650 ℃高参数燃煤机组锅炉方案及关键技术措施

熊 鹏,易广宙,尹朝强,刘宇钢,潘绍成,黎懋亮

1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室,四川 成都 611731 2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司,四川 自贡 643001

0 引言

为应对气候变化,推动以二氧化碳为主的温室气体减排,我国提出“力争2030年前达到碳达峰,力争2060年前实现碳中和”的目标。这意味着,我国能源结构面临转型,传统化石能源需进一步给清洁能源、可再生能源让步。然而,受我国能源结构限制,电力用煤占我国社会总化石能源消耗的近一半[1-2],在未来一段时间内仍为我国主要能源。

提高机组参数是未来燃煤电站节能降碳的关键途径。随着620 ℃参数高效超超临界机组相继投运[3],为开发更高参数机组打下了技术基础,但受制于材料等关键技术,700 ℃参数超超临界机组应用尚需时日。从目前新型材料的研发进展[4-6]来看,650 ℃参数燃煤火电机组实现的可能性更大。

蒸汽参数提升到650 ℃之后,锅炉各受热面吸热比例、传热温压等均发生了较大变化,尤其是水冷壁要承受更高的压力和温度,因此需要对水冷壁进行合理设计和选材。同时,炉内燃烧与受热面传热耦合特性、壁温偏差控制技术、高等级受热面的选材等都是650 ℃锅炉开发过程中的研究重点。

本文提出了1 000 MW等级高效超超临界650 ℃燃煤发电机组锅炉总体布置方案,包括П型和塔式2种典型布置方式,同时对650 ℃锅炉方案开发中的关键技术提出了相应措施,例如水冷壁设计、壁温偏差控制和高等级受热面选材等方面。650 ℃高参数超超临界机组是未来煤电转型升级的重要一步,本文提出的650 ℃锅炉方案和关键技术措施为未来工程示范打下了坚实的技术基础。

1 锅炉基本方案

1.1 锅炉设计参数

锅炉主要设计参数如表1所示,并与目前已投运1 000 MW等级机组中最先进的620 ℃高效超超临界参数进行对比。

表1 650 ℃锅炉主要设计参数(BMCR工况)

从表1可以看出,机组参数提升到650 ℃之后,过热蒸汽和再热蒸汽流量均有所减小,总吸热量也随着减少,在相同功率负荷下,会带来锅炉燃煤消耗量的减少,有助于节能降碳减排。

1.2 总体布置

锅炉采用高效超超临界参数变压运行直流炉,一次中间再热、前后墙对冲燃烧方式、单炉膛平衡通风、固态排渣、露天布置、全悬吊钢结构П型炉或塔式锅炉。两种布置方式如图1、2所示。

图1 П型锅炉总体布置

图2 塔式锅炉总体布置

图3 前后墙对冲燃烧温度场分布

图4 双进双出的集箱连接方式

制粉系统:采用中速磨正压直吹式制粉系统,每台锅炉配备6台磨煤机,BMCR工况5运1备。

脱硝系统:每台锅炉配置2台SCR反应器。

空气预热器:每台锅炉配置2台四分仓回转式空气预热器。

启动系统:带启动再循环泵的内置式启动系统。

1.3 汽水流程

П型炉和塔式锅炉由于自身结构布置不同,一次汽流程略有差异。

一次汽流程(П型炉):主给水管道—省煤器—集中下降管—螺旋水冷壁—过渡段水冷壁—垂直水冷壁—启动分离器—顶棚—包墙—一级过热器—一级减温器—二级过热器—二级减温器—高温过热器—汽轮机高压缸。

一次汽流程(塔式炉):主给水管道—省煤器—集中下降管—螺旋水冷壁—过渡段水冷壁—垂直水冷壁—启动分离器—一级过热器入口连接管—炉内吊挂管—一级过热器管屏—一级减温器—二级过热器—二级减温器—高温过热器—汽轮机高压缸。

П型炉和塔式锅炉再热器流程一致。

再热汽流程:再热器入口管道—低温再热器—再热器微调喷水减温器—高温再热器—汽轮机中压缸。

1.4 受热面布置

П型炉和塔式锅炉受热面级数相同,但由于2个炉型自身结构特点的差异,各级受热面布置位置和布置方式均有所不同(见表2)。

表2 П型炉和塔式锅炉受热面布置差异

塔式锅炉炉内受热面均水平布置在炉膛出口第一烟道,通过一级过热器入口段形成的吊挂管悬吊在炉顶大板梁上;而П型锅炉只有尾部竖井内部分一级过热器、部分低温再热器和省煤器水平布置,其余均垂直布置,通过顶棚上方的集箱悬吊在炉顶大板梁上。

1.5 燃烧系统

采用前后墙对冲燃烧方式,前后墙各3层,每层8只燃烧器,全炉共48只燃烧器。

燃烧器采用最新的OPCC双调风旋流燃烧器,由一次风弯头、一次风管、煤粉浓缩器、稳燃环、内二次风装置、外二次风装置(含调风器)燃烧器壳体等零部件组成。采用环形浓淡强化分级技术,燃烧效率高、低负荷稳燃能力强。

在前、后墙燃烧器上方各布置了2层燃尽风喷口,每层布置8个。另外,在每层燃烧器上方靠近侧墙的地方布置了贴壁风(共12个)以防止水冷壁侧墙高温腐蚀。

1.6 调温方式

过热蒸汽温度采用煤水比作为主要的调节方式,同时在一级过热器至二级过热器连接管道上和二级过热器至三级过热器连接管道上分别布置一级减温器和二级减温器,用来调节受热面出口汽温和左右两侧的汽温偏差。一级减温器和二级减温器均设有左、右侧2个喷水点,用单独的调节阀来调节两侧减温管路的喷水量,以消除左、右侧的蒸汽温度偏差。过热器减温水引自省煤器出口,总的设计喷水量为6%。

再热蒸汽温度采用尾部平行烟气调节挡板调节汽温,同时在低温再热器和高温再热器之间的左右侧连接管上,布置有微调喷水减温器,用作微调。

1.7 烟风系统

烟气通过尾部平行调节挡板后汇流至SCR脱硝设备后进入空气预热器的烟气仓,在空预器中利用烟气热量来加热一次风和二次风。从空气预热器出来的烟气通过余热利用换热器,进入静电除尘器、脱硫后由引风机排至烟囟。

一次风用作煤粉的输送和干燥介质,通过一次风机送入空气预热器的一次风分隔仓,加热后通过热一次风道进入磨煤机。在磨煤机内,一次风与煤粉充分混合后通过煤粉管道由燃烧器一次风喷口进入炉膛燃烧。

二次风的作用是保证煤粉燃尽和控制氮氧化物的生成,通过送风机进入空气预热器的二次风分隔仓,加热后由锅炉两侧经热二次风道进入大风箱。通过燃烧器区域二次风喷口、燃烧器上方燃尽风喷口进入炉膛。

1.8 钢结构布置

锅炉构架采用全钢结构,分成锅炉区域钢架和空预器/脱硝区域钢架2个部分,2个部分均可独立承载,通过多层平台予以连接。炉顶大板梁通过四周主要钢柱支撑,锅炉主要承压件均悬吊在炉顶大板梁上。

2 锅炉关键技术措施

2.1 水冷壁设计

650 ℃锅炉相比目前较成熟的620 ℃高效超超临界锅炉,水冷壁出口工质温度有了较大的提升,对于水冷壁的材料选择和安全性带来了更高的设计要求。水冷壁初步计算结果如表3所示。

表3 650 ℃锅炉水冷壁初步计算结果

从上表可以看到,650 ℃锅炉水冷壁壁温和设计压力相比目前成熟的620 ℃高效超超临界锅炉均有较大提升,需相应提高水冷壁材料等级才能满足要求。650 ℃锅炉水冷壁推荐材料如表4所示。

表4 650 ℃锅炉水冷壁推荐材料

目前SA-213T91材料在水冷壁中应用较少,主要用在循环流化床锅炉高温过热器和高温再热器直管屏中。主要存在水冷壁成排弯管的加工制造工艺、工地的焊后热处理难度大等问题。蒲贵明[7]研究表明SA-213T91水冷壁管屏进行成排弯后,容易引起角焊缝根部裂纹、气孔等缺陷,需采用针对性的控制措施来进一步验证。莫春鸿 等[8]在SA-213T91水冷壁管屏成排弯、开孔等也做了大量的工艺试验,试验显示SA-213T91用在水冷壁管屏是可行的。

2.2 壁温偏差控制

壁温偏差如果控制得不好,一方面会带来受热面超温,影响锅炉安全性;另一方面会制约蒸汽温度达到额定值,影响机组经济性。因此,必须采取有效的技术措施来控制受热面壁温偏差。

2.2.1 烟气侧偏差控制

1)采用前后墙对冲燃烧方式,炉内火焰充满情况较好,燃烧更加均匀,使得炉膛左右两侧烟温偏差小。

2)最上层燃尽风采用左右摆动型结构,可以根据锅炉实际运行情况,调整燃尽风摆动角度,确保沿炉膛宽度氧量分布均匀、煤粉燃烧更加均衡,确保炉膛空气动力场、温度场的均匀性。

2.2.2 工质侧偏差控制

1)合理分配各级受热面的面积,使各级受热面的焓增处于合理水平,控制高温级受热面的温升水平,以控制偏差汽温最高点。

虽然蒸汽参数从620 ℃提高到了650 ℃,但高温级受热面的温升并没有出现较大提高,主要是因为650 ℃参数的给水压力和温度更高,使得分离器温度提高了约43 ℃,再加上给水温度也提高了约15 ℃,所以后面三级过热器的温升与620 ℃参数的温升水平相当;主汽温度提高后,高压缸排汽温度也有较大提高,再热器进口汽温提高了约39 ℃,所以两级再热器的温升也没有较大变化。

2)集箱的连接形式采用双进双出,能够有效降低水力偏差。

3)设计合理的进出口集箱内径,匹配进出口集箱间的静压分布,降低集箱分配水力偏差。

4)设置纠偏喷水减温,左右两侧减温水量单独调节,对左右侧汽温偏差进行纠偏。

2.3 高等级受热面选材

目前已投运的最高620 ℃参数机组锅炉高温级受热面采用SUPER304H、HR3C奥氏体钢,最高使用温度一般不超过700 ℃;高温管道集箱采用SA-335P92铁素体钢,最高使用温度一般不超过630 ℃。当机组参数提高到650 ℃后,考虑到受热面壁温偏差,受热面最高壁温会超过700 ℃,蒸汽出口管道SA-335P92材料也不再适用,因此需引入新的高等级材料。

650 ℃参数高等级受热面小管候选材料主要有SP2215、Sanicro25、HR6W、617、HT700T。

650 ℃参数高温管道集箱大管候选材料主要有G115、HR6W、617、HT700P。

650 ℃参数高温部件材料[9-13]基本情况如表5所示。

表5 650 ℃高温部件候选材料

锅炉用材主要看工作条件下的许用应力,许用应力高的材料可以减薄管子壁厚,降低重量,也可以减少管子制造难度与部件制造难度。

650 ℃参数高温部件候选材料许用应力对比如图5～6所示。

图5 受热面小管各材料许用应力对比

图6 管道集箱大管各材料许用应力对比

从上图对比可以看到,HT700材料在受热面小管和管道集箱大管许用应力上的优势均较明显,在相同的设计壁温和设计压力下,管子壁厚可以更小,从而降低锅炉重量。

目前,对于HT700新材料已做了大量试验研究,包括大小管母材试验研究、焊接试验研究、集箱管接头焊接、成形试验研究、高温长时试验研究,积累了大量试验数据,持久强度试验正在进行中。

3 结束语

650 ℃参数机组是未来火电朝着更加高效、清洁、灵活方向升级的重要一步,也是新型电力系统转型方向。针对650 ℃参数超超临界锅炉,本文提出了П型和塔式2种布置方案,并对其关键技术提出了相应措施。

1)650 ℃参数超超临界锅炉采用П型和塔式2种技术方案均可行。

2)水冷壁垂直段需采用SA-213T91以满足参数提升后水冷壁管的强度要求。

3)从烟气侧和工质侧采用有效措施,控制受热面壁温偏差,保证宽负荷下汽温达到额定值。

4)参数提升到650 ℃之后,锅炉高温级受热面小管以及主汽、热再出口集箱管道需要引入新材料,从目前650 ℃高温部件候选材料来看,HT700铁镍基合金具有一定的优势。新材料的研发进展将直接关系到未来650 ℃高参数机组工程示范的进程,随着新材料的深入研究,目前离工程化应用也越来越近,相信不久之后便会有650 ℃示范工程的落地。