600MW 超超临界燃煤锅炉技术特点及调整控制特性分析.doc

2008.10 中国 南京 清洁高效燃煤发电技术协作网2008年会 1 600MW超超临界燃煤锅炉技术特点及调整控制特性分析 陈有福 江苏方天电力技术有限公司电力工程部，江苏南京 211102 摘 要超超临界发电技术的应用是提升我国发电装备技术和实现节能减排战略目标的重要途径。本文介绍了江苏阚山发电有限公司600MW级超超临界机组锅炉的设备概况及技术特点，分析和总结了该超超临界参数锅炉设备在投运、调整过程中的控制特性及出现的问题，对超超临界参数锅炉的实际应用提出了一些总结和建议，以此为同类型机组的调试和运行提供参考。 关键词超超临界；锅炉；特性；分析 调温挡板调温，在低温再热器入口管道上还设置有事故喷水减温器。锅炉整体布局见图1。 表1 锅炉主要设计及运行参数 名 称BRL 主蒸汽流量/th-1 主蒸汽压力/MPa 主蒸汽温度/℃ 蒸汽流量/th-1 再热器进口压力/MPa 再热器出口压力/MPa 再热器进口温度/℃ 再热器出口温度/℃ 给水温度/℃ 燃煤量/th-1 锅炉效率按低位发热值/ 0 引言 “超超临界燃煤发电技术”是国家“十五”高科技计划（863计划）项目之一，旨在推动我国发电行业的技术升级，实现节能环保的目标。作为其中的600MW级超超临界机组电站设计与运行技术研究的依托项目，江苏阚山发电有限公司一期2600MW机组是国内首批引进技术实现国产化的600MW级超超临界参数燃煤发电机组。机组最核心的锅炉部分是由哈尔滨锅炉厂有限责任公司制造的HG-1792/26.15-YM1超超临界参数变压运行直流锅炉。通过现场调试和运行的实践，获得了600MW超超临界参数锅炉投运及调整控制的宝贵经验，期间也发现了一些系统和设备上的技术问题，并有针对性的采取了一系列优化措施，从锅炉的角度确保超超临界发电机组运行更加安全、可靠和经济，以此能充分发挥超超临界发电机组的经济、节能、环保的综合效益。 1 锅炉设备简介 中国电力投资集团公司所属的江苏阚山发电有限公司一期2600MW超超临界燃煤发电机组的锅炉是由哈尔滨锅炉厂有限责任公司根据日本三菱重工业株式会社（Mitsuibishi Heavy Industries Co. Ltd）提供技术开发、制造的超超临界参数变压运行直流锅炉，采用П型布置、单炉膛、一次中间再热、平衡通风、固态干排渣、半露天布置方式、设计煤种为烟煤。燃烧系统采用CUF墙式逆时针切圆燃烧方式及MACT燃烧技术，配PM型燃烧器；制粉系统采用正压直吹式制粉系统配6台HP型中速磨煤机，BMCR工况下5台运行1台备用；炉膛受热面采用内螺纹管垂直上升膜式水冷壁；锅炉启动系统采用了带炉水循环泵（BCP）的内置式汽水分离器的启动系统；主蒸汽调温方式以煤水比为主，同时设置三级喷水减温器，减温水取自省煤器出口管道；再热蒸汽主要采用尾部竖井分隔烟道October 2008 Nanjing, China 图1 锅炉整体布置示意图 2008 Annual Meeting of Clean Effcient Coal Power Generation Technology Network 清洁高效燃煤发电技术协作网2008年会 2008.10 中国 南京 2 锅炉技术特点及分析 2.1 锅炉启动系统 该锅炉的启动系统采用了带炉水循环泵（BCP）的内置式汽水分离器的启动系统，以此实现在机组启动过程中汽水工质的回收。锅炉在承担基本负荷的同时具有一定调峰性能，采用炉水循环泵系统的启动系统具有热损失小、启动时间短等特点；缺点是系统复杂，投资运行费用较高。 图2 PM燃烧器原理图 （4）该超超临界锅炉原设计中的启动顺序为先启动点火油枪，再启动最上层的F层煤粉燃烧器，之后按从上往下的顺序启动制粉系统。在实际应用中按电厂要求对A层燃烧器进行了改造，将燃烧器淡相喷嘴封堵，同时在其浓相喷嘴中加装了等离子点火装置，以此减少锅炉在启动过程中的燃油消耗量。经过此项改造易导致锅炉升温升压过程中由于火焰中心位置偏低，下水冷壁出口受热面壁温超温；加剧转直流过程中相邻下水冷壁管壁温偏差加大；另外由于等离子燃烧器喷嘴距离下层二次辅助风间距加大，容易导致锅炉启动初期运行A制粉系统时，下层二次辅助风的托粉效果降低，降低锅炉启动阶段的效率；同时在机组极热态启动阶段参数难以达到要求，造成启动时间延长，增加了机组的热损失，降低了启动阶段的效率； 这样燃烧器就为低NOX的PM型并配有MACT型分级送风系统，把整个炉膛沿高度分成3个燃烧区域（见图3），即下部为主燃烧区，中部为还原区，上部为燃尽。 2.2 炉膛受热面 （1）采用U型三叉管节流孔圈。将水冷壁入口的控制流量的节流孔圈由传统的装在水冷壁下集箱内改为装在水冷壁集箱的出口管接头上，以便于在运行和调试过程中更换节流孔圈，也可以大大减少节流孔圈数量，同时由于增加了装节流孔圈的管段直径，因此也提高流量调节的幅度。 （2）上下水冷壁采用内螺纹管垂直上升膜式水冷壁，中间采用能降低水冷壁出口壁温差混合集箱连接。其中，内螺纹管的采用有利于防止亚临界低干度区发生DNB（膜态沸腾）和控制近临界高干度区发生DRO（干涸）时壁温上升的幅度，此外还可以采用较低的质量流速以达到降低水冷壁阻力的目的。垂直管圈水冷壁且具有阻力小、结构简单、水冷壁在各种工况下的热应力较小，良好的变压、调峰和再启动性能。 2.3 燃烧器及燃烧方式 （1）燃烧器采用CUF墙式切圆燃烧。燃烧器安装于各墙延逆时针方向第275～321号水冷壁管间。相对于四角切圆燃烧，墙式切圆燃烧能使炉膛出口烟温偏差大大降低，有利于锅炉安全运行；燃烧器出口具有较大的空间,气流不易受到水冷壁的影响造成贴墙,从而有利于防止水冷壁的结焦；炉膛内温度场相对更加均匀，并且温度水平适中，能有效降低NOx的排放,同时使锅炉水动力更加可靠；能最大限度地合理利用炉膛断面空间。有利于充分燃烧,降低未燃烬损失。 （2）燃烧器采用PM煤粉喷口，风粉混合物通过入口分离器分成浓淡二股分别通过浓相和淡相二只喷嘴进入炉膛，由图2可以看出浓相煤粉浓度高，所需着火热量少，利于着火和稳燃；由淡相补充后期所需的空气，利于煤粉的燃尽，同时浓淡燃烧均偏离了NOx生成量高的化学当量燃烧区，大大降低了NOx生成量。PM燃烧器由于将每层煤粉喷嘴分开成上下二组，增加了燃烧器区域高度，降低了燃烧器区域壁面热负荷，有利于防止高热负荷区结焦。 （3）燃烧器采用三菱MACT燃烧技术，拉开式四层附加风室且角式布置，也就是既有垂直分级又有水平分级燃烧达到降低炉内温度水平，大大降低炉内NOx的生成量。 2008 Annual Meeting of Clean Effcient Coal Power Generation Technology Network 图3 MACT燃烧技术原理图 2.4 锅炉受热面材料 由于该超超临界参数锅炉的主蒸汽温度和再热汽温度分别为605℃和603 ℃，在这样高的温度下，高温过热器和再热器管道的最高壁温可达到640～650℃，除了要求其材质有很好的热强性外，管道内壁的蒸汽氧化和外壁的烟气高温腐蚀问题也不能忽视，必须采用热强性高、抗蒸汽氧化和烟侧高温腐蚀的新型高铬奥氏体钢，该超超临界锅炉的屏式过热器和末级过热器的蛇形管（炉内部分）均由超级304H和HR3C组成，前者为含铜达3的细晶粒奥氏体钢，即18Cr10Ni3Cu，后者为含铬达25、含镍达20并含有少量铌的高铬奥氏体钢，即25Cr20NiNb。这两种 October 2008 Nanjing, China 2008.10 中国 南京 清洁高效燃煤发电技术协作网2008年会 3 钢材在日本的蒸汽温度达600 ℃等级的超超临界锅炉已广泛采用。 在锅炉再热器出口集箱和导管钢材方面采用P92 材料，这种钢材具有高的热强性、良好的抗烟气腐蚀能力和工艺性（即焊接性能）。 3 运行调整控制特性及分析 3.1 锅炉燃烧配风特性 （1）由于炉膛和燃烧器高度均较高，二次风的配比对锅炉NOX的形成和下水冷壁出口壁温有较大影响。控制主燃烧区的燃料与空气比为0.8～0.9，提高OFA供风，适当加大附加风的开度，能大幅度降低NOX的排放量，抬高炉膛火焰中心和均匀分布燃烧区域炉膛截面的热负荷，从而降低下水冷壁出口温度。另外由于附加风消旋作用，其比例的增加能有效降低炉膛出口烟温偏差。 （2）由于采用CUF墙式切圆燃烧器，燃烧器出口的距离将减小，所以选择适当煤粉燃烧器的周界风，对炉内燃烧优化的效果至关重要，过大的周界风将包裹住一次风粉，使其对下游燃烧器的冲击加大，导致下游燃烧器容易偏 斜；如果周界风风量太小，不利于提高燃烧器喷口的刚性。 图5 转直流后中间集箱入口水冷壁壁温 且在启动阶段压力低，蒸发区段内蒸汽和水的比容差甚大，而水冷壁入口水的比容则变化甚微，导致节流孔圈阻力在回路总阻力中的比例显著下降，从而使各水冷壁管间的流量偏差和温度偏差显著增大，这样容易在锅炉转直流阶段下水冷壁受热面管壁超温并加大管壁壁温偏差，通过图4和图5的比较可以看出在锅炉转直流后，尤其在两个壁温较高区域相邻水冷壁管壁温差要大于额定负荷工况。为了降低锅炉转直流时下水冷壁管壁温与降低相邻水冷壁管壁温度偏差，可以在锅炉转转直流阶段加速增加燃料量和给水流量，把锅炉快速从湿态转换为直流状态，从图4和图5中可以看出，各水冷壁管壁温均能控制在正常范围之内，各相邻水冷壁管壁温差也能满足要求（MHI对内螺纹管垂直水冷壁在启动/低负荷阶段（即从点火到最小直流负荷期间）的管间最大温差≯150℃，其它阶段管间最大温差≯35℃）。 3.2 下水冷壁壁温特性 （1）沿炉内切圆方向，运行调整中发现在燃烧器上游附近的水冷壁容易出现最低温度点，而由于燃烧器上游来的气流吹扫，燃烧器火焰将要向下游偏斜，这样就容易引起在燃烧器上下游管壁温差最大，但由于炉膛热负荷更加均匀，各角水冷壁也不存在由于绕开燃烧器而引起部分角上水冷壁吸热量降低的现象，能有效地提高各角水冷壁的吸热量。 （2）运行调整中同时发现锅炉在转直流区域附近，下水冷壁受热面出口壁温容易超温，相邻管排之间温差增大。这是由于机组原设计启动顺序为从上往下启动各制粉系统，炉膛火焰位置相对较高，而实际运行中，为了充分利用等离子无油点火的优势，锅炉启动均是先启动A制粉系统系统，然后从下往上启动各制粉系统，这样炉膛火焰中心位置明显要比设计低，导致下水冷壁吸热量增加。 3.3 锅炉启动特性 如果采用等离子A制粉系统进行点火升温升压，将比设计从上往下启动制粉系统的顺序中炉膛火焰中心位置大幅度下降，由于煤粉燃烧火焰比较长，在水平烟道的对流放热量也增加，这有利于机组冷态、温态启动时锅炉参数的控制，然而这将导致机组极热态启动时锅炉升温速度比较慢，从锅炉点火到满足汽机冲转往往需要一个半小时（见图6），这将大大增加机组极热态启动时的时间与成本； 图4 600MW负荷时中间集箱入口水冷壁壁温 图6 机组极热态启动过程中锅炉主参数曲线 October 2008 Nanjing, China 2008 Annual Meeting of Clean Effcient Coal Power Generation Technology Network 清洁高效燃煤发电技术协作网2008年会 2008.10 中国 南京 3.4 低负荷燃烧稳定性 锅炉运行及调整中发现，墙式切圆燃烧将燃烧器从热负荷最低的四角区域移至热负荷较高的四墙区域，这将使煤粉射流离开喷口后可获得更多的辐射传热。此外，墙侧区域温度水平高于四角烟气，因此，煤粉射流通过卷吸更高温度烟气获得的对流传热也必然提高；浓燃烧器的着火点也能得到降低。所以燃烧器喷嘴出口处形成燃料着火有利区，可使煤粉气流着火及时，燃烧稳定。该锅炉设计最低断油稳燃负荷为30％额定负荷，试运期间曾运行3台磨煤机，采用滑压运行方式，投粉而不投油稳燃负荷在220MW能连续稳定运行，炉膛燃烧稳定，炉膛负压无明显波动，汽温汽压正常。由于试运期间燃煤煤质较差，如果燃煤按设计煤种来进行低负荷稳燃试验，锅炉尚有继续降低负荷稳定燃烧的潜力。 4 结论 （1）该超超临界参数锅炉的运行特性表明合理的组织炉内燃烧，能有利于锅炉在启动过程中顺利转入直流阶段，保证锅炉升温升压过程中平稳运行，水冷壁壁温的偏差能得到有效控制，负荷调整及汽温调节灵活，对燃煤热值变化的适应性强。 （2）相比于设计启动顺序，先启动带等离子的A制粉系统，锅炉极热态启动时间长，而且由于底层二次风的托粉效果降低，这将降低锅炉启动效率。 （3）与目前国内超临界参数锅炉炉膛下部水冷壁多采用螺旋上升结构相比，该超超临界参数锅炉下部水冷壁采用的是垂直上升结构，在实际运行过程中发现，垂直水冷壁出口壁温偏差更大，对炉内燃烧技术要求更高。 （4）锅炉采用CUF墙式切圆燃烧和PM燃烧器喷口＋MACT燃烧技术，有利于锅炉着火和稳燃，充分利用炉膛断面空间，均匀分布炉内热负荷，防止结焦，降低NOx的排放。增加低负荷稳燃的能力。 （5）A层煤粉燃烧器经过改造后，试运期间发现锅炉启动阶段燃油能得到大幅度下降，甚至实现无油点火启动，但该改造方法也改变了锅炉启动特性、降低了锅炉启动效率和可靠性，尤其是对锅炉受热面吸热比例分配和机组极热态启动主参数的影响尤为突出，所以建议应对等离子点火装置安装位置进行更为深刻的探讨。 3.5 燃用煤种适用性 在机组调整试运期间由于煤质波动较大，带额定负荷时入炉煤量在230～300t/h间波动。当总煤量在300t/h时带额定负荷时，锅炉须运行六套制粉系统，锅炉调节余地较小，主、再热气温基本能达到设计工况；在总煤量在230t/h时带额定负荷时，锅炉只须运行上层五套制粉系统，这样能抬高锅炉火焰中心位置，降低下水冷壁出口壁温，并能适当增加减温水量，有利于锅炉安全稳定运行。 2008 Annual Meeting of Clean Effcient Coal Power Generation Technology Network October 2008 Nanjing, China