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。