1 000 MW超超臨界鍋爐設計特點與選型分析

謝國鴻,黃 偉,彭 敏,朱光明

(湖南省電力公司試驗研究院,湖南長沙 410007)

隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,自 2006年底以來,我國先后有10余臺1 000 MW超超臨界機組投入商業(yè)運行,目前正在建設和調(diào)試的 1000MW超超臨界機組也不少。從技術可行性、設計制造、運行情況、技術經(jīng)濟等來看,1000MW超超臨界鍋爐的設計和運行已趨于成熟。下一階段 1 000 MW超超臨界機組將成為新建火電機組的投資建設重點,湖南省也正著手于 600MW以上超超臨界火電機組建設。目前我國 1 000 MW超超臨界鍋爐主要以哈鍋(HBC,三菱技術)、東鍋 (DBC,巴布科克 -日立技術)、上鍋 (SBWC,阿爾斯通技術)為主。我國已經(jīng)投運的 1 000 MW超超臨界機組見表 1。

1 1 000 MW鍋爐的設計特點

為了確保鍋爐投產(chǎn)后能夠安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行,大容量鍋爐設計上主要從以下方面重點考慮:水循環(huán)動力特性、結構和受熱面選材及布置、燃燒方式確保低 NOX排放、最低穩(wěn)燃負荷措施、提高燃燒效率措施等〔1〕。

表 1 我國已投運的 1 000 MW超超臨界鍋爐各指標比較

1 000 MW超超臨界鍋爐由于參數(shù)高,受熱面材料選用尤為關鍵。目前,用在超超臨界鍋爐過熱器、再熱器高溫段的材料大多是奧氏體鋼,主要以超細晶粒的 Super304H和 HR3C為主,而目前國內(nèi)常用的 P91材料,則一般用在低溫段。

超超臨界 1 000 MW鍋爐水冷壁布置形式主要采用垂直管圈帶中間混合聯(lián)箱和下部螺旋管圈帶上部垂直管圈,鍋爐通常采用帶再循環(huán)的爐水泵啟動系統(tǒng)。在鍋爐啟動期間,借助于爐水再循環(huán)泵和給水泵,水冷壁系統(tǒng)內(nèi)始終保持相當于鍋爐最低直流負荷流量 (25%～30%BMCR)。

燃燒器設計主要有直流和旋流型 2種,現(xiàn)在這2種形式均已在我國不同等級的鍋爐上得到了廣泛應用,技術較為成熟,各有優(yōu)缺點。在燃燒器設計選型時重點考慮燃煤特性和環(huán)保因素。

我國目前 1 000 MW超超臨界鍋爐的主要特性對比見表 2。

表 2 我國 3大鍋爐制造廠 1000MW超超臨界鍋爐主要特性對比

2 1000 MW超超臨界鍋爐設備選型分析

大型超超臨界煤粉鍋爐的整體布置主要采用 Π型布置和塔型布置,也有的采用 T型布置方式。由于 T型布置蒸汽系統(tǒng)復雜,鋼材耗量大,我國發(fā)展超超臨界鍋爐一般在 Π型布置和塔式布置中選擇。我國目前 1 000 MW超超臨界鍋爐主要的布置形式見圖 1。

2.1 Π形布置

2.1.1 主要優(yōu)點:鍋爐及廠房的高度較低,排煙口在下部,可以減輕廠房和鍋爐構架的負載;在水平煙道中可以采用支吊方式比較簡單的懸吊式受熱面;在尾部垂直下降煙道中,受熱面易布置成逆流傳熱方式,強化對流傳熱;尾部受熱面檢修方便;鍋爐本身以及鍋爐和汽輪機之間的連接管道都不太長〔2〕。

2.1.2 主要缺點:煙氣在爐內(nèi)流動要經(jīng) 2次轉彎,造成煙氣在爐內(nèi)的速度場、溫度場和飛灰濃度場不均勻,影響傳熱效果,并導致對流受熱面局部飛灰磨損嚴重;在尾部煙道中要布置足夠的尾部受熱面有困難,特別是在燃用低發(fā)熱值的劣質(zhì)煤時更顯得突出;由于有水平煙道,使鍋爐構架復雜,而且不能充分利用其所有空間來布置受熱面。

2.2 塔形布置

2.2.1 主要優(yōu)點:占地面積小,取消了不宜布置受熱面的轉彎室,煙氣流動方向一直向上不變,可以大大減輕對流受熱面的局部磨損,對燃用多灰分燃料特別有利;均勻的對流受熱面煙氣流場分布,煙氣流動阻力也較小;所有受熱面全部采用水平布置,具備很強的自疏水能力,具備優(yōu)異的備用和快速啟動特點;防止爐內(nèi)結焦〔3〕。

2.2.2 主要缺點:鍋爐本體高度很高,過熱器、省煤器、再熱器等對流受熱面都布置在很高位置,連接的汽水管道較長;安裝及檢修均較復雜。

3 1 000 MW超超臨界鍋爐燃燒方式

煤粉的燃燒方式,主要有切向燃燒方式 (四角、六角或八角)、墻式燃燒方式 (前后墻對沖燃燒)和 W型火焰燃燒方式 (拱式燃燒)3種。

切向燃燒中火焰可相互支持,一、二次風的混合易于控制,其煤種適應性較強,成為我國目前火電機組鍋爐燃燒的主要方式之一。鍋爐向超大容量發(fā)展,若仍采用單火球 Π型爐,則要求爐膛出口高度增大,這樣除了爐膛出口后的兩側存在煙氣能量不平衡外,上、下方向也會出現(xiàn)同樣問題,另外過高的管屏內(nèi)外圈管吸熱量差異加大,外圈管受熱行程長,易過熱。尤其在超超臨界參數(shù)下,主汽及再熱汽溫將會高達 580～600℃,即便選用新型奧氏體鋼,易出現(xiàn)管屏下部迎火管段的超溫問題。現(xiàn)在設計上常采用雙爐膛或雙切圓形式,部分也采用塔式布置。

對沖燃燒方式 Π型鍋爐爐膛截面可布置為長方形,則爐膛出口也會高度降低呈長方形,解決了四角切向燃燒 Π型爐存在的爐膛出口水平煙道左右側的煙溫偏差大及其左、右側主蒸汽及再熱蒸汽溫差較大的問題。旋流式燃燒器前后墻對沖布置和直流式燃燒器切向布置相比,其主要優(yōu)點是上部爐膛寬度方向上的煙氣溫度和速度分布比較均勻,使過熱蒸汽溫度偏差較小,并可降低整個過熱器和再熱器的金屬最高點溫度。

W型火焰燃燒方式對難燃的貧煤及無煙煤在燃燒穩(wěn)定性上優(yōu)于四角和墻式燃燒方式,其下爐膛的截面積偏大,且四周敷設衛(wèi)燃帶,可使煤粉火焰具有較高溫度,而又不易沖墻,減少了結渣的危險;但是,由于爐膛截面積大,形狀復雜,鍋爐本體造價大致要增加 20%左右。另外,形成和控制W型火焰使充滿整個爐膛,要求成熟的設計經(jīng)驗和較高的運行水平。我國首臺600MW W型火焰超臨界鍋爐已于 2009年 7月在湖南省金竹山電廠投入商業(yè)運行,目前 600 MW等級以上 W型火焰超(超)臨界鍋爐尚處在設計研發(fā)階段。

4 結 論

鍋爐布置型式與燃燒方式有一定關系,兩者應合理搭配。目前我國超超臨界機組鍋爐有如下 5種燃燒方式與鍋爐布置相適應:四角單切圓 Π式布置、四角單切圓塔式布置、爐膛雙切圓 Π型布置、墻式對沖塔式布置、墻式對沖 Π型布置。湖南省1 000 MW鍋爐設備選型需根據(jù)燃煤條件、調(diào)峰性能、環(huán)保指標、投資費用、運行可靠性及經(jīng)濟性等進行全面的技術經(jīng)濟比較后選定。

〔1〕DL/T831-2002,大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則 〔S〕.北京:中國電力出版社.

〔2〕樊險峰,吳少華.國產(chǎn)首臺超超臨界鍋爐的設計與技術特點〔J〕.動力工程,2009(2):139-144.

〔3〕高子瑜,等.1 000MW超超臨界鍋爐塔式鍋爐設計特點〔J〕.鍋爐技術,2006(1):1-5.