接，避免三通效應（見圖5）。

圖5 雙集箱防止蒸汽偏差

4 結論與展望

1 000 MW二次再熱技術是目前世界領先的燃煤發電技術，隨著能源結構的轉型，節能降耗提高機組整體效率是國內火電發展的必然之路，在國內具有廣闊的發展前景。本文對國內主要鍋爐廠二次再熱技術進行了比較分析，結論如下：

1）國內主要鍋爐制造廠1 000 MW二次再熱鍋爐的設計均沿用各自在超臨界一次再熱鍋爐上的成熟設計理念，但在受熱面布置、高溫受熱面材料選擇、汽溫控制方式上與一次再熱鍋爐有較大區別，進行了大幅度的創新與改進，并形成了各自的特色。

2）二次再熱技術的關鍵是汽溫的控制尤其是再熱汽溫的控制。國內主流調整技術包括燃燒器擺角、煙氣擋板和煙氣再循環等。其中，再循環煙氣量對爐膛溫度、輻射及對流吸熱量分配、鍋爐蒸汽參數都有顯著的影響，選擇合理的再循環率對保證二次再熱鍋爐蒸汽參數，提高鍋爐經濟性具有重要意義。

3）國內超超臨界百萬千瓦二次再熱機組投產較少，可借鑒經驗不足，運行機組再熱汽溫欠溫超溫現象明顯，百萬千瓦二次再熱機組汽溫的匹配與調整仍需重點分析研究，新建機組需提高汽溫調節控制的范圍與裕度，低負荷時汽溫的匹配要兼顧經濟性與安全性。