600MW等级超临界W形火焰锅炉

0 引 言

在我国现役发电设备中，火电机组占了相当大的比例，而火电机组中燃煤机组又占了大部分，这种趋势将持续相当长时间。我国煤炭资源丰富，煤种齐全，云南、贵州、湖南、山西、广东等地无烟煤、贫煤的储量十分丰富，根据探明的煤炭储藏量表明，无烟煤、贫煤占总煤炭储藏量达20%以上。因为无烟煤、贫煤属于难于燃烧的低挥发份煤种，具有难着火、不易燃尽等特点，这就给锅炉提出了如何燃用低挥发份燃料的课题。

W形火焰锅炉又称双拱型燃烧锅炉，是世界上专用于燃烧低挥发份无烟煤、贫煤的特殊炉型。实践证明，W形火焰锅炉能够燃用挥发份在5%～6%及以上的无烟煤、贫煤，经过优化燃烧调整后的飞灰可燃物已能降到较低水平，是解决无烟煤和贫煤难于燃烧这一课题的有效途径之一。

在引进技术基础上研制的首台600MW等级超临界W形火焰锅炉产品，见图1。该产品在关键技术上有新的突破，形成了以高效环保型燃烧器、低质量流速垂直管圈水冷壁等多项技术集成的600MW等级超临界W形火焰锅炉产品。

首台产品锅炉于2011年12月一次顺利通过168 h试运行，并成功投入商业运行生产。锅炉在各种不同负荷情况下，运行参数正常、着火和燃烧稳定、锅炉效率高、低负荷不投油稳燃性好，能满足机组调峰的需要，环保性能良好，NOx排放低。该产品的顺利投运标志着我上海锅炉厂有限公司在产品系列上的进一步完善，能够为燃料采用无烟煤等难燃煤种的火力发电厂提供经济、安全、可靠并且环保的解决方案。

图1 600MW等级超临界W形火焰锅炉

1 主要技术

600MW等级超临界W形火焰锅炉为超临界参数、变压运行、单炉膛、一次中间再热、W形火焰燃烧方式、垂直管圈、平衡通风、全钢悬吊结构、露天布置、固态排渣，采用带循环泵的启动系统，配双进双出钢球磨的正压直吹式制粉系统，炉后尾部布置两台三分仓容克式空气预热器。

1.1 锅炉整体布置及系统

整个炉膛由膜式水冷壁组成，水冷壁采用垂直管圈布置方案。炉膛上部布置有屏式过热器和一级高温过热器，水平烟道依次布置二级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。锅炉炉膛及受热面布置见图2。

锅炉燃烧系统按配双进双出钢球磨的正压直吹式制粉系统设计。燃烧方式采用新型W形火焰燃烧，燃烧器布置在炉膛前后墙拱部。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、燃烧器状态良好且不被烧坏。

过热器汽温通过煤水比调节和两级喷水来控制。再热器汽温采用烟气挡板调温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、长行程伸缩式吹灰器和半行程伸缩式吹灰器。炉膛出口左右侧装有烟温探针，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。锅炉本体采用优质轻型保温材料，外装金属外护板。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2 锅炉炉膛及受热面布置

1.2 技术特点

1.2.1 采用成熟、先进的超临界技术，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。

1.2.2 采用拱形炉膛设计，选取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；同时兼顾考虑煤种变化和煤质变差的可能情况。

1.2.3 炉膛水冷壁采用垂直管圈布置的优化设计

对于超临界锅炉而言，为达到超临界直流锅炉的安全可靠运行，需要限制水冷壁管子最高金属温度和相邻管子间的温差。在超临界压力运行下的直流炉中，没有液相和汽相的区分，且介质温度是持续增加的。由于吸收辐射热的不均和质量流速差异，导致了管子的壁温差异。如温差过大，将导致热应力加大，如不加限制，将引起管子泄漏。常规的做法是，炉膛水冷壁设计多采用螺旋管圈或带有节流孔圈的垂直管圈布置。然而，对于超临界W形火焰锅炉，由于其燃烧特性和炉膛形状的不规则性，很难再采用螺旋管圈布置方式来保证合理的性能设计和结构设计，因此超临界W形火焰锅炉普遍采用垂直管圈布置的水冷壁设计。此设计所采用的垂直管圈水冷壁技术，与常规超临界锅炉通常所采用的螺旋管圈与垂直管圈技术都不同，采用的是低质量流速垂直管圈技术。在垂直管圈的水冷系统中，炉膛水冷壁管由单一向上的垂直管形成（下部内螺纹管，上部光管），并且通过管子规格和间距的合适选择提供一个较低的工质质量流速。实际的运用情况表明，这种先进的水冷系统技术完全能够满足超临界锅炉安全可靠运行的需要。同时，该技术具有其他水冷系统技术所不具有的优点，例如具有一定的自然循环水冷系统技术的自补偿特性和相对低的流动阻力。

1.2.4 采用高效环保型的W形火焰燃烧技术

W形火焰燃烧即拱式燃烧技术，因其具有着火及时、燃烧稳定、燃尽充分等技术特点，广泛适用于低挥发份无烟煤、贫煤的燃烧。W形火焰燃烧有着独特的空气动力场，燃料和助燃空气通过布置在炉膛前后墙拱部的燃烧器引入，两边火焰先下后上，形成W形火焰，延长了煤粉颗粒在炉膛内的停留时间，以利于燃尽。同时，在锅炉的下部炉膛敷设大量卫燃带，提高了燃烧区域的温度，以利于稳燃，见图3。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，为使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。新型低NOx燃烧技术，是一种高效环保的燃烧技术，在降低NOx排放的同时，兼顾考虑提高锅炉不投油低负荷稳燃能力及燃烧效率，防止炉内结渣、高温腐蚀等。

图3 W形火焰燃烧示意

1.2.5 燃烧系统配双进双出钢球磨的正压直吹式制粉系统

制粉系统配6台双进双出钢球磨的正压直吹式制粉系统，双进双出球磨机具有可用率高、可靠性强、维护简单等特点，能长期保持稳定的出力和所需的煤粉细度。负荷越低，煤粉细度越细。双进双出球磨机在正常运行工况下可以保持较低的风煤比，获得较高的煤粉浓度，以及较高的出口风温。在这样的温度水平下，为煤粉气流的着火、低负荷稳燃和燃尽性能创造了良好的条件。

1.2.6 采用成熟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。

1.2.7 采用带再循环泵的内置式启动系统

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全部吸收疏水热量，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。

1.2.8 过热器、再热器受热面材料选取留有大的裕度。

2 创新点

600MW等级超临界W形火焰锅炉产品使用了多项重大核心技术，使整个锅炉的产品性能得到了很大的提高。

2.1 高效环保型W形火焰燃烧技术的应用

通过合理布置拱部与拱下分级配风及燃尽风、改进燃烧器本体等措施，既保证了难燃的低挥发份无烟煤能够及时着火、燃烧稳定、燃尽完全，又充分有效地降低了NOx污染物的排放。根据实际情况，使用低NOx燃烧技术后NOx的排放指标可为800～600mg/Nm3甚至更低。

2.2 水冷壁型式的优化创新—低质量流速垂直管圈技术的应用

在超临界W形火焰锅炉中，首次采用了低质量流速垂直管圈技术。在超临界锅炉中运用垂直管圈设计，如何避免大的温度偏差，保证水冷系统安全运行十分重要。通过充分、反复的理论计算来确定水冷壁设计方案，选取合理的管内工质质量流速，一方面保证内螺纹管对吸热变化具有自补偿能力，另一方面保证管子足够的冷却，使得低质量流速垂直管圈技术的优点得到充分发挥，不但降低锅炉一次汽阻力，同时避免水冷壁出口出现较大的温度偏差，达到既安全又经济的目标，大大提升产品竞争力。

2.3 锅炉受热面结渣及高温腐蚀的有效防止

通过正确判断煤种结渣特性、合理选择炉膛热力参数、合理设计燃烧系统、优化配置炉膛拱部、上部及下部的一二次风比例等措施来防止炉膛及受热面结渣。采用引入边界风、燃尽风、合理布置燃烧器、燃烧器区域敷设卫燃带、控制水冷壁管壁温度等措施来有效防止高温腐蚀。

2.4 过热器、再热器结构优化

锅炉的过热器、再热器采用优化结构设计方案，降低了流程阻力差。

2.5 尾部烟道防振技术的应用

锅炉的低温过热器和低温再热器都布置在尾部前后烟道中，如果设计不合理而导致尾部烟道发生振动，其后果是非常严重的。为了避免在实际运行中出现振动问题，在设计中采用了有效的尾部烟道防振技术以防止受热面振动问题的发生。

2.6 合理进行温度偏差的控制

锅炉设计中积极采用数值模拟计算，合理布置各段受热面及连接管道，实现有效控制和防止烟气温度的偏差。

3 社会效益

600MW等级超临界W形火焰锅炉产品属于符合国家节能减排政策的环保创新型产品。我国的煤质总体特点是煤储量大，开采不便，劣质煤较多，伴生物较多。在无烟煤和贫煤储量丰富的地区，着火稳定性好、燃尽性能高的超临界W形火焰锅炉产品具有很大的竞争力和吸引力；另一方面，超临界W形火焰锅炉产品在燃烧低挥发份无烟煤、贫煤的低NOx控制方面拥有得天独厚的优势，使得这一特殊炉型产品在我国拥有十分广阔的市场前景。同时，这对于我国现阶段电煤紧张的形势也有较大程度上的缓解。

4 结 论

600MW等级超临界W形火焰锅炉产品，技术特点鲜明，高效、节能、环保，是一个融合引进技术消化吸收、自主设计再创新的成功设计范例。600MW等级超临界W形火焰锅炉的创新研发过程，是在各级相关政府部门和上海电气集团的大力支持下，集中人力、物力、财力进行关键技术的攻关与创新，引进与自主开发并举，提倡重视自身的核心基础技术，特别是经验证明的一些成熟、可靠的先进技术的采用，为锅炉设计提供了坚实的保证，最终提高了我们产品设计的综合能力，夯实了我们电站锅炉设计制造的基础。

600MW等级超临界W形火焰锅炉产品的成功开发和研制，造就了一个优秀的团队，培育了一批成熟的设计人员，填补了上海电气在600MW等级超临界W形火焰锅炉产品上的一个空白。