熱能動(dòng)力工程在鍋爐方面的發(fā)展探索

靳世武

（上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200040）

0 引言

現(xiàn)階段，熱能動(dòng)力工程應(yīng)用更傾向于熱能和動(dòng)能生產(chǎn)，是作為關(guān)鍵構(gòu)成的鍋爐裝備長期存在能耗高、污染大等問題的原因，由于無法滿足國家提出的清潔能源生產(chǎn)要求，需結(jié)合行業(yè)發(fā)展推動(dòng)鍋爐技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，促使工業(yè)鍋爐規(guī)格體系逐步完善，為今后能源生產(chǎn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。

1 熱能動(dòng)力工程概述

熱能動(dòng)力工程將工程熱物理學(xué)當(dāng)成是理論基礎(chǔ)，主要研究?jī)?nèi)燃機(jī)及其他動(dòng)力機(jī)械，通過有效利用機(jī)械學(xué)、工程學(xué)、力學(xué)、信息技術(shù)等專業(yè)知識(shí)探索將燃料化學(xué)能和液體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)力的方式[1]。目前，熱能動(dòng)力工程涵蓋各種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力機(jī)械、熱能工程等工程，需要通過機(jī)械做功實(shí)現(xiàn)熱能持續(xù)輸出。伴隨著學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，在探尋能量轉(zhuǎn)換規(guī)律和系統(tǒng)設(shè)備過程中，強(qiáng)調(diào)采用高效、無污染方式實(shí)現(xiàn)熱能和動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)換，做到高效利用能源。從工程內(nèi)涵來看，強(qiáng)調(diào)熱能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化和利用，因此在實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)過程控制的基礎(chǔ)上，應(yīng)重視現(xiàn)有能源利用和新能源開發(fā)，從而為社會(huì)發(fā)展提供源源不斷的能源支撐。

2 熱能動(dòng)力工程中鍋爐發(fā)展重要性

在熱能動(dòng)力工程中，熱能主要來源于燃料的燃燒，而鍋爐作為實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的重要裝置，可以通過提供定額蒸汽輸送熱能，滿足人們的能源獲取需求。在現(xiàn)代鍋爐生產(chǎn)中，鍋爐可以將熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為火力發(fā)電過程提供動(dòng)力能源。經(jīng)歷熱能發(fā)電機(jī)、動(dòng)力機(jī)械等熱能動(dòng)力裝置發(fā)展，鍋爐開始衍變出多種類型，可以根據(jù)燃燒介質(zhì)劃分成燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、生物質(zhì)鍋爐等等，采取了各自領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)，輔助各種動(dòng)力裝置通過做功方式為社會(huì)輸送能源。因此在熱能動(dòng)力工程發(fā)展過程中，研究新能源開發(fā)和現(xiàn)有能源利用問題，需要將鍋爐當(dāng)成是核心裝備開展深入研究，做到合理應(yīng)用鍋爐技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換。

3 熱能動(dòng)力工程在鍋爐方面的發(fā)展

3.1 超超臨界鍋爐發(fā)展

在燃煤鍋爐發(fā)展過程中，能耗高和環(huán)境污染大是始終需要克服的問題，制約了整個(gè)火力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展。而超超臨界鍋爐技術(shù)的發(fā)展，扭轉(zhuǎn)了火電機(jī)組煤耗居高不下的局面，能夠縮小國內(nèi)火力發(fā)電技術(shù)與國外的差距，有助于高效、節(jié)能、環(huán)保的鍋爐技術(shù)發(fā)展。超超臨界鍋爐在燃燒狀態(tài)時(shí)，超超臨界參數(shù)為蒸汽壓力≥25MPa，蒸汽溫度≥580℃，相較于超臨界機(jī)組可以將熱效率提升1.2%～4%，節(jié)省大量煤炭資源的同時(shí)，減少鍋爐燃燒產(chǎn)生的污染[2]。根據(jù)華能玉環(huán)電廠項(xiàng)目研究成果可知，100萬千瓦超超臨界發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率達(dá)到45.4%，供電煤耗約達(dá)283g/kW·h，相較于全國平均供電煤耗降低近百g/kW·h，每年約減少50萬噸二氧化碳的排放，使二氧化硫等污染物排放量減少數(shù)千噸。目前，超超臨界鍋爐研究主要需要解決燃燒調(diào)整問題，如在褐煤燃燒方面，660MW超超臨界變壓直流鍋爐爐膛內(nèi)分布四層低NOX旋流式煤粉燃燒器，周圍側(cè)墻布置貼壁風(fēng)。在爐內(nèi)空氣組織上，劃分為中心風(fēng)、一次風(fēng)、二次風(fēng)，配置間距縮口、擴(kuò)錐、濃淡分離器等設(shè)施，用于提升回流區(qū)高溫?zé)煔夥秶蜌饬鳒囟龋_(dá)到促進(jìn)燃燒高效、穩(wěn)定的效果。從熱能動(dòng)力學(xué)角度展開研究，開展鍋爐冷態(tài)空氣動(dòng)力試驗(yàn)，可以根據(jù)動(dòng)力場(chǎng)特性為后續(xù)調(diào)整燃燒參數(shù)提供依據(jù)，有效減少鍋爐污染物排放。

3.2 核聚變反應(yīng)鍋爐發(fā)展

在熱能動(dòng)力工程發(fā)展過程中，強(qiáng)調(diào)重視太陽能、生物質(zhì)能等清潔能源的利用。而核能作為高效清潔能源形勢(shì)，已經(jīng)用于發(fā)電，在供熱研究領(lǐng)域則處于發(fā)展早期，需要積累更多的供熱經(jīng)驗(yàn)和獲取更多技術(shù)條件，為產(chǎn)業(yè)推廣奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。早在2018年底，中科院在“人造太陽”裝置研究方面取得了重大突破，研制出了加熱功能達(dá)10萬兆瓦的核聚變反應(yīng)裝置，使等離子體中心達(dá)到了1億度的電子溫度。而核聚變將產(chǎn)生超高溫，直接導(dǎo)致現(xiàn)有容器無法承受過高溫度，因此現(xiàn)有研究主要采用核電機(jī)組熱電聯(lián)供方式供熱。近年來，國家致力于研發(fā)殼式、微壓等各種核供熱堆，確保供熱堆可以在較低壓力和溫度下運(yùn)行，推動(dòng)了可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)鍋爐的研究與發(fā)展。該類鍋爐內(nèi)層為蛋殼式的鏡面鎘鍋，中層設(shè)置蜂窩保護(hù)支架，外層設(shè)置球殼狀的密封防護(hù)層，如圖1。通過配置磁力網(wǎng)絡(luò)裝置、激光引燃裝置等多種裝置，可以迫使氘核和氚核在反應(yīng)區(qū)碰撞，并利用激光照射反應(yīng)器，使溫度達(dá)到核聚變反應(yīng)要求，釋放大量熱能[3]。將海水或重水當(dāng)成是核燃料向鍋爐供給，在中層蜂房?jī)?nèi)布置多臺(tái)激光器，能夠?qū)厣^程進(jìn)行控制，采取冷卻水和工質(zhì)相結(jié)合的供熱系統(tǒng)控制釋放的熱量。但就目前來看，核聚變反應(yīng)鍋爐研究對(duì)內(nèi)部反應(yīng)裝置等各種裝置提出了嚴(yán)苛要求，在短時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)，距離商用化仍然有較遠(yuǎn)距離。

圖1 核聚變鍋爐示意圖

3.3 生物質(zhì)鍋爐發(fā)展

目前，生物質(zhì)鍋爐可以劃分為電能和熱能兩類，根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)可知，截止2020年底全國生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)量達(dá)到2952萬千萬，全年發(fā)電1326億千瓦，同比增長19.4%，增長態(tài)勢(shì)良好。與此同時(shí)，生物質(zhì)熱能鍋爐應(yīng)用日廣，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、民用等領(lǐng)域用于代替燃煤和燃?xì)忮仩t，減少污染排放的同時(shí)，突顯成本優(yōu)勢(shì)。如在工業(yè)供熱方面，采用層狀燃燒方式，可以保證爐內(nèi)生物質(zhì)燃燒完全，溫度達(dá)到1000℃以上，每噸蒸汽價(jià)比燃?xì)獾图s百元。但目前該類鍋爐多存在對(duì)流管束受熱不均、熱量吸收不全、燃燒室易積灰、單鍋筒負(fù)荷低、保溫性差等系列問題，引發(fā)了嚴(yán)重的熱能損失。未來在鍋爐研究方面，需要根據(jù)燃燒的生物質(zhì)種類和能源生產(chǎn)工藝探究鍋爐結(jié)構(gòu)改進(jìn)問題。現(xiàn)階段生物質(zhì)燃燒的燃料多為壓制成型，需要使鍋爐達(dá)到100～200Pa排放壓力，并通過室燃+層燃方式獲得較高爐腔結(jié)構(gòu)，保證煙氣長時(shí)間停留，從而提高鍋爐燃燒充分性[4]。

3.4 燃?xì)忮仩t發(fā)展

在燃?xì)獠膳夹g(shù)發(fā)展過程中，燃?xì)忮仩t為核心裝備，具有較高自動(dòng)化程度，不存在灰渣處理費(fèi)用，燃料運(yùn)輸也十分便利。但就目前來看，鍋爐燃燒機(jī)依然主要依賴進(jìn)口，國產(chǎn)燃燒機(jī)則存在排放物中氮氧化物含量較高的問題，無法滿足清潔能源生產(chǎn)要求。因此在鍋爐研究上，集中向低氮燃燒方向發(fā)展，重點(diǎn)需要解決低氮燃燒機(jī)的研制問題。與此同時(shí)，燃?xì)忮仩t存在煙氣中水蒸氣含量過大問題，引發(fā)了大量熱能散失，需要研究冷凝換熱技術(shù)，通過降低排煙溫度鍋爐熱效率。應(yīng)用該技術(shù)，至少可以將燃?xì)忮仩t熱效率提升10%，因此研制冷凝式燃?xì)忮仩t將帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)節(jié)約大量化石能源。此外，單純使用天然氣將限制燃?xì)忮仩t的應(yīng)用范圍，提高鍋爐多能源適應(yīng)能力，可以有效增加燃?xì)忮仩t市場(chǎng)份額。考慮到當(dāng)前國內(nèi)城市依然重視煤業(yè)、礦業(yè)發(fā)展，需要通過創(chuàng)新燃?xì)忮仩t技術(shù)順利使用煤氣、焦?fàn)t氣等燃料氣體生產(chǎn)熱能，在保證鍋爐熱效率較高的同時(shí)，達(dá)到環(huán)保要求，繼而為推動(dòng)燃?xì)忮仩t行業(yè)發(fā)展奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。

3.5 蓄熱電鍋爐發(fā)展

在太陽能、風(fēng)能等新能源開發(fā)量日漸增加的背景下，為解決新能源消納問題，國家提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展戰(zhàn)略，通過實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、先進(jìn)信息技術(shù)和能源產(chǎn)業(yè)深度融合探索“潔能+儲(chǔ)能+智能”發(fā)展方向[5]。而蓄熱電鍋爐的應(yīng)用，使鍋爐開始參與能源互聯(lián)，為解決工序不平衡問題提供有效方案。不同于傳統(tǒng)鍋爐，蓄熱電鍋爐容量大，并且控制簡(jiǎn)單，通過在二級(jí)熱網(wǎng)側(cè)布置，可以解決能源消納問題。現(xiàn)階段，蓄熱電鍋爐已經(jīng)初步在電網(wǎng)中應(yīng)用，如瑞士巴登項(xiàng)目、吉林長春試點(diǎn)項(xiàng)目等，能夠參與系統(tǒng)調(diào)峰。在全熱模式下，鍋爐可以在用電高峰停運(yùn)，并在低谷蓄熱并供熱，降低運(yùn)營成本。采取部分熱模式，鍋爐在非高峰期蓄熱，彌補(bǔ)高峰階段熱需求不足問題。在參與風(fēng)電消納方面，主要采用集中控制模式，如圖2，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電就地消納。未來隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，需要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和可再生能源的高度融合，因此需要實(shí)現(xiàn)蓄熱電鍋爐的多目標(biāo)分布控制，解決蓄熱系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)復(fù)雜耦合問題，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。為此，需要加強(qiáng)智能感應(yīng)、自動(dòng)報(bào)警、智能計(jì)量、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)應(yīng)用，推動(dòng)蓄熱電鍋爐控制模式的智能化、物聯(lián)化發(fā)展，完成鍋爐技術(shù)的更新?lián)Q代，實(shí)現(xiàn)發(fā)電量和蓄熱量的合理分配和控制優(yōu)化，為能源生產(chǎn)行業(yè)注入新的發(fā)展活力。

圖2 蓄熱電鍋爐參與風(fēng)電消納的集中控制模式

4 結(jié)語

發(fā)展熱能動(dòng)力工程的根本目的是實(shí)現(xiàn)資源的充分利用，推動(dòng)能源生產(chǎn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。未來為加強(qiáng)燃煤、核能、生物質(zhì)、燃?xì)獾雀鞣N能源的充分利用，各種類型鍋爐將作為核心設(shè)備得到不斷研制，并且根據(jù)鍋爐裝配現(xiàn)有問題有針對(duì)性地提出改良方案，促進(jìn)鍋爐充分燃燒的同時(shí)，降低鍋爐運(yùn)行成本和減少污染物排放，做到全面提升資源利用率。