二次再熱鍋爐再熱器調溫方式對機組熱經濟性的影響

姚向昱，蔣德勇，朱佳琪，李 林，陳仁杰

（1.華東電力設計院有限公司，上海 200063；2.國電泰州發電有限公司，江蘇 泰州 225327）

二次再熱鍋爐再熱器調溫方式對機組熱經濟性的影響

姚向昱1，蔣德勇2，朱佳琪1，李 林1，陳仁杰1

（1.華東電力設計院有限公司，上海 200063；2.國電泰州發電有限公司，江蘇 泰州 225327）

針對我國二次再熱鍋爐采用不同的再熱器調溫方式進行研究，分析各種調溫方案的特點。研究不同的再熱器調溫方式對整個機組熱經濟性的影響。

再熱器調溫；熱經濟性；鍋爐；二次再熱。

二次再熱發電技術可以提高火電廠的發電效率，減少發電煤耗，對我國節約能源、降低污染物和二氧化碳排放具有重大意義。目前，二次再熱技術已成為燃煤火電技術的發展方向之一。二次再熱鍋爐是二次再熱技術發展中的關鍵設備，需要進行深入的研發。

對于二次再熱鍋爐，再熱器的調溫方式是鍋爐設計的重點之一。目前，我國各鍋爐制造廠研發的超超臨界二次再熱鍋爐采用不同的再熱器調溫方案，各種調溫方式各具特點，對整個機組的熱經濟性也具有不同的影響。

1　二次再熱鍋爐再熱器的調溫方式

再熱汽溫的調節方法可分為煙氣側調節和蒸汽側調節兩大類。蒸汽側調節是指通過改變蒸汽的焓值來調節汽溫；煙氣側調節是指通過改變鍋爐內輻射受熱面和對流受熱面的吸熱比例或通過改變流經受熱面的煙氣量來調節汽溫。蒸汽側調溫裝置主要包括噴水減溫、蒸汽旁通、汽-汽熱交換器等。煙氣側的調溫裝置有煙氣擋板、改變火焰中心位置（如燃燒器擺動）、煙氣再循環等。

目前，對于國內主要鍋爐制造廠研發的二次再熱煤粉鍋爐，再熱器調溫擬選用的方式主要包括：分隔煙道擋板調溫、改變火焰中心位置調溫及煙氣再循環調溫。

1.1分隔煙道擋板調溫

分隔煙道擋板調溫是通過改變煙氣流量的辦法來調節汽溫，見圖1。

圖1　煙氣擋板調節再熱汽溫

尾部煙道分隔成兩個并聯的煙道，分別布置一次低溫再熱器及二次低溫再熱器。調節煙氣擋板，可以改變流經兩個煙道的煙氣分配比例，從而調節二級再熱的汽溫。為防止擋板變形，應將其置于煙溫不超過400℃的區域內，并注意盡量減少煙氣量對擋板的磨損。平行煙道的隔墻要注意密封，最好采用膜式壁結構。

采用煙道擋板調溫的主要優點是：結構簡單、操作方便，在調節二級再熱的汽溫時對爐膛的燃燒工況影響較小，且調節幅度較大；其缺點是汽溫調節的延遲時間太大，擋板的開度與汽溫變化不成線性關系，大多數擋板只在0～40%開度范圍內比較有效，擋板開得較大時易引起磨損，開得較小時又易引起積灰。

1.2改變火焰中心位置調溫

改變火焰中心位置可以改變爐膛中沿高度方向上的最高放熱區，從而改變爐膛出口的煙溫，達到調節汽溫的目的。改變火焰中心位置常用的方法是擺動式燃燒器，切換上下排燃燒器、改變各層燃燒器的負荷等。

擺動式燃燒器大多用于四角布置、切向燃燒的爐膛，見圖2。燃燒器可以上下擺動20°～30°，爐膛出口煙溫變化約110℃～140℃，理論上調溫幅度達40℃～60℃。

圖2　擺動式燃燒器調節再熱汽溫

此種方法的優點是調節靈敏，慣性小，不需要增加額外的受熱面和功率消耗。但對于低灰熔點燃料，為防止結渣，其調溫幅度受到限制。運行中要加強維護保養，以免燃燒器擺動不靈活，甚至不能擺動。對于擺動式燃燒器，燃燒器擺角長期運行在非0°位置，相鄰燃燒器受煙氣渦流影響，易造成沖刷磨損。

1.3煙氣再循環調溫

煙氣再循環是將一部分冷煙氣通過再循環風機送入爐膛，改變輻射受熱面與對流受熱面的吸熱量比例，以調節汽溫。采用煙氣再循環后鍋爐的熱力特性與再循環煙氣量、煙氣抽出位置及送入爐膛的位置等因素有關，見圖3。

圖3　煙氣再循環調溫

當再循環煙氣從爐膛下部送入時，隨著再循環煙氣量的增加，由于爐膛溫度降低，使輻射吸熱量減小，但爐膛出口煙溫變化不大。在對流受熱面中，由于煙氣量增加而使其吸熱量增大，而且沿煙氣流程，越往后其吸熱量增加越多。再熱器通常布置在煙溫較低的對流煙道中，用煙氣再循環調節汽溫是很有效的。當鍋爐負荷降低時，增加煙氣再循環量，使再熱器吸熱量增加，保持再熱汽溫不變。一般每增加1%的再循環煙氣量，可使再熱汽溫升高約2℃。如再循環率為20%～25%，則可調溫40～50℃。

煙氣再循環的主要優點是調溫幅度大，遲滯小，調節靈敏；主要缺點是要增加再循環風機，使廠用電及維護費用增加。還會使排煙熱損失有所增加，降低鍋爐熱效率。

2　再熱器調溫的方案組合及特點

目前，國內各鍋爐制造廠根據自身二次再熱鍋爐的爐型及燃燒特點，研發了不同的再熱器調溫方案，主要包括： 煙氣再循環+雙煙道擋板調溫方案、燃燒器擺動+雙煙道擋板調溫方案、尾部三煙道擋板調溫方案等。

2.1煙氣再循環+雙煙道擋板調溫方案

煙氣再循環+雙煙道擋板調溫方案可用于采用旋流燃燒器、前后墻燃燒方式的鍋爐，在鍋爐尾部的雙煙道內分別設置一次低溫再熱器和二次低溫再熱器。煙氣再循環作為異步調溫手段調節過熱系統與再熱系統的吸熱比例，尾部煙道煙氣擋板作為異步調溫手段調節一次再熱系統與二次再熱系統的吸熱比例。

對于采用直流燃燒器、四角切圓燃燒方式的鍋爐，由于直流燃燒器具有燃燒器擺動的功能，可以采用本方案作為主調節手段，燃燒器擺動調節作為備用調節手段。

本方案中，BMCR工況下仍然需要投入一定的煙氣再循環量，保證再熱系統超溫時具有下調的手段。因此，本方案的煙氣再循環量較大，一般在BMCR下再循環煙氣量的比例為10%～15%。

根據再循環煙氣的抽取位置不同，目前鍋爐制造廠采用以下方案見圖4。

（1）方案一，再循環煙氣取自省煤器出口。

該方案的優點是：抽取的煙氣溫度高，對于燃燒系統的影響較小；再循環煙氣量不會流經預熱器、脫硝裝置、除塵器，因流通煙氣流量減少，可降低這些設備的選型和運行成本。

該方案的缺點是：再循環風機的工作環境較差，需要選用耐高溫、耐磨損的風機，成本較高；風機磨損不可避免，需定期進行維護，維護費用較高。

（2）方案二，再循環煙氣取自引風機出口。

該方案的優點是：抽取的煙氣經過除塵，灰含量較少，對于再循環風機和再循環管道的磨損較小，可靠性高；抽煙點壓頭較高（+5000 MPa左右），理論上不需要設置再循環風機。

該方案的缺點是：通過引風機的煙氣量增加，使脫硝裝置、除塵器及引風機等設備的初投資增加，并且使電耗大大增加，帶來運行成本的增加；鍋爐排煙溫度極大升高，達到140～160℃，鍋爐效率下降到約93%左右。

圖4　再循環煙氣引出方案

2.2燃燒器擺動+雙煙道擋板調溫方案

燃燒器擺動+雙煙道擋板調溫方案僅用于采用直流燃燒器、四角切圓燃燒方式的鍋爐，在鍋爐尾部的雙煙道內分別設置一次低溫再熱器和二次低溫再熱器。燃燒器擺動作為同步調溫手段調節過熱系統與再熱系統的吸熱比例，尾部煙道煙氣擋板作為異步調溫手段調節一次再熱系統與二次再熱系統的吸熱比例。

該方案的優點是：調節靈敏，慣性小，響應時間比較快，不需要增加額外的受熱面和功率消耗。

該方案的缺點是：調節范圍小。擺動燃燒器作為對再熱蒸汽的調節手段，在布置有墻式輻射再熱器的機組中得到大量的應用，并且取得良好的調節特性，而直流鍋爐不布置墻式輻射再熱器，再熱器均采用對流受熱面，因此擺動燃燒器在直流鍋爐中調節特性受到影響。對于塔式鍋爐，爐膛斷面較大，百萬機組均在400 m2以上，燃盡高度在25～28 m，燃燒器擺動對爐膛出口溫度的影響只在10℃左右。

根據以上情況，部分鍋爐廠將高溫再熱器的部分冷段受熱面提到低溫過熱器屏之后，大幅提高了再熱器的輻射特性，提高了燃燒器擺動對于再熱溫度的影響。相應結構示意見圖5。

圖5　部分高溫再熱器前置方案

盡管采用了部分高溫再熱器前置方案，但燃燒器擺動調溫的范圍仍然相對較小。因此可以在燃燒器擺動+雙煙道擋板調溫作為主調溫手段的基礎上，增加煙氣再循環調溫作為備用調溫手段，在機組中低負荷再熱汽溫偏低時，啟動煙氣再循環以提高再熱汽溫。本方案中，高負荷下煙氣再循環量較小，BMCR下再循環煙氣量的比例為3%～5%。

再循環煙氣的抽取位置也有兩種方案：再循環煙氣取自省煤器出口、再循環煙氣取自引風機出口。

2.3尾部三煙道擋板調溫方案

尾部三煙道擋板調溫方案多用于π型鍋爐，在鍋爐尾部的三煙道內分別設置一次低溫再熱器、二次低溫再熱器和低溫過熱器，通過擋板來分別調節過熱蒸汽、一次再熱蒸汽及二次再熱蒸汽的汽溫。受熱面布置示意圖見圖6。

圖6　三煙道擋板調溫方案

尾部三煙道擋板調溫方案具有結構簡單、對爐膛燃燒工況影響小、運行經濟等優點；其缺點是：汽溫調節的延遲時間太大，擋板的開度與汽溫變化不成線性關系，大多數擋板只在0～40%開度范圍內比較有效。此外，三擋板調節時容易造成過熱、一次再熱及二次再熱調節的相互影響，調節較為復雜。

3　再熱器調溫方式對機組熱經濟性影響

采用以上的再熱器調溫方案后，對機組熱經濟性的影響是不同的，主要表現在與給水溫度的關系、對鍋爐效率的影響、煙氣余熱利用、汽輪機熱耗的影響及廠用電率的影響等方面。

3.1再熱器調溫方式與鍋爐給水溫度

提高鍋爐省煤器入口的給水溫度可以提高工質的平均吸熱溫度，有效提高機組的經濟性，降低機組發電煤耗。在回熱級數確定的情況下，提高給水溫度會加大回熱系統傳熱溫差，導致傳熱不可逆損失增加，存在最佳給水溫度，使得回熱循環效率為最優，實際給水溫度選取時總是低于計算的最佳給水溫度。隨著初參數和機組容量逐步提高，回熱級數隨之增加，因而給水溫度也相應提高。常規超臨界鍋爐省煤器入口的給水溫度約280℃，提高參數的超超臨界鍋爐省煤器入口的給水溫度約300℃。目前，二次再熱超超臨界鍋爐的給水溫度為315℃～330℃。

對于鍋爐而言，較高的給水溫度主要受水冷壁入口的欠焓、水冷壁材料及鍋爐效率的影響。對于二次再熱的π型鍋爐，給水溫度可以取330℃；對于塔式鍋爐，由于其水冷壁行程較長、水冷壁吸熱較多，為選用能避免焊后熱處理的12Cr1MoVG材料，需控制水冷壁出口汽溫低于480℃，受此影響，給水溫度只能取315℃；當塔式鍋爐采用煙氣再循環作為主調溫手段后，能夠減少爐膛的輻射吸熱量，從而降低水冷壁出口的汽溫，因此在水冷壁材料選擇不變的情況下，可以提高鍋爐的給水溫度至330℃。

根據汽輪機廠配合的資料，在邊界條件不變的情況下，給水溫度從315℃提高到330℃后，可降低汽機熱耗19 kJ/kWh。

3.2再熱器調溫方式與鍋爐效率

不同的再熱器調溫方式對鍋爐效率的影響是不同的。

對于采用尾部三煙道擋板或燃燒器擺動作為主調溫手段的鍋爐，再熱器調溫方式不會降低鍋爐的效率。

對于采用煙氣再循環作為主調溫手段的鍋爐，當再循環煙氣取自引風機出口時，鍋爐排煙溫度極大升高，達到140～160℃，鍋爐效率下降約2%左右。

對于采用煙氣再循環作為主調溫手段的鍋爐，當再循環煙氣取自省煤器出口時，再熱器調溫方式不會降低鍋爐的效率。

為彌補引風機出口冷煙氣再循環造成的鍋爐效率損失，采用該方案時往往設置空預器旁路煙氣系統，降低空預器的排煙溫度，從而彌補鍋爐效率的損失。結合煙氣余熱利用技術，可設置一套深度煙氣余熱利用系統來降低鍋爐排煙溫度，提高機組的發電煤耗。深度煙氣余熱利用系統見圖7。

圖7　深度煙氣余熱利用方案

省煤器出口的煙氣一部分進入空預器，另一部分旁路空預器。旁路部分煙氣（一般20%～30%）不經過回轉式空氣預熱器，不參與煙氣與空氣的熱交換。這部分煙氣先后與給水（給水換熱器）和凝結水（凝結水換熱器）進行熱交換，加熱給水和凝結水。凝結水換熱器出口的煙氣，與空預器出口煙氣匯合后進入除塵器前的煙氣冷卻器。煙氣冷卻器以水作為熱媒，被煙氣加熱的水對冷二次風進行加熱。通過煙氣冷卻器后煙氣的溫度降低到90℃，冷二次風被加熱后進入回轉式空氣預熱器再次加熱，最終送入爐膛。

深度煙氣余熱利用與煙氣再循環調溫方案的結合使用，將鍋爐本身無法利用的煙氣熱量通過汽輪機的熱力系統加以利用，以熱力系統的收益來彌補鍋爐效率的下降。以某1000MW機組的方案配合為例，考慮煙氣熱量的收益歸鍋爐或汽機，具有兩種算法，見表1。

表1　煙氣再循環+深度煙氣余熱方案熱經濟性計算

3.3再熱器調溫方式與運行電耗

不同的再熱器調溫方式對二次再熱機組運行電耗的影響是不同的，見表2。

表2　不同的再熱器調溫方式對二次再熱機組運行電耗的影響對比

3.4不同再熱器調溫方式的機組熱經濟性

根據國內二次再熱鍋爐不同的再熱器調溫方案，對機組的熱經濟性進行計算及比較。以某1000MW二次再熱機組方案配合階段為例，采用的調溫方案及相關邊界條件如下：

方案一：π型鍋爐；尾部三煙道擋板調溫作為主調溫手段；為提高機組了經濟性，鍋爐給水溫度330℃；采用深度余熱技術將鍋爐排煙溫度降到90℃。

方案二：塔式鍋爐；燃燒器擺動+雙煙道擋板調溫作為主調溫手段；受水冷壁影響，鍋爐給水溫度315℃；采用深度余熱技術將鍋爐排煙溫度降到90℃。

方案三：塔式鍋爐；燃燒器擺動+雙煙道擋板調溫作為主調溫手段；增加煙氣再循環作為輔助調溫手段，滿負荷下煙氣再循環不參與汽溫調節，僅運行最小流量防止高溫煙氣反串，75%負荷下煙氣再循環參與調溫；再循環煙氣取自省煤器出口；受水冷壁影響，鍋爐給水溫度315℃；采用深度余熱技術將鍋爐排煙溫度降到90℃。

方案四：塔式鍋爐；燃燒器擺動+雙煙道擋板調溫作為主調溫手段；增加煙氣再循環作為輔助調溫手段，滿負荷下煙氣再循環不投運參與汽溫調節，僅運行最小流量防止高溫煙氣反串，75%負荷以下煙氣再循環參與調溫；再循環煙氣取自引風機出口；受水冷壁影響，鍋爐給水溫度315℃；為避免采用再循環煙氣取自引風機出口造成的鍋爐排煙溫度高、鍋爐效率下降問題，配套采用深度余熱技術將鍋爐排煙溫度降到90℃。

方案五：塔式或π型鍋爐；煙氣再循環+雙煙道擋板調溫作為主調溫手段，再循環煙氣量大（BMCR下再循環煙氣量的比例為10%～15%）；再循環煙氣取自省煤器出口；為提高機組了經濟性，鍋爐給水溫度330℃；采用深度余熱技術將鍋爐排煙溫度降到90℃。

方案六：塔式或π型鍋爐；煙氣再循環+雙煙道擋板調溫作為主調溫手段，再循環煙氣量大（BMCR下再循環煙氣量的比例為10%～15%）；再循環煙氣取自引風機出口；為提高機組了經濟性，鍋爐給水溫度330℃；為避免采用再循環煙氣取自引風機出口造成的鍋爐排煙溫度高、鍋爐效率下降問題，配套采用深度余熱技術將鍋爐排煙溫度降到90℃。

其他邊界條件包括：①主機參數為31 MPa/600℃/620℃/620℃。②不采用煙氣深度余熱下，給水溫度315℃時，TMCR工況汽輪機熱耗為7086 kJ/kWh。③機組熱經濟計算時按煙氣余熱利用收益歸汽機計算。

TMCR工況下，機組的熱經濟性比較見表3。

表3　不同再熱器調溫方式下二次再熱機組熱經濟性的比較

續表3

4　結論

國內主要鍋爐廠制造的超超臨界二次再熱煤粉鍋爐采用了不同的再熱器調溫方案，對機組熱經濟性的影響是不同的。通過方案研究及比較，可以得出如下結論：

（1）尾部三煙道擋板調溫及燃燒器擺動+雙煙道擋板調溫方案不影響機組的熱經濟性。但尾部三煙道擋板調溫存在過熱、一次再熱及二次再熱調節的相互影響，調節較為復雜的缺點；燃燒器擺動+雙煙道擋板調溫存在再熱器汽溫調節范圍小的缺點，機組低負荷下容易造成再熱汽溫難以達到額定值。

（2）煙氣再循環作為主調溫手段時，由于再循環煙氣量大，將增加機組的廠用電率。當再循環煙氣從省煤器出口引出時，由于煙氣的高含塵特性，再循環風機的磨損嚴重，降低機組運行的可靠性；當再循環煙氣從引風機出口引出時，鍋爐排煙溫度升高、鍋爐效率下降，增加了機組的發電煤耗，結合廠用電率同步增加的影響，機組的熱經濟性較差。

（3）采用燃燒器擺動+雙煙道擋板調節作為主調節手段的塔式鍋爐，受水冷壁設計及材料的影響，鍋爐給水溫度僅能提高到315℃，影響了機組的熱經濟性。

（4）對于采用燃燒器擺動+雙煙道擋板調節作為主調節手段的鍋爐，可以設置較小流量的煙氣再循環作為輔助調節手段，煙氣再循環從省煤器出口引出。機組在中高負荷工況下，通過燃燒器擺動調節再熱汽溫，煙氣再循環不參與汽溫調節，僅運行最小流量防止高溫煙氣反串；機組在低負荷工況下，在燃燒器擺動調節能力不足的情況下，同時運行煙氣再循環，增加再熱汽溫的調節范圍。

［1］ 徐齊勝.鍋爐設備及系統［M］.北京：中國計劃出版社，2015.

［2］ 張曉梅.燃煤鍋爐機組［M］.北京：中國計劃出版社，2014.

［3］ 蔣德勇.淺談1000MW超超臨界二次再熱鍋爐技術［J］.價值工程，2015，（1）.

The Double Reheat Unit Thermal Economy Research in Different Boiler Reheater Temperature Control Methods

YAO Xiang-yu1，JIANG De-yong2，ZHU Jia-qi1，LI Lin1，CHENG Reng-jie1
（1. East China Electric Power Design Institute Co.， Ltd.，Shanghai200063，China
2.Taizhou Power Generation Co.，Ltd. of State Grid.， Taizhou225327，China）

In China， different reheater temperature control methods are used in double reheat boiler. The characteristic is studied in these methods. And the unit thermal economies in different reheater temperature control methods are studied in the passage.

reheater temperature control； thermal economy； boiler； double reheat.

TM621

A

1671-9913（2016）03-0008-08

2016-02-17

姚向昱（1978- ），男，上海人，工程碩士，高級工程師，目前從事火力發電廠鍋爐專業的設計。