1000MW 等级超超临界双烟道锅炉

文/蔡宏 王刚 上海锅炉厂有限公司（200245）

蔡宏（1977年~），男，西安交通大学研究生毕业。现为上海锅炉厂有限公司工程师，从事大型电站锅炉设计和研发工作。

1 前言

火力发电厂的热经济性随着蒸汽参数的提高而上升，提高机组热效率是火电机组发展的目标之一。自20世纪50年代以来，国外火电机组始终以提高蒸汽参数和增大单机功率为发展重点，目前300MW等级火电机组通常采用亚临界参数，600MW等级及以上容量的机组已普遍采用超临界参数。新设计的机组多采用变压运行，可适应带中间负荷和调峰的需要，运行的灵活性大为提高。随着火电机组蒸汽参数的进一步提高，机组进入了超超临界的参数范围。与此同时，国家对发电设备在环保和污染物排放控制方面的要求也越来越高，因而发展高效、节能、环保的大容量电站锅炉势在必行。超（超）临界锅炉以其高效、环保、技术先进、市场前景广阔等显著优势，成为国内市场需求的主导产品。

机组蒸汽参数的提高和容量的增大，不仅与应用于高参数机组材料的开发有关，而且与设计技术和制造工艺的进步密不可分。经过40多年的不断完善和发展，目前超临界和超超临界机组的发展已进入了成熟和实用阶段，具有更高参数的超超临界机组也已经成功地投入商业运行。

上海锅炉厂有限公司在设计600MW等级超临界锅炉的基础上，结合超超临界机组参数要求及已有经验，开发研制了1000MW超超临界双烟道锅炉产品。该产品的投运标志着上海锅炉厂有限公司在产品系列上的完善，同时成为国内首家具有1000MW超超临界双烟道和塔式锅炉两种产品设计制造运行业绩的锅炉生产企业。

首台产品锅炉性能鉴定试验于2010年3月完成。在试运行生产期间，锅炉在各种不同负荷情况下燃烧稳定，运行参数正常，实测锅炉效率高，燃烧器低负荷不投油稳燃性好，能较好地满足机组调峰的需要，环保性能良好，NOx排放低。锅炉各项主要性能指标均超过设计值。

2010年12月，中国电力企业联合会和中国机械工业联合会在北京共同组织召开了上海锅炉厂有限公司“1000MW等级超超临界双烟道锅炉”产品鉴定会，与会专家一致认为上海锅炉厂有限公司1000MW等级超超临界双烟道锅炉达到了国际先进水平。

2 主要技术

1000MW超超临界双烟道锅炉为，超超临界参数、变压运行、一次中间再热、螺旋管圈，单炉膛、双切圆燃烧方式、平衡通风、全钢悬吊双通道型结构、露天布置、固态排渣，制粉系统配正压冷一次风机直吹式送粉系统，采用带循环泵的启动系统，炉后尾部布置两台三分仓容克式空气预热器。

锅炉整体布置及系统方面。

整个炉膛由膜式水冷壁组成，水冷壁采用螺旋管圈布置方案。炉膛上部布置有前屏过热器和后屏过热器，水平烟道依次布置高温过热器和高温再热器，尾部烟道布置有低温再热器、低温过热器和省煤器。

锅炉燃烧系统按配中速磨煤机正压直吹式制粉系统设计。燃烧方式采用低NOx切向燃烧系统，煤粉燃烧器布置在炉膛下部四角和前后墙中部，在炉膛中呈双切圆方式燃烧。通过燃烧设备设计和炉膛布置的匹配来满足锅炉各项燃烧指标要求，在煤种允许的变化范围内确保煤粉及时着火、稳燃、燃烬、炉内不发生明显结渣、NOx排放量低、燃烧器状态良好、不被烧坏。

过热器汽温通过煤水比调节和三级喷水来控制。再热器汽温采用烟气挡板调温、燃烧器摆动和过量空气系数的变化调节，低温再热器进口连接管道上设置事故喷水装置。

锅炉启动系统采用带再循环泵的内置式启动系统。

锅炉出渣采用机械出渣系统。

锅炉配备两台三分仓回转式空气预热器。空气预热器主轴垂直布置，烟气和空气以逆流方式换热。

锅炉本体内设有墙式吹灰器、长伸缩式吹灰器和半伸缩式吹灰器。炉膛出口装有烟温探针，启动时用来控制炉膛出口烟温。在炉膛出口处还装有负压测点。锅炉本体部分配有安全阀和动力释放阀。锅炉炉顶采用大罩壳热密封，炉顶管采用全金属密封，炉墙为轻型结构带梯型金属外护板，屋顶为轻型金属屋盖。锅炉构架采用全钢结构，主要构件的接头采用扭剪型高强度螺栓连接，其他构件的接头采用高强度螺栓或焊接连接。除回转式空气预热器支撑在构架上以外，锅炉其余部分全悬吊于构架上。

图1 锅炉受热面及燃烧系统布置

1000MW超超临界双烟道锅炉有以下主要技术特点：

2.1 采用超超临界技术，确保锅炉具有较高的可用率

采用包括设计、制造、质量控制、仪控、安装、投运和调试等各个方面在内的一整套成熟、先进的超超临界专有技术，从而能够确保机组长期安全、可靠、经济地运行。

2.2 采用较大的炉膛断面和容积，较低的炉膛断面热负荷和炉膛出口烟气温度

炉膛设计针对设计煤种和校核煤种，充分考虑煤粉的着火、燃烧的稳定和高效、煤质的适应能力、负荷调节能力、低NOx排放、低负荷稳燃、炉内结渣以及高温受热面的安全；同时兼顾煤种变化和煤质变差的情况。

2.3 炉膛水冷壁采用螺旋管圈水冷壁的优化设计

对于超临界及超超临界锅炉，既有螺旋管圈水冷壁设计，又有垂直管圈水冷壁设计，而采用螺旋管圈水冷壁设计，尤其是结合切向燃烧方式，有其自身技术特点。对于螺旋管圈水冷壁而言，倾斜上升的水冷壁管保证了每根管都通过炉膛不同受热区域，水冷壁倾斜管环绕圈数超过一圈，每根蒸发器管通过炉膛热和冷的区域，结果是水冷壁均匀吸热,不受火球位置影响，水冷壁管出口温度较为均匀。同时，锅炉燃烧系统为切向燃烧，故炉膛每侧的热负荷曲线是基本一致的。综合炉膛结构和热负荷分布可以知道，采用螺旋管圈水冷壁方案能够确保螺旋段和垂直段出口热负荷分布都很均匀，这一方面可以确保锅炉运行的安全性，同时也可以保证锅炉长期高效运行。螺旋管圈水冷壁的压降受管子规格、长度以及质量流速的影响，而管子规格取决于管子内部最小允许质量流速，管子长度取决于管子上升倾角以及螺旋圈数，带有最佳质量流速以及最佳螺旋圈数的螺旋管圈水冷壁设计能减少水冷壁压降。通过调整和优化螺旋角度和螺旋管与垂直管的比例，从而有效降低了锅炉一次汽阻力，提高了锅炉的安全性和经济性。

图2 螺旋管圈水冷壁展开

2.4 采用单炉膛双切圆燃烧方式和低NOx环保型燃烧设备。在保证炉膛不结渣的前提下，燃烧效率高、煤种适应性强、烟气温度及速度偏差小、NOx排放低

切向燃烧系统具有高燃烧效率、稳定的热力特性和低污染物排放等特点，有着独特的空气动力结构。燃料和助燃空气通过炉膛的四角引入，方向指向位于炉膛中心的一个假想切圆。随着燃料和空气进入炉膛并着火，在炉膛内就形成一个旋转的“火球”（见图3），受上游高温烟气加热很快着火，激烈燃烧的射流末尾又冲撞下游邻角的燃料射流，四角射流相互碰撞加热，从而形成燃烧稳定的旋转上升火焰。下一层旋转上升火焰，促进上一层的燃烧强化和火焰稳定；上一层的旋转气流同时加强对下层火焰的扰动，这种角与角和层与层之间的相互掺混扰动，即炉膛内整体而不是局部的强烈的热量和质量交换，保证了煤粉的着火稳定性。由此切向燃烧可认为整个炉膛是一个燃烧器。低NOx煤粉燃烧，是通过分析煤粉燃烧时NOx的生成机理，建立早期着火和使用控制氧量的燃料/空气分段燃烧技术，当挥发氮物质形成时、非常关键的早期燃烧阶段中O2降低，它把整个炉膛内分段燃烧和局部性空气分段燃烧时降低NOx的能力结合起来，在初始的富燃料条件下促使挥发氮物质转化成N2，因而达到总的NOx排放减少。切向燃烧和低NOx燃烧两者的结合——低NOx切向燃烧系统，是一种高效环保的燃烧技术。在降低NOx排放的同时，着重考虑提高锅炉不投油、低负荷稳燃能力和燃烧效率，在防止炉内结渣、高温腐蚀和降低炉膛出口烟温偏差等方面，同样具有独特的效果。

2.5 采用可靠的受热面布置方式和合理的调温方式，使得汽温偏差尽可能小，蒸汽温度的调节范围大；管材选用上留有足够的裕度，以保证受热面安全可靠

2.6 采用带再循环泵的内置式启动系统

图3 切向燃烧“火球”

直流锅炉的启动系统形式及容量的确定是根据锅炉最低直流负荷、机组运行方式、启动工况及最大工况时水冷壁质量流速的合理选取、以及工质的合理利用等因素确定。对于带再循环泵的启动系统，在锅炉的启动及低负荷运行阶段，炉水循环确保了在锅炉达到最低直流负荷之前的炉膛水冷壁的安全性。当锅炉负荷大于最低直流负荷时，一次通过的炉膛水冷壁质量流速能够对水冷壁进行足够的冷却。在炉水循环中，由分离器分离出来的水往下流到锅炉启动循环泵的入口，通过泵提高压力来克服系统的流动阻力和省煤器最小流量控制阀的压降。水冷壁的最小流量是通过省煤器最小流量控制阀来实现控制的。从控制阀出来的水通过省煤器，再进入炉膛水冷壁。在循环中，有部分的水蒸汽产生，然后此汽水混合物进入分离器。分离器通过离心作用把汽水混合物进行分离，并把蒸汽导入过热器中。分离出来的水则进入位于分离器下方的贮水箱。贮水箱通过水位控制器来维持一定的水位。贮水箱布置靠近炉顶，这样可以提供循环泵在任何工况下所需要的净吸压头。贮水箱较高的位置同样也提供了在锅炉初始启动阶段汽水膨胀时疏水所需要的静压头。由于带再循环泵的启动系统在启动的整个过程中能100%吸收疏水热量，可有效缩短冷态和温态启动时间，更适合于频繁启动、带循环负荷和二班制运行机组。

2.7 具有较好的低负荷稳燃性能和启、停及调峰性能

2.8 过热器、再热器受热面材料选取留有较大的裕度

为了降低超超临界锅炉因过热器和再热器出口汽温的提高所导致的高温段管子烟气侧高温腐蚀和管内高温氧化，采用了大量的奥氏体钢管。

3 创新点

3.1 节能环保技术——低NOx燃烧技术的进一步应用

应用双切圆、低NOx燃烧技术，降低了各项污染排放指标的设计值。根据国家标准燃用烟煤NOx的排放指标为450mg/Nm3，使用低NOx燃烧技术后NOx的排放指标可以为300 mg/Nm3甚至更低。

3.2 水冷壁型式的改进

在1000 MW超超临界双烟道锅炉水冷壁设计中提出了新的改进方案，调整了螺旋角度和螺旋管和垂直管的比例，降低了锅炉一次汽阻力，达到了既安全又经济的目标。

3.3 再热器调温方式的创新

再热器的汽温调温方式采用尾部烟气挡板调温为主，替代了常规的以燃烧器摆动为主，在调节再热器汽温的灵活性和灵敏度上有了突破。

3.4 尾部烟道防振技术

低温过热器和低温再热器及省煤器都布置在尾部前后烟道中，为了避免在运行中出现振动问题，采用了尾部烟道防振技术以防止受热面振动的发生。

3.5 过热器、再热器结构优化

过热器、再热器采用优化的结构设计方案。

3.6 合理进行温度偏差的控制

通过炉膛、燃烧系统及受热面的设计和布置匹配，并应用数值模拟计算，从而来控制锅炉烟气侧和蒸汽侧的偏差。

3.7 新材料、新工艺的研究和掌握

1000MW超超临界双烟道锅炉中使用了大量的高等级新材料，新材料的大量应用必然会给锅炉制造带来大量新的变数，因此对这些新材料进行了系统、全面的试验研究，了解并掌握这些新材料的焊接性能、冷热成形加工性能、高温持久断裂性能等。同时对成排弯水冷壁组件、分离器及再循环混合球等关键组件的制造工艺进行了研究。

4 社会效益

该项目的成功设计制造使得上海锅炉厂有限公司同时具备了百万等级塔式、双烟道锅炉的设计制造能力，符合国家节能减排的要求，具有很好的示范和推进作用；1000MW超超临界双烟道锅炉燃用烟煤有着低于300mg/m3以下的NOx排放水平和高于94%以上的锅炉效率，在国内、国际上处于领先水平。