600 MW級亞臨界W火焰鍋爐設計優化

冉燊銘， 宋曉宏， 莫春鴻， 李旭升， 馬曉偉， 安仁敏

(1. 清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室， 成都 611731； 2. 東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司， 四川自貢 643001)

隨著中國經濟快速發展，特別是電力工業的高速增長，中國發電設備工業規模連創新高，自主創新能力不斷增強，已成為世界重要的電站設備輸出國[1-2]。適合高效燃用無煙煤的W火焰鍋爐在國內已發展到超臨界參數[3]，但在其他發展中國家，亞臨界參數機組仍有一定的市場。持續對亞臨界參數發電設備進行優化和開發，對于我國重大裝備走出國門具有現實意義。

首臺第一代600 MW級亞臨界W火焰鍋爐(簡稱第一代鍋爐)自2006年正式投產以來，已有12臺鍋爐投運，運行表明其具有煤種適應性好、燃燒效率高、穩燃能力強等優點[4]，但也存在減溫水量大、大屏過熱器易超溫、排煙溫度高、低負荷再熱蒸汽溫度(簡稱再熱汽溫)偏低等問題[5]。

筆者以某電廠622 MW機組工程為依托，完成了第二代600 MW級亞臨界W火焰鍋爐(簡稱第二代鍋爐)技術方案，針對第一代鍋爐存在的問題進行了全面優化。

1 第一代鍋爐問題分析與設計優化

1.1 第一代鍋爐概況

鍋爐為中間一次再熱的自然循環鍋爐，雙拱形單爐膛，燃燒器布置于下爐膛前后拱上，W形火焰燃燒方式，尾部雙煙道結構，采用擋板調節再熱汽溫，固態排渣，全鋼全懸吊結構，平衡通風。鍋爐下爐膛深度為16 012 mm，寬度為34 480.5 mm，布置簡圖見圖1。

圖1 鍋爐布置示意圖

爐膛水冷壁由管子+扁鋼焊接成的管屏形成氣密式膜式壁，在下部爐膛和上部爐膛之間通過彎管形成爐拱，爐拱上方布置燃燒器。下爐膛敷設大面積衛燃帶，用以提高著火區和燃燒區的溫度。過熱器4級布置，第1級為頂棚包墻過熱器，第2級為布置在后豎井后煙道的低溫過熱器，第3級為上爐膛內的疏水式大屏過熱器，末級高溫過熱器布置在折焰角和水平煙道內，低溫過熱器、大屏過熱器、高溫過熱器之間設2級減溫器。過熱器的傳熱方式總體為輻射-對流方式，有利于汽溫在較寬負荷內達到額定值。再熱器系統為全對流方式，2級布置。低溫再熱器布置在后豎井前煙道內，高溫再熱器布置在水平煙道內、高溫過熱器之后，低溫再熱器和高溫再熱器直接連接不混合，入口設置事故噴水減溫器。低溫過熱器和低溫再熱器下方布置省煤器。采用2臺三分倉回轉式空氣預熱器。

配套制粉系統采用正壓直吹式制粉系統，配6臺雙進雙出鋼球磨煤機，每臺磨煤機出口接6根粉管。36只雙旋風筒濃淡分離式煤粉燃燒器布置在爐膛前后拱上。

1.2 存在的問題及優化方案

1.2.1 減溫水量大

減溫水量大的主要原因是蒸發吸熱與過熱吸熱不匹配(見圖2)，即爐膛吸熱量少于設計值較多，水冷壁蒸發量不足，爐膛出口煙溫偏高，大量噴水進入過熱器蒸發。要從根本上解決減溫水量大的問題，必須增加水冷壁的吸熱量、減少過熱器的吸熱量。

圖2 第一代鍋爐額定負荷主要受熱面吸熱占比

增加水冷壁吸熱量可從2個方面考慮：(1)直接增加水冷壁的受熱面積；(2)提高水冷壁的吸熱能力。增加水冷壁吸熱措施的方案對比見表1。幾種措施各有優缺點，綜合考慮，新設計應增加爐膛高度，具體增加值需要與燃燒系統優化統一考慮。

表1 增加水冷壁吸熱措施對比

另一方面，大屏過熱器吸熱量比設計值偏高27%，也是減溫水量大的原因之一。由于全疏水式大屏過熱器下部伸入了高煙溫區，加上下爐膛換熱不足，進入上爐膛的煙溫較高，其傳熱強度比設計值偏高較多。新設計應考慮減少大屏過熱器受熱面積。

此外，增加省煤器受熱面積，減少進入鍋筒工質欠焓，可以增加水冷壁產汽量，也能減少過熱器減溫水量。增加3 200 m2省煤器受熱面積后，減溫水質量流量減少了約40 t/h。

1.2.2 大屏過熱器易超溫

大屏過熱器采用疏水式設計，進口集箱為立式布置，節流孔分4組，各組節流孔參數見表2，管子編號為由上至下。

表2 大屏過熱器節流孔參數

同屏壁溫差異較大(見圖3)，最高壁溫為第1根，高負荷時偏差(最高值與最低值的差值)大于50 K，低負荷時偏差更大。說明原計算程序和節流孔的設計存在一定缺陷。

圖3 大屏過熱器第5屏壁溫分布

對大屏過熱器工質阻力進行分析，發現壁溫偏高的管子節流孔局部阻力系數較大，3種節流孔的阻力系數分別為77.52、34.57、15.06，占到管子總阻力的71%、59%、40%，這是導致壁溫偏差大的主要原因。在低負荷時，大屏過熱器整體流量減少，而燃燒器投運位置與磨煤機對應，有較大隨機性，加之火焰下沖距離短、大屏過熱器底部距離爐拱較近，進入大屏過熱器的火焰溫度分布不均，使低負荷時大屏過熱器的壁溫偏差進一步加大。

新設計需要對節流孔孔徑進行優化，適當降低工質局部阻力占總阻力的比例。

1.2.3 排煙溫度高

第一代鍋爐在滿負荷時，修正后排煙溫度比設計值高10 K以上。部分項目為減少過熱器減溫水量，進行了增加省煤器受熱面的改造；改造后空氣預熱器進口煙溫和鍋爐排煙溫度均有一定程度降低，表明低溫區尾部受熱面偏少，在空氣預熱器入口煙氣溫度達到原設計值的情況下，仍存在排煙溫度偏高現象。一方面回轉式空氣預熱器蓄熱元件面積可能不足或換熱效果未達到預期，造成換熱量低于計算值，另一方面煤質變化后制粉系統旁路風量增加也會造成排煙溫度升高。新設計應考慮布置足夠的省煤器受熱面，同時空氣預熱器選型應留有更大裕度。

1.2.4 低負荷再熱汽溫偏低

鍋爐正常運行，燃用日常煤質(發熱量低于設計煤)時，420 MW以下，再熱汽溫低于設計值30 K以上，燃用設計煤質時，其偏差幅度更大。分析原因為低溫再熱器受熱面偏少約5 000 m2，煙氣調節擋板流通面積較大，調節特性不佳。此外，運行中還發現第1根管子的出口壁溫與其他管子的出口壁溫溫差較大，更易超溫。后續新設計應對節流孔進行校核。

1.2.5 NOx生成濃度偏高

第一代鍋爐的NOx生成質量濃度普遍在1 200 mg/m3以上，主要原因是爐內燃燒溫度較高，未采用空氣深度分級燃燒，主燃區產生大量熱力型NOx和燃料型NOx。燃盡風以往被認為會造成燃燒低揮發分煤的鍋爐效率顯著降低，不宜用在W火焰鍋爐上。近年來，以空氣深度分級為主要降氮手段的W火焰低氮燃燒技術已經在新建機組和改造機組上廣泛應用[3,6]，結果表明適當的燃盡風率對NOx生成濃度控制有明顯效果且不會造成鍋爐效率顯著降低。新設計鍋爐應設計燃盡風，實現空氣深度分級燃燒，控制NOx生成濃度。

2 第二代鍋爐方案優化

2.1 鍋爐設計條件

該燃煤電廠2臺622 MW亞臨界燃煤機組，同步建設海水脫硫和脫硝裝置；煤質為越南北部無煙煤。鍋爐最大連續出力(BMCR)和額定負荷工況的設計參數見表3，煤質數據見表4。

表3 鍋爐主要參數

表4 煤質分析

2.2 機組運行條件

(1) 運行方式：帶基本負荷并參與調峰。

(2) 制粉系統：雙進雙出鋼球磨煤機冷一次風正壓直吹式送粉系統，每爐配6臺磨煤機。

(3) 給水系統：每臺機組配置2臺50%BMCR容量汽動調速給水泵，1臺30%BMCR容量電動調速給水泵組。

(4) 汽輪機旁路系統：采用高、低壓串聯旁路，其容量按鍋爐BMCR工況的60%設置。

(5) 排渣方式：采用水浸式刮板撈渣機除渣。

(6) 空氣預熱器進風加熱方式：暖風器加熱。

2.3 優化方案

針對第一代鍋爐存在的主要問題，主要采取了以下優化措施：

(1) 增加爐膛高度。在第一代鍋爐的基礎上增加2 m爐膛高度，水冷壁受熱面積增加178 m2，同時減少了衛燃帶面積245 m2，預計可降低減溫水質量流量60.8 t/h，同時延長了煤粉停留時間，有利于煤粉燃盡[7]；減少的爐膛衛燃帶區域位于遠離火焰中心的冷灰斗拐點區域和爐拱上方及側墻，在不影響燃燒性能的前提下，使蒸發-過熱吸熱匹配更合理。爐膛主要熱力指標見表5。

表5 鍋爐BMCR工況爐膛熱力指標

(2) 優化大屏過熱器受熱面。通過減少大屏的每屏管子數量和高度(見圖4)，降低過熱器吸熱量，大屏過熱器受熱面減少后提高了水冷壁吸收輻射熱的能力，增加了水冷壁吸熱量，通過兩者共同作用，可減少過熱器減溫水質量流量36 t/h。同時，還對進口集箱節流孔進行優化，減小同屏管壁溫偏差。

圖4 大屏過熱器優化示意圖

(3) 增加再熱器受熱面。利用后豎井轉向室空間，增加低溫再熱器垂直段受熱面，提高了低負荷再熱器達到額定汽溫的能力(見圖5)，同時縮減了煙氣調節擋板流通面積，改善了調節特性。為匹配再熱器受熱面各管子吸熱與流動阻力，還對再熱器進口集箱的節流孔進行了優化。

圖5 再熱器受熱面優化示意圖

(4) 增加省煤器和空氣預熱器受熱面。省煤器受熱面積增加約3 200 m2，同時加高了空氣預熱器蓄熱元件，預計可使鍋爐排煙溫度降低13 K。

(5) 優化燃燒系統。在爐拱上方5 m處設置了燃盡風，實現空氣分級燃燒，降低鍋爐NOx生成濃度。

第二代鍋爐主要受熱面優化和預測效果見表6(以第一代鍋爐為基準)。

表6 第二代鍋爐主要受熱面優化與性能預測

3 鍋爐運行情況

3.1 鍋爐主要性能指標

鍋爐投運后各項性能指標均能達到設計值，實測鍋爐熱效率高于設計值2.16百分點(基于高位發熱量)，主要測試值見表7。

表7 鍋爐主要性能測試值

3.2 優化效果

將第二代鍋爐減溫水量、排煙溫度和NOx生成濃度與某4個電廠第一代鍋爐進行對比，結果見表8，再熱器達額定參數負荷范圍由第一代的75%BMCR拓寬到55%BMCR。

受熱面無超溫現象，主要過熱器、再熱器的最大熱偏差系數與第一代鍋爐相比均有降低(見圖6)，大屏過熱器同屏管壁溫分布更合理，最高壁溫降低了約50 K(見圖7)。

表8 額定負荷下過熱器減溫水量和排煙溫度對比

圖6 額定負荷的屏間、管間熱偏差

圖7 額定負荷大屏過熱器壁溫分布對比

4 結語

(1) 對第一代鍋爐存在的主要問題進行了研究。過熱器減溫水量大的主要原因為水冷壁吸熱不足、大屏過熱器吸熱較多；大屏過熱器超溫是因為節流孔設計不合理；排煙溫度高的主要原因為省煤器和空氣預熱器受熱面積余量較小，低負荷再熱汽溫偏低的主要原因為再熱器受熱面積偏少；NOx生成濃度高的主要原因為燃燒系統未采用空氣深度分級設計。

(2) 采取爐膛高度增加2 m、優化大屏過熱器節流孔孔徑、燃燒系統增加燃盡風實現空氣分級燃燒，以及增加低溫再熱器、省煤器、空氣預熱器受熱面積等優化措施，完成了第二代鍋爐的方案設計。

(3) 某電廠采用第二代鍋爐，投運后結果表明設計優化措施達到了預期效果，解決了第一代鍋爐存在的主要問題，鍋爐主要性能指標均達到了設計值。