王 婷，龔 超，劉宇鋼，莫春鴻，潘紹成

（1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001）

0 引言

我國(guó)煤電技術(shù)經(jīng)過(guò)近20 年的快速發(fā)展，已從亞臨界技術(shù)發(fā)展至高效超超臨界技術(shù)，部分機(jī)組供電煤耗已低至270 g/kWh 以下［1］。但我國(guó)仍有一大批燃用無(wú)煙煤的W 火焰鍋爐機(jī)組，受制于無(wú)煙煤的燃燒特性差、碾磨電耗高、煙氣凈化電耗高等因素，其供電煤耗普遍高于其他機(jī)組。以目前投運(yùn)的600 MW級(jí)超臨界W火焰鍋爐機(jī)組為例，額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，平均供電煤耗在310～320 g/kWh，高于當(dāng)前全國(guó)煤電機(jī)組平均供電煤耗，亞臨界W 火焰鍋爐機(jī)組供電煤耗更高［2］。燃無(wú)煙煤的W 型火焰鍋爐機(jī)組供電煤耗若要降至300 g/kWh 以下，必須用更先進(jìn)的W 火焰鍋爐技術(shù)，或者對(duì)在役機(jī)組實(shí)施升級(jí)改造。

1 W火焰鍋爐技術(shù)現(xiàn)狀

截至2020 年底，我國(guó)共有約140 臺(tái)單機(jī)容量為300 MW及以上的W型火焰鍋爐機(jī)組，約占全國(guó)單機(jī)容量300 MW及以上煤電機(jī)組的7.6%［3］。已投運(yùn)的W火焰鍋爐機(jī)組中，單機(jī)容量最大為670 MW，鍋爐出口蒸汽參數(shù)最高為26.15 MPa/585 ℃/583 ℃。燃用煙煤/貧煤的對(duì)沖燃燒煤粉鍋爐已發(fā)展至高效超超臨界二次再熱技術(shù)，更高參數(shù)的630 ℃、650 ℃鍋爐也已在開發(fā)中，且不斷地向700 ℃鍋爐目標(biāo)前進(jìn)［4］。燃用無(wú)煙煤的W 火焰鍋爐在機(jī)組參數(shù)及機(jī)組容量上遠(yuǎn)落后于對(duì)沖燃燒的煤粉鍋爐。

在開發(fā)超臨界W 火焰鍋爐方面，國(guó)外福斯特·惠勒（FW）、原三井·巴布科克（MB，現(xiàn)更名為斗山·巴布科克DB）、美國(guó)巴布科克（B&W）等公司憑借自身已擁有的W火焰燃燒技術(shù)，通過(guò)與國(guó)內(nèi)的鍋爐制造廠合作的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。東方鍋爐通過(guò)自主研發(fā)的方式開發(fā)600 MW級(jí)超臨界W火焰鍋爐。

國(guó)內(nèi)首臺(tái)600 MW 級(jí)超臨界W 鍋爐于2009 年7月份在金竹山電廠投運(yùn)［5］。至2020 年底國(guó)內(nèi)主要鍋爐廠商共有39 臺(tái)600 MW 級(jí)超臨界W 火焰鍋爐機(jī)組投運(yùn)［6］。2010 年后，國(guó)內(nèi)主要鍋爐廠商設(shè)計(jì)的600 MW級(jí)超臨界W爐陸續(xù)投運(yùn)，投運(yùn)后暴露出爐膛結(jié)焦、水冷壁拉裂、燃燒穩(wěn)定性差、氮氧化物排放高等問(wèn)題［5］，上述問(wèn)題也在一定程度上制約了W 火焰鍋爐向更高參數(shù)、更大容量發(fā)展。

在開發(fā)1 000 MW級(jí)超超臨界W火焰鍋爐技術(shù)方面，北京巴布科克·威爾科克斯有限公司潘挺、王賢提出一種新型雙臺(tái)階拱形W火焰鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)，可將原W 火焰鍋爐典型的前后墻拱上單排燃燒器布置形式改為前后墻臺(tái)階拱上的雙排燃燒器布置形式，大幅降低1 000 MW 及以上等級(jí)W 火焰鍋爐的爐膛寬度［7］。東方鍋爐在完成600 MW 級(jí)超臨界W 火焰鍋爐自主研制后，2010年啟動(dòng)了1 000 MW超超臨界W火焰鍋爐技術(shù)開發(fā)，從鍋爐總體布置、熱力計(jì)算、水動(dòng)力計(jì)算、燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)W火焰鍋爐參數(shù)提升、容量放大后的關(guān)鍵技術(shù)，如水動(dòng)力技術(shù)、高溫腐蝕防治技術(shù)等進(jìn)行了重點(diǎn)研究［8］。

2 1 000 M 級(jí)高效超超臨界W 火焰鍋爐關(guān)鍵技術(shù)

1 000 MW級(jí)高效超超臨界W火焰鍋爐與600 MW級(jí)超臨界W火焰鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

由表1 可知，1 000 MW 級(jí)高效超超臨界W 火焰鍋爐相比600 MW級(jí)超臨界W火焰鍋爐，鍋爐蒸汽參數(shù)變化較大，主要有：給水溫度、主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度更高，主蒸汽壓力更高。蒸汽參數(shù)的提高在提升發(fā)電機(jī)組效率的同時(shí)，對(duì)鍋爐研制提出更高要求。

在600 MW 級(jí)超臨界W 火焰鍋爐基礎(chǔ)上開發(fā)1 000 MW 高效超超臨界W 火焰鍋爐方案，容量放大引起爐膛寬度增加，導(dǎo)致水冷壁偏差進(jìn)一步加大，高效超超臨界工質(zhì)參數(shù)，導(dǎo)致水冷壁壁溫進(jìn)一步上升，需對(duì)水冷壁的安全性進(jìn)一步分析。高溫受熱面受偏差加大和參數(shù)提升雙重因素疊加，相應(yīng)的壁溫也會(huì)進(jìn)一步提高，對(duì)于燃用高硫無(wú)煙煤的鍋爐，高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加劇。

2.1 鍋爐總體方案設(shè)計(jì)

相比600 MW 級(jí)超臨界W 火焰鍋爐，1 000 MW高效超超臨界W火焰鍋爐爐膛尺寸進(jìn)一步放大。水冷壁采用具有正響應(yīng)特性的低質(zhì)量流速垂直管圈，分上、下兩部分，高熱負(fù)荷區(qū)域的下部水冷壁采用優(yōu)化內(nèi)螺紋管，上部水冷壁采用光管，同時(shí)在上、下水冷壁之間設(shè)有工質(zhì)混合集箱，以減小水冷壁出口工質(zhì)溫度偏差。過(guò)熱器受熱面采用輻射-對(duì)流型，沿工質(zhì)流程依次為：頂棚及后豎井過(guò)熱器、低過(guò)、屏過(guò)和高過(guò)。再熱器受熱面為對(duì)流換熱型，由低再和高再組成。省煤器布置在水平低過(guò)下方［6］。鍋爐總體布置方案見圖1。

圖1 1 000 MW級(jí)超超臨界W火焰鍋爐總體布置

過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)采用水煤比和兩級(jí)噴水減溫，在低溫過(guò)熱器和屏式過(guò)熱器之間、屏式過(guò)熱器和高溫過(guò)熱器之間設(shè)置了兩級(jí)噴水。再熱汽溫通過(guò)尾部雙煙道平行煙氣擋板調(diào)節(jié)，在低溫再熱器和高溫再熱器之間的連接管道上設(shè)有事故噴水減溫器。鍋爐汽水流程見圖2。

圖2 1 000 MW級(jí)超超臨界W火焰鍋爐汽水流程

每臺(tái)鍋爐設(shè)置8 臺(tái)雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，配32只外置分離直流式煤粉燃燒器，單臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)4只燃燒器，燃燒器順列布置在下爐膛的前、后墻爐拱上，燃燒器布置如圖3 所示，磨煤機(jī)與燃燒器的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖3 燃燒器布置

圖4 磨煤機(jī)與燃燒器的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 鍋爐水動(dòng)力安全分析

由于W 型火焰鍋爐爐拱的存在，下爐膛深度與上爐膛深度不一樣，不能采用螺旋盤繞水冷壁，只能采用垂直管圈水冷壁。W 型火焰鍋爐各燃燒器隨磨煤機(jī)隨機(jī)啟停，造成爐內(nèi)熱負(fù)荷分布變化較大，當(dāng)水冷壁采用中高質(zhì)量流速時(shí)，受熱較強(qiáng)的管子，管內(nèi)工質(zhì)流量減少，造成水冷壁管壁溫度升高，發(fā)生超溫爆管。因此超超臨界W火焰鍋爐必須采用低質(zhì)量流速，利用低質(zhì)量流速的自補(bǔ)償特性，使受熱較強(qiáng)的管子有較大的質(zhì)量流速，進(jìn)而使受熱強(qiáng)的管子有較好的冷卻效果。由于水冷壁質(zhì)量流速較低，為了使各負(fù)荷下水冷壁管都能得到可靠冷卻，需采用內(nèi)螺紋管。

低質(zhì)量流速垂直管圈水動(dòng)力技術(shù)已在眾多600 MW級(jí)超臨界W 爐的應(yīng)用上證明可行。但1 000 MW 高效超超臨界W火焰鍋爐水冷壁入口溫度更高、水冷壁運(yùn)行壓力更高，水冷壁在同等焓增時(shí)溫升更高、壁溫更高，因此需要采取措施確保1 000 MW高效超超臨界W火焰鍋爐水冷壁運(yùn)行安全可靠、并有足夠的安全余量。

1 000 MW 高效超超臨界W 火焰鍋爐的爐膛周界尺寸相比600 MW 超臨界W 爐增加，選取合適的優(yōu)化內(nèi)螺紋管規(guī)格及水冷壁節(jié)距，以控制水冷壁管內(nèi)流速在低質(zhì)量流速，水冷壁進(jìn)出口工質(zhì)溫度、壓力提升，工質(zhì)參數(shù)對(duì)比見表2。

表2 水冷壁進(jìn)出口參數(shù)對(duì)比

對(duì)1 000 MW 高效超超臨界W火焰鍋爐水冷壁管子規(guī)格及節(jié)距進(jìn)行優(yōu)化布置，控制水冷壁質(zhì)量流速與600 MW 級(jí)超臨界W 型火焰鍋爐相當(dāng)。在考慮水冷壁流量偏差及吸熱偏差雙重影響，水冷壁偏差管壁溫相比600 MW 超臨界W 爐增加較多，但整體仍然在12Cr1MoVG 材質(zhì)的允許使用溫度范圍內(nèi)，且有一定余量，水動(dòng)力整體安全可靠。水冷壁管壁溫計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 水冷壁壁溫計(jì)算結(jié)果 單位：℃

上部水冷壁及鰭片的最大壁溫分布對(duì)比見圖5和圖6。

圖5 600 MW超臨界W爐上部水冷壁管子及鰭片壁溫分布

圖6 1 000 MW高效超超臨界W爐上部水冷壁管子及鰭片壁溫分布

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，1 000 MW 高效超超臨界W 爐在考慮水冷壁流量偏差及吸熱偏差雙重影響時(shí)，水冷壁壁溫升高，但仍然有一定的計(jì)算余量，水冷壁整體安全可靠。

另外，在鍋爐負(fù)荷變化較快或低負(fù)荷運(yùn)行爐內(nèi)輸入熱量不均勻時(shí)，水冷壁管間正流量響應(yīng)的自補(bǔ)償特性不足以補(bǔ)償煙氣側(cè)熱偏差帶來(lái)的影響，水冷壁的壁溫偏差加大，熱應(yīng)力較大的區(qū)域易發(fā)生水冷壁或扁鋼拉裂。1 000 MW 高效超超臨界W火焰鍋爐水冷壁除采用上、下集箱全混合結(jié)構(gòu)外，還可在局部易拉裂區(qū)域采用強(qiáng)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化剛性梁和水冷壁之間的滑動(dòng)設(shè)計(jì)、預(yù)設(shè)膨脹縫等措施，以降低水冷壁因偏差較大引起拉裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 鍋爐高溫腐蝕防治技術(shù)

我國(guó)無(wú)煙煤主要集中在云貴川地區(qū)，該區(qū)域無(wú)煙煤一般硫含量較高［9］。當(dāng)鍋爐參數(shù)從超臨界提升至高效超超臨界時(shí)，高溫級(jí)受熱面的高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)也將進(jìn)一步增大。

在燃高硫煤的受熱面高溫腐蝕研究方面，東方鍋爐與高校進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究［10］。根據(jù)已有研究成果，高溫級(jí)受熱面的高溫腐蝕速率主要與受熱面的金屬壁溫、受熱面上硫酸鹽的沉積、受熱面材質(zhì)Cr 含量等有關(guān)。目前國(guó)內(nèi)已有10 臺(tái)長(zhǎng)期燃用高硫煤的高效超超臨界鍋爐投運(yùn)，見表4，信源電廠設(shè)計(jì)煤為高硫貧煤、橫山電廠和雷龍灣電廠設(shè)計(jì)煤為陜北高硫煙煤。

表4 燃高硫煤的高效超超臨界鍋爐

為進(jìn)一步準(zhǔn)確掌握西南地區(qū)高硫無(wú)煙煤的高溫腐蝕數(shù)據(jù)，對(duì)西南地區(qū)高硫無(wú)煙煤的高溫腐蝕特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)煙氣環(huán)境為西南某燃高硫無(wú)煙煤電廠采集的煤灰（見表5）與含SO2煙氣的耦合，試驗(yàn)溫度分別為650 ℃、660 ℃、670 ℃、680 ℃、690 ℃、700 ℃，試驗(yàn)受熱面為高效超超臨界鍋爐高溫級(jí)受熱面已批量使用的SUPER304H 和HR3C材質(zhì)。

表5 高硫無(wú)煙煤煤灰成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

初步試驗(yàn)研究結(jié)果表明，SUPER304H 和HR3C材質(zhì)在貴州高硫無(wú)煙煤燃燒的環(huán)境中，在合理控制受熱面壁溫時(shí)，高溫腐蝕速率整體可控，同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，HR3C的抗腐蝕性能優(yōu)于SUPER304H。

在合理的受熱面選材基礎(chǔ)上，同時(shí)采用精準(zhǔn)壁溫偏差控制技術(shù)，降低高溫級(jí)受熱面偏差管壁溫，可降低1 000 MW 高效超超臨界W火焰鍋爐高溫受熱面的高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)［11］。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)1 000 MW 高效超超臨界W火焰鍋爐參數(shù)提升、容量放大帶來(lái)水冷壁水動(dòng)力安全問(wèn)題及高溫級(jí)受熱面的高溫腐蝕問(wèn)題進(jìn)行了針對(duì)性的研究，并提出應(yīng)對(duì)措施：

1 000 MW 高效超超臨界W火焰鍋爐水冷壁構(gòu)成雙拱爐膛，受熱面采用600 MW 級(jí)超臨界W 爐成熟的布置方式，尾部雙煙道擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫。

選取合適的內(nèi)螺紋管規(guī)格及水冷壁節(jié)距，控制下部水冷壁管內(nèi)質(zhì)量流速在低質(zhì)量流速范圍，上部水冷壁選用12Cr1MoVG 材質(zhì)，水冷壁最高壁溫仍在材質(zhì)允許使用溫度范圍內(nèi)，且有一定余量，水動(dòng)力整體安全可靠。

在合理控制受熱面壁溫時(shí)，SUPER304H 和HR3C材質(zhì)在貴州高硫無(wú)煙煤燃燒的環(huán)境中，腐蝕速率整體可控；在工程應(yīng)用中，可進(jìn)一步采取精準(zhǔn)壁溫控制技術(shù)以降低高溫級(jí)受熱面腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。