大型燃油鍋爐及其輔助系統設計特點研究

周 軍

（上海電氣工程設計有限公司，上海201612）

1 中東地區的大型燃油直燃電廠

在石油資源豐富但電力較緊缺的中東地區，石油原油以及經過煉制后的重油和渣油采用大型燃油鍋爐直燃發電技術，還是有相當的經濟性和市場的。近年來，國內的大型電力設備制造商瞄準了這塊市場，在諸如沙特、伊拉克、伊朗等國家建設了一批大型燃油直燃電廠，表1列出了部分典型電廠。

表1 中東地區部分燃油直燃電廠

2 燃油鍋爐設計特點及關注點

2.1 大型燃油鍋爐設計特點

從表1可以看出，中東地區投運的“中國制造”大型燃油直燃電廠裝機容量屬于主流裝機容量，燃油鍋爐均為亞臨界參數自然（控制）循環汽包爐，一次再熱，采用爐煙再循環方式調溫，爐型采用緊湊箱型結構，前后墻對沖燃燒或四角切圓燃燒也均為煤粉燃燒鍋爐廣泛采用的成熟技術。

表2 中東地區電廠典型燃油分析

2.2 中東地區燃料油特點

燃油參數是燃油鍋爐的重要設計參數，中東地區的大型燃油電廠普遍以價格低廉的原油、重油、渣油作為主燃料，重油是石油原油提取汽油、柴油后的剩余重質油，通常由常壓油、渣油、柴油等調和而成。表2列出了中東地區燃油電廠典型燃油的分析，同時列出了中國勝利油田出產的典型原油作為對比。可以看出，中東地區的原油或重油具有高硫分、高重金屬／堿金屬含量的特點。

2.3 燃油鍋爐燃燒特點

燃油的物理特性和燃燒特性是燃油鍋爐設計的重要依據。燃油作為液體燃料，其沸點低于著火點，燃燒總是在氣態下進行，也即燃油蒸汽和空氣混合物的燃燒。燃油的燃燒速度取決于蒸發速度，而蒸發速度除了與受熱情況有關，還在很大程度上與燃油的蒸發表面積有關，因此燃油燃燒時需要進行特殊的破碎—霧化處理以增大燃油的外表面積。霧化后的燃油噴入高熱爐膛，急劇蒸發形成可燃氣體，燃燒具有氣體擴散燃燒的特點，油滴的燃燒時間取決于氧氣向油滴擴散的時間。因此要提高燃油燃燒效率，一來要提高霧化質量，二來要合理配風。

燃油的霧化是影響燃油燃燒效果的重要環節，霧化效果不好會造成油滴粗大，油滴可能還沒有燃燒完全就碰到爐壁或水冷壁管，造成嚴重的結焦。機械霧化系統簡單，但需要較高的供油壓力，且油量調節范圍較小，在低負荷下霧化質量很難保證。蒸汽霧化則相反，調節范圍大，霧化效果好，中東地區大型燃油鍋爐大多采用蒸汽霧化。鍋爐配風要保證燃油和和空氣的充分混合，采用多級配風降低主燃燒區域的燃燒氣氛和溫度，控制NOx的排放和SO3的產生，鍋爐爐膛過量空氣系數通常選取為1.05。

燃油的燃燒不產生爐渣，鍋爐底部無需設排渣口及出渣設備。燃油經霧化噴入爐內，若發生熄火或與空氣在一定范圍內混合，容易形成爆炸性氣體，因此鍋爐防爆要求很高，需采用自動化燃燒系統，包括火焰監測、熄火保護、防爆等一系列安全措施。

2.4 燃油鍋爐振動問題

燃油鍋爐應避免易發生的運行振動問題。沙特某燃油電廠運行期間鍋爐發生強烈振動，為解決此問題，鍋爐經歷6次大規模的改造，前后花費半年時間，損失巨大［1］。引起鍋爐運行振動的可能因素很多，設計、安裝、運行的各個環節都需要引起注意。燃油鍋爐為微正壓燃燒爐膛，爐膛設計應考慮合適的設計壓力，保證爐膛有足夠的剛度。魏子杰等［2］經過研究分析，認為燃油鍋爐的振動大多數來源于熱聲振動。

熱聲振動是由恒定熱源引起的聲振或壓力波動，其定義為：當熱量在空氣受到最大壓縮時加入或熱量在空氣處于最稀薄時釋放所產生振動。燃油鍋爐燃燒區域溫度高達1 400～1 600℃，而送入燃燒器的空氣溫度只有80～300℃，同時有持續的熱量輸入系統，爐膛和燃燒器構成的系統中存在很大的溫度梯度，存在熱聲不穩定的驅動力。熱聲振動往往伴有明顯的停滯聲波、高分貝噪音并引起結構件的劇烈振動，嚴重時會造成機組停運。因此鍋爐爐膛設計時應避免造成熱聲振動的潛在因素出現。

另一方面，爐膛的燃燒脈動，包括送風系統中氣流的脈動、煙氣再循環系統中煙氣的脈動、燃油系統內油壓的脈動、霧化蒸汽系統中蒸汽壓力的脈動均可能引起鍋爐的振動。煙氣流過管束所產生的卡門渦街也會引起煙道的共振。為避免振動發生，鍋爐運行中應避免爐膛的燃燒波動頻率和鍋爐結構的固有頻率接近，設計過程需優化燃燒器結構設計，優化配風方式，優化爐內和煙道流場，增強油系統、煙風系統的可調節性。

2.5 燃油鍋爐密封問題

為保證爐膛火焰的穩定，燃油鍋爐均按微正壓燃燒設計，這就對爐膛的強度和密封提出了很高的要求。燃油鍋爐的爐膛采用全焊接膜式水冷壁，管束穿墻處要求采用全焊接金屬密封方式以保證密封效果。伊朗某燃油電廠爐膛人孔門多處出現脫開、漏煙、燒紅現象，原因在于其結構采用的是常規負壓煤粉燃燒鍋爐的標準件設計，不適用于正壓燃燒的燃油鍋爐。燃油鍋爐爐膛上觀察孔等各類開孔均應考慮可靠的空氣密封裝置，配置密封空氣系統，密封風量和壓頭宜適當放大。鍋爐的密封系統需要與鍋爐整體的膨脹、支吊協調配合，確保絕對可靠的密封。

2.6 燃油鍋爐腐蝕問題

鍋爐受熱面的腐蝕包括高溫腐蝕和低溫腐蝕兩種。高溫腐蝕是影響鍋爐安全經濟運行的重要因素，腐蝕區域一般在燃燒的高溫區，通常水冷壁管向火側的正面腐蝕最嚴重，管壁減薄也最大。高溫腐蝕類型主要包括硫腐蝕、氯腐蝕和釩腐蝕，其中硫腐蝕又分為硫酸鹽型高溫腐蝕和硫化物型高溫腐蝕。中東地區燃油中的高硫分和高Na、V等堿金屬含量，使得燃油鍋爐具有嚴重的高溫腐蝕隱患。研究表明鍋爐材料隨著溫度的變化存在兩個高溫腐蝕嚴重的溫度區域，分別為450～560℃和620～700℃［3］，對于超臨界鍋爐，鍋爐過熱器和再熱器壁溫將達到第二高溫腐蝕區域，這成了燃油鍋爐向超臨界以上高參數發展的主要制約因素。為預防燃油鍋爐高溫腐蝕，設計和運行中需組織好燃燒問題，降低燃燒區域熱負荷和含氧量，合理配風，保證適當的過量空氣系數，減少SO3的產生；燃油可考慮預處理，或添加合適的添加劑；受熱面易腐蝕區域亦可增加防腐蝕涂層。

鍋爐低溫腐蝕是指硫酸蒸汽凝結在尾部受熱面上而發生的腐蝕，也稱硫酸腐蝕。低溫腐蝕大多出現在空預器冷端，會造成漏風率增大和鍋爐效率的降低，嚴重時會影響鍋爐的正常運行。中東地區燃油電廠的燃油硫分高，低溫腐蝕問題也需重點關注。煙氣中SO3不但會造成高溫腐蝕，還是影響低溫腐蝕的主要因素，燃燒需控制SO3的產生。為防止和減輕低溫腐蝕，需使空預器的冷端溫度在煙氣酸露點溫度之上，送風機出口也需要加設暖風器提高空預器進口風溫。空預器的冷端材料應采用耐腐蝕材料，推薦涂搪瓷鋼板，雖然其價格較高，但耐腐蝕效果非常好。

3 燃油鍋爐輔助系統設計特點

3.1 燃油系統

由于采用燃油作為主燃料，大型燃油電廠無需設置燃煤電廠復雜的煤系統。和燃煤電廠的輔助燃油系統相比，大型燃油電廠的燃油系統設計容量大，可靠性要求更高。以2×300 MW燃油電廠為例，每天耗油量可達3 000 t（日運行按20 h），因此大型燃油電廠往往需要設置大容量儲油區。伊拉克某燃油電廠油罐區配置了6座10 000 m3的儲油罐，伊朗某燃油電廠配置了4座35 000 m3的儲油罐。供油系統持續穩定的供油是鍋爐穩定運行的關鍵，為提高系統可靠性和利用率，供油泵和燃油加熱器均需考慮備用。王慧穎等［4］對大型燃油電廠的供油系統進行了研究，認為對于600 MW等級的大容量燃油機組，供油系統宜采用兩級供油泵系統，尤其是在油品黏度高、供油壓力高的情況下，兩級供油泵系統在技術和經濟上均有較大優勢。

3.2 燃燒煙風系統

燃油鍋爐燃燒所需助燃空氣直接由送風機吸入加壓，克服風道、暖風器、空預器、燃燒器等風道部件阻力送入爐膛，爐膛維持在正壓運行，產生的煙氣可在不依賴引風機的條件下克服鍋爐尾部受熱面、空預器、煙道、煙囪的各項阻力排入大氣。目前中東地區運行的燃油鍋爐均未配置引風機，相應的送風機壓頭較高，通常額定負荷下送風機運行風壓在10 k Pa左右，和煤粉燃燒鍋爐的一次風機相似。隨著環保要求的提高，新啟動的燃油機組項目大多均需要考慮全套脫硫脫硝除塵裝置，尾部的煙氣阻力將大大提高，片面地提高送風機壓頭會使整個系統設計壓力提高，帶來一系列問題，在此情況下宜考慮增加增壓風機來克服部分煙氣阻力。由于送風機出口風壓較高，風道的設計壓力也高，風道的設計需考慮足夠的剛度，適當增加壁厚，以防止運行時風道振動。伊朗某燃油電廠風道壁厚按國內常規的4 mm考慮，結果調試期間風道發生較大振動，影響了機組的正常移交，后通過增加加固肋的方法增加風道整體剛度，振動現象得到大大改善。推薦燃油鍋爐的風道壁厚設計不低于6 mm。對于燃油含硫量高的機組，煙道材料若采用普通碳鋼可能會發生嚴重腐蝕，可考慮采用考登鋼或者耐候鋼。

3.3 煙氣潔凈系統

因為當地的燃油電廠煙氣排放標準并不嚴格，目前中東地區投運的燃油電廠鮮有考慮煙氣脫硫脫硝除塵裝置。但隨著全球對于環保問題的日益重視，近年來中東地區啟動的項目投標，不少業主已要求電廠的煙氣排放按照比當地標準更嚴格的歐洲標準和世行標準執行。要想在中東地區電力市場走得更遠，燃油電廠的設計需采取措施控制煙氣污染物排放。燃油電廠煙氣的污染物排放主要包括粉塵、SO2、NOx、CO、重金屬等。

燃油本身含灰量少，因此煙氣中的飛灰含量也不高，但如果需要進一步凈化煙氣中的粉塵，卻并不容易做到。常規的電廠除塵設備有靜電除塵器、布袋除塵器及電－袋復合除塵器3種。靜電除塵器對粉塵特性比較敏感，燃油的灰成分和燃煤有很大差異，國內燃煤電廠慣用的靜電除塵器對燃油鍋爐煙氣粉塵適應性差，國內的除塵器制造商也缺乏大型燃油鍋爐除塵器的業績，需要加強這方面的技術開發。布袋除塵器雖然對煙氣粉塵特性不敏感，但用于燃油電廠容易引起“糊袋”，雖然可以采取一系列的措施予以緩解，但還是存在一些問題，運行維護比較麻煩，同時中東的高硫燃油煙氣腐蝕性強，對于濾袋的材質要求很高，會帶來高額的投資和運營成本，因此除非是除塵效率要求極高的工程，否則不推薦使用袋式除塵器。

按照2001年歐標或2007年世行標準，大型燃油直燃電廠的NOx和SO2排放限值均為200 mg／Nm3（干煙氣、標況、3%含氧量）。燃油鍋爐燃燒產生的NOx分為燃料型NOx和熱力型NOx，前者取決于燃油中氮元素的含量，后者受到燃燒組織的影響，目前中東地區投運的燃油電廠NOx排放濃度普遍在800 mg／Nm3上下，這就意味著加裝的SCR反應器需要達到70%～80%的效率，這屬于國內的成熟技術。燃油鍋爐出口SO2濃度則主要取決于燃油本身的硫元素含量，按中東地區燃油普遍的3%～4%含硫量，加裝的FGD裝置需要達到96%以上的脫硫效率，這也是國內技術可以實現的。但若是排放指標進一步嚴格，技術上將面臨一定的困難和壓力。

4 結語

綜上所述，對于中東地區石油富產國的電力市場，中國公司在國內成熟的燃煤發電技術基礎上研制開發了大型燃油直燃發電技術，并有了不少運行業績，在取得相當成績的同時，也存在一些問題。對于大型燃油直燃電廠的鍋爐及其輔助系統設計，應基于燃油的物理特性和燃燒特性，重點關注燃油鍋爐的振動、密封和腐蝕問題。為突破燃油鍋爐向超臨界以上高參數發展的技術瓶頸，應加大對燃油鍋爐高溫腐蝕問題的研究，尋求工程適用的解決方案。燃油鍋爐輔助系統的設計，應重點關注日益提高的環保要求，致力于適用于燃油電廠的高效除塵、脫硫、脫硝裝置的研究開發。

［1］姚元旭，李風華，張玉雷.鍋爐振動分析及解決方案［C］／／全國第八屆電站鍋爐專業技術交流年會論文集，2013.

［2］魏子杰，李道林.鍋爐爐膛振動現象探源［J］.發電設備，2007（3）.

［3］趙欽新，朱麗慧.超臨界鍋爐耐熱鋼研究［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［4］王慧穎，陳威.600 MW級燃油電廠供油泵系統配置研究［J］.能源與節能，2013（10）.