文/蔡宏 王剛 上海鍋爐廠有限公司（200245）

蔡宏（1977年~），男，西安交通大學(xué)研究生畢業(yè)。現(xiàn)為上海鍋爐廠有限公司工程師，從事大型電站鍋爐設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。

1 前言

火力發(fā)電廠的熱經(jīng)濟(jì)性隨著蒸汽參數(shù)的提高而上升，提高機(jī)組熱效率是火電機(jī)組發(fā)展的目標(biāo)之一。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，國(guó)外火電機(jī)組始終以提高蒸汽參數(shù)和增大單機(jī)功率為發(fā)展重點(diǎn)，目前300MW等級(jí)火電機(jī)組通常采用亞臨界參數(shù)，600MW等級(jí)及以上容量的機(jī)組已普遍采用超臨界參數(shù)。新設(shè)計(jì)的機(jī)組多采用變壓運(yùn)行，可適應(yīng)帶中間負(fù)荷和調(diào)峰的需要，運(yùn)行的靈活性大為提高。隨著火電機(jī)組蒸汽參數(shù)的進(jìn)一步提高，機(jī)組進(jìn)入了超超臨界的參數(shù)范圍。與此同時(shí)，國(guó)家對(duì)發(fā)電設(shè)備在環(huán)保和污染物排放控制方面的要求也越來(lái)越高，因而發(fā)展高效、節(jié)能、環(huán)保的大容量電站鍋爐勢(shì)在必行。超（超）臨界鍋爐以其高效、環(huán)保、技術(shù)先進(jìn)、市場(chǎng)前景廣闊等顯著優(yōu)勢(shì)，成為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的主導(dǎo)產(chǎn)品。

機(jī)組蒸汽參數(shù)的提高和容量的增大，不僅與應(yīng)用于高參數(shù)機(jī)組材料的開(kāi)發(fā)有關(guān)，而且與設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝的進(jìn)步密不可分。經(jīng)過(guò)40多年的不斷完善和發(fā)展，目前超臨界和超超臨界機(jī)組的發(fā)展已進(jìn)入了成熟和實(shí)用階段，具有更高參數(shù)的超超臨界機(jī)組也已經(jīng)成功地投入商業(yè)運(yùn)行。

上海鍋爐廠有限公司在設(shè)計(jì)600MW等級(jí)超臨界鍋爐的基礎(chǔ)上，結(jié)合超超臨界機(jī)組參數(shù)要求及已有經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)研制了1000MW超超臨界雙煙道鍋爐產(chǎn)品。該產(chǎn)品的投運(yùn)標(biāo)志著上海鍋爐廠有限公司在產(chǎn)品系列上的完善，同時(shí)成為國(guó)內(nèi)首家具有1000MW超超臨界雙煙道和塔式鍋爐兩種產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造運(yùn)行業(yè)績(jī)的鍋爐生產(chǎn)企業(yè)。

首臺(tái)產(chǎn)品鍋爐性能鑒定試驗(yàn)于2010年3月完成。在試運(yùn)行生產(chǎn)期間，鍋爐在各種不同負(fù)荷情況下燃燒穩(wěn)定，運(yùn)行參數(shù)正常，實(shí)測(cè)鍋爐效率高，燃燒器低負(fù)荷不投油穩(wěn)燃性好，能較好地滿足機(jī)組調(diào)峰的需要，環(huán)保性能良好，NOx排放低。鍋爐各項(xiàng)主要性能指標(biāo)均超過(guò)設(shè)計(jì)值。

2010年12月，中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)和中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)在北京共同組織召開(kāi)了上海鍋爐廠有限公司“1000MW等級(jí)超超臨界雙煙道鍋爐”產(chǎn)品鑒定會(huì)，與會(huì)專(zhuān)家一致認(rèn)為上海鍋爐廠有限公司1000MW等級(jí)超超臨界雙煙道鍋爐達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

2 主要技術(shù)

1000MW超超臨界雙煙道鍋爐為，超超臨界參數(shù)、變壓運(yùn)行、一次中間再熱、螺旋管圈，單爐膛、雙切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、全鋼懸吊雙通道型結(jié)構(gòu)、露天布置、固態(tài)排渣，制粉系統(tǒng)配正壓冷一次風(fēng)機(jī)直吹式送粉系統(tǒng)，采用帶循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)，爐后尾部布置兩臺(tái)三分倉(cāng)容克式空氣預(yù)熱器。

鍋爐整體布置及系統(tǒng)方面。

整個(gè)爐膛由膜式水冷壁組成，水冷壁采用螺旋管圈布置方案。爐膛上部布置有前屏過(guò)熱器和后屏過(guò)熱器，水平煙道依次布置高溫過(guò)熱器和高溫再熱器，尾部煙道布置有低溫再熱器、低溫過(guò)熱器和省煤器。

鍋爐燃燒系統(tǒng)按配中速磨煤機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)。燃燒方式采用低NOx切向燃燒系統(tǒng)，煤粉燃燒器布置在爐膛下部四角和前后墻中部，在爐膛中呈雙切圓方式燃燒。通過(guò)燃燒設(shè)備設(shè)計(jì)和爐膛布置的匹配來(lái)滿足鍋爐各項(xiàng)燃燒指標(biāo)要求，在煤種允許的變化范圍內(nèi)確保煤粉及時(shí)著火、穩(wěn)燃、燃燼、爐內(nèi)不發(fā)生明顯結(jié)渣、NOx排放量低、燃燒器狀態(tài)良好、不被燒壞。

過(guò)熱器汽溫通過(guò)煤水比調(diào)節(jié)和三級(jí)噴水來(lái)控制。再熱器汽溫采用煙氣擋板調(diào)溫、燃燒器擺動(dòng)和過(guò)量空氣系數(shù)的變化調(diào)節(jié)，低溫再熱器進(jìn)口連接管道上設(shè)置事故噴水裝置。

鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)采用帶再循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)。

鍋爐出渣采用機(jī)械出渣系統(tǒng)。

鍋爐配備兩臺(tái)三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器?？諝忸A(yù)熱器主軸垂直布置，煙氣和空氣以逆流方式換熱。

鍋爐本體內(nèi)設(shè)有墻式吹灰器、長(zhǎng)伸縮式吹灰器和半伸縮式吹灰器。爐膛出口裝有煙溫探針，啟動(dòng)時(shí)用來(lái)控制爐膛出口煙溫。在爐膛出口處還裝有負(fù)壓測(cè)點(diǎn)。鍋爐本體部分配有安全閥和動(dòng)力釋放閥。鍋爐爐頂采用大罩殼熱密封，爐頂管采用全金屬密封，爐墻為輕型結(jié)構(gòu)帶梯型金屬外護(hù)板，屋頂為輕型金屬屋蓋。鍋爐構(gòu)架采用全鋼結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件的接頭采用扭剪型高強(qiáng)度螺栓連接，其他構(gòu)件的接頭采用高強(qiáng)度螺栓或焊接連接。除回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器支撐在構(gòu)架上以外，鍋爐其余部分全懸吊于構(gòu)架上。

圖1 鍋爐受熱面及燃燒系統(tǒng)布置

1000MW超超臨界雙煙道鍋爐有以下主要技術(shù)特點(diǎn)：

2.1 采用超超臨界技術(shù)，確保鍋爐具有較高的可用率

采用包括設(shè)計(jì)、制造、質(zhì)量控制、儀控、安裝、投運(yùn)和調(diào)試等各個(gè)方面在內(nèi)的一整套成熟、先進(jìn)的超超臨界專(zhuān)有技術(shù)，從而能夠確保機(jī)組長(zhǎng)期安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

2.2 采用較大的爐膛斷面和容積，較低的爐膛斷面熱負(fù)荷和爐膛出口煙氣溫度

爐膛設(shè)計(jì)針對(duì)設(shè)計(jì)煤種和校核煤種，充分考慮煤粉的著火、燃燒的穩(wěn)定和高效、煤質(zhì)的適應(yīng)能力、負(fù)荷調(diào)節(jié)能力、低NOx排放、低負(fù)荷穩(wěn)燃、爐內(nèi)結(jié)渣以及高溫受熱面的安全；同時(shí)兼顧煤種變化和煤質(zhì)變差的情況。

2.3 爐膛水冷壁采用螺旋管圈水冷壁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于超臨界及超超臨界鍋爐，既有螺旋管圈水冷壁設(shè)計(jì)，又有垂直管圈水冷壁設(shè)計(jì)，而采用螺旋管圈水冷壁設(shè)計(jì)，尤其是結(jié)合切向燃燒方式，有其自身技術(shù)特點(diǎn)。對(duì)于螺旋管圈水冷壁而言，傾斜上升的水冷壁管保證了每根管都通過(guò)爐膛不同受熱區(qū)域，水冷壁傾斜管環(huán)繞圈數(shù)超過(guò)一圈，每根蒸發(fā)器管通過(guò)爐膛熱和冷的區(qū)域，結(jié)果是水冷壁均勻吸熱,不受火球位置影響，水冷壁管出口溫度較為均勻。同時(shí)，鍋爐燃燒系統(tǒng)為切向燃燒，故爐膛每側(cè)的熱負(fù)荷曲線是基本一致的。綜合爐膛結(jié)構(gòu)和熱負(fù)荷分布可以知道，采用螺旋管圈水冷壁方案能夠確保螺旋段和垂直段出口熱負(fù)荷分布都很均勻，這一方面可以確保鍋爐運(yùn)行的安全性，同時(shí)也可以保證鍋爐長(zhǎng)期高效運(yùn)行。螺旋管圈水冷壁的壓降受管子規(guī)格、長(zhǎng)度以及質(zhì)量流速的影響，而管子規(guī)格取決于管子內(nèi)部最小允許質(zhì)量流速，管子長(zhǎng)度取決于管子上升傾角以及螺旋圈數(shù)，帶有最佳質(zhì)量流速以及最佳螺旋圈數(shù)的螺旋管圈水冷壁設(shè)計(jì)能減少水冷壁壓降。通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化螺旋角度和螺旋管與垂直管的比例，從而有效降低了鍋爐一次汽阻力，提高了鍋爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

圖2 螺旋管圈水冷壁展開(kāi)

2.4 采用單爐膛雙切圓燃燒方式和低NOx環(huán)保型燃燒設(shè)備。在保證爐膛不結(jié)渣的前提下，燃燒效率高、煤種適應(yīng)性強(qiáng)、煙氣溫度及速度偏差小、NOx排放低

切向燃燒系統(tǒng)具有高燃燒效率、穩(wěn)定的熱力特性和低污染物排放等特點(diǎn)，有著獨(dú)特的空氣動(dòng)力結(jié)構(gòu)。燃料和助燃空氣通過(guò)爐膛的四角引入，方向指向位于爐膛中心的一個(gè)假想切圓。隨著燃料和空氣進(jìn)入爐膛并著火，在爐膛內(nèi)就形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的“火球”（見(jiàn)圖3），受上游高溫?zé)煔饧訜岷芸熘?，激烈燃燒的射流末尾又沖撞下游鄰角的燃料射流，四角射流相互碰撞加熱，從而形成燃燒穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)上升火焰。下一層旋轉(zhuǎn)上升火焰，促進(jìn)上一層的燃燒強(qiáng)化和火焰穩(wěn)定；上一層的旋轉(zhuǎn)氣流同時(shí)加強(qiáng)對(duì)下層火焰的擾動(dòng)，這種角與角和層與層之間的相互摻混擾動(dòng)，即爐膛內(nèi)整體而不是局部的強(qiáng)烈的熱量和質(zhì)量交換，保證了煤粉的著火穩(wěn)定性。由此切向燃燒可認(rèn)為整個(gè)爐膛是一個(gè)燃燒器。低NOx煤粉燃燒，是通過(guò)分析煤粉燃燒時(shí)NOx的生成機(jī)理，建立早期著火和使用控制氧量的燃料/空氣分段燃燒技術(shù)，當(dāng)揮發(fā)氮物質(zhì)形成時(shí)、非常關(guān)鍵的早期燃燒階段中O2降低，它把整個(gè)爐膛內(nèi)分段燃燒和局部性空氣分段燃燒時(shí)降低NOx的能力結(jié)合起來(lái)，在初始的富燃料條件下促使揮發(fā)氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化成N2，因而達(dá)到總的NOx排放減少。切向燃燒和低NOx燃燒兩者的結(jié)合——低NOx切向燃燒系統(tǒng)，是一種高效環(huán)保的燃燒技術(shù)。在降低NOx排放的同時(shí)，著重考慮提高鍋爐不投油、低負(fù)荷穩(wěn)燃能力和燃燒效率，在防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣、高溫腐蝕和降低爐膛出口煙溫偏差等方面，同樣具有獨(dú)特的效果。

2.5 采用可靠的受熱面布置方式和合理的調(diào)溫方式，使得汽溫偏差盡可能小，蒸汽溫度的調(diào)節(jié)范圍大；管材選用上留有足夠的裕度，以保證受熱面安全可靠

2.6 采用帶再循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)

圖3 切向燃燒“火球”

直流鍋爐的啟動(dòng)系統(tǒng)形式及容量的確定是根據(jù)鍋爐最低直流負(fù)荷、機(jī)組運(yùn)行方式、啟動(dòng)工況及最大工況時(shí)水冷壁質(zhì)量流速的合理選取、以及工質(zhì)的合理利用等因素確定。對(duì)于帶再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)，在鍋爐的啟動(dòng)及低負(fù)荷運(yùn)行階段，爐水循環(huán)確保了在鍋爐達(dá)到最低直流負(fù)荷之前的爐膛水冷壁的安全性。當(dāng)鍋爐負(fù)荷大于最低直流負(fù)荷時(shí)，一次通過(guò)的爐膛水冷壁質(zhì)量流速能夠?qū)λ浔谶M(jìn)行足夠的冷卻。在爐水循環(huán)中，由分離器分離出來(lái)的水往下流到鍋爐啟動(dòng)循環(huán)泵的入口，通過(guò)泵提高壓力來(lái)克服系統(tǒng)的流動(dòng)阻力和省煤器最小流量控制閥的壓降。水冷壁的最小流量是通過(guò)省煤器最小流量控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。從控制閥出來(lái)的水通過(guò)省煤器，再進(jìn)入爐膛水冷壁。在循環(huán)中，有部分的水蒸汽產(chǎn)生，然后此汽水混合物進(jìn)入分離器。分離器通過(guò)離心作用把汽水混合物進(jìn)行分離，并把蒸汽導(dǎo)入過(guò)熱器中。分離出來(lái)的水則進(jìn)入位于分離器下方的貯水箱。貯水箱通過(guò)水位控制器來(lái)維持一定的水位。貯水箱布置靠近爐頂，這樣可以提供循環(huán)泵在任何工況下所需要的凈吸壓頭。貯水箱較高的位置同樣也提供了在鍋爐初始啟動(dòng)階段汽水膨脹時(shí)疏水所需要的靜壓頭。由于帶再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)在啟動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中能100%吸收疏水熱量，可有效縮短冷態(tài)和溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)間，更適合于頻繁啟動(dòng)、帶循環(huán)負(fù)荷和二班制運(yùn)行機(jī)組。

2.7 具有較好的低負(fù)荷穩(wěn)燃性能和啟、停及調(diào)峰性能

2.8 過(guò)熱器、再熱器受熱面材料選取留有較大的裕度

為了降低超超臨界鍋爐因過(guò)熱器和再熱器出口汽溫的提高所導(dǎo)致的高溫段管子煙氣側(cè)高溫腐蝕和管內(nèi)高溫氧化，采用了大量的奧氏體鋼管。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 節(jié)能環(huán)保技術(shù)——低NOx燃燒技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用

應(yīng)用雙切圓、低NOx燃燒技術(shù)，降低了各項(xiàng)污染排放指標(biāo)的設(shè)計(jì)值。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)燃用煙煤NOx的排放指標(biāo)為450mg/Nm3，使用低NOx燃燒技術(shù)后NOx的排放指標(biāo)可以為300 mg/Nm3甚至更低。

3.2 水冷壁型式的改進(jìn)

在1000 MW超超臨界雙煙道鍋爐水冷壁設(shè)計(jì)中提出了新的改進(jìn)方案，調(diào)整了螺旋角度和螺旋管和垂直管的比例，降低了鍋爐一次汽阻力，達(dá)到了既安全又經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

3.3 再熱器調(diào)溫方式的創(chuàng)新

再熱器的汽溫調(diào)溫方式采用尾部煙氣擋板調(diào)溫為主，替代了常規(guī)的以燃燒器擺動(dòng)為主，在調(diào)節(jié)再熱器汽溫的靈活性和靈敏度上有了突破。

3.4 尾部煙道防振技術(shù)

低溫過(guò)熱器和低溫再熱器及省煤器都布置在尾部前后煙道中，為了避免在運(yùn)行中出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題，采用了尾部煙道防振技術(shù)以防止受熱面振動(dòng)的發(fā)生。

3.5 過(guò)熱器、再熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

過(guò)熱器、再熱器采用優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

3.6 合理進(jìn)行溫度偏差的控制

通過(guò)爐膛、燃燒系統(tǒng)及受熱面的設(shè)計(jì)和布置匹配，并應(yīng)用數(shù)值模擬計(jì)算，從而來(lái)控制鍋爐煙氣側(cè)和蒸汽側(cè)的偏差。

3.7 新材料、新工藝的研究和掌握

1000MW超超臨界雙煙道鍋爐中使用了大量的高等級(jí)新材料，新材料的大量應(yīng)用必然會(huì)給鍋爐制造帶來(lái)大量新的變數(shù)，因此對(duì)這些新材料進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的試驗(yàn)研究，了解并掌握這些新材料的焊接性能、冷熱成形加工性能、高溫持久斷裂性能等。同時(shí)對(duì)成排彎水冷壁組件、分離器及再循環(huán)混合球等關(guān)鍵組件的制造工藝進(jìn)行了研究。

4 社會(huì)效益

該項(xiàng)目的成功設(shè)計(jì)制造使得上海鍋爐廠有限公司同時(shí)具備了百萬(wàn)等級(jí)塔式、雙煙道鍋爐的設(shè)計(jì)制造能力，符合國(guó)家節(jié)能減排的要求，具有很好的示范和推進(jìn)作用；1000MW超超臨界雙煙道鍋爐燃用煙煤有著低于300mg/m3以下的NOx排放水平和高于94%以上的鍋爐效率，在國(guó)內(nèi)、國(guó)際上處于領(lǐng)先水平。