熱能動力工程在鍋爐方面的發展探索

靳世武

（上海市機電設計研究院有限公司，上海 200040）

0 引言

現階段，熱能動力工程應用更傾向于熱能和動能生產，是作為關鍵構成的鍋爐裝備長期存在能耗高、污染大等問題的原因，由于無法滿足國家提出的清潔能源生產要求，需結合行業發展推動鍋爐技術的創新發展，促使工業鍋爐規格體系逐步完善，為今后能源生產行業的可持續發展提供保障。

1 熱能動力工程概述

熱能動力工程將工程熱物理學當成是理論基礎，主要研究內燃機及其他動力機械，通過有效利用機械學、工程學、力學、信息技術等專業知識探索將燃料化學能和液體動能轉化為動力的方式[1]。目前，熱能動力工程涵蓋各種熱力發動機、動力機械、熱能工程等工程，需要通過機械做功實現熱能持續輸出。伴隨著學科技術的發展，在探尋能量轉換規律和系統設備過程中，強調采用高效、無污染方式實現熱能和動能的相互轉換，做到高效利用能源。從工程內涵來看，強調熱能和動能的轉化和利用，因此在實現能源生產過程控制的基礎上，應重視現有能源利用和新能源開發，從而為社會發展提供源源不斷的能源支撐。

2 熱能動力工程中鍋爐發展重要性

在熱能動力工程中，熱能主要來源于燃料的燃燒，而鍋爐作為實現能量轉換的重要裝置，可以通過提供定額蒸汽輸送熱能，滿足人們的能源獲取需求。在現代鍋爐生產中，鍋爐可以將熱量轉化為機械能，為火力發電過程提供動力能源。經歷熱能發電機、動力機械等熱能動力裝置發展，鍋爐開始衍變出多種類型，可以根據燃燒介質劃分成燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、生物質鍋爐等等，采取了各自領域的專業技術，輔助各種動力裝置通過做功方式為社會輸送能源。因此在熱能動力工程發展過程中，研究新能源開發和現有能源利用問題，需要將鍋爐當成是核心裝備開展深入研究，做到合理應用鍋爐技術實現能源轉換。

3 熱能動力工程在鍋爐方面的發展

3.1 超超臨界鍋爐發展

在燃煤鍋爐發展過程中，能耗高和環境污染大是始終需要克服的問題，制約了整個火力發電行業的發展。而超超臨界鍋爐技術的發展，扭轉了火電機組煤耗居高不下的局面，能夠縮小國內火力發電技術與國外的差距，有助于高效、節能、環保的鍋爐技術發展。超超臨界鍋爐在燃燒狀態時，超超臨界參數為蒸汽壓力≥25MPa，蒸汽溫度≥580℃，相較于超臨界機組可以將熱效率提升1.2%～4%，節省大量煤炭資源的同時，減少鍋爐燃燒產生的污染[2]。根據華能玉環電廠項目研究成果可知，100萬千瓦超超臨界發電機組運行效率達到45.4%，供電煤耗約達283g/kW·h，相較于全國平均供電煤耗降低近百g/kW·h，每年約減少50萬噸二氧化碳的排放，使二氧化硫等污染物排放量減少數千噸。目前，超超臨界鍋爐研究主要需要解決燃燒調整問題，如在褐煤燃燒方面，660MW超超臨界變壓直流鍋爐爐膛內分布四層低NOX旋流式煤粉燃燒器，周圍側墻布置貼壁風。在爐內空氣組織上，劃分為中心風、一次風、二次風，配置間距縮口、擴錐、濃淡分離器等設施，用于提升回流區高溫煙氣范圍和氣流溫度，達到促進燃燒高效、穩定的效果。從熱能動力學角度展開研究，開展鍋爐冷態空氣動力試驗，可以根據動力場特性為后續調整燃燒參數提供依據，有效減少鍋爐污染物排放。

3.2 核聚變反應鍋爐發展

在熱能動力工程發展過程中，強調重視太陽能、生物質能等清潔能源的利用。而核能作為高效清潔能源形勢，已經用于發電，在供熱研究領域則處于發展早期，需要積累更多的供熱經驗和獲取更多技術條件，為產業推廣奠定扎實基礎。早在2018年底，中科院在“人造太陽”裝置研究方面取得了重大突破，研制出了加熱功能達10萬兆瓦的核聚變反應裝置，使等離子體中心達到了1億度的電子溫度。而核聚變將產生超高溫，直接導致現有容器無法承受過高溫度，因此現有研究主要采用核電機組熱電聯供方式供熱。近年來，國家致力于研發殼式、微壓等各種核供熱堆，確保供熱堆可以在較低壓力和溫度下運行，推動了可控熱核聚變反應鍋爐的研究與發展。該類鍋爐內層為蛋殼式的鏡面鎘鍋，中層設置蜂窩保護支架，外層設置球殼狀的密封防護層，如圖1。通過配置磁力網絡裝置、激光引燃裝置等多種裝置，可以迫使氘核和氚核在反應區碰撞，并利用激光照射反應器，使溫度達到核聚變反應要求，釋放大量熱能[3]。將海水或重水當成是核燃料向鍋爐供給，在中層蜂房內布置多臺激光器，能夠對溫升過程進行控制，采取冷卻水和工質相結合的供熱系統控制釋放的熱量。但就目前來看，核聚變反應鍋爐研究對內部反應裝置等各種裝置提出了嚴苛要求，在短時間內難以實現，距離商用化仍然有較遠距離。

圖1 核聚變鍋爐示意圖

3.3 生物質鍋爐發展

目前，生物質鍋爐可以劃分為電能和熱能兩類，根據國家能源局數據可知，截止2020年底全國生物質發電裝機量達到2952萬千萬，全年發電1326億千瓦，同比增長19.4%，增長態勢良好。與此同時，生物質熱能鍋爐應用日廣，在農業、工業、民用等領域用于代替燃煤和燃氣鍋爐，減少污染排放的同時，突顯成本優勢。如在工業供熱方面，采用層狀燃燒方式，可以保證爐內生物質燃燒完全，溫度達到1000℃以上，每噸蒸汽價比燃氣低約百元。但目前該類鍋爐多存在對流管束受熱不均、熱量吸收不全、燃燒室易積灰、單鍋筒負荷低、保溫性差等系列問題，引發了嚴重的熱能損失。未來在鍋爐研究方面，需要根據燃燒的生物質種類和能源生產工藝探究鍋爐結構改進問題。現階段生物質燃燒的燃料多為壓制成型，需要使鍋爐達到100～200Pa排放壓力，并通過室燃+層燃方式獲得較高爐腔結構，保證煙氣長時間停留，從而提高鍋爐燃燒充分性[4]。

3.4 燃氣鍋爐發展

在燃氣采暖技術發展過程中，燃氣鍋爐為核心裝備，具有較高自動化程度，不存在灰渣處理費用，燃料運輸也十分便利。但就目前來看，鍋爐燃燒機依然主要依賴進口，國產燃燒機則存在排放物中氮氧化物含量較高的問題，無法滿足清潔能源生產要求。因此在鍋爐研究上，集中向低氮燃燒方向發展，重點需要解決低氮燃燒機的研制問題。與此同時，燃氣鍋爐存在煙氣中水蒸氣含量過大問題，引發了大量熱能散失，需要研究冷凝換熱技術，通過降低排煙溫度鍋爐熱效率。應用該技術，至少可以將燃氣鍋爐熱效率提升10%，因此研制冷凝式燃氣鍋爐將帶來較大的經濟效益，同時節約大量化石能源。此外，單純使用天然氣將限制燃氣鍋爐的應用范圍，提高鍋爐多能源適應能力，可以有效增加燃氣鍋爐市場份額。考慮到當前國內城市依然重視煤業、礦業發展，需要通過創新燃氣鍋爐技術順利使用煤氣、焦爐氣等燃料氣體生產熱能，在保證鍋爐熱效率較高的同時，達到環保要求，繼而為推動燃氣鍋爐行業發展奠定扎實基礎。

3.5 蓄熱電鍋爐發展

在太陽能、風能等新能源開發量日漸增加的背景下，為解決新能源消納問題，國家提出了“互聯網+”智慧能源發展戰略，通過實現互聯網、先進信息技術和能源產業深度融合探索“潔能+儲能+智能”發展方向[5]。而蓄熱電鍋爐的應用，使鍋爐開始參與能源互聯，為解決工序不平衡問題提供有效方案。不同于傳統鍋爐，蓄熱電鍋爐容量大，并且控制簡單，通過在二級熱網側布置，可以解決能源消納問題。現階段，蓄熱電鍋爐已經初步在電網中應用，如瑞士巴登項目、吉林長春試點項目等，能夠參與系統調峰。在全熱模式下，鍋爐可以在用電高峰停運，并在低谷蓄熱并供熱，降低運營成本。采取部分熱模式，鍋爐在非高峰期蓄熱，彌補高峰階段熱需求不足問題。在參與風電消納方面，主要采用集中控制模式，如圖2，可以實現風電就地消納。未來隨著能源互聯網的發展，需要實現電網和可再生能源的高度融合，因此需要實現蓄熱電鍋爐的多目標分布控制，解決蓄熱系統和供熱系統復雜耦合問題，實現資源的優化配置。為此，需要加強智能感應、自動報警、智能計量、遠程控制等技術應用，推動蓄熱電鍋爐控制模式的智能化、物聯化發展，完成鍋爐技術的更新換代，實現發電量和蓄熱量的合理分配和控制優化，為能源生產行業注入新的發展活力。

圖2 蓄熱電鍋爐參與風電消納的集中控制模式

4 結語

發展熱能動力工程的根本目的是實現資源的充分利用，推動能源生產行業的可持續發展。未來為加強燃煤、核能、生物質、燃氣等各種能源的充分利用，各種類型鍋爐將作為核心設備得到不斷研制，并且根據鍋爐裝配現有問題有針對性地提出改良方案，促進鍋爐充分燃燒的同時，降低鍋爐運行成本和減少污染物排放，做到全面提升資源利用率。