文/蔡宏 王剛 上海鍋爐廠有限公司（200245）

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

1 前言

火力發(fā)電廠的熱經濟性隨著蒸汽參數的提高而上升，提高機組熱效率是火電機組發(fā)展的目標之一。自20世紀50年代以來，國外火電機組始終以提高蒸汽參數和增大單機功率為發(fā)展重點，目前300MW等級火電機組通常采用亞臨界參數，600MW等級及以上容量的機組已普遍采用超臨界參數。新設計的機組多采用變壓運行，可適應帶中間負荷和調峰的需要，運行的靈活性大為提高。隨著火電機組蒸汽參數的進一步提高，機組進入了超超臨界的參數范圍。與此同時，國家對發(fā)電設備在環(huán)保和污染物排放控制方面的要求也越來越高，因而發(fā)展高效、節(jié)能、環(huán)保的大容量電站鍋爐勢在必行。超（超）臨界鍋爐以其高效、環(huán)保、技術先進、市場前景廣闊等顯著優(yōu)勢，成為國內市場需求的主導產品。

機組蒸汽參數的提高和容量的增大，不僅與應用于高參數機組材料的開發(fā)有關，而且與設計技術和制造工藝的進步密不可分。經過40多年的不斷完善和發(fā)展，目前超臨界和超超臨界機組的發(fā)展已進入了成熟和實用階段，具有更高參數的超超臨界機組也已經成功地投入商業(yè)運行。

上海鍋爐廠有限公司在設計600MW等級超臨界鍋爐的基礎上，結合超超臨界機組參數要求及已有經驗，開發(fā)研制了1000MW超超臨界雙煙道鍋爐產品。該產品的投運標志著上海鍋爐廠有限公司在產品系列上的完善，同時成為國內首家具有1000MW超超臨界雙煙道和塔式鍋爐兩種產品設計制造運行業(yè)績的鍋爐生產企業(yè)。

首臺產品鍋爐性能鑒定試驗于2010年3月完成。在試運行生產期間，鍋爐在各種不同負荷情況下燃燒穩(wěn)定，運行參數正常，實測鍋爐效率高，燃燒器低負荷不投油穩(wěn)燃性好，能較好地滿足機組調峰的需要，環(huán)保性能良好，NOx排放低。鍋爐各項主要性能指標均超過設計值。

2010年12月，中國電力企業(yè)聯合會和中國機械工業(yè)聯合會在北京共同組織召開了上海鍋爐廠有限公司“1000MW等級超超臨界雙煙道鍋爐”產品鑒定會，與會專家一致認為上海鍋爐廠有限公司1000MW等級超超臨界雙煙道鍋爐達到了國際先進水平。

2 主要技術

1000MW超超臨界雙煙道鍋爐為，超超臨界參數、變壓運行、一次中間再熱、螺旋管圈，單爐膛、雙切圓燃燒方式、平衡通風、全鋼懸吊雙通道型結構、露天布置、固態(tài)排渣，制粉系統配正壓冷一次風機直吹式送粉系統，采用帶循環(huán)泵的啟動系統，爐后尾部布置兩臺三分倉容克式空氣預熱器。

鍋爐整體布置及系統方面。

整個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熱器和后屏過熱器，水平煙道依次布置高溫過熱器和高溫再熱器，尾部煙道布置有低溫再熱器、低溫過熱器和省煤器。

鍋爐燃燒系統按配中速磨煤機正壓直吹式制粉系統設計。燃燒方式采用低NOx切向燃燒系統，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。通過燃燒設備設計和爐膛布置的匹配來滿足鍋爐各項燃燒指標要求，在煤種允許的變化范圍內確保煤粉及時著火、穩(wěn)燃、燃燼、爐內不發(fā)生明顯結渣、NOx排放量低、燃燒器狀態(tài)良好、不被燒壞。

過熱器汽溫通過煤水比調節(jié)和三級噴水來控制。再熱器汽溫采用煙氣擋板調溫、燃燒器擺動和過量空氣系數的變化調節(jié)，低溫再熱器進口連接管道上設置事故噴水裝置。

鍋爐啟動系統采用帶再循環(huán)泵的內置式啟動系統。

鍋爐出渣采用機械出渣系統。

鍋爐配備兩臺三分倉回轉式空氣預熱器。空氣預熱器主軸垂直布置，煙氣和空氣以逆流方式換熱。

鍋爐本體內設有墻式吹灰器、長伸縮式吹灰器和半伸縮式吹灰器。爐膛出口裝有煙溫探針，啟動時用來控制爐膛出口煙溫。在爐膛出口處還裝有負壓測點。鍋爐本體部分配有安全閥和動力釋放閥。鍋爐爐頂采用大罩殼熱密封，爐頂管采用全金屬密封，爐墻為輕型結構帶梯型金屬外護板，屋頂為輕型金屬屋蓋。鍋爐構架采用全鋼結構，主要構件的接頭采用扭剪型高強度螺栓連接，其他構件的接頭采用高強度螺栓或焊接連接。除回轉式空氣預熱器支撐在構架上以外，鍋爐其余部分全懸吊于構架上。

圖1 鍋爐受熱面及燃燒系統布置

1000MW超超臨界雙煙道鍋爐有以下主要技術特點：

2.1 采用超超臨界技術，確保鍋爐具有較高的可用率

采用包括設計、制造、質量控制、儀控、安裝、投運和調試等各個方面在內的一整套成熟、先進的超超臨界專有技術，從而能夠確保機組長期安全、可靠、經濟地運行。

2.2 采用較大的爐膛斷面和容積，較低的爐膛斷面熱負荷和爐膛出口煙氣溫度

爐膛設計針對設計煤種和校核煤種，充分考慮煤粉的著火、燃燒的穩(wěn)定和高效、煤質的適應能力、負荷調節(jié)能力、低NOx排放、低負荷穩(wěn)燃、爐內結渣以及高溫受熱面的安全；同時兼顧煤種變化和煤質變差的情況。

2.3 爐膛水冷壁采用螺旋管圈水冷壁的優(yōu)化設計

對于超臨界及超超臨界鍋爐，既有螺旋管圈水冷壁設計，又有垂直管圈水冷壁設計，而采用螺旋管圈水冷壁設計，尤其是結合切向燃燒方式，有其自身技術特點。對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爐膛不同受熱區(qū)域，水冷壁傾斜管環(huán)繞圈數超過一圈，每根蒸發(fā)器管通過爐膛熱和冷的區(qū)域，結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，鍋爐燃燒系統為切向燃燒，故爐膛每側的熱負荷曲線是基本一致的。綜合爐膛結構和熱負荷分布可以知道，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荷分布都很均勻，這一方面可以確保鍋爐運行的安全性，同時也可以保證鍋爐長期高效運行。螺旋管圈水冷壁的壓降受管子規(guī)格、長度以及質量流速的影響，而管子規(guī)格取決于管子內部最小允許質量流速，管子長度取決于管子上升傾角以及螺旋圈數，帶有最佳質量流速以及最佳螺旋圈數的螺旋管圈水冷壁設計能減少水冷壁壓降。通過調整和優(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濟性。

圖2 螺旋管圈水冷壁展開

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

切向燃燒系統具有高燃燒效率、穩(wěn)定的熱力特性和低污染物排放等特點，有著獨特的空氣動力結構。燃料和助燃空氣通過爐膛的四角引入，方向指向位于爐膛中心的一個假想切圓。隨著燃料和空氣進入爐膛并著火，在爐膛內就形成一個旋轉的“火球”（見圖3），受上游高溫煙氣加熱很快著火，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)定的旋轉上升火焰。下一層旋轉上升火焰，促進上一層的燃燒強化和火焰穩(wěn)定；上一層的旋轉氣流同時加強對下層火焰的擾動，這種角與角和層與層之間的相互摻混擾動，即爐膛內整體而不是局部的強烈的熱量和質量交換，保證了煤粉的著火穩(wěn)定性。由此切向燃燒可認為整個爐膛是一個燃燒器。低NOx煤粉燃燒，是通過分析煤粉燃燒時NOx的生成機理，建立早期著火和使用控制氧量的燃料/空氣分段燃燒技術，當揮發(fā)氮物質形成時、非常關鍵的早期燃燒階段中O2降低，它把整個爐膛內分段燃燒和局部性空氣分段燃燒時降低NOx的能力結合起來，在初始的富燃料條件下促使揮發(fā)氮物質轉化成N2，因而達到總的NOx排放減少。切向燃燒和低NOx燃燒兩者的結合——低NOx切向燃燒系統，是一種高效環(huán)保的燃燒技術。在降低NOx排放的同時，著重考慮提高鍋爐不投油、低負荷穩(wěn)燃能力和燃燒效率，在防止爐內結渣、高溫腐蝕和降低爐膛出口煙溫偏差等方面，同樣具有獨特的效果。

2.5 采用可靠的受熱面布置方式和合理的調溫方式，使得汽溫偏差盡可能小，蒸汽溫度的調節(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)泵的內置式啟動系統

圖3 切向燃燒“火球”

直流鍋爐的啟動系統形式及容量的確定是根據鍋爐最低直流負荷、機組運行方式、啟動工況及最大工況時水冷壁質量流速的合理選取、以及工質的合理利用等因素確定。對于帶再循環(huán)泵的啟動系統，在鍋爐的啟動及低負荷運行階段，爐水循環(huán)確保了在鍋爐達到最低直流負荷之前的爐膛水冷壁的安全性。當鍋爐負荷大于最低直流負荷時，一次通過的爐膛水冷壁質量流速能夠對水冷壁進行足夠的冷卻。在爐水循環(huán)中，由分離器分離出來的水往下流到鍋爐啟動循環(huán)泵的入口，通過泵提高壓力來克服系統的流動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省煤器最小流量控制閥來實現控制的。從控制閥出來的水通過省煤器，再進入爐膛水冷壁。在循環(huán)中，有部分的水蒸汽產生，然后此汽水混合物進入分離器。分離器通過離心作用把汽水混合物進行分離，并把蒸汽導入過熱器中。分離出來的水則進入位于分離器下方的貯水箱。貯水箱通過水位控制器來維持一定的水位。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階段汽水膨脹時疏水所需要的靜壓頭。由于帶再循環(huán)泵的啟動系統在啟動的整個過程中能100%吸收疏水熱量，可有效縮短冷態(tài)和溫態(tài)啟動時間，更適合于頻繁啟動、帶循環(huán)負荷和二班制運行機組。

2.7 具有較好的低負荷穩(wěn)燃性能和啟、停及調峰性能

2.8 過熱器、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熱器和再熱器出口汽溫的提高所導致的高溫段管子煙氣側高溫腐蝕和管內高溫氧化，采用了大量的奧氏體鋼管。

3 創(chuàng)新點

3.1 節(jié)能環(huán)保技術——低NOx燃燒技術的進一步應用

應用雙切圓、低NOx燃燒技術，降低了各項污染排放指標的設計值。根據國家標準燃用煙煤NOx的排放指標為450mg/Nm3，使用低NOx燃燒技術后NOx的排放指標可以為300 mg/Nm3甚至更低。

3.2 水冷壁型式的改進

在1000 MW超超臨界雙煙道鍋爐水冷壁設計中提出了新的改進方案，調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，達到了既安全又經濟的目標。

3.3 再熱器調溫方式的創(chuàng)新

再熱器的汽溫調溫方式采用尾部煙氣擋板調溫為主，替代了常規(guī)的以燃燒器擺動為主，在調節(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

低溫過熱器和低溫再熱器及省煤器都布置在尾部前后煙道中，為了避免在運行中出現振動問題，采用了尾部煙道防振技術以防止受熱面振動的發(fā)生。

3.5 過熱器、再熱器結構優(yōu)化

過熱器、再熱器采用優(yōu)化的結構設計方案。

3.6 合理進行溫度偏差的控制

通過爐膛、燃燒系統及受熱面的設計和布置匹配，并應用數值模擬計算，從而來控制鍋爐煙氣側和蒸汽側的偏差。

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新材料，新材料的大量應用必然會給鍋爐制造帶來大量新的變數，因此對這些新材料進行了系統、全面的試驗研究，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。同時對成排彎水冷壁組件、分離器及再循環(huán)混合球等關鍵組件的制造工藝進行了研究。

4 社會效益

該項目的成功設計制造使得上海鍋爐廠有限公司同時具備了百萬等級塔式、雙煙道鍋爐的設計制造能力，符合國家節(jié)能減排的要求，具有很好的示范和推進作用；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，在國內、國際上處于領先水平。