張殿軍

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150046)

0 引言

2004年底，中國已探明的褐煤儲量達到1 000億t以上(約占全國煤炭儲量的16.24%，其中內蒙古的褐煤儲量最大(占全國褐煤儲量的77%)且礦點少，儲量集中(除少數水分35%～40%、灰分較低的褐煤外，其余大多數為水分25%～35%、灰分較高的褐煤)，容易開采、成本較低。因此開發(fā)燃用褐煤的大容量電站鍋爐、在內蒙地區(qū)加快建設大型褐煤坑口電站，既能充分利用當地褐煤資源，又可解決煙煤產量不足、褐煤長途運輸帶來的安全問題，有利于降低發(fā)電成本、促進內蒙地區(qū)的經濟發(fā)展。此外，大型超高壓遠距離輸變電系統技術的飛速發(fā)展為內蒙電力資源輸往京、津、唐和華北、東北等地區(qū)提供了便利條件。

1 國內外大容量褐煤鍋爐發(fā)展現狀

1.1 國外大容量褐煤鍋爐的發(fā)展現狀

美國在20世紀60-70年代大量生產的500～ 800 MW褐煤鍋爐大部分為亞臨界控制循環(huán)和自然循環(huán)鍋爐，也有少量的超臨界直流鍋爐采用復合循環(huán)或UP型多次上升水冷壁、定壓運行，燃用的德克薩斯褐煤或北達科他州褐煤均為高水分、低灰分褐煤，采用中速磨制粉系統，這些鍋爐因生產年代久遠，鍋爐設計和蒸汽參數均已落后。澳大利亞有一些容量為600 MW等級的褐煤鍋爐，多數為亞臨界自然循環(huán)，蒸汽溫度為540℃/540℃，為日本公司生產。

目前，世界上已有百萬等級褐煤鍋爐的主要國家是德國，其最大的超超臨界褐煤鍋爐為950 MW鍋爐，采用塔式布置、單切圓燃燒、正方形爐膛，蒸汽溫度為580℃/600℃，高溫過熱器材質選用問題使內壁蒸汽氧化而被迫降溫運行。德國的900 MW和800 MW等級褐煤鍋爐均為超臨界鍋爐，蒸汽溫度水平略低。德國切向燃燒的大容量褐煤爐燃燒器不能擺動，而塔式爐型又無法采用擋板調溫，因此均采用煙氣/一次汽/二次汽的三流式傳熱部件布置于尾部豎井中以調節(jié)再熱汽溫，其結構復雜且制造要求很高。

1.2 國內大容量褐煤鍋爐技術的發(fā)展情況

從20世紀70年代起，中國陸續(xù)引進了瑞士蘇爾壽公司的300 MW褐煤鍋爐、德國斯坦繆勒公司的600 MW褐煤鍋爐和前蘇聯的500 MW褐煤鍋爐等。這些引進鍋爐均按照國外褐煤特性設計制造，在中國投入運行后暴露出爐膛結渣嚴重、受熱面超溫爆管等問題，個別機組甚至達不到額定出力，其原因主要在于國外的褐煤屬于年輕褐煤，與中國的老年褐煤煤質有本質區(qū)別，國外鍋爐廠家缺乏對中國褐煤煤質的了解，致使其提供的產品出現了嚴重的質量問題。20世紀80年代，隨著亞臨界參數大容量鍋爐的技術引進，哈爾濱鍋爐廠有限責任公司(簡稱哈鍋)針對國內褐煤的煤質特點開始研發(fā)大容量褐煤鍋爐，先后研制開發(fā)了一批300 MW、600 MW亞臨界褐煤鍋爐爐型，積累了豐富的褐煤鍋爐的設計和運行經驗。進入21世紀，哈鍋又先后開發(fā)研制了一批技術先進、運行可靠、能夠滿足不同要求的350 MW、600 MW等級超臨界褐煤鍋爐爐型，目前正在研發(fā)代表世界先進水平的600 MW、1 000 MW超超臨界褐煤鍋爐。

2 發(fā)展大型褐煤鍋爐需要解決的關鍵性技術難題

褐煤是一種性能變化范圍很大的劣質燃料，一般形成年代都比較短，具有“三高兩低”的顯著特性(即高揮發(fā)分、高水分、高灰分、低發(fā)熱量、低灰熔點等)，因而以褐煤為燃料的機組對電站鍋爐設計和安全經濟運行提出了許多要求。

2.1 褐煤煤質特性和防結渣技術研究

煤是由多種有機物質和無機物質混合組成的復雜固體碳氫燃料，其中褐煤是最低品位的煤，依據美國ASTM對煤的分類，褐煤是所有煤種中發(fā)熱量最低、水分含量最高和固定碳含量最低的煤種。表1列舉了哈鍋大容量褐煤鍋爐燃用的典型褐煤煤質。

中國褐煤普遍具有灰分熔點低、結渣性強的特點，容易產生爐膛水冷壁和燃燒器噴口的結渣，造成水冷壁換熱惡化爆管和燃燒器噴口燒毀等問題，給鍋爐的安全穩(wěn)定運行帶來嚴重危害。中國早期進口的褐煤鍋爐普遍存在爐膛嚴重結渣問題，為此必須開展褐煤鍋爐爐膛防結渣技術的專項研究，掌握老年褐煤及國外年輕褐煤的不同特點，研究不同種類褐煤的著火性能(包括著火特性、穩(wěn)燃特性和燃盡特性等)、褐煤組分對穩(wěn)燃和燃盡的影響，研究灰分組成、煤粉細度對灰熔融性和鍋爐結渣的影響，掌握防止爐內結渣的爐膛熱力參數的選取規(guī)律，建立一套科學的燃燒器結構選型和設計的方法。

表1 哈鍋大容量褐煤鍋爐的煤質

2.2 褐煤鍋爐爐膛的爐膛結構設計方法

褐煤鍋爐爐膛爐膛結構設計方法是研究爐膛結構對爐內氣固兩相流場、爐內熱負荷分布規(guī)律的影響以及由此引起的對爐內燃燒過程、鍋爐運行參數和爐膛結渣的潛在影響，確定與褐煤煤質特性相適應的大容量褐煤鍋爐爐膛結構設計方法，在鍋爐設計過程中選取合理爐膛容積熱負荷、爐膛截面負荷、燃燒器區(qū)域壁面熱負荷、鍋爐燃燼高度等關鍵技術參數，從而有效防止煤粉氣流沖刷水冷壁或爐內熱負荷過高而導致的結渣性問題，在保證煤粉有足夠的爐內停留時間以降低鍋爐的NOx排放。

2.3 褐煤鍋爐制粉系統選型

與煙煤、無煙煤和貧煤不同，褐煤煤化程度低、水分含量高，制粉系統需要較高的一次風溫來滿足煤粉干燥和輸送的要求。褐煤鍋爐傳統的制粉系統為風扇磨直吹式制粉系統，該系統具有一次風溫高、一次風率低、煤粉水分低、對原煤有較強干燥能力的特點，但一次風壓頭較低、煤粉相對較粗。隨著機組容量的增加和中速磨煤機的廣泛應用，對中低水分(全水分35%以下)褐煤普遍采用中速磨煤機，全水分在40%左右或40%以上的褐煤只能采用風扇磨煤機。對水分35%～40%的褐煤則根據煤質的具體情況確定磨煤機的形式。與風扇磨直吹式制粉系統相比，中速磨直吹式制粉系統具有較高壓頭、煤粉細度相對較細等特點，但一次風率偏高、風溫低、煤粉水分高，對原煤的干燥能力相對較差。表2為風扇磨制粉系統和中速磨制粉系統的特點對比。

2.4 與制粉系統匹配的燃燒系統

鍋爐制粉系統應根據工程需要具備不同的布置形式和設計特點，鍋爐的燃燒系統需要與之匹配(如配風扇磨煤機的8角切圓燃燒系統或6角切圓燃燒系統等，配中速磨煤機的6角切圓燃燒系統或4角切圓燃燒系統及燃燒器前后墻對沖布置等)，解決好燃燒的穩(wěn)定性、防結渣性、經濟性等問題，同時考慮降低NOx的排放量。由于褐煤的高水分特點，考慮到對煤粉干燥出力和輸送燃煤的實際需要，褐煤鍋爐燃燒系統一次風率較其它煤質鍋爐有大幅度提高，直接導致鍋爐燃燒系統二次風及燃盡風的可用配比降低，對整體合理組織燃燒系統風量配比帶來很大困難。因此需要對不同制粉系統形式下的燃燒器結構及布置方式、熱功率分配方案、燃燒系統關鍵設計參數的選取方法進行研究，從而確定高效、低NOx燃燒系統的設計方法。

表2 中速磨制粉系統和風扇磨制粉系統特點對比

2.5 褐煤鍋爐煙氣傳熱特性研究

相同等級的燃煤鍋爐、褐煤鍋爐燃燒產生的煙氣量較大，煙氣中水分含量很高，同時煙氣中粉塵粒徑較大、煙氣流速高，這些特點決定了褐煤鍋爐煙氣具有特殊的傳熱特性。褐煤鍋爐的爐膛火焰溫度較低，因此輻射換熱能力差;褐煤的熱值低、煤耗量大、一次風量大、二次風量小導致爐膛空氣動力場組織困難，易造成較大的偏差。因此，研究褐煤鍋爐煙氣在爐內以及輻射受熱面、對流受熱面區(qū)域的傳熱特性對大容量褐煤鍋爐受熱面的設計至關重要。

3 大容量褐煤鍋爐的技術特點

目前國內大容量鍋爐多數采用Π型布置，而國外公司的大容量褐煤鍋爐采用塔式布置。開發(fā)滿足不同制粉系統大容量褐煤鍋爐(Π型或塔式)設計方案必須保證磨煤機布置方案與鍋爐鋼結構、燃燒器系統、受熱面布置相匹配。有關Π型布置鍋爐和塔式布置鍋爐的主要特點比較如表3所示。

表3 塔式鍋爐和Π型鍋爐的特點比較

哈鍋根據煤質及用戶需求的不同，開發(fā)了Π型布置和塔式布置兩種布置形式的褐煤鍋爐，其中前者可以采用中速磨制粉系統或風扇磨直吹式制粉系統，后者可以采用風扇磨直吹式制粉系統。以下將以具體工程為例對哈鍋已投運的大容量褐煤鍋爐的設計結構特點進行闡述。

3.1 300 MW等級亞臨界褐煤鍋爐

雙遼電廠300 MW亞臨界4臺褐煤鍋爐為在670 t/h褐煤鍋爐設計運行的基礎上自主研制的300 MW亞臨界機組褐煤鍋爐。鍋爐為亞臨界參數、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，單爐膛Π型布置，采用平衡通風，六角切圓燃燒方式。設計燃料為霍林河褐煤，干燥劑為熱爐煙加熱風。鍋爐運轉層以上采用緊身封閉，運轉層以下采用室內布置。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 021 t/h，主蒸汽出口壓力為18.2 MPa。配6臺FM340.1060型風扇磨直吹式熱煙和熱風干燥制粉系統。通過抬高爐膛高度、加深尾部煙道及采用較大的燃燒器一次風噴口間距等措施，以適應強結渣性煤的特點。

爐膛上部布置墻式輻射再熱器和大節(jié)距的過熱器分隔屏、后屏以增加再熱器和過熱器的輻射特性。墻式輻射再熱器布置于上爐膛前墻和兩側墻。各級過熱器、再熱器之間采用單根或數量很少的大直徑連接管相連接，有利于蒸汽良好地混合，以消除偏差。各集箱與大直徑連接管相連處均采用大口徑三通。各級過熱器和再熱器最大限度地采用蒸汽冷卻的定位管和吊掛管，以保證運行的可靠性。各級過熱器和再熱器同時采用了較大的橫向節(jié)距，防止在受熱面上結渣結灰。

對于汽溫調節(jié)方式，過熱器采用常規(guī)噴水調溫，共設兩級4點噴水，第一級噴水設在低溫過熱器出口到分隔屏入口的連接管道上，噴水量約占過熱器總噴水量的2/3，作為粗調;第二級噴水設在后屏過熱器出口到末級過熱器入口間的連接管道上，噴水量約占總噴水量的1/3左右，為細調，調節(jié)過熱器出口溫度。再熱器采用噴水調溫，低負荷運行時以過量空氣系數調整作為輔助調溫手段。

機組裝有集散控制系統(DCS)，協調控制汽機和鍋爐。

3.2 600 MW等級亞臨界褐煤鍋爐

內蒙古上都發(fā)電有限公司4臺600 MW機組鍋爐為亞臨界壓力、一次中間再熱、控制循環(huán)汽包爐，鍋爐采用平衡通風、四角切圓燃燒方式、擺動式直流燃燒器，最大擺角為±30°;配8臺中速磨，采用正壓直吹式系統，設計燃料為內蒙古錫林浩特勝利煤田1號露天礦原煤，校核煤種為錫林浩特勝利煤。

在爐膛上部布置墻式輻射再熱器和大節(jié)距的過熱器分隔屏以增加再熱器和過熱器的輻射特性。墻式輻射再熱器布置于上爐膛前墻和側墻。各級過熱器、再熱器之間采用單根或數量很少的大直徑連接管相連接，各集箱與大直徑連接管連處均采用大口徑三通，對蒸汽起到良好的混合作用以消除偏差。同時各級過熱器和再熱器采用較大的橫向節(jié)距，防止在受熱面上結渣結灰。根據國內運行經驗和設計煤種的特性，對流受熱面設計采用較低煙速。采用內螺紋管膜式水冷壁的強制循環(huán)系統，可以降低鍋爐循環(huán)倍率，以便采用低壓頭循環(huán)泵以減少電耗。

為了滿足高水分褐煤制粉系統干燥出力的要求，該工程在回轉式預熱器又單獨設置了1組管式空氣預熱器，以進一步加熱一次風。經實際運行，該系統在保持鍋爐排煙溫度不變的前提下將熱一次風溫度提高到420°C左右，基本滿足了制粉系統對褐煤干燥的要求，同時將中速磨制粉系統的煤粉水分限制由30%升高到35%。為消除過熱器出口處汽溫偏差，對過熱器采用二級噴水。第一級噴水減溫器設于低溫過熱器與分隔屏之間的大直徑連接管上，第二級噴水減溫器設于過熱器后屏與末級過熱器之間的大直徑連接管上，減溫器采用笛管式。再熱器的調溫主要靠燃燒器擺動，在再熱器進口導管裝有2只霧化噴嘴式噴水減溫器作事故噴水用。過量空氣系數的改變對過熱器和再熱器的調溫有一定的作用。

爐膛監(jiān)察保護系統(FSSS)用于鍋爐的啟停、事故解列以及各種輔機的切投，其主要功能是爐膛火焰檢測和滅火保護，對防止爐膛爆炸和“內爆”有重要意義。機組裝有協調控制系統，進行汽機和鍋爐之間的協調控制。

3.3 350 MW超臨界褐煤鍋爐

華能長春熱電廠(簡稱長四熱電廠)2臺350 MW褐煤鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行、最大連續(xù)蒸發(fā)量1 100 t/h、不帶再循環(huán)泵的大氣擴容式啟動系統的直流鍋爐，采用中速磨直吹式制粉系統、單爐膛、尾部雙煙道、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結構、Π型布置。每臺爐配6臺HP863磨煤機(5臺運行，1臺備用)。

鍋爐采用新型切圓燃燒燃燒方式，燃燒器布置在水冷壁的四面墻上，共設6層水平濃淡煤粉一次風噴口(每層4只燃燒器對應1臺磨煤機)。SOFA燃燒器布置在主燃燒器區(qū)上方的水冷壁四角，以實現分級燃燒降低NOx排放。SOFA采用水平擺動形式，可以調節(jié)燃燒火球在爐膛中的位置，并用于調節(jié)切圓燃燒產生的爐膛出口處煙溫偏差。

水冷壁為膜式水冷壁，下部水冷壁及灰斗采用螺旋管圈，上部水冷壁為垂直管屏。鍋爐下部爐膛水冷壁及灰斗采用螺旋管圈，具有較高的質量流速，在各種負荷下均有足夠的冷卻能力并能有效地補償沿爐膛周界上的熱偏差。將2只內置式啟動分離器布置在鍋爐的前部上方，適合于滑壓運行，提高了機組的效率，延長了汽機的壽命。采用不帶泵大氣擴容器的啟動系統，鍋爐具有快速啟動能力，縮短機組啟動時間;啟動系統設置了足夠容量的大氣式擴容器和疏水箱。

過熱器為輻射對流型，低溫過熱器布置于尾部豎井后煙道，分隔屏過熱器和高溫末級過熱器布置于爐膛上部。過熱蒸汽溫度采用煤水比和兩級噴水減溫控制。在上爐膛布置橫向節(jié)距較寬的分隔屏受熱面，有效防止管屏掛渣。過熱器采用兩級噴水減溫器，一級減溫器布置在低溫過熱器和分隔屏過熱器之間，二級減溫器布置在分隔屏過熱器和末級過熱器之間，每級兩點。再熱蒸汽采用尾部煙氣擋板調溫，并在低溫再熱器出口管道配有事故噴水減溫器。

3.4 600 MW等級褐煤鍋爐

華能九臺電廠一期工程2臺670 MW超臨界鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力、變壓運行、帶內置式再循環(huán)泵啟動系統的直流鍋爐，采用單爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結構、緊身封閉布置;低NOx燃燒器系統、40只燃燒器八角切圓布置、8臺MB3600/1000/490風扇磨煤機直吹式制粉系統(6臺運行，1臺備用，1臺檢修)。爐膛內的煙氣垂直向上流動，依次沖刷屏式過熱器、末級過熱器、末級再熱器、中溫過熱器、低溫再熱器和省煤器，這種對流受熱面的布置方式能保證各級受熱面較大的吸熱溫差。水平布置受熱面為全疏水式，有利于鍋爐的快速啟停。

塔式爐的爐膛截面為正方形，每臺鍋爐配8臺風扇磨，每面墻各布置2組燃燒器，形成的“八角”小直徑單切圓燃燒使風扇磨的切投(改變投運磨的臺數)對爐膛內的空氣動力場和煙氣溫度場影響較小。每組燃燒器與1臺風扇磨相配，采用了帶有中心風的直流型固定式燃燒器。為防止燃燒器區(qū)域出現結渣，每組燃燒器在高度方向又拉開成3組以降低燃燒器區(qū)域壁面熱負荷。在主燃燒器上方裝有分離式上二次風噴口(又稱AA風)，實現分級燃燒以降低燃燒NOx排放量。在下爐膛內布置螺旋管圈光管水冷壁(包括冷灰斗)，能有效消除工質沿各墻的熱力和水力偏差，在合理的質量流速下保證螺旋管圈水冷壁出口沿各墻最小的工質溫度偏差。過熱器采用三級布置，即屏式過熱器→中溫過熱器→末級過熱器。屏過熱器和末過熱器布置于爐膛出口，過熱器汽溫控制以煤水比調節(jié)為主，噴水為輔。采用二級噴水減溫，再熱器二級布置，即低溫再熱器→末級再熱器。由于燃燒器為固定式不能擺動，也不能用擋板調溫，因此再熱汽溫的調節(jié)主要靠噴水，噴水減溫器布置于末級再熱器與低級再熱器之間連接管上，省煤器布置于塔式爐最上部。

在鍋爐前墻外上方裝有啟動系統以滿足各種工況(冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)和極熱態(tài))啟動和停爐要求，能起到部分回收工質和熱量的功能，每臺鍋爐配有4只汽水分離器和1只貯水箱，汽水分離系統屬于內置式，其設計容量為30%BMCR，等于鍋爐的最低直流負荷。

4 大容量褐煤鍋爐運行性能

華能長春熱電廠工程1號鍋爐在100%額定負荷時鍋爐效率平均值為92.47%(保證值91.55%)，鍋爐最大連續(xù)出力為1 159 t/h(保證值1 110 t/h)，空氣預熱器A、B側漏風率分別為5.92%和5.86%(保證值6.0%)，NOx排放濃度平均值為211 mg/Nm3(保證值400 mg/Nm3)，鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負荷為428 t/h(保證值444 t/h)，在高壓加熱器全部投運、切除時都能達到額定出力并且能夠長期連續(xù)運行，各受熱面管壁溫度均未出現超過限制值現象。

華能九臺電廠一期工程的600 MW等級超臨界褐煤塔式鍋爐投運后，各項指標均優(yōu)于設計值。其中考核工況鍋爐效率平均值為93.08%(保證值91.80%);鍋爐最大連續(xù)出力試驗工況，省煤器入口至過熱器出口的總壓降為3.19 MPa(保證值為3.67 MPa)，再熱器壓降為0.178 MPa(保證值0.20 MPa)，A、B側空氣預熱器漏風率分別為4.57%和4.43%(保證值6%)。鍋爐無油助燃最低穩(wěn)定燃燒負荷約為46%BMCR(50% BMCR)，鍋爐最大連續(xù)出力試驗工況下鍋爐NOx排放濃度平均值為185 mg/m3(標準狀態(tài))，效率考核工況下鍋爐NOx排放濃度平均值為257 mg/m3(標準狀態(tài))，2個工況NOx排放濃度均低于保證值400 mg/m3(標準狀態(tài))。

5 結論

大容量、高效率、低污染褐煤鍋爐的研制和開發(fā)對充分利用中國豐富的褐煤資源意義重大。哈鍋大容量褐煤鍋爐產品系列日趨完善(產品已涵蓋300 MW等級亞臨界、600 MW等級亞臨界、350 MW超臨界、600 MW等級超臨界等不同系列，采用Π型或塔式布置)，在大容量褐煤鍋爐方面擁有雄厚設計和制造經驗。不久將開發(fā)出新型低氮燃燒技術應用到工程實踐中，并將研制出性能和參數更高(如600℃/600℃)、適應性更強(Π型或塔式布置、中速磨或風扇磨直吹式制粉系統)的大容量褐煤鍋爐，以提高中國火力發(fā)電的經濟性、可靠性，改善環(huán)保狀況。