超超臨界直流鍋爐運(yùn)行特點(diǎn)

1、超超臨界直流鍋爐運(yùn)行特點(diǎn)王 志 （華能玉環(huán)電廠，浙江省玉環(huán)縣，317604） 摘 要：環(huán)境和能源是關(guān)系到我國(guó)21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略問題，節(jié)約環(huán)保已成為全世界人民共同愿望和強(qiáng)烈呼聲。鍋爐行業(yè)為適應(yīng)節(jié)約環(huán)保要求的日益提高，需要大力開展煤清潔燃燒和新發(fā)電技術(shù)的研究。為了提高能源利用效率，提高火力發(fā)電設(shè)備的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，華能集團(tuán)敢為人先，率先在我國(guó)發(fā)展超超臨界百萬千瓦機(jī)組，提高了機(jī)組熱效率，降低了發(fā)電煤耗，大幅度減少了污染物的排放。本文重點(diǎn)介紹了玉環(huán)電廠超超臨界百萬千瓦機(jī)組直流鍋爐的運(yùn)行特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：鍋爐、超超臨界、節(jié)約環(huán)保 1 鍋爐概況 1.1玉環(huán)電廠超超臨界鍋爐型號(hào)為hg-295

2、3/27.46-ym1，由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司引進(jìn)三菱重工株式會(huì)社（mitsuibishi heavy industries co. ltd）技術(shù)設(shè)計(jì)制造，采用型布置、單爐膛、低nox pm燃燒器和mact燃燒技術(shù)，反向雙切圓燃燒。鍋爐采用一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)燃用神府東勝煤和晉北煤。 1.2鍋爐爐膛斷面尺寸為32084mm（寬）15670mm（深），爐膛全高為65500mm，采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁，并在水冷壁集箱的出口管接頭安裝節(jié)流圈。 1.3采用mhi的pm型燃燒器和mact燃燒系統(tǒng)，風(fēng)粉混合物通過入口分離器分成濃淡兩股分別通過濃

3、相和淡相二只噴嘴進(jìn)入爐膛，pm主燃燒器上方增設(shè)四層aa（附加風(fēng)）噴嘴。pm型八角反向雙切圓布置的擺動(dòng)燃燒器，在熱態(tài)運(yùn)行中一、二次風(fēng)均可上下擺動(dòng)，最大傾角為30。 1.4過熱器采用四級(jí)布置，即低溫過熱器（一級(jí)）、分隔屏過熱器（二級(jí)）、屏式過熱器（三級(jí)）和對(duì)流過熱器（四級(jí)）；再熱器為二級(jí)，即低溫再熱器（一級(jí)）和高溫再熱器（二級(jí)）。其中低溫再熱器和低溫過熱器分別布置于尾部煙道的前、后豎井中，均為逆流布置。在上爐膛、折焰角和水平煙道內(nèi)分別布置了分隔屏過熱器、屏式過熱器、對(duì)流過熱器和高溫再熱器，由于煙溫較高均采用順流布置，所有過熱器、再熱器和省煤器部件均采用順列布置，以便于檢修和密封，防止結(jié)渣和積灰。

4、1.5過熱器各段進(jìn)出口集箱間的連接采取按1/2爐寬混合并在匯集總管上設(shè)置三級(jí)噴水減溫器，每級(jí)噴水又分成左右兩路。再熱蒸汽溫度可采用煙氣分配擋板和擺動(dòng)燃燒器兩種方式，入口集箱前設(shè)置有事故減溫噴水，總設(shè)計(jì)流量為3.5% bmcr工況再熱蒸汽流量。 1.6省煤器管束采用無縫光管順列布置，管束與四周墻壁間裝設(shè)防止煙氣偏流的阻流板，管束上還設(shè)有可靠的防磨裝置。省煤器為自疏水式，進(jìn)口聯(lián)箱上裝有疏水、鍋爐充水和酸洗的接管座，并帶有相應(yīng)的閥門。省煤器入口聯(lián)箱（包括該聯(lián)箱）至過熱器出口的工質(zhì)總壓降不大于3.6 mpa。 1.7制粉系統(tǒng)采用中速磨正壓直吹式系統(tǒng)，配備6臺(tái)帶動(dòng)態(tài)分離器的hp1163/dyn型磨煤機(jī)，

5、bmcr工況下5臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。每臺(tái)磨煤機(jī)出口有4根粉管，每根粉管分成兩根分管連接至同層相鄰的燃燒器，每臺(tái)磨供1層共8只燃燒器。 1.8鍋爐配有兩臺(tái)半模式、雙密封、三分倉(cāng)容克式空氣預(yù)熱器，立式布置，煙氣與空氣以逆流方式換熱。預(yù)熱器型號(hào)為34-vi（t）-1800-smr，轉(zhuǎn)子直徑為16400，傳熱元件總高度為1800mm?？諝忸A(yù)熱器采用徑向、軸向和環(huán)向密封系統(tǒng)。為防止空氣預(yù)熱器低溫腐蝕，設(shè)有熱風(fēng)再循環(huán)系統(tǒng)。 1.9鍋爐設(shè)內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)，由啟動(dòng)循環(huán)泵、汽水分離器、貯水箱、疏水?dāng)U容器、疏水泵、水位控制閥、截止閥、管道及附件等組成。汽水分離器為圓形筒體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)上除考慮汽水的有效分離，還考慮啟動(dòng)時(shí)

6、汽水膨脹現(xiàn)象。 1.10鍋爐除渣采用刮板撈渣機(jī)機(jī)械除渣裝置，過渡渣井采用懸掛布置。過渡渣井下部插入撈渣機(jī)，水槽內(nèi)的水封板采用不銹鋼材料。 1.11鍋爐性能計(jì)算數(shù)據(jù)表 表1：鍋爐性能計(jì)算表（設(shè)計(jì)煤種：神府東勝煤） 負(fù) 荷 項(xiàng) 目 單位 bmcrbrl75% bmcr50% bmcr35%bmcr高加 切除 1. 蒸汽及水流量 過熱器出口 t/h295328072214147610332371再熱器出口 t/h24462316187312829122357省煤器進(jìn)口 t/h295328072214147610332371過熱器一級(jí)噴水 t/h8984664421119過熱器二級(jí)噴水 t/h3028

7、22173847過熱器三級(jí)噴水 t/h898466443895再熱器噴水 t/h0000002. 蒸汽和水溫度 過熱器出口 605.0 605.0 605.0 605.0 605.0 605.0 過熱汽溫度偏差 5.0 5.05.05.05.05.0再熱器進(jìn)口 359.0 354.0 333.0 342.0 351.0 357.0 再熱器出口 603.0 603.0 603.0 603.0 576.0 603.0 再熱汽溫度偏差 5.05.05.05.05.05.0省煤器進(jìn)口 298.0 295.0 279.0 254.0 234.0 185.0 省煤器出口 322.0 319.0 306.0

8、 288.0 277.0 241.0 過熱器減溫水 322.0 319.0 306.0 288.0 277.0 241.0 再熱器減溫水 179.0 177.0 168.0 155.0 143.0 179.0 啟動(dòng)分離器 428.0 429.0 426.0 384.0 365.0 423.0 3. 空氣溫度（按環(huán)境溫度為20） 空氣預(yù)熱器進(jìn)口一次風(fēng) 29.029.029.031.032.030.0空氣預(yù)熱器進(jìn)口二次風(fēng) 23.023.023.030.033.031.0空氣預(yù)熱器出口一次風(fēng) 309.0305.0286.0274.0263.0247.0空氣預(yù)熱器出口二次風(fēng) 324.0319.0303

9、.0287.0272.0266.04. 煙氣溫度 爐膛出口 1000.0980.0930.0850.0780.0970.0省煤器進(jìn)口（再熱器側(cè)/過熱器側(cè)） 408.0/465.0406.0/459.0393.0/447.0391.0/402.0377.0/387.0405.0/454.0省煤器出口（再熱器側(cè)/過熱器側(cè)） 359.0/369.0354.0/358.0341.0/337.0326.0/302.0301.0/287.0304.0/293.0空氣預(yù)熱器進(jìn)口 364.0359.0342.0320.0297.0302.0空氣預(yù)熱器出口(未修正) 129.4127.0115.0108.010

10、4.0108.0空氣預(yù)熱器出口(修正) 125.0122.0111.0103.099.0104.05. 燃料消耗量(實(shí)際)t/h3673452882031453416. 輸入熱量 gj/h8350785065604610330077607. 鍋爐熱損失 干煙氣熱損失 %4.564.444.334.324.443.48氫燃燒生成水熱損失 %0.090.090.080.070.060.06燃料中水分引起的熱損失 %0.210.200.180.150.140.14空氣中水份熱損失 %0.100.090.090.090.090.07未燃盡碳熱損失 %0.610.610.610.610.610.61輻射

11、及對(duì)流散熱熱損失 %0.170.180.210.300.420.18未計(jì)入熱損失 %0.300.300.300.300.300.30總熱損失 %6.045.915.805.846.064.848. 鍋爐熱效率 計(jì)算熱效率(按asme ptc4.1和低位發(fā)熱量計(jì)算) 計(jì)算熱效率 %93.9694.0994.294.1693.9495.169.爐膛熱負(fù)荷 截面熱負(fù)荷 mw/m24.594.323.612.541.814.27容積熱負(fù)荷 kw/m3 82776546337710. 風(fēng)率 一次風(fēng)率 %21.722.721.922.727.222.9二次風(fēng)率 %78.377.378.177.377.37

12、7.111. 過?？諝庀禂?shù) 爐膛出口 1.151.151.231.371.501.15省煤器出口 1.151.151.231.371.501.151.12鍋爐設(shè)計(jì)煤種和校核煤種分別為神府東勝煤和晉北煤，煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)如下： 表2：燃煤煤質(zhì)分析 名 稱 及 符 號(hào) 單位 設(shè)計(jì)煤種 (神府東勝煤)校核煤種 (晉北煤)常用煤種 (印尼煤)工 業(yè) 分 析 收到基全水分 mt%14.009.6117.00空氣干燥基水分 mad%8.49/5.48收到基灰分 aar%11.0019.775.61收到基揮發(fā)分 var%27.3322.8236.38收到基固定炭 fcar%47.6747.8041.01收到基低

13、位發(fā)熱量 qnet,arkj/kg227602244022400哈氏可磨系數(shù) hgi56.0054.81/元 素 分 析 收到基碳 car%60.3358.5659.19收到基氫 har%3.623.364.44收到基氧 oar%9.957.2811.6收到基氮 nar%0.690.791.33收到基全硫 st,ar%0.410.630.83灰 熔 融 性 變形溫度 dt 1130.01110.0/軟化溫度 st 1160.01190.0/流動(dòng)溫度 ft 1210.01270.0/灰 分 分 析 二氧化硅 sio2%36.7150.41/三氧化二鋁 al2o3%13.9915.73/三氧化二鐵

14、 fe2o3%13.8523.46/氧化鈣 cao%22.923.93/氧化鎂 mgo%1.281.27/三氧化硫 so3%9.302.05/氧化鈉 na2o%1.231.23/氧化鉀 k2o%0.721.10/2 超超臨界直流鍋爐運(yùn)行特點(diǎn) 2.1雙切圓燃燒 鍋爐采用三菱開發(fā)的pm（pollution minimum）型燃燒器，共分六層，配以六臺(tái)hp型中速磨煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)出口四根一次粉管，每根一次粉管在爐前又一分為二，各帶兩個(gè)角。爐膛截面為矩形結(jié)構(gòu)，采用無分隔墻的八角雙切圓燃燒方式，全擺動(dòng)式燃燒器。燃燒器采用前后墻布置，兩個(gè)切圓余速相互抵消，保證了燃燒室良好的空氣動(dòng)力場(chǎng)，兩側(cè)對(duì)稱點(diǎn)間的煙溫偏

15、差小于50。爐膛出口和水平煙道沿爐寬煙速偏差不大于20%。沿爐寬各管間熱偏差系數(shù)小于1.2。由于水冷壁按爐膛熱負(fù)荷分布裝設(shè)不同節(jié)流孔圈控制流量，使每根水冷壁管吸熱情況基本相同，出口工質(zhì)溫度偏差很小。燃燒器數(shù)量增加，單只燃燒器熱功率低，有效地防止了爐膛結(jié)焦。 燃燒器分布 前墻 圖1 ：爐膛雙切圓示意圖 2.2 pm型燃燒器低nox、mact燃燒特性 鍋爐是目前應(yīng)用最廣泛的能源終端利用技術(shù)，也是大氣中污染物排放的主要來源。燃燒過程中排放的污染物，如二氧化硫(so2)、氮氧化物(nox)、二氧化碳(co2)和甲烷(ch4)等都將會(huì)引起環(huán)境的變化。 華能玉環(huán)電廠1000mw超超臨界鍋爐采用了mhi的p

16、m型燃燒器和mact燃燒系統(tǒng)，有效抑制了氮氧化物(nox)的產(chǎn)生。pm型的燃燒器見圖2，風(fēng)粉混合物通過入口分離器分成濃淡二股分別通過圖2 pm燃燒器簡(jiǎn)圖 濃相和淡相二只噴嘴進(jìn)入爐膛，由圖3可以看出濃相煤粉濃度高，所需著火熱量少，利于著火和穩(wěn)燃；由淡相補(bǔ)充后期所需的空氣，利于煤粉的燃盡，同時(shí)濃淡燃燒均偏離了nox生成量高的化學(xué)當(dāng)量燃燒區(qū)，大大降低了nox生成量，與傳統(tǒng)的切向燃燒器相比，nox生成量可顯著降低。pm燃燒器由于將每層煤粉噴嘴分開成上下二組，增加了燃燒器區(qū)域高度，降低了燃燒器區(qū)域壁面熱負(fù)荷，有利于防止高熱負(fù)荷區(qū)結(jié)焦。 圖3 pm燃燒器nox生成量示意圖 mact燃燒系統(tǒng)，就是在pm主燃

17、燒器上方一定高度增設(shè)二層aa風(fēng)（附加風(fēng)）噴嘴達(dá)到分層燃燒目的，這樣整個(gè)爐膛沿高度分成三個(gè)燃燒區(qū)域，即下部為主燃燒區(qū)，中部為還原區(qū)，上部為燃盡區(qū)，這種mact分層燃燒系統(tǒng)可使nox生成量減少25%，mact燃燒技術(shù)原理見圖4。 圖4 mact燃燒技術(shù)原理圖 由于在爐膛的主燃燒區(qū)燃料是缺氧燃燒，爐膛過量空氣系數(shù)為0.85，但在燃燒器噴口附近，由于燃燒率較低，需要的氧量較少，因此在燃燒器噴口附近的區(qū)域內(nèi)是氧化性氣氛，這時(shí)燃料氮氧化后生成nox，在爐膛中間的主燃燒區(qū)，空氣量?jī)H為燃燒理論空氣量的0.85，因此燃燒的過程也是一個(gè)還原的過程，主燃區(qū)的化學(xué)反應(yīng)過程如下： n+ o2-nocnhm+o2-co2

18、+h2o在燃燒器的上部通過ofa噴嘴加入部分空氣，使進(jìn)入爐膛的空氣量達(dá)到理論燃燒空氣量的水平，形成一個(gè)還原脫nox區(qū)，此還原區(qū)的化學(xué)反應(yīng)過程如下： cnhm+o2-co+h2 +cnhmno+cnhm -nhi+n2+cnhm在ofa噴口的上方，是aa風(fēng)噴口，通過aa風(fēng)噴口噴入爐膛的風(fēng)量為總風(fēng)量的15%，在此燃盡區(qū)內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過程如下： cnhm+o2-c o2+h2oo2+co+h2-c o2+ h2onhi +o2 -no +n2根據(jù)三菱公司現(xiàn)已運(yùn)行機(jī)組經(jīng)驗(yàn)，采用三菱公司特有的mact燃燒技術(shù)，煙氣排放nox含量實(shí)測(cè)值約為270290mg/nm3，滿足我國(guó)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。 2.3 鍋爐蒸汽壓力高

19、，機(jī)組熱耗率低 根據(jù)不同國(guó)家，不同廠商的測(cè)算，采用常規(guī)超臨界參數(shù)的機(jī)組比亞臨界參數(shù)的機(jī)組其凈熱耗率約可下降1.72.5%，而超超臨界機(jī)組，根據(jù)不同的參數(shù)，將比常規(guī)超臨界機(jī)組再下降0.75.5%。 由于超臨界機(jī)組于壓力高的原因，其低壓缸的排汽濕度比同樣進(jìn)汽溫度的亞臨界機(jī)組要大，玉環(huán)電廠汽輪機(jī)應(yīng)用了獨(dú)特的抗水蝕和抗腐蝕技術(shù)。為了滿足機(jī)組主蒸汽和再熱蒸汽高壓力的要求，玉環(huán)工程采用了美國(guó)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)p92的金屬材料。這種材料焊接技術(shù)要求高、難度大，而且國(guó)內(nèi)沒有這種金屬的材料標(biāo)準(zhǔn)和焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)。華能公司組織有關(guān)科研機(jī)構(gòu)、高校和供貨商、施工單位聯(lián)合攻關(guān)，破解一道道技術(shù)難題，在技術(shù)上保證了工程的順利進(jìn)行。

20、玉環(huán)電廠鍋爐過熱蒸汽壓力27.46 mpa，對(duì)應(yīng)汽機(jī)主汽壓力為26.25mpa，再熱蒸汽壓力5.94 mpa，對(duì)應(yīng)汽機(jī)中缸進(jìn)汽壓力為5.56mpa，機(jī)組熱耗7316 kj/kw.h，大大低于超臨界和亞臨界機(jī)組。 2.4鍋爐蒸汽溫度高，機(jī)組效率提高 根據(jù)工程熱力學(xué)原理，熱力循環(huán)過程中，熱源參數(shù)越高，那么工質(zhì)做功的效率也就越高，蒸汽溫度的提高將大大提高機(jī)組的效率，下表列舉了蒸汽溫度升高10機(jī)組效率的提高情況 表3：蒸汽溫度升高10機(jī)組效率變化表： 主汽 一次再熱汽 二次再熱汽 一次再熱機(jī)組 0.30%0.25%-二次再熱機(jī)組 0.25%0.15%0.15%玉環(huán)電廠的過熱蒸汽溫度和再熱汽溫度分別為6

21、05和603，在這樣高的溫度下，高溫過熱器和再熱器管的最高壁溫可達(dá)到640650，只有采用熱強(qiáng)性高、抗蒸汽氧化和煙側(cè)高溫腐蝕的新型高鉻奧氏體鋼才能滿足要求，鍋爐的三級(jí)過熱器和四級(jí)過熱器的蛇形管（爐內(nèi)部分）均由超級(jí)304h（asme code case 2328）和hr3c（asme code case 2115）組成，前者為含銅達(dá)3%的細(xì)晶粒奧氏體鋼，即18cr10ni3cu，后者為含鉻達(dá)25%、含鎳達(dá)20%并含有少量鈮的高鉻奧氏體鋼，即25cr20ninb。蒸汽管道材質(zhì) p122/t122，p92/t92也是在國(guó)內(nèi)首次使用，滿足了高壓、高溫的要求，高材質(zhì)的應(yīng)用滿足了鍋爐過熱蒸汽溫度和再熱汽溫

22、度高的要求，使機(jī)組熱效率達(dá)到了45%，發(fā)電煤耗272g/kw.h，供電煤耗達(dá)到290.9 g/kw.h，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，可大量節(jié)約煤炭資源。 2.5超超臨界鍋爐獨(dú)特的配風(fēng)方式 超超臨界機(jī)組配備有較好的熱工自控系統(tǒng)，具有良好的調(diào)節(jié)性能，其中mhi的風(fēng)箱擋板控制別具特色。 2.5.1概述 風(fēng)箱擋板由油風(fēng)擋板、煤風(fēng)擋板、相鄰油和煤層燃燒器的輔助風(fēng)擋板、過燃風(fēng)擋板和附加風(fēng)擋板組成。設(shè)置風(fēng)箱擋板的目的就是使每個(gè)燃燒器獲得合適的風(fēng)/煤比。風(fēng)箱擋板的基本控制方法敘述如下： 2.5.2 風(fēng)箱擋板的配置及控制圖，見圖5： 圖5：風(fēng)箱擋板的配置及控制 2.6帶啟動(dòng)循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng) 對(duì)于直流鍋爐來講，在鍋爐啟動(dòng)及直流負(fù)荷以下運(yùn)行時(shí)，從水冷壁中出來的工質(zhì)是單相的水或汽水混合物，因此為保證鍋爐在啟動(dòng)及直流負(fù)荷以下的負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，能將汽水混合物分離并保證過熱器中不進(jìn)水，玉環(huán)電廠設(shè)置了帶循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)滿足直流鍋爐的特殊要求。當(dāng)機(jī)組的負(fù)荷高于其直流負(fù)荷時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)串聯(lián)在機(jī)組中呈干態(tài)運(yùn)行，起到均衡蒸汽溫度及流量的作用。啟動(dòng)系統(tǒng)示意圖如下： 圖6鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng) 采用帶泵的啟動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：在機(jī)組啟動(dòng)初期，可以很好的回收工質(zhì)及熱量，同時(shí)在機(jī)組沖洗過程中使用循環(huán)泵增加水冷壁內(nèi)的工質(zhì)流速，達(dá)到?jīng)_洗的效果，從而可以節(jié)省化水車間的制水能力。 3結(jié)束語(yǔ) 由于煤炭在中國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位，決定了在電力生