热能动力工程在锅炉方面的发展探索

靳世武

（上海市机电设计研究院有限公司，上海 200040）

0 引言

现阶段，热能动力工程应用更倾向于热能和动能生产，是作为关键构成的锅炉装备长期存在能耗高、污染大等问题的原因，由于无法满足国家提出的清洁能源生产要求，需结合行业发展推动锅炉技术的创新发展，促使工业锅炉规格体系逐步完善，为今后能源生产行业的可持续发展提供保障。

1 热能动力工程概述

热能动力工程将工程热物理学当成是理论基础，主要研究内燃机及其他动力机械，通过有效利用机械学、工程学、力学、信息技术等专业知识探索将燃料化学能和液体动能转化为动力的方式[1]。目前，热能动力工程涵盖各种热力发动机、动力机械、热能工程等工程，需要通过机械做功实现热能持续输出。伴随着学科技术的发展，在探寻能量转换规律和系统设备过程中，强调采用高效、无污染方式实现热能和动能的相互转换，做到高效利用能源。从工程内涵来看，强调热能和动能的转化和利用，因此在实现能源生产过程控制的基础上，应重视现有能源利用和新能源开发，从而为社会发展提供源源不断的能源支撑。

2 热能动力工程中锅炉发展重要性

在热能动力工程中，热能主要来源于燃料的燃烧，而锅炉作为实现能量转换的重要装置，可以通过提供定额蒸汽输送热能，满足人们的能源获取需求。在现代锅炉生产中，锅炉可以将热量转化为机械能，为火力发电过程提供动力能源。经历热能发电机、动力机械等热能动力装置发展，锅炉开始衍变出多种类型，可以根据燃烧介质划分成燃煤锅炉、燃气锅炉、生物质锅炉等等，采取了各自领域的专业技术，辅助各种动力装置通过做功方式为社会输送能源。因此在热能动力工程发展过程中，研究新能源开发和现有能源利用问题，需要将锅炉当成是核心装备开展深入研究，做到合理应用锅炉技术实现能源转换。

3 热能动力工程在锅炉方面的发展

3.1 超超临界锅炉发展

在燃煤锅炉发展过程中，能耗高和环境污染大是始终需要克服的问题，制约了整个火力发电行业的发展。而超超临界锅炉技术的发展，扭转了火电机组煤耗居高不下的局面，能够缩小国内火力发电技术与国外的差距，有助于高效、节能、环保的锅炉技术发展。超超临界锅炉在燃烧状态时，超超临界参数为蒸汽压力≥25MPa，蒸汽温度≥580℃，相较于超临界机组可以将热效率提升1.2%～4%，节省大量煤炭资源的同时，减少锅炉燃烧产生的污染[2]。根据华能玉环电厂项目研究成果可知，100万千瓦超超临界发电机组运行效率达到45.4%，供电煤耗约达283g/kW·h，相较于全国平均供电煤耗降低近百g/kW·h，每年约减少50万吨二氧化碳的排放，使二氧化硫等污染物排放量减少数千吨。目前，超超临界锅炉研究主要需要解决燃烧调整问题，如在褐煤燃烧方面，660MW超超临界变压直流锅炉炉膛内分布四层低NOX旋流式煤粉燃烧器，周围侧墙布置贴壁风。在炉内空气组织上，划分为中心风、一次风、二次风，配置间距缩口、扩锥、浓淡分离器等设施，用于提升回流区高温烟气范围和气流温度，达到促进燃烧高效、稳定的效果。从热能动力学角度展开研究，开展锅炉冷态空气动力试验，可以根据动力场特性为后续调整燃烧参数提供依据，有效减少锅炉污染物排放。

3.2 核聚变反应锅炉发展

在热能动力工程发展过程中，强调重视太阳能、生物质能等清洁能源的利用。而核能作为高效清洁能源形势，已经用于发电，在供热研究领域则处于发展早期，需要积累更多的供热经验和获取更多技术条件，为产业推广奠定扎实基础。早在2018年底，中科院在“人造太阳”装置研究方面取得了重大突破，研制出了加热功能达10万兆瓦的核聚变反应装置，使等离子体中心达到了1亿度的电子温度。而核聚变将产生超高温，直接导致现有容器无法承受过高温度，因此现有研究主要采用核电机组热电联供方式供热。近年来，国家致力于研发壳式、微压等各种核供热堆，确保供热堆可以在较低压力和温度下运行，推动了可控热核聚变反应锅炉的研究与发展。该类锅炉内层为蛋壳式的镜面镉锅，中层设置蜂窝保护支架，外层设置球壳状的密封防护层，如图1。通过配置磁力网络装置、激光引燃装置等多种装置，可以迫使氘核和氚核在反应区碰撞，并利用激光照射反应器，使温度达到核聚变反应要求，释放大量热能[3]。将海水或重水当成是核燃料向锅炉供给，在中层蜂房内布置多台激光器，能够对温升过程进行控制，采取冷却水和工质相结合的供热系统控制释放的热量。但就目前来看，核聚变反应锅炉研究对内部反应装置等各种装置提出了严苛要求，在短时间内难以实现，距离商用化仍然有较远距离。

图1 核聚变锅炉示意图

3.3 生物质锅炉发展

目前，生物质锅炉可以划分为电能和热能两类，根据国家能源局数据可知，截止2020年底全国生物质发电装机量达到2952万千万，全年发电1326亿千瓦，同比增长19.4%，增长态势良好。与此同时，生物质热能锅炉应用日广，在农业、工业、民用等领域用于代替燃煤和燃气锅炉，减少污染排放的同时，突显成本优势。如在工业供热方面，采用层状燃烧方式，可以保证炉内生物质燃烧完全，温度达到1000℃以上，每吨蒸汽价比燃气低约百元。但目前该类锅炉多存在对流管束受热不均、热量吸收不全、燃烧室易积灰、单锅筒负荷低、保温性差等系列问题，引发了严重的热能损失。未来在锅炉研究方面，需要根据燃烧的生物质种类和能源生产工艺探究锅炉结构改进问题。现阶段生物质燃烧的燃料多为压制成型，需要使锅炉达到100～200Pa排放压力，并通过室燃+层燃方式获得较高炉腔结构，保证烟气长时间停留，从而提高锅炉燃烧充分性[4]。

3.4 燃气锅炉发展

在燃气采暖技术发展过程中，燃气锅炉为核心装备，具有较高自动化程度，不存在灰渣处理费用，燃料运输也十分便利。但就目前来看，锅炉燃烧机依然主要依赖进口，国产燃烧机则存在排放物中氮氧化物含量较高的问题，无法满足清洁能源生产要求。因此在锅炉研究上，集中向低氮燃烧方向发展，重点需要解决低氮燃烧机的研制问题。与此同时，燃气锅炉存在烟气中水蒸气含量过大问题，引发了大量热能散失，需要研究冷凝换热技术，通过降低排烟温度锅炉热效率。应用该技术，至少可以将燃气锅炉热效率提升10%，因此研制冷凝式燃气锅炉将带来较大的经济效益，同时节约大量化石能源。此外，单纯使用天然气将限制燃气锅炉的应用范围，提高锅炉多能源适应能力，可以有效增加燃气锅炉市场份额。考虑到当前国内城市依然重视煤业、矿业发展，需要通过创新燃气锅炉技术顺利使用煤气、焦炉气等燃料气体生产热能，在保证锅炉热效率较高的同时，达到环保要求，继而为推动燃气锅炉行业发展奠定扎实基础。

3.5 蓄热电锅炉发展

在太阳能、风能等新能源开发量日渐增加的背景下，为解决新能源消纳问题，国家提出了“互联网+”智慧能源发展战略，通过实现互联网、先进信息技术和能源产业深度融合探索“洁能+储能+智能”发展方向[5]。而蓄热电锅炉的应用，使锅炉开始参与能源互联，为解决工序不平衡问题提供有效方案。不同于传统锅炉，蓄热电锅炉容量大，并且控制简单，通过在二级热网侧布置，可以解决能源消纳问题。现阶段，蓄热电锅炉已经初步在电网中应用，如瑞士巴登项目、吉林长春试点项目等，能够参与系统调峰。在全热模式下，锅炉可以在用电高峰停运，并在低谷蓄热并供热，降低运营成本。采取部分热模式，锅炉在非高峰期蓄热，弥补高峰阶段热需求不足问题。在参与风电消纳方面，主要采用集中控制模式，如图2，可以实现风电就地消纳。未来随着能源互联网的发展，需要实现电网和可再生能源的高度融合，因此需要实现蓄热电锅炉的多目标分布控制，解决蓄热系统和供热系统复杂耦合问题，实现资源的优化配置。为此，需要加强智能感应、自动报警、智能计量、远程控制等技术应用，推动蓄热电锅炉控制模式的智能化、物联化发展，完成锅炉技术的更新换代，实现发电量和蓄热量的合理分配和控制优化，为能源生产行业注入新的发展活力。

图2 蓄热电锅炉参与风电消纳的集中控制模式

4 结语

发展热能动力工程的根本目的是实现资源的充分利用，推动能源生产行业的可持续发展。未来为加强燃煤、核能、生物质、燃气等各种能源的充分利用，各种类型锅炉将作为核心设备得到不断研制，并且根据锅炉装配现有问题有针对性地提出改良方案，促进锅炉充分燃烧的同时，降低锅炉运行成本和减少污染物排放，做到全面提升资源利用率。