張 縵， 蔡潤夏， 姜孝國， 呂俊復(fù)， 高新宇， 楊海瑞

(1． 清華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程系，電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084；2. 哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司， 哈爾濱 150046)

超臨界機(jī)組發(fā)電效率高，污染物排放低，是當(dāng)今世界潔凈煤發(fā)電的主流技術(shù)之一。隨著蒸汽參數(shù)的提高，高效超超臨界機(jī)組相比于傳統(tǒng)超臨界機(jī)組供電煤耗明顯降低[1]。

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐以其在低成本污染排放控制及煤種適應(yīng)性等方面的優(yōu)勢，被公認(rèn)為是商業(yè)化程度最好的清潔煤燃燒技術(shù)之一[2-3]。10多年來，我國在機(jī)組高參數(shù)、大型化方面取得了突破性進(jìn)展。2013年4月，我國自主研發(fā)的世界首臺(tái)600 MW超臨界CFB鍋爐正式投入商業(yè)運(yùn)行，2015年末至今，350 MW超臨界CFB鍋爐也成批量投入商業(yè)運(yùn)行。超臨界CFB鍋爐的運(yùn)行實(shí)踐表明，CFB燃燒與超臨界蒸汽參數(shù)的結(jié)合表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢：采用低質(zhì)量流速本生垂直管技術(shù)，使得水冷壁流動(dòng)阻力降低，從而降低給水泵壓頭，節(jié)約廠用電；CFB鍋爐爐膛內(nèi)熱負(fù)荷較低，熱流密度分布較均勻，有效保證了鍋爐水動(dòng)力的安全性；CFB鍋爐氮氧化物和硫氧化物的原始排放濃度低，采用較低成本的爐外污染物脫除設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)超低排放的目標(biāo)[4]。

超臨界CFB鍋爐的成功投運(yùn)為620 ℃高效超超臨界CFB鍋爐的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，然而隨著機(jī)組容量的增加和蒸汽參數(shù)的提高，對鍋爐的總體布置提出了新的挑戰(zhàn)：CFB鍋爐的低溫燃燒如何維持低負(fù)荷時(shí)的蒸汽參數(shù)，大爐膛斷面條件下如何保證床溫的均勻性，高效超超臨界參數(shù)條件下鍋爐水動(dòng)力的安全性以及大尺度爐膛內(nèi)物料的橫向擴(kuò)散等，這些問題與鍋爐的運(yùn)行穩(wěn)定性、燃燒效率以及污染物排放等性能密切相關(guān)。筆者在已有研究[4-7]的基礎(chǔ)上，提出了620 ℃、660 MW高效超超臨界雙爐膛CFB鍋爐的設(shè)計(jì)方案。

1 高效超超臨界CFB鍋爐設(shè)計(jì)原則

1.1 爐膛-分離器布置

隨著鍋爐容量的增加，爐膛斷面增大，為保證二次風(fēng)的穿透，目前已經(jīng)投運(yùn)的鍋爐主要有2種爐膛類型：一種是褲衩腿型雙布風(fēng)板爐膛，另一種是傳統(tǒng)的單布風(fēng)板爐膛。然而，當(dāng)機(jī)組容量達(dá)到660 MW，再熱蒸汽溫度達(dá)到620 ℃時(shí)，CFB鍋爐的爐膛斷面將增加到550 m2左右，采用雙布風(fēng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為避免鍋爐發(fā)生翻床，則需要增設(shè)風(fēng)道調(diào)節(jié)擋板，導(dǎo)致一次風(fēng)機(jī)壓頭增加，廠用電率提高；采用傳統(tǒng)的單布風(fēng)板爐膛設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到二次風(fēng)的穿透，爐膛寬度將超過40 m，大寬深比爐膛結(jié)構(gòu)容易引起爐內(nèi)床料的橫向動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性，如圖1所示[8-9]，且由于單布風(fēng)板結(jié)構(gòu)的布風(fēng)面積是雙布風(fēng)板的2倍，因此布風(fēng)的均勻性也是值得高度重視的問題，布風(fēng)不均勻容易導(dǎo)致爐膛內(nèi)溫度分布不均，局部高溫會(huì)造成污染物排放增加和水動(dòng)力的安全隱患。為更好地適應(yīng)CFB鍋爐的大型化發(fā)展，筆者提出的620 ℃、660 MW高效超超臨界CFB鍋爐為雙爐膛布置，即2個(gè)獨(dú)立的爐膛及其分離回料系統(tǒng)對稱布置于爐前，尾部共用一個(gè)對流煙道，鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖1 某300 MW鍋爐床壓橫向波動(dòng)

圖2 雙爐膛鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 與雙布風(fēng)板爐膛的比較

對于單爐膛雙布風(fēng)板結(jié)構(gòu)的四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限責(zé)任公司(簡稱“白馬電廠”)600 MW超臨界CFB鍋爐，總體而言是一個(gè)爐膛，然而由于水冷中間隔墻將爐膛分為2個(gè)部分，在實(shí)際運(yùn)行過程中，兩側(cè)氣固兩相流動(dòng)、燃燒和傳熱相對獨(dú)立，爐膛兩側(cè)的床溫、床壓、給煤和排渣均是單獨(dú)調(diào)節(jié)，其運(yùn)行和調(diào)節(jié)特性趨向于2個(gè)爐膛。單爐膛加裝中間隔墻后，兩側(cè)氣固兩相流動(dòng)基本無橫向混合[10]。爐膛內(nèi)若出現(xiàn)熱負(fù)荷偏差，主要還是通過每一側(cè)爐膛的給煤和配風(fēng)來調(diào)節(jié)。

若采用雙爐膛結(jié)構(gòu)，每個(gè)爐膛設(shè)有單獨(dú)的布風(fēng)板和水冷風(fēng)室，盡管鍋爐運(yùn)行過程中2個(gè)爐膛內(nèi)的氣固兩相流不可避免地存在差異，但由于二者獨(dú)立存在，不會(huì)出現(xiàn)單爐膛雙布風(fēng)板鍋爐的翻床現(xiàn)象，因此無需在2個(gè)爐膛各自的一次風(fēng)道上設(shè)置風(fēng)門調(diào)節(jié)擋板作為抑制翻床的調(diào)節(jié)手段，從而降低一次風(fēng)機(jī)壓頭，減少廠用電率。

1.1.2 與單布風(fēng)板爐膛的比較

采用雙爐膛結(jié)構(gòu)，每個(gè)爐膛截面僅為單布風(fēng)板爐膛截面的一半，與已投運(yùn)的350 MW超臨界CFB鍋爐爐膛截面尺寸相當(dāng)，單個(gè)爐膛寬度約9 m，深度約30 m[11]，鍋爐運(yùn)行實(shí)踐表明，爐膛的寬深比例適當(dāng)，可有效避免爐膛內(nèi)橫向動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性，同時(shí)由于截面積減小，更容易實(shí)現(xiàn)爐膛布風(fēng)的均勻性，從而保證了床溫的均勻分布。此外，與單布風(fēng)板爐膛CFB鍋爐相比，雙爐膛設(shè)計(jì)中爐膛周界增大，為爐膛內(nèi)屏式受熱面的布置提供了足夠的空間。

雙爐膛結(jié)構(gòu)的每個(gè)爐膛對應(yīng)3個(gè)旋風(fēng)分離器，布置在爐膛外側(cè)，組成熱循環(huán)回路，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與已投運(yùn)的350 MW超臨界CFB鍋爐亦十分接近，工程實(shí)踐已驗(yàn)證其具備良好的性能。

1.2 熱循環(huán)回路中受熱面的布置

對于大型CFB鍋爐，在保證燃料在爐膛內(nèi)停留時(shí)間足夠的前提下，考慮到鍋爐建造的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量降低爐膛高度，因此需要將部分水冷壁受熱面以屏式受熱面的型式布置在爐膛內(nèi)。目前，各鍋爐制造公司針對超臨界鍋爐采取的解決方案主要有：并聯(lián)中隔墻[12]、并聯(lián)十字墻和串聯(lián)水冷屏[13]等方式。然而在超臨界蒸汽參數(shù)下，工質(zhì)的物性參數(shù)不同于自然循環(huán)，并聯(lián)管屏之間的熱負(fù)荷差異容易引起屏的變形。因此，在并聯(lián)管組中應(yīng)該盡量避免同時(shí)采用單面和雙面受熱的布置型式，而雙爐膛鍋爐很好地解決了這一問題，爐膛水冷壁均為單面受熱。

除布置屏式過熱器和屏式再熱器外，熱循環(huán)回路中還設(shè)置了外置式換熱器。對于660 MW高效超超臨界CFB鍋爐，即使采用雙爐膛布置，單個(gè)爐膛截面的寬深比依然較大，運(yùn)行過程中要保證均勻的床溫變得更加困難，而外置式換熱器實(shí)現(xiàn)了床溫和再熱蒸汽溫度的分開調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)床溫靈活有效，是污染物控制和避免水冷壁熱負(fù)荷偏差的有效手段。與600 MW超臨界鍋爐相比，620 ℃高效超超臨界CFB鍋爐的工質(zhì)出口溫度有所提高，過熱器和再熱器的吸熱比例進(jìn)一步增加，鍋爐熱循環(huán)回路內(nèi)的過熱器和再熱器吸熱比例將達(dá)到約30%(見圖3)，因此，如果不采用外置式換熱器，受熱面的布置將受到爐膛空間的限制。由于外置式換熱器內(nèi)受熱面的傳熱系數(shù)高，可以有效解決受熱面的布置問題。

圖3 鍋爐各部分受熱面吸熱比例

1.3 雙爐膛煙溫偏差的控制

由于采用2個(gè)相對獨(dú)立的爐膛和熱循環(huán)回路，兩側(cè)爐膛內(nèi)床溫的匹配對鍋爐的控制提出了更高的要求。鍋爐需采用2套獨(dú)立的控制系統(tǒng)，包括一、二次風(fēng)機(jī)等都是分別針對單個(gè)熱循環(huán)回路獨(dú)立控制；但由于采用同一個(gè)尾部煙道及引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，在鍋爐運(yùn)行過程中可通過調(diào)節(jié)兩側(cè)爐膛的給煤、配風(fēng)和床壓等參數(shù)的匹配，確保水動(dòng)力的安全性。

對于雙爐膛結(jié)構(gòu)的鍋爐，2個(gè)熱循環(huán)回路中的受熱面對稱布置，由于2個(gè)回路中煙氣和物料溫度以及流量的不完全對稱，蒸汽溫度必然會(huì)存在一定的差異，鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)通過采用混合集箱等方式來消除蒸汽溫度偏差。此外，可將尾部入口煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)方向與蛇形管受熱面平行布置(見圖4)，從而減小管間的溫度偏差。

圖4 鍋爐尾部入口煙道的布置

1.4 鍋爐水動(dòng)力特性

鍋爐水冷壁為垂直管圈一次上升，與褲衩腿型雙布風(fēng)板爐膛相比，由于雙面受熱的中隔墻被2片單面受熱的水冷壁替代，增加了水冷壁一次上升工質(zhì)流通面積，在滿負(fù)荷工況下，水冷壁平均質(zhì)量流速約為780 kg/(m2·s)，與白馬電廠600 MW CFB鍋爐質(zhì)量流速相當(dāng)，低質(zhì)量流速可減小流動(dòng)摩擦壓降，同時(shí)提高重位壓降占總阻力的比例，充分利用垂直管屏水冷壁中由于熱偏差形成的流量自補(bǔ)償特性，從而保證鍋爐的安全運(yùn)行[14]。水動(dòng)力計(jì)算以及超臨界 CFB鍋爐的運(yùn)行實(shí)踐表明，在設(shè)計(jì)質(zhì)量流速下，可以保證鍋爐在啟動(dòng)及低負(fù)荷(最低直流負(fù)荷以下)運(yùn)行時(shí)維持水動(dòng)力的穩(wěn)定，在亞臨界直流階段不發(fā)生膜態(tài)沸騰，在近臨界直流工況可控制高干度蒸干，在超(超)臨界直流工況不發(fā)生擬膜態(tài)沸騰。

1.5 鍋爐各系統(tǒng)吸熱比例

表1給出了高效超超臨界CFB鍋爐與常規(guī)超臨界CFB鍋爐典型參數(shù)的對比。由表1可知，與超臨界CFB鍋爐相比，高效超超臨界CFB鍋爐的過熱蒸汽和再熱蒸汽質(zhì)量流量增加，溫度、壓力和鍋爐給水溫度均明顯升高。由于鍋爐汽水參數(shù)的改變，各受熱面的吸熱比例也發(fā)生了變化(見圖5)。從圖5可以看出，高效超超臨界CFB鍋爐過熱器及再熱器吸熱比例略有提高，水冷壁和省煤器吸熱比例有所降低。

表1 鍋爐主要參數(shù)

圖5 高效超超臨界CFB鍋爐與超臨界CFB鍋爐各系統(tǒng)的吸熱比例

Fig.5 Comparison of the heat absorbed by different heating surfaces between high efficiency ultra-supercritical and conventional supercritical CFB boilers

2 高效超超臨界CFB鍋爐設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述原則，進(jìn)行620 ℃、660 MW高效超超臨界CFB鍋爐的設(shè)計(jì)開發(fā)。鍋爐設(shè)計(jì)燃料為煙煤與矸石混合后的低熱值燃料，成分分析見表2。

所設(shè)計(jì)的鍋爐整體布置如圖6所示，爐前并列布置2個(gè)完全獨(dú)立的爐膛，每個(gè)爐膛外側(cè)布置3個(gè)內(nèi)徑為9.8 m的汽冷旋風(fēng)分離器，鍋爐設(shè)有6個(gè)外置式換熱器和6個(gè)回料閥，分離器分離下來的高溫物料分別進(jìn)入外置式換熱器和回料閥。靠近爐前的2個(gè)外置式換熱器內(nèi)布置低溫再熱器，用于調(diào)節(jié)再熱蒸汽溫度，其余4個(gè)外置式換熱器內(nèi)布置中溫過熱器，用于調(diào)節(jié)床溫。

表2 鍋爐設(shè)計(jì)燃料元素分析和工業(yè)分析

鍋爐采用回料閥給煤，一側(cè)爐膛的燃料供給通過6個(gè)返料斜腿上的給煤口實(shí)現(xiàn)，回料閥布置于爐膛外側(cè)，為增加燃料在爐內(nèi)的停留時(shí)間，同時(shí)滿足鍋爐較大底渣量的要求，在爐膛內(nèi)側(cè)布置了12臺(tái)滾筒冷渣器。

雙爐膛鍋爐每個(gè)爐膛的寬度為9.373 m，深度為30.493 m。2個(gè)爐膛內(nèi)布置相同的受熱面，每個(gè)爐膛內(nèi)側(cè)墻布置14片高溫過熱器屏和12片高溫再熱器屏。

尾部對流煙道為單煙道布置，四周為膜式壁包墻過熱器，沿?zé)煔饬飨蛞来尾贾玫蜏剡^熱器和省煤器，省煤器出口煙道與2臺(tái)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器連接。

過熱蒸汽的溫度主要通過煤水比來調(diào)節(jié)，并配合布置在各級(jí)過熱器之間的三級(jí)噴水減溫進(jìn)行微調(diào)。再熱蒸汽溫度通過進(jìn)入外置式換熱器的灰量進(jìn)行調(diào)節(jié)。低溫再熱器入口和兩級(jí)再熱器之間布置有緊急工況下使用的噴水減溫器。

采用大氣擴(kuò)容式啟動(dòng)系統(tǒng)，帶有2個(gè)內(nèi)置式分離器。當(dāng)負(fù)荷高于25 %最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況時(shí)，鍋爐進(jìn)入直流運(yùn)行，啟動(dòng)分離器入口處蒸汽有一定的過熱度。

鍋爐BMCR工況下的主要性能參數(shù)如表3所示。通過熱力計(jì)算，對鍋爐BMCR工況進(jìn)行了性能預(yù)測，鍋爐計(jì)算熱效率為92.49 %，工質(zhì)和煙溫預(yù)測結(jié)果見表4。

圖6 高效超超臨界CFB鍋爐整體布置

表3 鍋爐BMCR工況下的主要性能參數(shù)

3 結(jié) 論

對比現(xiàn)有超臨界CFB鍋爐爐膛布置方案，提出了雙爐膛結(jié)構(gòu)的660 MW高效超超臨界CFB鍋爐設(shè)計(jì)原則，并從結(jié)構(gòu)布置、煙溫控制和水動(dòng)力特性等方面分析了雙爐膛結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案有利于燃料的燃盡，并改善了床溫不均勻問題；可避免翻床現(xiàn)象，從而省去一次風(fēng)控制擋板，有利于節(jié)約廠用電耗；能有效控制蒸汽熱偏差，解決受熱屏變形問題；并在較低的質(zhì)量流速下仍可保證水冷壁管正流量響應(yīng)特性，從而保證鍋爐水動(dòng)力的安全性。該設(shè)計(jì)方案為高效超超臨界CFB鍋爐的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了參考。

表4鍋爐BMCR工況下煙氣側(cè)和工質(zhì)側(cè)溫度計(jì)算結(jié)果

Tab.4CalculatedresultsofmaintemperaturesonfluegassideandwatersideoftheCFBboileratBMCRcondition℃

參 數(shù)數(shù)值煙氣側(cè)爐膛床溫890爐膛出口溫度890分離器出口溫度902低溫過熱器出口溫度591省煤器出口溫度407空氣預(yù)熱器出口溫度(修正后)130工質(zhì)側(cè)省煤器入口工質(zhì)溫度327省煤器出口工質(zhì)溫度356水冷壁出口工質(zhì)溫度422低溫過熱器出口工質(zhì)溫度507中溫過熱器1出口工質(zhì)溫度518中溫過熱器2出口工質(zhì)溫度531高溫過熱器出口工質(zhì)溫度605低溫再熱器入口工質(zhì)溫度357低溫再熱器出口工質(zhì)溫度541高溫再熱器出口工質(zhì)溫度623

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