王鳳君，黃 鶯，劉恒宇，欒世建

（哈爾濱鍋爐廠(chǎng)有限責(zé)任公司，哈爾濱150046）

超超臨界鍋爐二次再熱技術(shù)主要在美國(guó)、日本、丹麥等國(guó)家應(yīng)用。該技術(shù)不但可使電站機(jī)組獲得較高的經(jīng)濟(jì)性，而且也可使機(jī)組具有良好的環(huán)保效果，是一種成熟、高效、低污染的燃煤發(fā)電技術(shù)。采用鍋爐二次再熱的目的是為了進(jìn)一步提高機(jī)組的熱效率，并滿(mǎn)足機(jī)組低壓缸最終排汽濕度的要求。經(jīng)計(jì)算分析，采用該技術(shù)在相同的主蒸汽壓力下，其相對(duì)熱耗率改善值約為1.4%～1.6%，機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性得到明顯提高。

當(dāng)二次再熱機(jī)組的汽輪機(jī)入口參數(shù)為30.0MPa／600℃／620℃／620 ℃時(shí)，相對(duì)于目前超超臨界機(jī)組普遍應(yīng)用的25.0MPa／600℃／600℃參數(shù)，機(jī)組的熱效率提高了2.4%～2.6%，機(jī)組煤耗可得到顯著降低。

采用二次再熱超超臨界機(jī)組是國(guó)內(nèi)外高效、環(huán)保發(fā)電機(jī)組的主要發(fā)展方向，也是我國(guó)目前最有條件發(fā)展的一項(xiàng)先進(jìn)發(fā)電技術(shù)。

蒸汽中間再過(guò)熱，使做功后的蒸汽干度可明顯提高，是解決乏汽干度問(wèn)題的一種辦法，已成為大型機(jī)組提高熱效率的必要措施。

迄今為止，我國(guó)還沒(méi)有一臺(tái)二次再熱機(jī)組投入運(yùn)行，也缺少針對(duì)二次再熱機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和運(yùn)行方面的技術(shù)儲(chǔ)備。

1 國(guó)外二次再熱機(jī)組的發(fā)展

1.1 二次再熱機(jī)組蒸汽參數(shù)

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，美國(guó)、日本等國(guó)均建造了大量再熱發(fā)電機(jī)組，但由于受耐熱高強(qiáng)鋼材料的限制，只有少量機(jī)組采用了二次再熱方式。

美國(guó)早期二次再熱機(jī)組占當(dāng)時(shí)建造超臨界機(jī)組的21.37%，具體蒸汽參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 美國(guó)二次再熱機(jī)組的蒸汽參數(shù)

日本早期（1976年前）二次再熱機(jī)組占當(dāng)時(shí)超臨界機(jī)組的23.0%，具體蒸汽參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 日本二次再熱機(jī)組的蒸汽參數(shù)

中期（80年代末）以日本川越電廠(chǎng)31MPa／566℃／566℃／566℃為超超臨界機(jī)組的代表，走的是一條從引進(jìn)到自主開(kāi)發(fā)的發(fā)展之路。

丹麥的超超臨界機(jī)組，追求可能達(dá)到的最高效率，壓力接近30MPa，溫度為580℃／580℃／580℃或580℃／600℃。

根據(jù)超超臨界機(jī)組未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)溫度達(dá)到650～720℃、壓力超過(guò)30MPa時(shí)，采用二次再熱可獲得與IGCC發(fā)電技術(shù)相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)性。

Siemens、Alstom等發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)提出的“高參數(shù)燃煤電站（700℃）發(fā)展計(jì)劃”，到2019年左右，超超臨界機(jī)組的參數(shù)達(dá)到40MPa／700℃／720℃的水平；日本國(guó)家（700℃）計(jì)劃采用二次再熱，機(jī)組參數(shù)35MPa／700℃／720℃／720℃。

1.2 日本川越電廠(chǎng)鍋爐簡(jiǎn)介

日本川越電廠(chǎng)1號(hào)、2號(hào)機(jī)組為當(dāng)今世界上容量最大的二次再熱超超臨界機(jī)組，鍋爐由三菱重工供貨，燃用液化天然氣，汽輪機(jī)由東芝公司供貨。

鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，單爐膛、尾部雙煙道、平衡通風(fēng)、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)П形鍋爐。燃燒方式為反向雙切圓，布置有2臺(tái)再循環(huán)風(fēng)機(jī)，從省煤器出口抽取煙氣送入燃燒器區(qū)域和下?tīng)t膛來(lái)進(jìn)行再熱器調(diào)溫和降低NOx排放。

鍋爐的主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 鍋爐參數(shù)

鍋爐采用八角雙切圓燃燒，爐膛為長(zhǎng)方形斷面，燃燒器布置4層，共32只燃燒器。水冷壁為垂直管屏，下?tīng)t膛水冷壁采用內(nèi)螺紋管，上部水冷壁采用光管。

過(guò)熱器三級(jí)布置，汽溫采用煤水比調(diào)節(jié)，每?jī)杉?jí)過(guò)熱器之間都布置有一級(jí)噴水減溫器，對(duì)過(guò)熱汽溫進(jìn)行微調(diào)。

高壓再熱器分兩級(jí)布置，低溫段布置在尾部后煙道，高溫段布置在折焰角上方，在兩級(jí)高壓再熱器間布置有事故噴水減溫器。低壓再熱器布置在尾部的前部煙道，分水平段和垂直段，在低壓再熱器入口管道上布置有事故噴水減溫器。煙氣再循環(huán)用來(lái)調(diào)節(jié)再熱汽溫，同時(shí)也用來(lái)降低NOx排放。

鍋爐總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 鍋爐總體布置圖

川越電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組、2號(hào)機(jī)組分別于1989年6月和1990年6月投入商業(yè)運(yùn)行，運(yùn)行后完全滿(mǎn)足各種負(fù)荷要求，且具有良好的啟停性能，機(jī)組在鍋爐點(diǎn)火后可在132min達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行。

從2011年開(kāi)始，由于福島核事故引起的日本核電機(jī)組全部關(guān)停，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組一直帶基本負(fù)荷。

1.3 丹麥諾加蘭德電廠(chǎng)鍋爐簡(jiǎn)介

1992年丹麥公用事業(yè)部決定在諾加蘭德火電廠(chǎng)裝設(shè)超超臨界參數(shù)燃煤供熱機(jī)組，1998年10月1日投入運(yùn)行，是目前世界上最高效的火電機(jī)組之一。機(jī)組爐、機(jī)、電配置分別為FLS miljio公司、Alstom公司、Alstom公司的設(shè)備，鍋爐參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 鍋爐參數(shù)

鍋爐為超超臨界、直流、二次再熱、塔式布置（見(jiàn)圖2），下?tīng)t膛設(shè)有螺旋管圈水冷壁。爐膛截面尺寸為12.25m×12.25m，高為70m。二次再熱循環(huán)提高了效率，并減少了汽輪機(jī)低壓缸入口蒸汽濕度，特別適合供熱和發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行模式。

圖2 塔式布置的鍋爐

鍋爐設(shè)置16個(gè)燃燒器和4個(gè)輔助點(diǎn)火燃燒器，為煤、油雙燃，并且每個(gè)點(diǎn)火燃燒器可帶負(fù)荷70MW（按熱值計(jì)算）。燃燒器安裝在四層的4個(gè)角上，每個(gè)燃燒器的上方開(kāi)有一次風(fēng)口，最上一層燃燒器上方裝有燃盡風(fēng)系統(tǒng)。燃燒器有四股空氣流以使內(nèi)部空氣能合理配置。在鍋爐滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)煙氣中NOx的含量為170～200mg／MJ。

鍋爐滿(mǎn)足使用多煤種、能帶中間負(fù)荷運(yùn)行的要求，在保證低NOx排放的條件下高效運(yùn)行和易于保養(yǎng)維修。

一次風(fēng)系統(tǒng)和煙氣再循環(huán)一起控制再熱汽溫。在一定條件下，煙氣再循環(huán)可以引入燃盡風(fēng)系統(tǒng)，以控制鍋爐出口煙氣的溫度，采用四分倉(cāng)空氣預(yù)熱器。

機(jī)組設(shè)置了13級(jí)凝結(jié)水和給水回?zé)嵯到y(tǒng)，區(qū)域供熱，從所有冷卻器回收熱量，廣泛采用變頻裝置，高標(biāo)準(zhǔn)脫硫，多產(chǎn)業(yè)協(xié)作，海水系統(tǒng)使用高防腐材料以減少表面處理費(fèi)用，高度自動(dòng)化的過(guò)程控制和監(jiān)控系統(tǒng)，污水處理后再循環(huán)利用，在脫硫過(guò)程中使用收集的雨水、低質(zhì)水等最先進(jìn)的節(jié)能環(huán)保措施。

1.4 國(guó)外二次再熱機(jī)組技術(shù)的啟發(fā)

通過(guò)對(duì)美國(guó)、日本、丹麥等國(guó)家二次再熱機(jī)組技術(shù)分析得出：

（1）機(jī)組出力和參數(shù)均達(dá)到了額定值，運(yùn)行穩(wěn)定，機(jī)組高效、環(huán)保。

（2）對(duì)于二次再熱機(jī)組，單純依賴(lài)一種調(diào)溫手段無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)兩個(gè)再熱汽溫的調(diào)節(jié)，需要采用多種調(diào)溫方式有效配合。

（3）從2臺(tái)機(jī)組的建設(shè)周期看，二次再熱機(jī)組與常規(guī)超超臨界機(jī)組基本相同。

（4）機(jī)組在制造、安裝、調(diào)試投入商業(yè)運(yùn)行后，為保證機(jī)組在最佳的狀態(tài)下運(yùn)行，運(yùn)行調(diào)整和管理非常關(guān)鍵。

2 對(duì)二次再熱機(jī)組鍋爐的研發(fā)

在現(xiàn)有的機(jī)組參數(shù)水平下采用二次再熱方式，是基于現(xiàn)有成熟的材料，提高火電機(jī)組熱效率的有效途徑，在節(jié)能減排方面具有突出優(yōu)勢(shì)。哈爾濱鍋爐廠(chǎng)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱(chēng)哈鍋）根據(jù)市場(chǎng)需求，于2010年初啟動(dòng)了超超臨界二次再熱機(jī)組鍋爐產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作。

2.1 二次再熱機(jī)組研發(fā)的歷程

從2009年底開(kāi)始，針對(duì)二次再熱機(jī)組鍋爐廣泛收集資料和調(diào)研，經(jīng)市場(chǎng)前景分析，明確研發(fā)二次再熱機(jī)組超超臨界鍋爐；隨后完成參數(shù)論證，并進(jìn)行初步機(jī)爐匹配、汽水參數(shù)特點(diǎn)和鍋爐設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析，鍋爐概念設(shè)計(jì)和對(duì)策，多方案設(shè)計(jì)和優(yōu)缺點(diǎn)分析，細(xì)化鍋爐概念設(shè)計(jì)，配合設(shè)計(jì)院完成前期預(yù)可研和方案說(shuō)明，研發(fā)完成性能設(shè)計(jì)軟件。

2011年9 月針對(duì)600MW和1 000MW等級(jí)機(jī)組分別進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并于2012年5月針對(duì)特定工程進(jìn)行投標(biāo)。

2.2 二次再熱鍋爐設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

以660MW超超臨界汽水參數(shù)為例，分析和對(duì)比二次再熱和一次再熱鍋爐參數(shù)，見(jiàn)表5。

表5 鍋爐參數(shù)比較

由表5可見(jiàn)汽水參數(shù)有如下主要特點(diǎn)：

（1）由于二次再熱機(jī)組熱效率提高，鍋爐輸出熱量相對(duì)減少。

（2）因再熱器熱量由高、低壓兩部分提供，主汽吸熱比例降低，主蒸汽流量減少。

（3）汽輪機(jī)排汽溫度水平提高。

（4）省煤器入口給水溫度升高。

根據(jù)汽水參數(shù)特點(diǎn)，二次再熱鍋爐同一次再熱鍋爐相比，存在以下顯著的難點(diǎn)：

（1）鍋爐增加一級(jí)再熱器，增加了兩組受熱面布置。

（2）再熱汽溫調(diào)節(jié)更困難，噴水調(diào)節(jié)將降低系統(tǒng)效率。

（3）鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)為600℃／620℃／620℃，三個(gè)受熱面出口溫度達(dá)到或超過(guò)600℃，最后一級(jí)高溫受熱面?zhèn)鳠釡夭顪p少，其低負(fù)荷性能勢(shì)必降低。

（4）低壓再熱器壓力更低，蒸汽體積流量大，低壓再熱器壓降控制更難。

（5）爐膛選取必須同時(shí)滿(mǎn)足合理組織燃燒的要求和三個(gè)高溫受熱面出口汽溫達(dá)到額定值。

（6）省煤器的入口煙溫和入口水溫提高，受熱面設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足全負(fù)荷范圍內(nèi)省煤器出口工質(zhì)有足夠的欠焓。

（7）空氣預(yù)熱器入口煙溫水平升高，排煙溫度進(jìn)一步降低的難度增加。

（8）主汽流量降低，爐膛吸熱相對(duì)增加，上部水冷壁壁溫和分離器溫度上升。

因此二次再熱機(jī)組參數(shù)的確定應(yīng)綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，需要鍋爐制造廠(chǎng)和汽輪機(jī)制造廠(chǎng)聯(lián)合研究解決。

2.3 設(shè)計(jì)對(duì)策和方案

針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn)，哈鍋經(jīng)過(guò)充分和詳細(xì)的論證，在設(shè)計(jì)中考慮以下對(duì)策：

（1）合理選擇爐膛，在保證合適的熱力參數(shù)的同時(shí)，盡量采用較高的爐膛出口煙溫，以利于末級(jí)過(guò)熱器、一次高壓再熱器和二次高壓再熱器三個(gè)高溫受熱面同時(shí)達(dá)到額定汽溫。

（2）基于623℃的溫度，在現(xiàn)有材料條件下高壓再熱器受熱面不宜布置在爐膛高煙溫區(qū)域。

（3）低負(fù)荷時(shí)，高溫受熱面?zhèn)鳠釡貕杭眲∠陆?，僅通過(guò)增加受熱面難以達(dá)到額定汽溫。

（4）需要采用多種調(diào)溫方式的優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)一、二次再熱汽溫的調(diào)節(jié)，并滿(mǎn)足機(jī)組調(diào)峰特性。

（5）需要采取有效措施，減弱燃料輻射放熱，加強(qiáng)對(duì)流放熱，以匹配強(qiáng)對(duì)流特性的受熱面。

哈鍋為二次再熱機(jī)組研發(fā)了П形（見(jiàn)圖3）和塔式（見(jiàn)圖4）兩種爐型。

圖3 П形鍋爐

圖4 塔式鍋爐

鍋爐主要參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 鍋爐參數(shù)

鍋爐技術(shù)特點(diǎn)：

（1）采用成熟的П形或塔式布置。

（2）配中速磨制粉系統(tǒng)的切圓燃燒方式。

（3）經(jīng)濟(jì)、高效的低NOx直流燃燒器和分級(jí)燃燒。

（4）適合高蒸汽參數(shù)的超超臨界鍋爐的高熱強(qiáng)鋼。

（5）過(guò)熱器三級(jí)布置，有利于合理地分配各級(jí)焓增。

（6）高壓再熱器分成冷段和熱段。

（7）低壓再熱器分成冷段和熱段。

（8）過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)為常規(guī)的煤水比＋二級(jí)（四點(diǎn)）噴水；再熱汽溫采用調(diào)節(jié)擋板、煙氣再循環(huán)、燃燒器擺動(dòng)或組合等多種調(diào)溫方式組合。

2.4 建議

由于受熱面?zhèn)鳠岜壤兓?，建議二次再熱機(jī)組鍋爐使用煤種應(yīng)盡可能為灰熔點(diǎn)較高、不易結(jié)焦煤種，以盡可能提高爐膛出口煙溫，改善低負(fù)荷下機(jī)組性能。

3 結(jié)語(yǔ)

大規(guī)模采用更高參數(shù)的超臨界發(fā)電技術(shù)是我國(guó)火力發(fā)電廠(chǎng)的主要發(fā)展方向，對(duì)節(jié)約能源、減少污染具有重要意義。目前日本、美國(guó)及歐洲等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家制訂了一系列的超超臨界火電技術(shù)的中長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃，積極開(kāi)發(fā)34.3MPa／650℃以及40MPa／700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)，使超超臨界機(jī)組朝著更高參數(shù)的技術(shù)方向發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始對(duì)700℃高效超臨界機(jī)組的研究工作，但距離技術(shù)成熟及大批量投入商業(yè)運(yùn)行還有很長(zhǎng)的路要走，保守估計(jì)也在10年以上。因此目前既能采用成熟技術(shù)，又能提高電站經(jīng)濟(jì)性的措施，即為在目前的超超臨界參數(shù)上采用二次再熱技術(shù)。

迄今為止，我國(guó)雖然沒(méi)有二次再熱火電機(jī)組，缺少針對(duì)二次再熱機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試和運(yùn)行方面的技術(shù)儲(chǔ)備；但哈鍋通過(guò)對(duì)國(guó)外相近機(jī)組的調(diào)研和研究，已經(jīng)掌握了二次再熱鍋爐的設(shè)計(jì)技術(shù)，已經(jīng)與三菱、東芝、西門(mén)子等公司技術(shù)的汽輪機(jī)進(jìn)行配合設(shè)計(jì)，二次再熱機(jī)組已經(jīng)是相對(duì)成熟的技術(shù)，能長(zhǎng)期保持高效穩(wěn)定運(yùn)行。如果受熱面材料等級(jí)能夠提升，二次再熱機(jī)組在提高火電機(jī)組熱效率和節(jié)能減排方面更能表現(xiàn)高參數(shù)優(yōu)勢(shì)，那樣超超臨界二次再熱機(jī)組必將是我國(guó)火電機(jī)組發(fā)展的必由之路。

［1］鄭民牛 .超超臨界1 000MW鍋爐選型的幾個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)［J］.動(dòng)力工程，2006，26（2）：166-170.

［2］樊泉桂.1 000MW超超臨界鍋爐中間點(diǎn)溫度和汽溫控制［J］.動(dòng)力工程，2007，27（3）：332-335.

［3］陳端雨，施鴻飛，董厚忱 .超超臨界壓力鍋爐的設(shè)計(jì)探討［J］.動(dòng)力工程，2002，22（4）：1833-1840.

［4］李虎.1 000MW超超臨界機(jī)組的先進(jìn)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析［J］.電力設(shè)備，2007，8（12）：16-19.

［5］Tomozuchi Kawamura，Hisao Haneda.Design of LNG fired USC steam generator for Units Nos.1＆2of Kawagoe Power Station，Chubu Electric Power Co.Inc［M］.［s.l.］：Mitsubishi Heavy Industries，1989.