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        亞臨界機(jī)組鍋爐提參數(shù)改造探究

        2017-03-13 06:16:44楊永偉周自強(qiáng)
        山西電力 2017年1期
        關(guān)鍵詞:熱器過熱器蒸汽

        楊永偉,周自強(qiáng)

        (1.中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(duì)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(duì)電廠總體節(jié)能升級(jí)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(jí)改造

        0 引言

        根據(jù)國(guó)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(hào)文,關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)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(guó)內(nèi)亞臨界600 MW等級(jí)機(jī)組煤耗與國(guó)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(jí)改造研究出發(fā),重點(diǎn)分析鍋爐提升參數(shù)對(duì)機(jī)組整體改造的影響和考慮。

        1 國(guó)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?jí)數(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(guó)在90年代針對(duì)早期服役的亞臨界煙煤機(jī)組升級(jí)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(duì)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(guó)外已經(jīng)開展過的針對(duì)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(guó)內(nèi)某個(gè)亞臨界濕冷600 MW機(jī)組作為研究對(duì)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(duì)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(jiǎn)介及問題現(xiàn)狀

        鍋爐采用美國(guó)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(jí)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(jí)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(duì)沖燃燒方式。過熱蒸汽汽溫主要靠一、二級(jí)噴水減溫器調(diào)節(jié),兩級(jí)四點(diǎn),在每級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)過熱器入口管組出口分集箱、二級(jí)過熱器出口管組入口分集箱、二級(jí)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(jí)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(jí)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(jí);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(shì)。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(shì),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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)比,在對(duì)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(duì)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(duì)比見表3。

        表3 熱力計(jì)算匯總結(jié)果對(duì)比

        在完成鍋爐熱力核算后,鍋爐廠家對(duì)鍋爐島部分的對(duì)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(duì)比見表4和表5;同時(shí)對(duì)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(duì)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(jí)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。

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