楊永偉，周自強(qiáng)

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)華北電力試驗(yàn)研究院有限公司，天津300202；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

亞臨界機(jī)組鍋爐提參數(shù)改造探究

楊永偉，周自強(qiáng)

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)華北電力試驗(yàn)研究院有限公司，天津300202；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

通過對亞臨界機(jī)組提效各種技術(shù)路線分析研究，重點(diǎn)分析鍋爐提參數(shù)改造對電廠總體節(jié)能升級改造的影響和節(jié)能效果分析，總結(jié)提出亞臨界鍋爐提參數(shù)改造過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)要點(diǎn)，為短期內(nèi)亞臨界機(jī)組整體提效改造提供案例學(xué)習(xí)。

亞臨界機(jī)組；鍋爐提參數(shù)；升級改造

0 引言

根據(jù)國家發(fā)改委、環(huán)保部和能源局聯(lián)合發(fā)布的發(fā)改能源[2014]2093號文，關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020）年》的通知，“到2020年，現(xiàn)役600 MW及以上機(jī)組（除空冷機(jī)組外）改造后平均供電煤耗低于300 g/（kW·h）”。目前國內(nèi)亞臨界600 MW等級機(jī)組煤耗與國家節(jié)能減排煤耗紅線有較大差距，面臨節(jié)能改造的壓力較大。本文主要從亞臨界機(jī)組鍋爐提參數(shù)升級改造研究出發(fā)，重點(diǎn)分析鍋爐提升參數(shù)對機(jī)組整體改造的影響和考慮。

1 國外亞臨界機(jī)組提效的研究[1，2]

提高發(fā)電機(jī)組整體循環(huán)效率的方式可以總結(jié)為3類，第一類提升熱力循環(huán)的初始參數(shù)，基于熱力學(xué)定量的卡諾循環(huán)演變過來的朗肯循環(huán)，工質(zhì)定壓吸熱后的初始參數(shù)越高，整體循環(huán)的效率越高；第二類朗肯動(dòng)力循環(huán)優(yōu)化，比如采用二次再熱，增加回?zé)峒墧?shù)等方法提高整體循環(huán)的效率；第三類動(dòng)力循環(huán)類各主要設(shè)備優(yōu)化，比如提升鍋爐熱效率，改進(jìn)汽輪機(jī)整體通流部分提升效率等，本文主要研究第一類提升循環(huán)的方法。

美國在90年代針對早期服役的亞臨界煙煤機(jī)組升級做過大量的研究，其中典型AEP公司的Philip Sporn電廠是50年代投產(chǎn)的亞臨界燃煤機(jī)組，毛出力170 MW，ALSTOM針對該電廠采用增加循環(huán)移動(dòng)床鍋爐改造，提升主蒸汽參數(shù)至600℃方案，并在原設(shè)計(jì)汽輪機(jī)循環(huán)系統(tǒng)中增加1臺(tái)前置汽輪機(jī)并單獨(dú)帶1臺(tái)發(fā)電機(jī)。該改造方案同時(shí)采用第一類和第二類技術(shù)路線，機(jī)組整體循環(huán)效率由42.69%提升至46.04%。

國外已經(jīng)開展過的針對亞臨界機(jī)組整體提效的研究重點(diǎn)也主要在第一類和第三類技術(shù)路線上，本文從國內(nèi)某個(gè)亞臨界濕冷600 MW機(jī)組作為研究對象，分析采用第一類技術(shù)路線，提升鍋爐輸出的過熱蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度對整體效率的提升影響以及相關(guān)技術(shù)改造的分析。

2 設(shè)備簡介及問題現(xiàn)狀

鍋爐采用美國B&W公司自然循環(huán)燃煤鍋爐的標(biāo)準(zhǔn)布置。爐膛由膜式水冷壁構(gòu)成，爐膛上部布置屏式過熱器，爐膛折焰角上方有兩級高溫過熱器，在水平煙道處布置了垂直再熱器，尾部豎井由隔墻分隔成前后兩個(gè)煙道，前部布置水平再熱器和省煤器，后部布置一級過熱器和省煤器。鍋爐采用中速磨正壓直吹制粉系統(tǒng)，前后墻對沖燃燒方式。過熱蒸汽汽溫主要靠一、二級噴水減溫器調(diào)節(jié)，兩級四點(diǎn)，在每級都設(shè)有兩個(gè)噴水點(diǎn)，分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，增加了噴水調(diào)節(jié)的靈活性。再熱蒸汽汽溫主要依靠設(shè)置在分煙道底部的調(diào)節(jié)擋板裝置，用來分流煙氣量，以保證再熱器出口溫度；在冷端再熱器入口導(dǎo)管上裝設(shè)了兩只噴水減溫器，主要作事故噴用。鍋爐原設(shè)計(jì)參數(shù)與煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1和表2。

a）鍋爐實(shí)際效率偏低。在汽機(jī)熱耗驗(yàn)收THA（turbine heat acceptance）工況下鍋爐效率僅為92.83%，遠(yuǎn)低于鍋爐原設(shè)計(jì)值94.07%，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。主要原因在于經(jīng)低氮燃燒系統(tǒng)改造后，由于燃燒系統(tǒng)配風(fēng)及燃燼風(fēng)OFA (over-fire air)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理等原因?qū)е嘛w灰含碳量及大渣含碳量增加，CO濃度大幅增加，鍋爐不完全燃燒熱損失急劇增加，在現(xiàn)有空預(yù)器換熱效率基準(zhǔn)下，鍋爐提參數(shù)后，鍋爐排煙熱損失較大。

b）鍋爐過熱蒸汽減溫水量和再熱蒸汽減溫水量較鍋爐原設(shè)計(jì)值高很多。根據(jù)過去2 a平均統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，過熱器減溫水量約為160 t/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鍋爐原設(shè)計(jì)值55 t/h，再熱水減溫水量18 t/h，原設(shè)計(jì)為0 t/h。該現(xiàn)狀說明在燃用現(xiàn)有煤種時(shí)，鍋爐蒸發(fā)吸熱和過熱吸熱的比例相比原設(shè)計(jì)發(fā)生變化。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 鍋爐燃料參數(shù)

3 鍋爐提參數(shù)改造方案及問題分析

3.1 提參數(shù)主要原則

鍋爐提參數(shù)改造原則按實(shí)際煤質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，鍋爐主蒸汽和再熱蒸汽溫度分別大幅提升至571℃和569℃，維持壓力不變，鍋爐過熱蒸汽流量和再熱蒸汽流量受汽輪機(jī)通流提效影響，以汽輪機(jī)廠家提效后的熱平衡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

3.2 提參數(shù)后可能影響鍋爐安全的分析

鍋爐主、再熱蒸汽溫度分別提高至571℃、569℃，提升幅度較大，造成鍋爐屏式過熱器、二級過熱器以及高溫再熱器管組超溫，甚至某些材料超過其最高許用溫度，影響鍋爐運(yùn)行的安全性。

部分集箱、高溫再熱器出口延伸段管道以及二級過熱器出口延伸段管道強(qiáng)度不足。鍋爐主、再熱蒸汽溫度分別提高至571℃、569℃，提升幅度較大，造成屏式過熱器出口集箱、二級過熱器入口管組出口分集箱、二級過熱器出口管組入口分集箱、二級過熱器出口集箱、高溫再熱器出口集箱、高溫再熱器出口延伸段管道以及二級過熱器出口延伸段管道的設(shè)計(jì)溫度大幅度提高，從而導(dǎo)致它們的強(qiáng)度不足。

安全閥及PCV閥安全性。鍋爐主、再熱蒸汽溫度分別提高至571℃、569℃，末級過熱器出口及高溫再熱器出口處安全閥、過熱器出口PCV閥及相應(yīng)的排汽管道材質(zhì)需升級；再熱器進(jìn)口及鍋筒出口處安全閥及其排汽管道的強(qiáng)度仍能滿足強(qiáng)度要求，可不用改造。

鍋爐水循環(huán)及包墻系統(tǒng)，根據(jù)熱力計(jì)算結(jié)果，爐膛熱負(fù)荷變化不大，改造后鍋爐輸入熱量并未發(fā)生明顯提高，其爐膛熱負(fù)荷分布不受影響。鍋爐水循環(huán)設(shè)計(jì)裕度比較大，水循環(huán)具有較高的循環(huán)倍率，有良好的自補(bǔ)償性，吸熱強(qiáng)的管子質(zhì)量流速也高，有效消除爐內(nèi)吸熱不均造成的熱偏差，無論變壓還是定壓，隨著負(fù)荷降低，循環(huán)倍率都呈上升趨勢。從循環(huán)流量的百分比來分析，盡管在定壓運(yùn)行時(shí)隨負(fù)荷下降，循環(huán)流量的百分比呈減少趨勢，但由于產(chǎn)汽量大幅度降低，因此循環(huán)倍率仍然是升高的。水循環(huán)校核安全，因此包括汽包、水冷壁系統(tǒng)不需進(jìn)行改造。

3.3 提參數(shù)改造內(nèi)容

針對鍋爐改造前實(shí)際存在的兩點(diǎn)問題，解決鍋爐效率偏離設(shè)計(jì)效率點(diǎn)較大，主要通過對以下幾方面改造實(shí)現(xiàn)。

a）低氮燃燒系統(tǒng)的重新改造設(shè)計(jì)和制粉系統(tǒng)燃燒優(yōu)化，低氮燃燒系統(tǒng)將原有的前后墻對沖燃燒器更換為中心給粉型低氮燃燒器；同時(shí)增加兩層燃燼風(fēng)，以減少鍋爐燃燒過程中NOx的生成量的同時(shí)提高鍋爐煤粉燃燼效率，制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)分離器由靜態(tài)分離改為動(dòng)態(tài)分離器，改善機(jī)組運(yùn)行中煤粉細(xì)度的調(diào)整，達(dá)到提升鍋爐效率。

b）過熱器和再熱器原設(shè)計(jì)狀態(tài)下，減溫水量較大，說明原設(shè)計(jì)的受熱面積有較大余量，在結(jié)合汽輪機(jī)通流改造后，由于汽輪機(jī)熱耗的下降，使機(jī)組達(dá)到額定出力時(shí)，鍋爐的主蒸汽流量和再熱蒸汽流量會(huì)相應(yīng)降低，這樣為鍋爐提升參數(shù)提供有利的條件。因?yàn)檫^熱器和再熱器受熱面積的余量正好為提升鍋爐參數(shù)提供了有利條件，根據(jù)鍋爐熱力計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)不增加受熱面或少量增加受熱面即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)提升，同時(shí)降低過熱器和再熱器的減溫水流量，達(dá)到吸熱量與溫度提升的匹配。

c）增加低低溫省煤器。通過在鍋爐尾部煙道加裝低低溫省煤器，回收鍋爐煙氣余熱，提高機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)設(shè)計(jì)煤種，根據(jù)熱力計(jì)算結(jié)果對比，在對流受熱面不增加的情況下，即能夠?qū)崿F(xiàn)鍋爐提參數(shù)同時(shí)將過熱器和再熱器的減溫水流量大幅降低，因此，最終改造方案可以在不增加對流受熱面的前提下達(dá)到提升參數(shù)，熱力計(jì)算匯總結(jié)果對比見表3。

表3 熱力計(jì)算匯總結(jié)果對比

在完成鍋爐熱力核算后，鍋爐廠家對鍋爐島部分的對流受熱面進(jìn)行應(yīng)力核算，滿足由于材料升檔后許用應(yīng)力的前提下，核算了受熱面的壁厚，材料規(guī)格對比見表4和表5；同時(shí)對爐外非受熱的蒸汽管道也進(jìn)行了應(yīng)力核算，滿足許用應(yīng)力的前提下同時(shí)核算了管道的壁厚，匯總結(jié)果見表6。由于提升鍋爐島參數(shù)提升后，經(jīng)過強(qiáng)度計(jì)算校核后，主蒸汽管道，熱再熱蒸汽管道及高、低旁路管道對應(yīng)更換內(nèi)容見表7。

表4 過熱器、再熱器更換材料數(shù)據(jù)

表5 集箱、安全閥和PVC閥材料數(shù)據(jù)

表6 非受熱管道強(qiáng)度核算壁厚匯總表

表7 主蒸汽、熱再熱蒸汽及高低旁路管道材料數(shù)據(jù)

4 改造后預(yù)期效果

a）亞臨界機(jī)組通過將鍋爐提參數(shù)改造，可以有效提升全廠循環(huán)效率，過熱蒸汽每提升10℃，循環(huán)效率提升0.16%，再熱蒸汽每提高10℃，循環(huán)效率提升0.1%，循環(huán)效率整體提升0.728%。

b）根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算分析和強(qiáng)度計(jì)算，汽包、下降管、水冷壁下降箱，水冷壁部分材料均在提升參數(shù)范圍內(nèi)，可重點(diǎn)考慮這部分材料老化和剩余壽命，過熱器和再熱器大部分材料進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算后，為滿足溫度提升后許用應(yīng)力的要求，考慮進(jìn)行材料更換增加壁厚或材料升檔。

c）主蒸汽管道、再熱蒸汽管道及高低壓旁路管道提升參數(shù)后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，通過更換材料增加壁厚或材料升檔，可以滿足許用應(yīng)力的要求。

d）采用上述鍋爐提參數(shù)改造方案，預(yù)期投資1.2億，可提升循環(huán)效率0.728%，投資回收年限9.7a。

5 結(jié)束語

鍋爐提參數(shù)改造是亞臨界機(jī)組整體升級提效的重要技術(shù)路線，提升參數(shù)后大大提升機(jī)組整體循環(huán)效率。

[1]Waryasz R E，Liljedahl G N.Economic and feasibility of rankine cycle improvement for coal fired power plants[R].Alstom Power Inc(US)，2004.

[2]PanesarR，LordM，SimpsonS，et al.Coal-fired advanced supercritical retrofit with CO2capture[J].DTI Cleaner Coal Technology R&D Programme Project，2009：407.

Study on Sub-critical Unit Boiler Parameters Upgrading

YANG Yongwei1,ZHOU Ziqiang2
（1.China Energy Engineering Group North China Electric Power Test Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin,300202,China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030001,China）

Through analysis and research of various technical routes for subcritical units efficiency-raising,the paper analyzes the influence of boiler parameters upgrading on the overall energy-saving upgrading of power plant.The technical points that need to be paid attention to in the process of sub-critical units parameters upgrading are summarized,which provides a proper case study for the units upgrading of the same type.

sub-critical power plant;boiler parameter update;upgrading

TK229.2

B

1671-0320（2017）01-0023-05

2016-08-31，

2016-10-14

楊永偉（1983），男，山西忻州人，2006年畢業(yè)于太原科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，工程師，從事各類型火力發(fā)電廠的整套調(diào)試、性能試驗(yàn)及燃燒優(yōu)化調(diào)整等工作；周自強(qiáng)（1984），男，江蘇徐州人，2009年畢業(yè)于東南大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程專業(yè)，碩士，工程師，從事信息化及信息安全工作。