650 ℃高參數燃煤機組鍋爐方案及關鍵技術措施

熊 鵬,易廣宙,尹朝強,劉宇鋼,潘紹成,黎懋亮

1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室,四川 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

0 引言

為應對氣候變化,推動以二氧化碳為主的溫室氣體減排,我國提出“力爭2030年前達到碳達峰,力爭2060年前實現碳中和”的目標。這意味著,我國能源結構面臨轉型,傳統化石能源需進一步給清潔能源、可再生能源讓步。然而,受我國能源結構限制,電力用煤占我國社會總化石能源消耗的近一半[1-2],在未來一段時間內仍為我國主要能源。

提高機組參數是未來燃煤電站節能降碳的關鍵途徑。隨著620 ℃參數高效超超臨界機組相繼投運[3],為開發更高參數機組打下了技術基礎,但受制于材料等關鍵技術,700 ℃參數超超臨界機組應用尚需時日。從目前新型材料的研發進展[4-6]來看,650 ℃參數燃煤火電機組實現的可能性更大。

蒸汽參數提升到650 ℃之后,鍋爐各受熱面吸熱比例、傳熱溫壓等均發生了較大變化,尤其是水冷壁要承受更高的壓力和溫度,因此需要對水冷壁進行合理設計和選材。同時,爐內燃燒與受熱面傳熱耦合特性、壁溫偏差控制技術、高等級受熱面的選材等都是650 ℃鍋爐開發過程中的研究重點。

本文提出了1 000 MW等級高效超超臨界650 ℃燃煤發電機組鍋爐總體布置方案,包括П型和塔式2種典型布置方式,同時對650 ℃鍋爐方案開發中的關鍵技術提出了相應措施,例如水冷壁設計、壁溫偏差控制和高等級受熱面選材等方面。650 ℃高參數超超臨界機組是未來煤電轉型升級的重要一步,本文提出的650 ℃鍋爐方案和關鍵技術措施為未來工程示范打下了堅實的技術基礎。

1 鍋爐基本方案

1.1 鍋爐設計參數

鍋爐主要設計參數如表1所示,并與目前已投運1 000 MW等級機組中最先進的620 ℃高效超超臨界參數進行對比。

表1 650 ℃鍋爐主要設計參數(BMCR工況)

從表1可以看出,機組參數提升到650 ℃之后,過熱蒸汽和再熱蒸汽流量均有所減小,總吸熱量也隨著減少,在相同功率負荷下,會帶來鍋爐燃煤消耗量的減少,有助于節能降碳減排。

1.2 總體布置

鍋爐采用高效超超臨界參數變壓運行直流爐,一次中間再熱、前后墻對沖燃燒方式、單爐膛平衡通風、固態排渣、露天布置、全懸吊鋼結構П型爐或塔式鍋爐。兩種布置方式如圖1、2所示。

圖1 П型鍋爐總體布置

圖2 塔式鍋爐總體布置

圖3 前后墻對沖燃燒溫度場分布

圖4 雙進雙出的集箱連接方式

制粉系統:采用中速磨正壓直吹式制粉系統,每臺鍋爐配備6臺磨煤機,BMCR工況5運1備。

脫硝系統:每臺鍋爐配置2臺SCR反應器。

空氣預熱器:每臺鍋爐配置2臺四分倉回轉式空氣預熱器。

啟動系統:帶啟動再循環泵的內置式啟動系統。

1.3 汽水流程

П型爐和塔式鍋爐由于自身結構布置不同,一次汽流程略有差異。

一次汽流程(П型爐):主給水管道—省煤器—集中下降管—螺旋水冷壁—過渡段水冷壁—垂直水冷壁—啟動分離器—頂棚—包墻—一級過熱器—一級減溫器—二級過熱器—二級減溫器—高溫過熱器—汽輪機高壓缸。

一次汽流程(塔式爐):主給水管道—省煤器—集中下降管—螺旋水冷壁—過渡段水冷壁—垂直水冷壁—啟動分離器—一級過熱器入口連接管—爐內吊掛管—一級過熱器管屏—一級減溫器—二級過熱器—二級減溫器—高溫過熱器—汽輪機高壓缸。

П型爐和塔式鍋爐再熱器流程一致。

再熱汽流程:再熱器入口管道—低溫再熱器—再熱器微調噴水減溫器—高溫再熱器—汽輪機中壓缸。

1.4 受熱面布置

П型爐和塔式鍋爐受熱面級數相同,但由于2個爐型自身結構特點的差異,各級受熱面布置位置和布置方式均有所不同(見表2)。

表2 П型爐和塔式鍋爐受熱面布置差異

塔式鍋爐爐內受熱面均水平布置在爐膛出口第一煙道,通過一級過熱器入口段形成的吊掛管懸吊在爐頂大板梁上;而П型鍋爐只有尾部豎井內部分一級過熱器、部分低溫再熱器和省煤器水平布置,其余均垂直布置,通過頂棚上方的集箱懸吊在爐頂大板梁上。

1.5 燃燒系統

采用前后墻對沖燃燒方式,前后墻各3層,每層8只燃燒器,全爐共48只燃燒器。

燃燒器采用最新的OPCC雙調風旋流燃燒器,由一次風彎頭、一次風管、煤粉濃縮器、穩燃環、內二次風裝置、外二次風裝置(含調風器)燃燒器殼體等零部件組成。采用環形濃淡強化分級技術,燃燒效率高、低負荷穩燃能力強。

在前、后墻燃燒器上方各布置了2層燃盡風噴口,每層布置8個。另外,在每層燃燒器上方靠近側墻的地方布置了貼壁風(共12個)以防止水冷壁側墻高溫腐蝕。

1.6 調溫方式

過熱蒸汽溫度采用煤水比作為主要的調節方式,同時在一級過熱器至二級過熱器連接管道上和二級過熱器至三級過熱器連接管道上分別布置一級減溫器和二級減溫器,用來調節受熱面出口汽溫和左右兩側的汽溫偏差。一級減溫器和二級減溫器均設有左、右側2個噴水點,用單獨的調節閥來調節兩側減溫管路的噴水量,以消除左、右側的蒸汽溫度偏差。過熱器減溫水引自省煤器出口,總的設計噴水量為6%。

再熱蒸汽溫度采用尾部平行煙氣調節擋板調節汽溫,同時在低溫再熱器和高溫再熱器之間的左右側連接管上,布置有微調噴水減溫器,用作微調。

1.7 煙風系統

煙氣通過尾部平行調節擋板后匯流至SCR脫硝設備后進入空氣預熱器的煙氣倉,在空預器中利用煙氣熱量來加熱一次風和二次風。從空氣預熱器出來的煙氣通過余熱利用換熱器,進入靜電除塵器、脫硫后由引風機排至煙囟。

一次風用作煤粉的輸送和干燥介質,通過一次風機送入空氣預熱器的一次風分隔倉,加熱后通過熱一次風道進入磨煤機。在磨煤機內,一次風與煤粉充分混合后通過煤粉管道由燃燒器一次風噴口進入爐膛燃燒。

二次風的作用是保證煤粉燃盡和控制氮氧化物的生成,通過送風機進入空氣預熱器的二次風分隔倉,加熱后由鍋爐兩側經熱二次風道進入大風箱。通過燃燒器區域二次風噴口、燃燒器上方燃盡風噴口進入爐膛。

1.8 鋼結構布置

鍋爐構架采用全鋼結構,分成鍋爐區域鋼架和空預器/脫硝區域鋼架2個部分,2個部分均可獨立承載,通過多層平臺予以連接。爐頂大板梁通過四周主要鋼柱支撐,鍋爐主要承壓件均懸吊在爐頂大板梁上。

2 鍋爐關鍵技術措施

2.1 水冷壁設計

650 ℃鍋爐相比目前較成熟的620 ℃高效超超臨界鍋爐,水冷壁出口工質溫度有了較大的提升,對于水冷壁的材料選擇和安全性帶來了更高的設計要求。水冷壁初步計算結果如表3所示。

表3 650 ℃鍋爐水冷壁初步計算結果

從上表可以看到,650 ℃鍋爐水冷壁壁溫和設計壓力相比目前成熟的620 ℃高效超超臨界鍋爐均有較大提升,需相應提高水冷壁材料等級才能滿足要求。650 ℃鍋爐水冷壁推薦材料如表4所示。

表4 650 ℃鍋爐水冷壁推薦材料

目前SA-213T91材料在水冷壁中應用較少,主要用在循環流化床鍋爐高溫過熱器和高溫再熱器直管屏中。主要存在水冷壁成排彎管的加工制造工藝、工地的焊后熱處理難度大等問題。蒲貴明[7]研究表明SA-213T91水冷壁管屏進行成排彎后,容易引起角焊縫根部裂紋、氣孔等缺陷,需采用針對性的控制措施來進一步驗證。莫春鴻 等[8]在SA-213T91水冷壁管屏成排彎、開孔等也做了大量的工藝試驗,試驗顯示SA-213T91用在水冷壁管屏是可行的。

2.2 壁溫偏差控制

壁溫偏差如果控制得不好,一方面會帶來受熱面超溫,影響鍋爐安全性;另一方面會制約蒸汽溫度達到額定值,影響機組經濟性。因此,必須采取有效的技術措施來控制受熱面壁溫偏差。

2.2.1 煙氣側偏差控制

1)采用前后墻對沖燃燒方式,爐內火焰充滿情況較好,燃燒更加均勻,使得爐膛左右兩側煙溫偏差小。

2)最上層燃盡風采用左右擺動型結構,可以根據鍋爐實際運行情況,調整燃盡風擺動角度,確保沿爐膛寬度氧量分布均勻、煤粉燃燒更加均衡,確保爐膛空氣動力場、溫度場的均勻性。

2.2.2 工質側偏差控制

1)合理分配各級受熱面的面積,使各級受熱面的焓增處于合理水平,控制高溫級受熱面的溫升水平,以控制偏差汽溫最高點。

雖然蒸汽參數從620 ℃提高到了650 ℃,但高溫級受熱面的溫升并沒有出現較大提高,主要是因為650 ℃參數的給水壓力和溫度更高,使得分離器溫度提高了約43 ℃,再加上給水溫度也提高了約15 ℃,所以后面三級過熱器的溫升與620 ℃參數的溫升水平相當;主汽溫度提高后,高壓缸排汽溫度也有較大提高,再熱器進口汽溫提高了約39 ℃,所以兩級再熱器的溫升也沒有較大變化。

2)集箱的連接形式采用雙進雙出,能夠有效降低水力偏差。

3)設計合理的進出口集箱內徑,匹配進出口集箱間的靜壓分布,降低集箱分配水力偏差。

4)設置糾偏噴水減溫,左右兩側減溫水量單獨調節,對左右側汽溫偏差進行糾偏。

2.3 高等級受熱面選材

目前已投運的最高620 ℃參數機組鍋爐高溫級受熱面采用SUPER304H、HR3C奧氏體鋼,最高使用溫度一般不超過700 ℃;高溫管道集箱采用SA-335P92鐵素體鋼,最高使用溫度一般不超過630 ℃。當機組參數提高到650 ℃后,考慮到受熱面壁溫偏差,受熱面最高壁溫會超過700 ℃,蒸汽出口管道SA-335P92材料也不再適用,因此需引入新的高等級材料。

650 ℃參數高等級受熱面小管候選材料主要有SP2215、Sanicro25、HR6W、617、HT700T。

650 ℃參數高溫管道集箱大管候選材料主要有G115、HR6W、617、HT700P。

650 ℃參數高溫部件材料[9-13]基本情況如表5所示。

表5 650 ℃高溫部件候選材料

鍋爐用材主要看工作條件下的許用應力,許用應力高的材料可以減薄管子壁厚,降低重量,也可以減少管子制造難度與部件制造難度。

650 ℃參數高溫部件候選材料許用應力對比如圖5～6所示。

圖5 受熱面小管各材料許用應力對比

圖6 管道集箱大管各材料許用應力對比

從上圖對比可以看到,HT700材料在受熱面小管和管道集箱大管許用應力上的優勢均較明顯,在相同的設計壁溫和設計壓力下,管子壁厚可以更小,從而降低鍋爐重量。

目前,對于HT700新材料已做了大量試驗研究,包括大小管母材試驗研究、焊接試驗研究、集箱管接頭焊接、成形試驗研究、高溫長時試驗研究,積累了大量試驗數據,持久強度試驗正在進行中。

3 結束語

650 ℃參數機組是未來火電朝著更加高效、清潔、靈活方向升級的重要一步,也是新型電力系統轉型方向。針對650 ℃參數超超臨界鍋爐,本文提出了П型和塔式2種布置方案,并對其關鍵技術提出了相應措施。

1)650 ℃參數超超臨界鍋爐采用П型和塔式2種技術方案均可行。

2)水冷壁垂直段需采用SA-213T91以滿足參數提升后水冷壁管的強度要求。

3)從煙氣側和工質側采用有效措施,控制受熱面壁溫偏差,保證寬負荷下汽溫達到額定值。

4)參數提升到650 ℃之后,鍋爐高溫級受熱面小管以及主汽、熱再出口集箱管道需要引入新材料,從目前650 ℃高溫部件候選材料來看,HT700鐵鎳基合金具有一定的優勢。新材料的研發進展將直接關系到未來650 ℃高參數機組工程示范的進程,隨著新材料的深入研究,目前離工程化應用也越來越近,相信不久之后便會有650 ℃示范工程的落地。