哈锅大容量褐煤锅炉的开发

张殿军

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150046)

0 引言

2004年底，中国已探明的褐煤储量达到1 000亿t以上(约占全国煤炭储量的16.24%，其中内蒙古的褐煤储量最大(占全国褐煤储量的77%)且矿点少，储量集中(除少数水分35%～40%、灰分较低的褐煤外，其余大多数为水分25%～35%、灰分较高的褐煤)，容易开采、成本较低。因此开发燃用褐煤的大容量电站锅炉、在内蒙地区加快建设大型褐煤坑口电站，既能充分利用当地褐煤资源，又可解决烟煤产量不足、褐煤长途运输带来的安全问题，有利于降低发电成本、促进内蒙地区的经济发展。此外，大型超高压远距离输变电系统技术的飞速发展为内蒙电力资源输往京、津、唐和华北、东北等地区提供了便利条件。

1 国内外大容量褐煤锅炉发展现状

1.1 国外大容量褐煤锅炉的发展现状

美国在20世纪60-70年代大量生产的500～ 800 MW褐煤锅炉大部分为亚临界控制循环和自然循环锅炉，也有少量的超临界直流锅炉采用复合循环或UP型多次上升水冷壁、定压运行，燃用的德克萨斯褐煤或北达科他州褐煤均为高水分、低灰分褐煤，采用中速磨制粉系统，这些锅炉因生产年代久远，锅炉设计和蒸汽参数均已落后。澳大利亚有一些容量为600 MW等级的褐煤锅炉，多数为亚临界自然循环，蒸汽温度为540℃/540℃，为日本公司生产。

目前，世界上已有百万等级褐煤锅炉的主要国家是德国，其最大的超超临界褐煤锅炉为950 MW锅炉，采用塔式布置、单切圆燃烧、正方形炉膛，蒸汽温度为580℃/600℃，高温过热器材质选用问题使内壁蒸汽氧化而被迫降温运行。德国的900 MW和800 MW等级褐煤锅炉均为超临界锅炉，蒸汽温度水平略低。德国切向燃烧的大容量褐煤炉燃烧器不能摆动，而塔式炉型又无法采用挡板调温，因此均采用烟气/一次汽/二次汽的三流式传热部件布置于尾部竖井中以调节再热汽温，其结构复杂且制造要求很高。

1.2 国内大容量褐煤锅炉技术的发展情况

从20世纪70年代起，中国陆续引进了瑞士苏尔寿公司的300 MW褐煤锅炉、德国斯坦缪勒公司的600 MW褐煤锅炉和前苏联的500 MW褐煤锅炉等。这些引进锅炉均按照国外褐煤特性设计制造，在中国投入运行后暴露出炉膛结渣严重、受热面超温爆管等问题，个别机组甚至达不到额定出力，其原因主要在于国外的褐煤属于年轻褐煤，与中国的老年褐煤煤质有本质区别，国外锅炉厂家缺乏对中国褐煤煤质的了解，致使其提供的产品出现了严重的质量问题。20世纪80年代，随着亚临界参数大容量锅炉的技术引进，哈尔滨锅炉厂有限责任公司(简称哈锅)针对国内褐煤的煤质特点开始研发大容量褐煤锅炉，先后研制开发了一批300 MW、600 MW亚临界褐煤锅炉炉型，积累了丰富的褐煤锅炉的设计和运行经验。进入21世纪，哈锅又先后开发研制了一批技术先进、运行可靠、能够满足不同要求的350 MW、600 MW等级超临界褐煤锅炉炉型，目前正在研发代表世界先进水平的600 MW、1 000 MW超超临界褐煤锅炉。

2 发展大型褐煤锅炉需要解决的关键性技术难题

褐煤是一种性能变化范围很大的劣质燃料，一般形成年代都比较短，具有“三高两低”的显著特性(即高挥发分、高水分、高灰分、低发热量、低灰熔点等)，因而以褐煤为燃料的机组对电站锅炉设计和安全经济运行提出了许多要求。

2.1 褐煤煤质特性和防结渣技术研究

煤是由多种有机物质和无机物质混合组成的复杂固体碳氢燃料，其中褐煤是最低品位的煤，依据美国ASTM对煤的分类，褐煤是所有煤种中发热量最低、水分含量最高和固定碳含量最低的煤种。表1列举了哈锅大容量褐煤锅炉燃用的典型褐煤煤质。

中国褐煤普遍具有灰分熔点低、结渣性强的特点，容易产生炉膛水冷壁和燃烧器喷口的结渣，造成水冷壁换热恶化爆管和燃烧器喷口烧毁等问题，给锅炉的安全稳定运行带来严重危害。中国早期进口的褐煤锅炉普遍存在炉膛严重结渣问题，为此必须开展褐煤锅炉炉膛防结渣技术的专项研究，掌握老年褐煤及国外年轻褐煤的不同特点，研究不同种类褐煤的着火性能(包括着火特性、稳燃特性和燃尽特性等)、褐煤组分对稳燃和燃尽的影响，研究灰分组成、煤粉细度对灰熔融性和锅炉结渣的影响，掌握防止炉内结渣的炉膛热力参数的选取规律，建立一套科学的燃烧器结构选型和设计的方法。

表1 哈锅大容量褐煤锅炉的煤质

2.2 褐煤锅炉炉膛的炉膛结构设计方法

褐煤锅炉炉膛炉膛结构设计方法是研究炉膛结构对炉内气固两相流场、炉内热负荷分布规律的影响以及由此引起的对炉内燃烧过程、锅炉运行参数和炉膛结渣的潜在影响，确定与褐煤煤质特性相适应的大容量褐煤锅炉炉膛结构设计方法，在锅炉设计过程中选取合理炉膛容积热负荷、炉膛截面负荷、燃烧器区域壁面热负荷、锅炉燃烬高度等关键技术参数，从而有效防止煤粉气流冲刷水冷壁或炉内热负荷过高而导致的结渣性问题，在保证煤粉有足够的炉内停留时间以降低锅炉的NOx排放。

2.3 褐煤锅炉制粉系统选型

与烟煤、无烟煤和贫煤不同，褐煤煤化程度低、水分含量高，制粉系统需要较高的一次风温来满足煤粉干燥和输送的要求。褐煤锅炉传统的制粉系统为风扇磨直吹式制粉系统，该系统具有一次风温高、一次风率低、煤粉水分低、对原煤有较强干燥能力的特点，但一次风压头较低、煤粉相对较粗。随着机组容量的增加和中速磨煤机的广泛应用，对中低水分(全水分35%以下)褐煤普遍采用中速磨煤机，全水分在40%左右或40%以上的褐煤只能采用风扇磨煤机。对水分35%～40%的褐煤则根据煤质的具体情况确定磨煤机的形式。与风扇磨直吹式制粉系统相比，中速磨直吹式制粉系统具有较高压头、煤粉细度相对较细等特点，但一次风率偏高、风温低、煤粉水分高，对原煤的干燥能力相对较差。表2为风扇磨制粉系统和中速磨制粉系统的特点对比。

2.4 与制粉系统匹配的燃烧系统

锅炉制粉系统应根据工程需要具备不同的布置形式和设计特点，锅炉的燃烧系统需要与之匹配(如配风扇磨煤机的8角切圆燃烧系统或6角切圆燃烧系统等，配中速磨煤机的6角切圆燃烧系统或4角切圆燃烧系统及燃烧器前后墙对冲布置等)，解决好燃烧的稳定性、防结渣性、经济性等问题，同时考虑降低NOx的排放量。由于褐煤的高水分特点，考虑到对煤粉干燥出力和输送燃煤的实际需要，褐煤锅炉燃烧系统一次风率较其它煤质锅炉有大幅度提高，直接导致锅炉燃烧系统二次风及燃尽风的可用配比降低，对整体合理组织燃烧系统风量配比带来很大困难。因此需要对不同制粉系统形式下的燃烧器结构及布置方式、热功率分配方案、燃烧系统关键设计参数的选取方法进行研究，从而确定高效、低NOx燃烧系统的设计方法。

表2 中速磨制粉系统和风扇磨制粉系统特点对比

2.5 褐煤锅炉烟气传热特性研究

相同等级的燃煤锅炉、褐煤锅炉燃烧产生的烟气量较大，烟气中水分含量很高，同时烟气中粉尘粒径较大、烟气流速高，这些特点决定了褐煤锅炉烟气具有特殊的传热特性。褐煤锅炉的炉膛火焰温度较低，因此辐射换热能力差;褐煤的热值低、煤耗量大、一次风量大、二次风量小导致炉膛空气动力场组织困难，易造成较大的偏差。因此，研究褐煤锅炉烟气在炉内以及辐射受热面、对流受热面区域的传热特性对大容量褐煤锅炉受热面的设计至关重要。

3 大容量褐煤锅炉的技术特点

目前国内大容量锅炉多数采用Π型布置，而国外公司的大容量褐煤锅炉采用塔式布置。开发满足不同制粉系统大容量褐煤锅炉(Π型或塔式)设计方案必须保证磨煤机布置方案与锅炉钢结构、燃烧器系统、受热面布置相匹配。有关Π型布置锅炉和塔式布置锅炉的主要特点比较如表3所示。

表3 塔式锅炉和Π型锅炉的特点比较

哈锅根据煤质及用户需求的不同，开发了Π型布置和塔式布置两种布置形式的褐煤锅炉，其中前者可以采用中速磨制粉系统或风扇磨直吹式制粉系统，后者可以采用风扇磨直吹式制粉系统。以下将以具体工程为例对哈锅已投运的大容量褐煤锅炉的设计结构特点进行阐述。

3.1 300 MW等级亚临界褐煤锅炉

双辽电厂300 MW亚临界4台褐煤锅炉为在670 t/h褐煤锅炉设计运行的基础上自主研制的300 MW亚临界机组褐煤锅炉。锅炉为亚临界参数、一次中间再热、自然循环汽包炉，单炉膛Π型布置，采用平衡通风，六角切圆燃烧方式。设计燃料为霍林河褐煤，干燥剂为热炉烟加热风。锅炉运转层以上采用紧身封闭，运转层以下采用室内布置。锅炉最大连续蒸发量为1 021 t/h，主蒸汽出口压力为18.2 MPa。配6台FM340.1060型风扇磨直吹式热烟和热风干燥制粉系统。通过抬高炉膛高度、加深尾部烟道及采用较大的燃烧器一次风喷口间距等措施，以适应强结渣性煤的特点。

炉膛上部布置墙式辐射再热器和大节距的过热器分隔屏、后屏以增加再热器和过热器的辐射特性。墙式辐射再热器布置于上炉膛前墙和两侧墙。各级过热器、再热器之间采用单根或数量很少的大直径连接管相连接，有利于蒸汽良好地混合，以消除偏差。各集箱与大直径连接管相连处均采用大口径三通。各级过热器和再热器最大限度地采用蒸汽冷却的定位管和吊挂管，以保证运行的可靠性。各级过热器和再热器同时采用了较大的横向节距，防止在受热面上结渣结灰。

对于汽温调节方式，过热器采用常规喷水调温，共设两级4点喷水，第一级喷水设在低温过热器出口到分隔屏入口的连接管道上，喷水量约占过热器总喷水量的2/3，作为粗调;第二级喷水设在后屏过热器出口到末级过热器入口间的连接管道上，喷水量约占总喷水量的1/3左右，为细调，调节过热器出口温度。再热器采用喷水调温，低负荷运行时以过量空气系数调整作为辅助调温手段。

机组装有集散控制系统(DCS)，协调控制汽机和锅炉。

3.2 600 MW等级亚临界褐煤锅炉

内蒙古上都发电有限公司4台600 MW机组锅炉为亚临界压力、一次中间再热、控制循环汽包炉，锅炉采用平衡通风、四角切圆燃烧方式、摆动式直流燃烧器，最大摆角为±30°;配8台中速磨，采用正压直吹式系统，设计燃料为内蒙古锡林浩特胜利煤田1号露天矿原煤，校核煤种为锡林浩特胜利煤。

在炉膛上部布置墙式辐射再热器和大节距的过热器分隔屏以增加再热器和过热器的辐射特性。墙式辐射再热器布置于上炉膛前墙和侧墙。各级过热器、再热器之间采用单根或数量很少的大直径连接管相连接，各集箱与大直径连接管连处均采用大口径三通，对蒸汽起到良好的混合作用以消除偏差。同时各级过热器和再热器采用较大的横向节距，防止在受热面上结渣结灰。根据国内运行经验和设计煤种的特性，对流受热面设计采用较低烟速。采用内螺纹管膜式水冷壁的强制循环系统，可以降低锅炉循环倍率，以便采用低压头循环泵以减少电耗。

为了满足高水分褐煤制粉系统干燥出力的要求，该工程在回转式预热器又单独设置了1组管式空气预热器，以进一步加热一次风。经实际运行，该系统在保持锅炉排烟温度不变的前提下将热一次风温度提高到420°C左右，基本满足了制粉系统对褐煤干燥的要求，同时将中速磨制粉系统的煤粉水分限制由30%升高到35%。为消除过热器出口处汽温偏差，对过热器采用二级喷水。第一级喷水减温器设于低温过热器与分隔屏之间的大直径连接管上，第二级喷水减温器设于过热器后屏与末级过热器之间的大直径连接管上，减温器采用笛管式。再热器的调温主要靠燃烧器摆动，在再热器进口导管装有2只雾化喷嘴式喷水减温器作事故喷水用。过量空气系数的改变对过热器和再热器的调温有一定的作用。

炉膛监察保护系统(FSSS)用于锅炉的启停、事故解列以及各种辅机的切投，其主要功能是炉膛火焰检测和灭火保护，对防止炉膛爆炸和“内爆”有重要意义。机组装有协调控制系统，进行汽机和锅炉之间的协调控制。

3.3 350 MW超临界褐煤锅炉

华能长春热电厂(简称长四热电厂)2台350 MW褐煤锅炉为一次中间再热、超临界压力变压运行、最大连续蒸发量1 100 t/h、不带再循环泵的大气扩容式启动系统的直流锅炉，采用中速磨直吹式制粉系统、单炉膛、尾部双烟道、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、Π型布置。每台炉配6台HP863磨煤机(5台运行，1台备用)。

锅炉采用新型切圆燃烧燃烧方式，燃烧器布置在水冷壁的四面墙上，共设6层水平浓淡煤粉一次风喷口(每层4只燃烧器对应1台磨煤机)。SOFA燃烧器布置在主燃烧器区上方的水冷壁四角，以实现分级燃烧降低NOx排放。SOFA采用水平摆动形式，可以调节燃烧火球在炉膛中的位置，并用于调节切圆燃烧产生的炉膛出口处烟温偏差。

水冷壁为膜式水冷壁，下部水冷壁及灰斗采用螺旋管圈，上部水冷壁为垂直管屏。锅炉下部炉膛水冷壁及灰斗采用螺旋管圈，具有较高的质量流速，在各种负荷下均有足够的冷却能力并能有效地补偿沿炉膛周界上的热偏差。将2只内置式启动分离器布置在锅炉的前部上方，适合于滑压运行，提高了机组的效率，延长了汽机的寿命。采用不带泵大气扩容器的启动系统，锅炉具有快速启动能力，缩短机组启动时间;启动系统设置了足够容量的大气式扩容器和疏水箱。

过热器为辐射对流型，低温过热器布置于尾部竖井后烟道，分隔屏过热器和高温末级过热器布置于炉膛上部。过热蒸汽温度采用煤水比和两级喷水减温控制。在上炉膛布置横向节距较宽的分隔屏受热面，有效防止管屏挂渣。过热器采用两级喷水减温器，一级减温器布置在低温过热器和分隔屏过热器之间，二级减温器布置在分隔屏过热器和末级过热器之间，每级两点。再热蒸汽采用尾部烟气挡板调温，并在低温再热器出口管道配有事故喷水减温器。

3.4 600 MW等级褐煤锅炉

华能九台电厂一期工程2台670 MW超临界锅炉为一次中间再热、超临界压力、变压运行、带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉，采用单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、紧身封闭布置;低NOx燃烧器系统、40只燃烧器八角切圆布置、8台MB3600/1000/490风扇磨煤机直吹式制粉系统(6台运行，1台备用，1台检修)。炉膛内的烟气垂直向上流动，依次冲刷屏式过热器、末级过热器、末级再热器、中温过热器、低温再热器和省煤器，这种对流受热面的布置方式能保证各级受热面较大的吸热温差。水平布置受热面为全疏水式，有利于锅炉的快速启停。

塔式炉的炉膛截面为正方形，每台锅炉配8台风扇磨，每面墙各布置2组燃烧器，形成的“八角”小直径单切圆燃烧使风扇磨的切投(改变投运磨的台数)对炉膛内的空气动力场和烟气温度场影响较小。每组燃烧器与1台风扇磨相配，采用了带有中心风的直流型固定式燃烧器。为防止燃烧器区域出现结渣，每组燃烧器在高度方向又拉开成3组以降低燃烧器区域壁面热负荷。在主燃烧器上方装有分离式上二次风喷口(又称AA风)，实现分级燃烧以降低燃烧NOx排放量。在下炉膛内布置螺旋管圈光管水冷壁(包括冷灰斗)，能有效消除工质沿各墙的热力和水力偏差，在合理的质量流速下保证螺旋管圈水冷壁出口沿各墙最小的工质温度偏差。过热器采用三级布置，即屏式过热器→中温过热器→末级过热器。屏过热器和末过热器布置于炉膛出口，过热器汽温控制以煤水比调节为主，喷水为辅。采用二级喷水减温，再热器二级布置，即低温再热器→末级再热器。由于燃烧器为固定式不能摆动，也不能用挡板调温，因此再热汽温的调节主要靠喷水，喷水减温器布置于末级再热器与低级再热器之间连接管上，省煤器布置于塔式炉最上部。

在锅炉前墙外上方装有启动系统以满足各种工况(冷态、温态、热态和极热态)启动和停炉要求，能起到部分回收工质和热量的功能，每台锅炉配有4只汽水分离器和1只贮水箱，汽水分离系统属于内置式，其设计容量为30%BMCR，等于锅炉的最低直流负荷。

4 大容量褐煤锅炉运行性能

华能长春热电厂工程1号锅炉在100%额定负荷时锅炉效率平均值为92.47%(保证值91.55%)，锅炉最大连续出力为1 159 t/h(保证值1 110 t/h)，空气预热器A、B侧漏风率分别为5.92%和5.86%(保证值6.0%)，NOx排放浓度平均值为211 mg/Nm3(保证值400 mg/Nm3)，锅炉不投油最低稳燃负荷为428 t/h(保证值444 t/h)，在高压加热器全部投运、切除时都能达到额定出力并且能够长期连续运行，各受热面管壁温度均未出现超过限制值现象。

华能九台电厂一期工程的600 MW等级超临界褐煤塔式锅炉投运后，各项指标均优于设计值。其中考核工况锅炉效率平均值为93.08%(保证值91.80%);锅炉最大连续出力试验工况，省煤器入口至过热器出口的总压降为3.19 MPa(保证值为3.67 MPa)，再热器压降为0.178 MPa(保证值0.20 MPa)，A、B侧空气预热器漏风率分别为4.57%和4.43%(保证值6%)。锅炉无油助燃最低稳定燃烧负荷约为46%BMCR(50% BMCR)，锅炉最大连续出力试验工况下锅炉NOx排放浓度平均值为185 mg/m3(标准状态)，效率考核工况下锅炉NOx排放浓度平均值为257 mg/m3(标准状态)，2个工况NOx排放浓度均低于保证值400 mg/m3(标准状态)。

5 结论

大容量、高效率、低污染褐煤锅炉的研制和开发对充分利用中国丰富的褐煤资源意义重大。哈锅大容量褐煤锅炉产品系列日趋完善(产品已涵盖300 MW等级亚临界、600 MW等级亚临界、350 MW超临界、600 MW等级超临界等不同系列，采用Π型或塔式布置)，在大容量褐煤锅炉方面拥有雄厚设计和制造经验。不久将开发出新型低氮燃烧技术应用到工程实践中，并将研制出性能和参数更高(如600℃/600℃)、适应性更强(Π型或塔式布置、中速磨或风扇磨直吹式制粉系统)的大容量褐煤锅炉，以提高中国火力发电的经济性、可靠性，改善环保状况。