600 MW空冷機組鍋爐煙風道優化設計分析

李江波，賈紹廣

(河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031)

1 概述

河北建投沙河發電有限公司2臺600 MW超臨界空冷機組工程(簡稱“沙河工程”)是由河北省建設投資公司投資建設的火電廠工程。該項目安裝2臺600 MW國產超臨界參數直接空冷機組，目前正在建設中，預計2011年投產發電。該工程在電力系統中承擔基本負荷，并滿足電廠調峰的需要。該電廠為凝汽式電廠，不需要供熱。

該機組鍋爐為超臨界直流、單爐膛、一次再熱、平衡通風、半露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐，空氣預熱器為三分倉回轉式，燃燒方式為前后墻對沖，采用“高能電火花-輕油-煤粉”的點火方式和機械霧化方式，過熱器為噴水減溫調節，再熱器為擋板調溫，噴水減溫僅用于事故工況。鍋爐主要性能數據有：過熱蒸汽流量2 015 t/h，過熱器出口壓力25.4 MPa，過熱器出口溫度571 ℃，再熱蒸汽流量1 643 t/h，再熱器出口溫度569 ℃，空氣預熱器入口一次風溫28 ℃，空氣預熱器入口二次風溫23 ℃，排煙溫度(未修正)130 ℃，鍋爐效率(BRL工況，保證值)92.0%。

在該項目設計過程中，按照節能減排、降低投資、提高效益的原則，對整個電廠的設計進行了全面優化。下面對電廠鍋爐煙風道設計優化的情況進行分析，以期對同類電廠設計工作提供參考和借鑒。

2 煙風道設計的優化

煙風道設計的優化一般主要包括道體形狀優化和布置優化。道體形狀優化主要是將矩形道體改為圓形道體，從而降低道體單位長度的材料耗量；布置優化是指通過優化主廠房布置方案，減少機組占地，相應縮短煙風道長度以及沿程阻力，達到減少材料耗量，節約初投資及運行費用的目的。

2.1 道體形狀的優化

矩形煙風道的優點在于斷面長寬比可以任意調整，在電站有限的空間內布置方便，故長期以來電站的煙風道采用矩形道體居多。DL/T 5121-2000《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》(簡稱“《煙規》”)雖然推薦在1 000 t/h以下的鍋爐上采用圓形煙風道，但規程及其配套計算方法還是涉及矩形斷面的居多。

隨著機組容量增大，煙風道的斷面也隨之增大，如600 MW等級機組，煙道母管斷面為35～40 m2。在抗內(外)爆炸壓力條件下矩形道體為平板受力，要使變形不超過規定范圍，需設置相當多的內撐構件和外加強構件，不但耗鋼量多，也增加了設計難度。

《煙規》規定，300 MW及以上機組的煙風道按抗爆炸壓力設計。由于脫硫、脫硝裝置的加入，煙道負壓甚至超過通常±8.7 kPa的抗爆炸壓力。對于正壓直吹式制粉燃燒系統，一次風壓達到10～20 kPa，磨煤機進口風道受磨煤機內爆炸沖擊波波及的范圍，需要按磨煤機抗爆炸壓力等級0.35 MPa設計。這種情況下，矩形煙風道平面受力的缺點愈加突出。圓形截面煙風道只要合理解決布置問題，其高質量、低造價、低運行成本的優越性就可得以充分發揮。

在同樣通流面積時，圓形煙風道有下列優勢：

a. 風道斷面周長比矩形風道小，無內撐桿，加固肋也少得多，節省用料；

b. 風道直徑比采用正方形時的邊長要大，且上下左右都需要同樣大的空間；圓形風道與矩型風道相比，空間適應性稍差；

c. 管道采用捲扳機捲制，加固肋少，因此焊縫少，加工工作量小；

d. 管道道體較輕，節省支吊架和土建費用；

e. 管道無內撐桿，可以減少管道流通阻力；

當需要設插板門時，圓風道可能要特殊訂貨。

因此，得出煙風道優化設計的原則是：在布置空間允許的前提下優先采用圓形風道。

2.2 布置方案

2.2.1 除塵器進口煙道優化

除塵器進口煙道的常規布置方案見圖1。

(a) 平面布置 (b) 斷面布置

在常規的煙道布置方案中，空氣預熱器出口煙道首先向上進入橫向布置的大風箱，然后在大風箱內進行90°轉彎，轉向爐側，再進行90°轉彎，最后經過一個“Y”形管進入除塵器。該布置方案中，由于煙氣經過2次直角轉彎，同時伴隨著通流面積強烈地擴散和收縮，不但增大了煙氣阻力，同時極易引起煙氣湍流，導致煙道在運行中發生振動。

由于煙氣中飛灰的慣性作用，這種布置方案會導致電除塵器2個室的含塵量不均勻，原因是當灰在煙道中拐彎時，由于慣性的作用灰在彎道的外側濃度增加，內側濃度減少。如圖1所示，實際運行中電除塵器2個室中靠鍋爐外側的煙氣含塵量較大。由于電除塵器各個室的集塵面積相同，勢必造成一側工作超負荷，而另一側則不能滿負荷工作。

工程同步建設脫硝裝置時，要求鍋爐最外排柱必須從0 m直達爐頂，用于支撐脫硝裝置。如圖1所示，該布置方案將導致鍋爐最外排柱被煙道遮擋，且難以避讓。另一個缺點是矩形大風箱體積龐大。由于此處煙氣處于負壓狀態，同時需要考慮積灰荷載，因此需要加大加固肋和內撐桿的規格。與圓形煙道相比，常規矩形風道的材料費用高、加工復雜、工期長。

鑒于常規煙道的以上缺點，對沙河工程的煙道布置進行了大膽的創新，經過反復優化，確定沙河工程的煙道布置方案，見圖2。

(a) 平面布置 (b) 斷面布置

優化后的煙道在鍋爐出口處先布置一個90°矩形彎頭，把煙氣流向轉為向上，為送風機和一次風機的布置騰出空間，然后緊接2個方圓節將煙氣流道一分為二，同時將矩形截面煙道變為圓形截面。由于圓形管道空間轉角非常方便，因此方圓節后的煙道布置自由度很大，以煙道最短、阻力最小為原則。

除塵器進口煙道優化方案具有以下優點：

a. 保證除塵效率。由于煙道從鍋爐出來后很快被分隔成2根，避免了煙道經過多個拐彎后，煙塵的濃度在不同煙道內分配不均，使進入除塵器不同通道的煙氣含塵濃度差別大，保證了除塵效率。

b. 減小煙道阻力。優化后的煙道阻力比常規布置方案的阻力更小，常規布置方案除塵器進口前的煙道大風箱流態很差，阻力較大，優化后的煙道布置方案取消了大風箱，用圓形煙道的緩轉彎頭和直段把煙道出口的煙氣分送到除塵器的進口，氣流順暢，阻力較小，減少了引風機運行的電耗。

c. 減少工作量。由于采用圓形煙道，煙道的受力結構比矩形煙道好，能節省大量煙道加固肋和內撐的用量，減少鋼材及焊條耗量，減少加工工作量，縮短工期。

d. 方便空間轉彎。由于除塵器前煙道需要頻繁轉彎，采用圓形截面煙道將使布置更加簡便，對于其它300 MW機組、1 000 MW機組的煙道布置也有很強的適應性。

沙河工程的煙道布置方案經過優化后，可優化煙氣的流態，節省材料用量，縮短煙道的加工工期，實現“高速度、高質量、低成本”的基建方針。

以某同類工程作為目標工程進行對比，根據同類工程施工圖設計，每臺鍋爐除塵器前煙道鋼材耗量為389.5 t，經過優化設計后，初步估算沙河工程的除塵器前煙道鋼材耗量為193.6 t。按照《火電工程限額設計參考造價指標(2008年水平)》取值，除塵器煙道鋼材成本加上制作費用單價為8 712 元/t，2臺鍋爐除塵器煙道可節省約170.7 萬元。

2.2.2 熱一次風道優化

熱一次風道常規配置方案為母管采用1 800 mm×1 800 mm×4 mm，加固肋為槽鋼[8，間距為500 mm。經過優化，熱一次風道母管采用φ2 020 mm×4 mm 焊接鋼管，加固肋為角鋼∠50 mm×50 mm×5 mm，每2 m布置1個。

對于磨煤機入口干燥風道，根據DL/T 5203-2005《火力發電廠煤和制粉系統防爆設計技術規程》規定，熱風隔絕門后管道須按磨煤機抗爆炸壓力等級0.35 MPa設計，如此大的內壓已經超出了《煙規》配套設計計算方法的范圍。常規方案采用單跨梁模型進行計算，道體選用1 200 mm×900 mm×8 mm，加固肋間距為500 mm，加固肋為槽鋼[14a。改用圓形管道后，磨煤機入口干燥風道可采用φ1 220 mm×5 mm焊接鋼管，加固肋為扁鋼-50 mm×6 mm，每1.5 m布置1個。

與除塵器進口煙道鋼耗材計算方法相同，優化后，每臺鍋爐熱一次風道共節約鋼材166.6 t。按照《火電工程限額設計參考造價指標(2008年水平)》取值，熱一次風道材料費用和制作費用單價為9 544 元/t，2臺鍋爐熱一次風道可節省材料費約159萬元。

2.2.3 引風機進口煙道優化

將2臺引風機橫向(風機軸線與鍋爐對稱中心線垂直)對稱布置，2臺引風機出口煙道合二為一，去往脫硫系統。

由于優化后的除塵器前煙道不對稱布置，理論上，內、外側煙道阻力存在偏差，而且外側煙道比內側煙道的阻力略大(A側>B側)；對于除塵器后煙道，將引風機進口中心線適當偏向外側布置，勢必外側煙道較短，內側煙道較長，理論上，外側煙道比內側煙道的阻力略小(C側

(a) 煙道平面 (b) 煙道斷面

2.3 優化經濟性

該工程通過煙風道設計優化后，經計算每臺鍋爐節省煙風道耗材共362.5 t，2臺鍋爐共節省725 t。參照《火電工程限額設計參考造價指標(2008年水平)》，煙、風道材料費用和制作費用共約為9 000 元/t，2臺鍋爐共節省材料費約659.4萬元，優化可取得的效益很明顯。

3 結束語

以上針對600 MW機組煙風道存在的問題，對河北建投沙河發電有限公司600 MW工程中煙風道的形狀及布置方案進行了優化設計。優化設計的方案可以節省煙風道材料的用量、減少煙風道占地面積，節省費用，希望能對以后同類型機組煙風道的設計提供參考。