韓 磊

中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院

0 引言

二次再熱技術(shù)是目前世界領(lǐng)先的燃煤發(fā)電技術(shù)，是提高火電機(jī)組熱效率的重要方法[1]?；痣姍C(jī)組采用二次再熱的目的是為了進(jìn)一步提高機(jī)組的熱效率[2]，在相同容量及鍋爐蒸汽參數(shù)條件下，二次再熱機(jī)組熱效率比一次再熱機(jī)組高2%左右[3]。但由于二次再熱增加一級再熱循環(huán)，導(dǎo)致汽機(jī)、鍋爐的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行調(diào)整更加復(fù)雜，對吸熱量分配及汽溫控制要求更高[4,5]。

超超臨界二次再熱鍋爐，是在超臨界鍋爐基礎(chǔ)上，除過熱、再熱蒸汽系統(tǒng)外，增加了二次再熱系統(tǒng)，在技術(shù)上具有先進(jìn)性，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，在國際上是一種高效、成熟、低污染排放的燃煤發(fā)電技術(shù)。我國超超臨界二次再熱鍋爐的發(fā)展相較于國外起步較晚，但近年來飛速發(fā)展，已具有很強(qiáng)的市場競爭力和廣闊的發(fā)展前景。

本文詳細(xì)介紹國內(nèi)主要鍋爐廠1 000 MW二次再熱鍋爐的設(shè)計(jì)理念，比較各廠在鍋爐型式、選材、再熱汽溫控制等方面的特點(diǎn)，總結(jié)了國內(nèi)1 000 MW二次再熱鍋爐運(yùn)行控制的主要方法，為之后二次再熱鍋爐的設(shè)計(jì)及機(jī)組投產(chǎn)后的運(yùn)行調(diào)溫提供思路。

1 發(fā)展前景

1.1 國外技術(shù)

從上世紀(jì)50年代開始，美國、西德、日本等國均建造了大量二次再熱機(jī)組。截止到1976 年，美國共有25臺投運(yùn)，日本有11臺投運(yùn)，其中以再熱汽溫逐步升高的538 ℃/552 ℃/566 ℃機(jī)組最為普遍[6]。

早期的二次再熱機(jī)組由于過分注重初壓的提高即主蒸汽壓力高于30 MPa，導(dǎo)致機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行困難、實(shí)際可用率不高，運(yùn)行參數(shù)被迫下降，出現(xiàn)發(fā)展停滯和參數(shù)反復(fù)的現(xiàn)象。

近30年，日本川越電站兩臺700 MW鍋爐(31 MPa/566 ℃/566 ℃/566 ℃/1989、1990年)和 丹 麥兩臺415 MW(28.5 MPa,580 ℃/580 ℃/580 ℃/1998 年)鍋爐采用了超超臨界二次再熱技術(shù)[7,8]。

1.2 國內(nèi)技術(shù)

伴隨著我國電力行業(yè)的發(fā)展，“十一五”期間，各大電力設(shè)備制造廠家及電廠紛紛加快了高效燃煤機(jī)組的研制。隨著620 ℃等級要求的高溫材料研究和開發(fā)的逐步成熟，國內(nèi)開始了基于620 ℃等級的二次再熱機(jī)組研發(fā)[9]。

上海、東方、哈爾濱等鍋爐廠分別于2008 年前后成立二次再熱設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，隨后各大鍋爐廠從鍋爐型式與布置、受熱面材料、調(diào)溫手段、設(shè)備結(jié)構(gòu)、投資成本等方面進(jìn)行了綜合分析論證，并逐漸形成了二次再熱超超臨界參數(shù)31 MPa/600 ℃/620 ℃/620 ℃的初步共識。

2015年下半年，國電泰州、華能萊蕪1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組順利投產(chǎn)，使中國成為擁有世界上首批應(yīng)用二次再熱技術(shù)的百萬千瓦機(jī)組的國家。伴隨著大量機(jī)組的運(yùn)行，國內(nèi)百萬千瓦二次再熱機(jī)組技術(shù)逐步趨于成熟[10]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 鍋爐爐型

煤粉鍋爐國內(nèi)外普遍采用Π型和塔型。國內(nèi)鍋爐廠在兩種爐型上各有傾向，均形成了一套具有鮮明特色和優(yōu)勢的設(shè)計(jì)理念，而在百萬千瓦二次再熱機(jī)組的設(shè)計(jì)上，基本沿用各自的成熟爐型設(shè)計(jì)。東鍋和北京巴威均采用Π型設(shè)計(jì)；上鍋更多采用塔型設(shè)計(jì)，其代表爐型國電泰州二期百萬千瓦二次再熱機(jī)組已順利投產(chǎn)；哈鍋則對兩類鍋爐均有深入研究，其華能萊蕪百萬千瓦二次再熱機(jī)組為塔式爐。

塔式爐受熱面臥式布置，無煙氣拐彎，煙氣和汽水阻力小，且煙氣流速方向和灰粒的重力方向相反，磨損小。鍋爐爐膛斷面小，爐膛容積大，一方面降低了燃燒器區(qū)域的熱負(fù)荷，另一方面增加的燃盡高度在確保低灰熔點(diǎn)煤充分燃燒的同時(shí)降低了爐膛出口煙溫。塔式鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其相對于其它爐型具有更小的煙氣側(cè)偏差。此外，受熱面臥式布置，在運(yùn)行中即使出現(xiàn)少量氧化皮也較其它爐型更易被沖走。

Π型鍋爐整體高度較低，其抗震抗風(fēng)能力強(qiáng)，總熱膨脹量小且應(yīng)力均勻，Π型鍋爐尾部煙道煙氣向下流動(dòng)，積灰較少，各過熱器、再熱器受熱面可布置成逆流形式，有利于受熱面換熱，此外，Π型鍋爐調(diào)節(jié)性能優(yōu)于塔式爐。

2.2 受熱面布置

1 000 MW超超臨界二次再熱鍋爐與一次再熱鍋爐相比增加了一組再熱器受熱面，包括過熱系統(tǒng)、一次再熱系統(tǒng)和二次再熱系統(tǒng)，再熱器的吸熱比例從常規(guī)的一次再熱機(jī)組的18%大幅增加至二次再熱機(jī)組的28%，因此在設(shè)計(jì)中需考慮輻射、對流受熱面匹配以滿足過熱蒸汽和再熱蒸汽吸熱量的變化，同時(shí)滿足再熱蒸汽出口溫度提高帶來的安全性要求。

北京巴威采用Π型鍋爐設(shè)計(jì)，過熱器采用輻射-對流受熱面，一次再熱為半輻射-對流受熱面，二次再熱為純對流受熱面布置，尾部設(shè)三煙道，上部從前往后依次布置二次低再、一次低再及低溫過熱器，下部布置三段省煤器。每個(gè)煙道布置獨(dú)立的煙氣調(diào)節(jié)擋板，以改變各煙道的煙氣份額來調(diào)節(jié)各級再熱器的汽溫。受熱面布置見圖1。

圖1 北京巴威鍋爐受熱面示意圖

哈鍋和東鍋受熱面布置基本相同，過熱器采用輻射-對流受熱面，一次再熱、二次再熱均為純對流受熱面。尾部雙煙道，從前往后分別布置一次低再和二次低再受熱面，底部設(shè)兩級省煤器和煙氣擋板，通過煙氣擋板開度和煙氣再循環(huán)調(diào)節(jié)過熱蒸汽、再熱蒸汽溫度。受熱面布置見圖2。

圖2 哈鍋典型鍋爐受熱面示意圖

上海鍋爐廠采用塔式鍋爐，使用組合式高溫受熱面的布置方案，將部分再熱器受熱面提前，提高再熱器輻射吸熱比例，并將一、二次高溫再熱器受熱面并列布置，以達(dá)到不降低任何一級高溫再熱器換熱溫壓的目的。此外，高溫過熱器和高溫再熱器組合布置，在提高再熱器輻射吸熱量的同時(shí)也確保了再熱器出口受熱面的安全性。組合式高溫受熱面的布置方案達(dá)到熱交換、安全性、經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡，與此同時(shí)提高了擺動(dòng)燃燒器的調(diào)溫性能。

2.3 水冷壁型式

國內(nèi)目前已投運(yùn)的4臺1 000 MW二次再熱機(jī)組均采用適應(yīng)性較強(qiáng)的螺旋管圈+垂直管圈水冷壁系統(tǒng)，即爐膛下部螺旋水冷壁管以25°左右的角度盤旋上升進(jìn)入布置于爐膛上部的中間混合集箱進(jìn)行混合，以消除各螺旋管的熱力和水力偏差，由中間混合集箱進(jìn)入上部爐膛的垂直水冷壁，示意圖見圖3。材質(zhì)一般均選用成熟的12Cr1MoVG 合金鋼。此外，國內(nèi)主要鍋爐廠設(shè)計(jì)螺旋管圈水冷壁多采用內(nèi)螺紋管，可有效降低爐膛安全運(yùn)行所需的最低質(zhì)量流速，減小水冷壁壓降損失，可避免鍋爐在亞臨界壓力運(yùn)行時(shí)發(fā)生膜態(tài)沸騰（DNB）。

圖3 水冷壁布置示意圖

螺旋管圈水冷壁能保證各水冷壁管內(nèi)具有足夠的質(zhì)量流速，管間吸熱均勻，確保在變壓運(yùn)行的四個(gè)階段即超臨界直流、近臨界直流、亞臨界直流和啟動(dòng)階段合理控制金屬壁溫、高干度蒸干（DRO）以及防止低干度高熱負(fù)荷區(qū)的DNB 確保水動(dòng)力的穩(wěn)定性等。

上部爐膛區(qū)域熱負(fù)荷較低，垂直水冷壁管可滿足冷卻要求，且上部爐膛結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，螺旋管圈在折焰角下方轉(zhuǎn)換成垂直膜式壁，有利于水冷壁的懸吊與拐彎。

2.4 燃燒器布置及型式

上鍋廠的塔式爐采用四角切圓燃燒方式，24只SG-2710/33.03-M7050型直流式燃燒器分6層布置于爐膛下部四角，煤粉和空氣從四角切向進(jìn)入，在爐膛中呈切圓方式燃燒，燃燒器可實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)。燃燒器上部布置兩級可水平擺動(dòng)的燃盡風(fēng)（AGP）燃燒器，即低位燃盡風(fēng)（BAGP）燃燒器和高位燃盡風(fēng)（UAGP）燃燒器。

哈爾濱鍋爐廠在百萬機(jī)組的二次再熱機(jī)組上均采用自主研發(fā)的低氮MPM 燃燒器，塔式鍋爐燃燒器采用四角切圓布置，Π型爐多采用無分隔墻的八角雙火焰中心切圓燃燒布置。全擺動(dòng)式燃燒器利用噴口交錯(cuò)布置的小鈍體將煤粉氣流分成中心濃、外圍淡，再進(jìn)入爐膛燃燒，濃淡燃燒均偏離了化學(xué)當(dāng)量燃燒，大幅降低了NOx的生成。

東方鍋爐廠采用前后墻對沖燃燒并選用旋流低NOX燃燒器。前后墻分別布置三層旋流燃燒器，在前后墻距最上層燃燒器噴口一定距離處布置兩層燃盡風(fēng)噴口，用于后期補(bǔ)燃。燃盡風(fēng)和燃燒器之間布置一層還原風(fēng)，每層燃燒器上方靠側(cè)墻位置布置貼壁風(fēng)。

北京巴威鍋爐廠也采用前后墻對沖燃燒，布置型式與東鍋相似，燃燒器采用B&W 公司超低NOx旋流燃燒器，充分利用了空氣分級燃燒的特點(diǎn)，煤粉噴口位于燃燒器中心區(qū)，可有效控制空氣/煤粉在火焰根部的相互作用。通過控制燃燒率及二次風(fēng)量降低NOx的生成量，同時(shí)在燃燒器一次風(fēng)管道中加入中心風(fēng)，加速煤粉氣流燃燒，使NOx 水平降到最低。

3 控制方法

3.1 主、再熱汽溫控制方式

3.1.1 過熱蒸汽調(diào)節(jié)

超超臨界鍋爐水冷壁無固定的汽水分界面，熱慣性小，水冷壁吸熱變化會(huì)使給水加熱段、蒸發(fā)段和過熱段的吸熱比例發(fā)生變化。過熱汽溫的調(diào)整采用煤水比作為粗調(diào)手段，以汽水分離器出口工質(zhì)溫度（中間點(diǎn)溫度）作為汽溫調(diào)節(jié)的前置信號，以噴水減溫作為微調(diào)手段，即煤水比+2 級噴水減溫調(diào)節(jié)。

通過改變給水量，調(diào)節(jié)煤水比來改變水冷壁出口介質(zhì)溫度，引起過熱器吸熱和水冷壁吸熱比例的變化，從而調(diào)節(jié)最終的過熱蒸汽出口溫度。

3.1.2 再熱蒸汽調(diào)節(jié)

二次再熱鍋爐的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是主蒸汽、一次再熱蒸汽、二次再熱蒸汽三個(gè)汽溫之間的調(diào)節(jié)，再熱汽溫調(diào)節(jié)方式選取是否合理直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性，因此二次再熱鍋爐的再熱器調(diào)溫方式及可靠性對二次再熱鍋爐設(shè)計(jì)顯得尤為重要。目前，再熱汽溫常用的調(diào)節(jié)手段包括煙氣擋板、煙氣再循環(huán)、擺動(dòng)式燃燒器、磨煤機(jī)投運(yùn)方式、爐膛配風(fēng)以及噴水減溫等。

對于鍋爐廠，再熱器的受熱面設(shè)計(jì)布置和調(diào)溫方式可從以下兩個(gè)方向考慮：

1）爐膛高溫區(qū)布置再熱器受熱面，使再熱器有足夠的吸熱溫差并吸收更多的輻射熱，低溫受熱面布置在低溫對流煙道的前后豎井，通過擺動(dòng)燃燒器和煙道擋板開度調(diào)整低溫受熱面的熱量分配。

2）一、二次再熱器的高溫受熱面均布置在爐膛出口煙道下游的中溫?zé)煹纼?nèi)，低溫受熱面布置在低溫對流煙道內(nèi)，通過煙氣再循環(huán)提供不同負(fù)荷下的換熱量，通過煙氣擋板調(diào)整高低壓再熱器之間的熱量分配。

北京巴威Π型爐采用第一種思路，將一次再熱設(shè)計(jì)為半輻射-對流受熱面，二次再熱設(shè)計(jì)為純對流受熱面，尾部采用三煙道布置，每個(gè)煙道布置煙氣調(diào)節(jié)擋板，通過改變煙氣擋板的開度，控制前、中、后煙道的煙氣流量分配，從而分別調(diào)節(jié)一次再熱和二次再熱溫度。這種調(diào)溫方式不僅對爐內(nèi)燃燒工況無影響，而且對排煙溫度影響較小，因此對鍋爐效率沒有顯著影響。

上鍋塔式爐將一、二次高溫再熱器的部分冷段受熱面置于低溫過熱器管屏之后，大幅提高了高溫再熱器的輻射吸熱比例，一、二次低溫再熱器布置于后部煙道，為純對流受熱面。再熱器溫調(diào)節(jié)方式采用以燃燒器擺動(dòng)調(diào)節(jié)為主，低負(fù)荷下增大過量空氣系數(shù)為輔，煙氣擋板調(diào)節(jié)作為平衡手段，事故或緊急工況下考慮噴水減溫的方式。

哈鍋和東鍋均采用Π型鍋爐，尾部雙煙道，再熱器調(diào)溫思路基本一致，即采用煙氣擋板+煙氣再循環(huán)的組合式調(diào)溫方式。主要通過改變不同負(fù)荷下的再循環(huán)煙氣量，實(shí)現(xiàn)對鍋爐受熱面輻射和對流吸熱比例的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定大幅調(diào)整再熱汽溫的目標(biāo)，具有控制直接、負(fù)荷可追蹤性、反應(yīng)靈敏、與蒸汽溫度特性相匹配等優(yōu)點(diǎn)。再通過調(diào)整煙氣擋板開度，控制煙氣流量，調(diào)整一、二次再熱蒸汽之間的溫度。

3.2 煙溫偏差控制方式

切圓燃燒因爐膛和燃燒器的相互匹配及各燃燒器配風(fēng)等引起爐內(nèi)空氣動(dòng)力場不均，往往在爐膛出口處存在煙氣殘余旋轉(zhuǎn)見圖4，造成水平煙道兩側(cè)存在煙溫和速度的偏差。導(dǎo)致位于出口截面附近受熱面金屬溫度不一致，易引起局部管屏超溫爆管。典型的前后墻對沖燃燒方式，旋流燃燒器產(chǎn)生的熱量沿爐膛寬度方向分布較均勻，基本不存在煙氣殘余旋轉(zhuǎn)。

圖4 切圓燃燒煙氣殘余旋轉(zhuǎn)

上鍋四角切圓燃燒塔式爐，在燃燒器上部布置兩層分離燃盡風(fēng)，通過單個(gè)控制的燃盡風(fēng)二次風(fēng)檔板，以及手動(dòng)調(diào)節(jié)燃盡風(fēng)水平擺角，有效控制燃盡風(fēng)的動(dòng)量分布，以削弱煙氣殘余旋轉(zhuǎn)。此外，增加從燃燒器區(qū)域至爐膛出口的距離以消除煙溫偏差。

哈鍋采用多種措施抑制爐膛出口煙溫偏差：

1）設(shè)計(jì)上采用八角雙切圓燃燒方式，因雙切圓的旋轉(zhuǎn)方向相反，爐膛出口煙氣沿爐膛寬度方向旋向相反，產(chǎn)生相互疊加抵消，使?fàn)t膛出口煙溫偏差降低。

2）采用大風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，使每個(gè)燃燒器二次風(fēng)動(dòng)量均勻。

3）設(shè)置可水平擺動(dòng)的燃盡風(fēng)，利用反切削弱煙氣殘余旋轉(zhuǎn)。

4）選擇適宜的假想切圓直徑，防止火焰刷墻。

東鍋與北京巴威百萬千瓦二次再熱鍋爐均采用對沖燃燒，通過增加合適數(shù)量的燃燒器（每層8個(gè)），可保證爐膛沿寬度方向熱量均衡。

3.3 汽溫偏差控制方式

各鍋爐廠汽溫偏差控制策略基本一致，主要有以下幾個(gè)方面：

1）過熱器采用多級布置，每級焓增分配均勻，每兩級之間均設(shè)置有減溫水，可有效控制偏差。

2）分隔屏過熱器分成多片小屏，減少同屏間管數(shù)。

3）高溫過熱器、高溫再熱器管組通過跳管方式平衡管圈外側(cè)管子吸熱量，減小同屏管束不同管間吸熱偏差。

4）兩級過熱器、再熱器交叉布置，設(shè)置混合集箱。

5）再熱器入口設(shè)置事故噴水減溫器，必要時(shí)用于調(diào)節(jié)再熱器蒸汽溫度偏差。

6）采用雙集箱形式，通過管道的內(nèi)外側(cè)交叉降低蒸汽的攜帶偏差。

7）集箱采用端進(jìn)端出或小口徑管連接，避免三通效應(yīng)（見圖5）。

圖5 雙集箱防止蒸汽偏差

4 結(jié)論與展望

1 000 MW二次再熱技術(shù)是目前世界領(lǐng)先的燃煤發(fā)電技術(shù)，隨著能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，節(jié)能降耗提高機(jī)組整體效率是國內(nèi)火電發(fā)展的必然之路，在國內(nèi)具有廣闊的發(fā)展前景。本文對國內(nèi)主要鍋爐廠二次再熱技術(shù)進(jìn)行了比較分析，結(jié)論如下：

1）國內(nèi)主要鍋爐制造廠1 000 MW二次再熱鍋爐的設(shè)計(jì)均沿用各自在超臨界一次再熱鍋爐上的成熟設(shè)計(jì)理念，但在受熱面布置、高溫受熱面材料選擇、汽溫控制方式上與一次再熱鍋爐有較大區(qū)別，進(jìn)行了大幅度的創(chuàng)新與改進(jìn)，并形成了各自的特色。

2）二次再熱技術(shù)的關(guān)鍵是汽溫的控制尤其是再熱汽溫的控制。國內(nèi)主流調(diào)整技術(shù)包括燃燒器擺角、煙氣擋板和煙氣再循環(huán)等。其中，再循環(huán)煙氣量對爐膛溫度、輻射及對流吸熱量分配、鍋爐蒸汽參數(shù)都有顯著的影響，選擇合理的再循環(huán)率對保證二次再熱鍋爐蒸汽參數(shù)，提高鍋爐經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

3）國內(nèi)超超臨界百萬千瓦二次再熱機(jī)組投產(chǎn)較少，可借鑒經(jīng)驗(yàn)不足，運(yùn)行機(jī)組再熱汽溫欠溫超溫現(xiàn)象明顯，百萬千瓦二次再熱機(jī)組汽溫的匹配與調(diào)整仍需重點(diǎn)分析研究，新建機(jī)組需提高汽溫調(diào)節(jié)控制的范圍與裕度，低負(fù)荷時(shí)汽溫的匹配要兼顧經(jīng)濟(jì)性與安全性。