1 000 MW超超临界锅炉设计特点与选型分析

谢国鸿,黄 伟,彭 敏,朱光明

(湖南省电力公司试验研究院,湖南长沙 410007)

随着经济的迅猛发展,自 2006年底以来,我国先后有10余台1 000 MW超超临界机组投入商业运行,目前正在建设和调试的 1000MW超超临界机组也不少。从技术可行性、设计制造、运行情况、技术经济等来看,1000MW超超临界锅炉的设计和运行已趋于成熟。下一阶段 1 000 MW超超临界机组将成为新建火电机组的投资建设重点,湖南省也正着手于 600MW以上超超临界火电机组建设。目前我国 1 000 MW超超临界锅炉主要以哈锅(HBC,三菱技术)、东锅 (DBC,巴布科克 -日立技术)、上锅 (SBWC,阿尔斯通技术)为主。我国已经投运的 1 000 MW超超临界机组见表 1。

1 1 000 MW锅炉的设计特点

为了确保锅炉投产后能够安全、经济、稳定运行,大容量锅炉设计上主要从以下方面重点考虑:水循环动力特性、结构和受热面选材及布置、燃烧方式确保低 NOX排放、最低稳燃负荷措施、提高燃烧效率措施等〔1〕。

表 1 我国已投运的 1 000 MW超超临界锅炉各指标比较

1 000 MW超超临界锅炉由于参数高,受热面材料选用尤为关键。目前,用在超超临界锅炉过热器、再热器高温段的材料大多是奥氏体钢,主要以超细晶粒的 Super304H和 HR3C为主,而目前国内常用的 P91材料,则一般用在低温段。

超超临界 1 000 MW锅炉水冷壁布置形式主要采用垂直管圈带中间混合联箱和下部螺旋管圈带上部垂直管圈,锅炉通常采用带再循环的炉水泵启动系统。在锅炉启动期间,借助于炉水再循环泵和给水泵,水冷壁系统内始终保持相当于锅炉最低直流负荷流量 (25%～30%BMCR)。

燃烧器设计主要有直流和旋流型 2种,现在这2种形式均已在我国不同等级的锅炉上得到了广泛应用,技术较为成熟,各有优缺点。在燃烧器设计选型时重点考虑燃煤特性和环保因素。

我国目前 1 000 MW超超临界锅炉的主要特性对比见表 2。

表 2 我国 3大锅炉制造厂 1000MW超超临界锅炉主要特性对比

2 1000 MW超超临界锅炉设备选型分析

大型超超临界煤粉锅炉的整体布置主要采用 Π型布置和塔型布置,也有的采用 T型布置方式。由于 T型布置蒸汽系统复杂,钢材耗量大,我国发展超超临界锅炉一般在 Π型布置和塔式布置中选择。我国目前 1 000 MW超超临界锅炉主要的布置形式见图 1。

2.1 Π形布置

2.1.1 主要优点:锅炉及厂房的高度较低,排烟口在下部,可以减轻厂房和锅炉构架的负载;在水平烟道中可以采用支吊方式比较简单的悬吊式受热面;在尾部垂直下降烟道中,受热面易布置成逆流传热方式,强化对流传热;尾部受热面检修方便;锅炉本身以及锅炉和汽轮机之间的连接管道都不太长〔2〕。

2.1.2 主要缺点:烟气在炉内流动要经 2次转弯,造成烟气在炉内的速度场、温度场和飞灰浓度场不均匀,影响传热效果,并导致对流受热面局部飞灰磨损严重;在尾部烟道中要布置足够的尾部受热面有困难,特别是在燃用低发热值的劣质煤时更显得突出;由于有水平烟道,使锅炉构架复杂,而且不能充分利用其所有空间来布置受热面。

2.2 塔形布置

2.2.1 主要优点:占地面积小,取消了不宜布置受热面的转弯室,烟气流动方向一直向上不变,可以大大减轻对流受热面的局部磨损,对燃用多灰分燃料特别有利;均匀的对流受热面烟气流场分布,烟气流动阻力也较小;所有受热面全部采用水平布置,具备很强的自疏水能力,具备优异的备用和快速启动特点;防止炉内结焦〔3〕。

2.2.2 主要缺点:锅炉本体高度很高,过热器、省煤器、再热器等对流受热面都布置在很高位置,连接的汽水管道较长;安装及检修均较复杂。

3 1 000 MW超超临界锅炉燃烧方式

煤粉的燃烧方式,主要有切向燃烧方式 (四角、六角或八角)、墙式燃烧方式 (前后墙对冲燃烧)和 W型火焰燃烧方式 (拱式燃烧)3种。

切向燃烧中火焰可相互支持,一、二次风的混合易于控制,其煤种适应性较强,成为我国目前火电机组锅炉燃烧的主要方式之一。锅炉向超大容量发展,若仍采用单火球 Π型炉,则要求炉膛出口高度增大,这样除了炉膛出口后的两侧存在烟气能量不平衡外,上、下方向也会出现同样问题,另外过高的管屏内外圈管吸热量差异加大,外圈管受热行程长,易过热。尤其在超超临界参数下,主汽及再热汽温将会高达 580～600℃,即便选用新型奥氏体钢,易出现管屏下部迎火管段的超温问题。现在设计上常采用双炉膛或双切圆形式,部分也采用塔式布置。

对冲燃烧方式 Π型锅炉炉膛截面可布置为长方形,则炉膛出口也会高度降低呈长方形,解决了四角切向燃烧 Π型炉存在的炉膛出口水平烟道左右侧的烟温偏差大及其左、右侧主蒸汽及再热蒸汽温差较大的问题。旋流式燃烧器前后墙对冲布置和直流式燃烧器切向布置相比,其主要优点是上部炉膛宽度方向上的烟气温度和速度分布比较均匀,使过热蒸汽温度偏差较小,并可降低整个过热器和再热器的金属最高点温度。

W型火焰燃烧方式对难燃的贫煤及无烟煤在燃烧稳定性上优于四角和墙式燃烧方式,其下炉膛的截面积偏大,且四周敷设卫燃带,可使煤粉火焰具有较高温度,而又不易冲墙,减少了结渣的危险;但是,由于炉膛截面积大,形状复杂,锅炉本体造价大致要增加 20%左右。另外,形成和控制W型火焰使充满整个炉膛,要求成熟的设计经验和较高的运行水平。我国首台600MW W型火焰超临界锅炉已于 2009年 7月在湖南省金竹山电厂投入商业运行,目前 600 MW等级以上 W型火焰超(超)临界锅炉尚处在设计研发阶段。

4 结 论

锅炉布置型式与燃烧方式有一定关系,两者应合理搭配。目前我国超超临界机组锅炉有如下 5种燃烧方式与锅炉布置相适应:四角单切圆 Π式布置、四角单切圆塔式布置、炉膛双切圆 Π型布置、墙式对冲塔式布置、墙式对冲 Π型布置。湖南省1 000 MW锅炉设备选型需根据燃煤条件、调峰性能、环保指标、投资费用、运行可靠性及经济性等进行全面的技术经济比较后选定。

〔1〕DL/T831-2002,大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则 〔S〕.北京:中国电力出版社.

〔2〕樊险峰,吴少华.国产首台超超临界锅炉的设计与技术特点〔J〕.动力工程,2009(2):139-144.

〔3〕高子瑜,等.1 000MW超超临界锅炉塔式锅炉设计特点〔J〕.锅炉技术,2006(1):1-5.