国内1000 MW超超临界二次再热锅炉技术比较与研究

韩 磊

中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院

0 引言

二次再热技术是目前世界领先的燃煤发电技术，是提高火电机组热效率的重要方法[1]。火电机组采用二次再热的目的是为了进一步提高机组的热效率[2]，在相同容量及锅炉蒸汽参数条件下，二次再热机组热效率比一次再热机组高2%左右[3]。但由于二次再热增加一级再热循环，导致汽机、锅炉的结构和运行调整更加复杂，对吸热量分配及汽温控制要求更高[4,5]。

超超临界二次再热锅炉，是在超临界锅炉基础上，除过热、再热蒸汽系统外，增加了二次再热系统，在技术上具有先进性，具有较高的经济效益和环保效益，在国际上是一种高效、成熟、低污染排放的燃煤发电技术。我国超超临界二次再热锅炉的发展相较于国外起步较晚，但近年来飞速发展，已具有很强的市场竞争力和广阔的发展前景。

本文详细介绍国内主要锅炉厂1 000 MW二次再热锅炉的设计理念，比较各厂在锅炉型式、选材、再热汽温控制等方面的特点，总结了国内1 000 MW二次再热锅炉运行控制的主要方法，为之后二次再热锅炉的设计及机组投产后的运行调温提供思路。

1 发展前景

1.1 国外技术

从上世纪50年代开始，美国、西德、日本等国均建造了大量二次再热机组。截止到1976 年，美国共有25台投运，日本有11台投运，其中以再热汽温逐步升高的538 ℃/552 ℃/566 ℃机组最为普遍[6]。

早期的二次再热机组由于过分注重初压的提高即主蒸汽压力高于30 MPa，导致机组结构复杂、运行困难、实际可用率不高，运行参数被迫下降，出现发展停滞和参数反复的现象。

近30年，日本川越电站两台700 MW锅炉(31 MPa/566 ℃/566 ℃/566 ℃/1989、1990年)和 丹 麦两台415 MW(28.5 MPa,580 ℃/580 ℃/580 ℃/1998 年)锅炉采用了超超临界二次再热技术[7,8]。

1.2 国内技术

伴随着我国电力行业的发展，“十一五”期间，各大电力设备制造厂家及电厂纷纷加快了高效燃煤机组的研制。随着620 ℃等级要求的高温材料研究和开发的逐步成熟，国内开始了基于620 ℃等级的二次再热机组研发[9]。

上海、东方、哈尔滨等锅炉厂分别于2008 年前后成立二次再热设计团队，随后各大锅炉厂从锅炉型式与布置、受热面材料、调温手段、设备结构、投资成本等方面进行了综合分析论证，并逐渐形成了二次再热超超临界参数31 MPa/600 ℃/620 ℃/620 ℃的初步共识。

2015年下半年，国电泰州、华能莱芜1 000 MW超超临界二次再热机组顺利投产，使中国成为拥有世界上首批应用二次再热技术的百万千瓦机组的国家。伴随着大量机组的运行，国内百万千瓦二次再热机组技术逐步趋于成熟[10]。

2 结构设计

2.1 锅炉炉型

煤粉锅炉国内外普遍采用Π型和塔型。国内锅炉厂在两种炉型上各有倾向，均形成了一套具有鲜明特色和优势的设计理念，而在百万千瓦二次再热机组的设计上，基本沿用各自的成熟炉型设计。东锅和北京巴威均采用Π型设计；上锅更多采用塔型设计，其代表炉型国电泰州二期百万千瓦二次再热机组已顺利投产；哈锅则对两类锅炉均有深入研究，其华能莱芜百万千瓦二次再热机组为塔式炉。

塔式炉受热面卧式布置，无烟气拐弯，烟气和汽水阻力小，且烟气流速方向和灰粒的重力方向相反，磨损小。锅炉炉膛断面小，炉膛容积大，一方面降低了燃烧器区域的热负荷，另一方面增加的燃尽高度在确保低灰熔点煤充分燃烧的同时降低了炉膛出口烟温。塔式锅炉的结构特点使其相对于其它炉型具有更小的烟气侧偏差。此外，受热面卧式布置，在运行中即使出现少量氧化皮也较其它炉型更易被冲走。

Π型锅炉整体高度较低，其抗震抗风能力强，总热膨胀量小且应力均匀，Π型锅炉尾部烟道烟气向下流动，积灰较少，各过热器、再热器受热面可布置成逆流形式，有利于受热面换热，此外，Π型锅炉调节性能优于塔式炉。

2.2 受热面布置

1 000 MW超超临界二次再热锅炉与一次再热锅炉相比增加了一组再热器受热面，包括过热系统、一次再热系统和二次再热系统，再热器的吸热比例从常规的一次再热机组的18%大幅增加至二次再热机组的28%，因此在设计中需考虑辐射、对流受热面匹配以满足过热蒸汽和再热蒸汽吸热量的变化，同时满足再热蒸汽出口温度提高带来的安全性要求。

北京巴威采用Π型锅炉设计，过热器采用辐射-对流受热面，一次再热为半辐射-对流受热面，二次再热为纯对流受热面布置，尾部设三烟道，上部从前往后依次布置二次低再、一次低再及低温过热器，下部布置三段省煤器。每个烟道布置独立的烟气调节挡板，以改变各烟道的烟气份额来调节各级再热器的汽温。受热面布置见图1。

图1 北京巴威锅炉受热面示意图

哈锅和东锅受热面布置基本相同，过热器采用辐射-对流受热面，一次再热、二次再热均为纯对流受热面。尾部双烟道，从前往后分别布置一次低再和二次低再受热面，底部设两级省煤器和烟气挡板，通过烟气挡板开度和烟气再循环调节过热蒸汽、再热蒸汽温度。受热面布置见图2。

图2 哈锅典型锅炉受热面示意图

上海锅炉厂采用塔式锅炉，使用组合式高温受热面的布置方案，将部分再热器受热面提前，提高再热器辐射吸热比例，并将一、二次高温再热器受热面并列布置，以达到不降低任何一级高温再热器换热温压的目的。此外，高温过热器和高温再热器组合布置，在提高再热器辐射吸热量的同时也确保了再热器出口受热面的安全性。组合式高温受热面的布置方案达到热交换、安全性、经济性的最佳平衡，与此同时提高了摆动燃烧器的调温性能。

2.3 水冷壁型式

国内目前已投运的4台1 000 MW二次再热机组均采用适应性较强的螺旋管圈+垂直管圈水冷壁系统，即炉膛下部螺旋水冷壁管以25°左右的角度盘旋上升进入布置于炉膛上部的中间混合集箱进行混合，以消除各螺旋管的热力和水力偏差，由中间混合集箱进入上部炉膛的垂直水冷壁，示意图见图3。材质一般均选用成熟的12Cr1MoVG 合金钢。此外，国内主要锅炉厂设计螺旋管圈水冷壁多采用内螺纹管，可有效降低炉膛安全运行所需的最低质量流速，减小水冷壁压降损失，可避免锅炉在亚临界压力运行时发生膜态沸腾（DNB）。

图3 水冷壁布置示意图

螺旋管圈水冷壁能保证各水冷壁管内具有足够的质量流速，管间吸热均匀，确保在变压运行的四个阶段即超临界直流、近临界直流、亚临界直流和启动阶段合理控制金属壁温、高干度蒸干（DRO）以及防止低干度高热负荷区的DNB 确保水动力的稳定性等。

上部炉膛区域热负荷较低，垂直水冷壁管可满足冷却要求，且上部炉膛结构较复杂，螺旋管圈在折焰角下方转换成垂直膜式壁，有利于水冷壁的悬吊与拐弯。

2.4 燃烧器布置及型式

上锅厂的塔式炉采用四角切圆燃烧方式，24只SG-2710/33.03-M7050型直流式燃烧器分6层布置于炉膛下部四角，煤粉和空气从四角切向进入，在炉膛中呈切圆方式燃烧，燃烧器可实现上下摆动。燃烧器上部布置两级可水平摆动的燃尽风（AGP）燃烧器，即低位燃尽风（BAGP）燃烧器和高位燃尽风（UAGP）燃烧器。

哈尔滨锅炉厂在百万机组的二次再热机组上均采用自主研发的低氮MPM 燃烧器，塔式锅炉燃烧器采用四角切圆布置，Π型炉多采用无分隔墙的八角双火焰中心切圆燃烧布置。全摆动式燃烧器利用喷口交错布置的小钝体将煤粉气流分成中心浓、外围淡，再进入炉膛燃烧，浓淡燃烧均偏离了化学当量燃烧，大幅降低了NOx的生成。

东方锅炉厂采用前后墙对冲燃烧并选用旋流低NOX燃烧器。前后墙分别布置三层旋流燃烧器，在前后墙距最上层燃烧器喷口一定距离处布置两层燃尽风喷口，用于后期补燃。燃尽风和燃烧器之间布置一层还原风，每层燃烧器上方靠侧墙位置布置贴壁风。

北京巴威锅炉厂也采用前后墙对冲燃烧，布置型式与东锅相似，燃烧器采用B&W 公司超低NOx旋流燃烧器，充分利用了空气分级燃烧的特点，煤粉喷口位于燃烧器中心区，可有效控制空气/煤粉在火焰根部的相互作用。通过控制燃烧率及二次风量降低NOx的生成量，同时在燃烧器一次风管道中加入中心风，加速煤粉气流燃烧，使NOx 水平降到最低。

3 控制方法

3.1 主、再热汽温控制方式

3.1.1 过热蒸汽调节

超超临界锅炉水冷壁无固定的汽水分界面，热惯性小，水冷壁吸热变化会使给水加热段、蒸发段和过热段的吸热比例发生变化。过热汽温的调整采用煤水比作为粗调手段，以汽水分离器出口工质温度（中间点温度）作为汽温调节的前置信号，以喷水减温作为微调手段，即煤水比+2 级喷水减温调节。

通过改变给水量，调节煤水比来改变水冷壁出口介质温度，引起过热器吸热和水冷壁吸热比例的变化，从而调节最终的过热蒸汽出口温度。

3.1.2 再热蒸汽调节

二次再热锅炉的设计难点是主蒸汽、一次再热蒸汽、二次再热蒸汽三个汽温之间的调节，再热汽温调节方式选取是否合理直接关系到机组运行的经济性、安全性和可靠性，因此二次再热锅炉的再热器调温方式及可靠性对二次再热锅炉设计显得尤为重要。目前，再热汽温常用的调节手段包括烟气挡板、烟气再循环、摆动式燃烧器、磨煤机投运方式、炉膛配风以及喷水减温等。

对于锅炉厂，再热器的受热面设计布置和调温方式可从以下两个方向考虑：

1）炉膛高温区布置再热器受热面，使再热器有足够的吸热温差并吸收更多的辐射热，低温受热面布置在低温对流烟道的前后竖井，通过摆动燃烧器和烟道挡板开度调整低温受热面的热量分配。

2）一、二次再热器的高温受热面均布置在炉膛出口烟道下游的中温烟道内，低温受热面布置在低温对流烟道内，通过烟气再循环提供不同负荷下的换热量，通过烟气挡板调整高低压再热器之间的热量分配。

北京巴威Π型炉采用第一种思路，将一次再热设计为半辐射-对流受热面，二次再热设计为纯对流受热面，尾部采用三烟道布置，每个烟道布置烟气调节挡板，通过改变烟气挡板的开度，控制前、中、后烟道的烟气流量分配，从而分别调节一次再热和二次再热温度。这种调温方式不仅对炉内燃烧工况无影响，而且对排烟温度影响较小，因此对锅炉效率没有显著影响。

上锅塔式炉将一、二次高温再热器的部分冷段受热面置于低温过热器管屏之后，大幅提高了高温再热器的辐射吸热比例，一、二次低温再热器布置于后部烟道，为纯对流受热面。再热器温调节方式采用以燃烧器摆动调节为主，低负荷下增大过量空气系数为辅，烟气挡板调节作为平衡手段，事故或紧急工况下考虑喷水减温的方式。

哈锅和东锅均采用Π型锅炉，尾部双烟道，再热器调温思路基本一致，即采用烟气挡板+烟气再循环的组合式调温方式。主要通过改变不同负荷下的再循环烟气量，实现对锅炉受热面辐射和对流吸热比例的调整，实现稳定大幅调整再热汽温的目标，具有控制直接、负荷可追踪性、反应灵敏、与蒸汽温度特性相匹配等优点。再通过调整烟气挡板开度，控制烟气流量，调整一、二次再热蒸汽之间的温度。

3.2 烟温偏差控制方式

切圆燃烧因炉膛和燃烧器的相互匹配及各燃烧器配风等引起炉内空气动力场不均，往往在炉膛出口处存在烟气残余旋转见图4，造成水平烟道两侧存在烟温和速度的偏差。导致位于出口截面附近受热面金属温度不一致，易引起局部管屏超温爆管。典型的前后墙对冲燃烧方式，旋流燃烧器产生的热量沿炉膛宽度方向分布较均匀，基本不存在烟气残余旋转。

图4 切圆燃烧烟气残余旋转

上锅四角切圆燃烧塔式炉，在燃烧器上部布置两层分离燃尽风，通过单个控制的燃尽风二次风档板，以及手动调节燃尽风水平摆角，有效控制燃尽风的动量分布，以削弱烟气残余旋转。此外，增加从燃烧器区域至炉膛出口的距离以消除烟温偏差。

哈锅采用多种措施抑制炉膛出口烟温偏差：

1）设计上采用八角双切圆燃烧方式，因双切圆的旋转方向相反，炉膛出口烟气沿炉膛宽度方向旋向相反，产生相互叠加抵消，使炉膛出口烟温偏差降低。

2）采用大风箱结构，使每个燃烧器二次风动量均匀。

3）设置可水平摆动的燃尽风，利用反切削弱烟气残余旋转。

4）选择适宜的假想切圆直径，防止火焰刷墙。

东锅与北京巴威百万千瓦二次再热锅炉均采用对冲燃烧，通过增加合适数量的燃烧器（每层8个），可保证炉膛沿宽度方向热量均衡。

3.3 汽温偏差控制方式

各锅炉厂汽温偏差控制策略基本一致，主要有以下几个方面：

1）过热器采用多级布置，每级焓增分配均匀，每两级之间均设置有减温水，可有效控制偏差。

2）分隔屏过热器分成多片小屏，减少同屏间管数。

3）高温过热器、高温再热器管组通过跳管方式平衡管圈外侧管子吸热量，减小同屏管束不同管间吸热偏差。

4）两级过热器、再热器交叉布置，设置混合集箱。

5）再热器入口设置事故喷水减温器，必要时用于调节再热器蒸汽温度偏差。

6）采用双集箱形式，通过管道的内外侧交叉降低蒸汽的携带偏差。

7）集箱采用端进端出或小口径管连接，避免三通效应（见图5）。

图5 双集箱防止蒸汽偏差

4 结论与展望

1 000 MW二次再热技术是目前世界领先的燃煤发电技术，随着能源结构的转型，节能降耗提高机组整体效率是国内火电发展的必然之路，在国内具有广阔的发展前景。本文对国内主要锅炉厂二次再热技术进行了比较分析，结论如下：

1）国内主要锅炉制造厂1 000 MW二次再热锅炉的设计均沿用各自在超临界一次再热锅炉上的成熟设计理念，但在受热面布置、高温受热面材料选择、汽温控制方式上与一次再热锅炉有较大区别，进行了大幅度的创新与改进，并形成了各自的特色。

2）二次再热技术的关键是汽温的控制尤其是再热汽温的控制。国内主流调整技术包括燃烧器摆角、烟气挡板和烟气再循环等。其中，再循环烟气量对炉膛温度、辐射及对流吸热量分配、锅炉蒸汽参数都有显著的影响，选择合理的再循环率对保证二次再热锅炉蒸汽参数，提高锅炉经济性具有重要意义。

3）国内超超临界百万千瓦二次再热机组投产较少，可借鉴经验不足，运行机组再热汽温欠温超温现象明显，百万千瓦二次再热机组汽温的匹配与调整仍需重点分析研究，新建机组需提高汽温调节控制的范围与裕度，低负荷时汽温的匹配要兼顾经济性与安全性。