600MW超超临界锅炉设计探讨 电站系统工程 2007年1月.pdf

第 2 3卷第 l 期 2 0 0 7年 1月 电站系统工程 P o we r S y s t e m E n g i n e e r i n g Vl0 l _ 2 3 No ． 1 J a n ． ， 2 0 0 7 文章编号1 0 0 5 - 0 0 6 X 2 0 0 7 0 1 - 0 0 3 8 - 0 3 6 0 0 MW 超超临界锅炉设计探讨 哈尔滨锅炉厂有限责任公司 郝莉丽 摘 要阐述了中国首批6 0 0 M W超超临界燃煤锅炉的设计特点，并对所采用的蒸汽参数、 炉膛尺寸、 燃烧方式、 水冷壁设计、高热 强钢材、启动系统等作了探讨与分析 。 关键词超超临界锅炉；低 NO 燃烧；垂直管圈；金属材料；启动系统 中图分类号T K 2 2 9 ． 2 文献标识码B De s i g n o f 6 0 0 M W Ul t r a s u pe r e r i t i e a l Bo i l e r HAo LMi Ab s t r a c t T h e d e s i g n f e a t u r e s o f Ch i n a ’ S fir s t 6 0 0 MW c o a l - fi r e d u lt r a - s u p e r c r it i c a l u t i l i t y b o i l e r a r e i l l u s t r a t e d ． Di s c u s s i o n an d an a l y s i s are ma d e c o n c e r n i n g t h e s t e a m p aram e t e r s ， fir i n g me t h o d ， wa t e r wa l l d e s i g n ， h i g h h e a t r e s i s t a n t s t e e l ， s t a r t - u p s y s t e m， e t c ． Ke y wo r d s u l t r a s u p e r c r i t i c a l b o i l e r ； l o w NOx c o mb u s t i o n ； v e r t i c a l wa t e r wa l l ； me t a l ma t e r i a l ； s t a r t - u p s y s t e m 当前，世界燃煤火力发电技术已进入了超超临界时代， 其发展思路是采用先进蒸汽参数，提高电厂循环效率，以降 低发电成本和有害物质的排放。目前的主／ 再热蒸汽温度水 平已达到6 0 0℃，随着材料技术的发展，未来 1 0 2 0年间 将开发出蒸汽参数更高 3 0 3 5 MP a ，6 5 0 7 0 0℃的二 次再热机组，机组热效率向5 0 ％5 5 ％迈进。 中国政府高度重视超超临界发电技术的开发研究，已将 “ 超超临界燃煤发 电技术 ”列入国家 “ 8 6 3 计划 ” ，本文全面 介绍了中国首批6 0 0 MW超超临界燃 煤锅 炉的设计特点，并 对设计中采用的新技术进行探讨。 1 锅炉设计条件 本锅炉设计条件是与广东河源 电厂6 0 0 MW超超 临界燃 煤锅炉技术规范书中提出的技术要求和国际上及我国燃煤 电站的发展趋势一致的。 1 ． 1 设计煤种 设计煤种为安徽淮南烟煤，校核煤种 l为山西保德烟 煤， 校核煤种 2为晋北烟煤。表 l 列出了设计和校核煤种的 煤质特性。 由表 l 可见，安徽淮 南烟煤和 山西保德烟煤均是低钙 、 低钠、低硫、高灰熔点、高挥发分、易燃尽同时不易结渣的 动力用煤；而晋 北烟煤相 比之 下则极易结渣 。 1 ． 2 蒸汽参数 广东河源电厂 6 0 0 Mw机组选定锅炉出口蒸汽参数为 2 6 ． 1 5 MP a g ／ 6 0 5℃／ 6 0 3℃，对应汽机的入 I 1 参数为 2 6 MP aa ／ 6 0 0℃／ 6 0 0℃，锅炉给水温度 2 9 3℃。 广东河源电厂 6 0 0 Mw 超超临界机组的锅炉由哈锅与 三菱重工 MHI 联合设计与制造，汽机则由哈尔滨汽轮机 公司与三菱重工 MH I 联合设计与制造。 收稿日期 2 0 0 6 - 0 7 - 0 9 郝莉丽 1 9 7 4 一 。女．工程师。设计处 哈尔滨。1 5 0 0 4 6 表 l 煤质特性数据 l _ 3 运行方式和工况要求 1 机组承担基本负荷，但能参与调峰，采用定- 滑一 定 运行方式。 2 锅炉在燃用设计煤种时，不投油最低稳燃负荷为 3 5 ％ BM CR。 3 锅炉有 良好的启动特性和负荷变化适应性， 锅炉的 动态特性能满足机动性的要求。 4 本锅炉在 2 5 ％至 1 0 0 ％负荷范围内以纯直流方式运 行， 在 2 5 ％负荷 以下以带循环泵的再循环方式运行，启动系 统用 以保证启动的安全可靠性和经济性。 5 低 的 No x 排放 ，锅 炉出 I 1 NO 排 量不 超过 4 0 0 m g ／ N m 干烟气 6 ％0 2 。 2 锅炉设计 2 ． 1 炉型 锅炉采用超超临界参数，变压运行，垂直管圈水冷壁直 流炉、一次中间再热，再热汽调温采用尾部烟气挡板，锅炉 采用强化单切圆燃烧方式，平衡通风、固态排渣，全钢悬吊 构架，露天布置燃煤锅炉。锅炉设计参数如下 第 1 期 郝莉丽6 0 0 MW 超超临界锅炉设计探讨 3 9 蒸汽流量 主蒸汽流量 再热汽流量 蒸汽压力 过热器出 口 再热器入 口 再热器出 口 蒸汽温度 l 7 9 5 t ／ h BMCR ， 1 4 6 4 t ／ h BMCR ， l 6 3 3 t ／ h BRL l 3 3 9 t ／ h BRL 2 6 ． 1 5 MP a ． g BMCR 4 ． 8 3 MP a ．g BMCR ； 4 ． 5 9 MP a ．g BMCR 过热器出 口6 0 5 ℃ B MC R ； 再热器入 口3 5 0 ℃ B MC R 再热器出 口6 0 3 ℃ B MC R ； 给水温度 2 9 3 ℃ B MC R 。 锅炉热力参数如下炉膛容积热负荷 8 4 MW／ m ；炉膛 截面热负荷 4 ．6 MW／ m ；炉膛 出口烟温 9 7 0℃ ；屏底烟 温 1 3 0 0℃；锅炉 保证 效率 9 3 _ 3 2％ B I 。 2 ． 2 燃烧方式和炉膛尺寸 广东河源 电厂 6 0 0 MW 超超临 界锅炉采用了 MH I 墙 式 布置切 圆燃烧方式，它具有炉膛热负荷分布均匀 、温度偏 差 小、火焰和烟气流场稳定、煤种适应性强等优点。 本锅 炉炉膛断面尺 寸为 l 7 6 6 6 mm 宽 l 7 6 2 8 mm 深 ，炉膛全 高为 6 3 _ 3 m，炉膛截面热负荷为 4 ． 6 MW／ m ， 炉膛容积热负荷为 8 4 MW／ m ， 这些数据均低于 MHI 已投运 的数 台 6 0 0 MW 燃煤超超临界锅炉 的数据， 符合规范书的规 定。 炉膛的高度基本上取 决于 炉膛 出口烟温和保证煤粉的燃 尽 ，根据经验和规范书的要求，对于灰熔点低、易结渣的设 计和核煤煤种 ，其炉膛 出 口烟温为 9 7 0 ℃，比灰分软化 温 度低 l 5 0℃以上 。综上所述，炉膛 的设计较为保守，可以确 保在炉膛 内和对流受热面不结渣 ，安全运行 。 2 ． 3 燃烧系统 燃烧系统设计的主要任 务是 良好 的燃 尽、 低 负荷稳燃、 低 N0 排放和防止结渣 。 根据这些要求， 广东河源 电厂 6 0 0 MW 超超临界锅炉采 用了 MH I 的 P M 型燃烧器和 MAC T燃烧 系统 ，P M 型的燃 烧器见图 l ，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 NO 生成量高的化学当量燃烧区 ，大大降低了 NO 生成量， 与传统 的切 向燃烧器相 比，NO 生成量可显著降低 。P M 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 。 u x葫 F o e l R ’ H 黔 I C0 懈j F 0 d L 垂 i n F { a ∞ “ 蚋i t s ub i s h { P斟 80 舯 s i d e v 图 l P M 燃烧器简图 l } 翟 鎏 0 } 妇； ～ 4 ∞ 7 P棚 站 Ra l 雌 c 图 2 P M 燃烧器 NO 生成量示意图 MAC T燃烧系统， 就是在 P M 主燃烧器上方一定高度增 设二层AA风 附加风喷嘴达到分级燃烧目的，这样整个 炉膛沿高度分成 3个燃烧区域，即下部为主燃烧区 ，中部为 还原区， 上部为燃 尽区， 这种 MA C T分级燃烧 系统可使 N O 生成量减少 2 5 ％。 河源工程每炉配 6台H P 1 0 0 3型中速磨煤机， B MC R和 B R L时投运 5台，一台备用。 、 锅炉不投油最低稳燃负荷为 3 5 ％ B MC R，锅炉点火和 助燃采用轻柴油 ，油燃烧器的总输 入热量按 3 0 ％ B MC R， 油枪采用机械雾化式 。 2 ． 4 炉膛水冷壁 6 0 0 MW 超超临界锅炉采用 了 MHI 开发的世界上最先 进的垂直管圈水冷壁 ，膜式水冷壁 采用 l 5 C r Mo G四头内螺 纹管焊成，与螺旋管 圈相 比，垂直型水冷壁的主要优 点为 结构简单、便于安装；不需用复杂的张力板结构，启动或负 荷变化时热应力较小 ； 较好的 正向流动特性，在各种工 况下 保证水动力的稳定性 ；阻力较小 ，比螺旋管圈水冷壁少 1 ／ 3 ； 不易结渣。 在传统的一次上升垂直水冷壁的基础上 ， 本工程中又加 装了带有二级分配器的水冷壁中间集箱， 以降低水冷壁出口 沿炉膛周界的工质温度偏差。根据 MH I的经验，加装了带 有二级混合器的水冷壁中间集箱后， 水冷壁出口温度偏差可 减少 1 ／ 3以上。 超超临界垂直管圈水冷壁与螺旋管圈水冷壁比较， 具有 正向流动特性， 因此锅炉水冷壁管中的流量分配与其吸热量 是匹配的。与螺旋管 圈水冷壁管 内质量流速相 比，由于垂直 管圈水冷壁管采用较低的管内的质量流速， 因此水冷壁管内 水的流速较低，沿程 阻力与螺旋管 圈水冷壁相比较小 ， 在整 个上升水冷壁管的阻力之中净位压头占主导地位， 因此垂直 管圈水冷壁中的流量分配是正的流量特性， 能与管子的吸热 量很好的匹配，使水冷壁管得壁温更加均匀。 另一项重大改进是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，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 。 为增加水冷壁入口节流孔圈的节流程度，将两根 4 2 8 的水冷壁管合并成为一根 4 3 8的管子，然后再由两根 4 3 8 电站系统工程 2 0 0 7年第 2 3卷 的管子合并为一根 4 2的管子，在较粗的管子上面加装较 大的节流孔圈可以起到较好的节流效果。 同时内螺纹管的采 用又进一步提高了水冷壁的可靠性，由于滑压运行的超超临 界锅炉的运行中要经历启动阶段的再循环模式、 亚临界和近 临界的直流运行和超临界直流等 3个阶段， 内螺纹管的采用 有利于防止亚临界低干度区发生 D N B 膜态沸腾和控制 近临界高干度区发生 D R O 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目的， 近年来 ， 内螺纹管在超 临界和超超临界锅炉上 已被各公司广 泛采用。 对于垂直管圈水冷壁的设计一般按相邻两管出口温差 1 3 0 ℃来计算 3 0年使用寿命，但在水冷壁入 口节流孔圈经 过调试后，水冷壁出口相邻两管的出口温度保证控制在 3 0 ℃ 以内，因此水冷壁的运行是安全的 。 2 ． 5 承压部件钢材 超超临界技术的发展是建立在材料技术进步的基础上， 提高主蒸汽参数特别是温度时主要受影响的承压部件为炉 膛水冷壁、高温过热器和高温再热器这些部件。 水冷壁管材 主要决定于所选用的水冷壁出口温度 ， 由于 本锅炉水冷壁出口温度较低 4 3 l ℃因此仍可采用低铬的 1 5 C r Mo G 管子，这种膜式水冷壁管屏不需作整屏焊后热处 理，现场安装对接焊口也不需要焊后热处理。 由于本锅炉 的主 汽温度和 再热汽温度分别 为 6 0 5℃和 6 0 3℃，在这样高的温度下，高温过热器和再热器管的最高 壁温可达到 6 4 0 6 5 0℃， 除了要求钢材有很好的热强性外， 管子内壁 的蒸汽氧化和外壁的高温腐蚀 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。本锅炉的三级过热器 屏式过热器和四级过热器 的蛇形管 炉内部分均由超级 3 0 4 H A S ME C o d e C a s e 2 3 2 8 和 HR 3 C AS ME C o d e C a s e 2 1 l 5 组成，前者 为含 铜达 3 ％的细晶粒奥氏体钢 ， 即 l 8 C r l 0 Ni 3 C u ，后者为含铬 达 2 5 ％含 镍 达 2 0 ％并 含 有 少 量铌 的 高 铬 奥 氏体 钢 ，即 2 5 C r 2 0 Ni N b 。这两种钢材在日本的蒸汽温度达 6 0 0℃等级 的超超临界锅炉已广泛采用。 三菱公司已在三隅等 7台超超 临界锅炉中采用，并已取得了良好的运行业绩。 在高温的集箱和导管钢材方面仍采用传统的 9 C r I Mo ， 即 S A - 3 3 5 P 9 1 ，这种钢材具有高的热强性和良好的工艺性 即焊接性能 。 在锅炉过热器出口由于蒸汽温度已达到6 0 0 ℃，同时考虑蒸汽温度偏差，最高蒸汽温度约为 6 1 5℃左 右，在此温度下采用P 9 1 集箱的壁厚将达到 1 4 0 mm，而且 其抗高温氧化的能力也大大下降， 考虑以上因素后，锅炉过 热器出口集箱材料采用含 C r 量达 1 2 ％的 P 9 2 ，解决了高温 氧化 的问题 。 2 ． 6 锅炉启动系统 通过对 3种内置式启动系统的比较， 我们认为虽然带循 环泵的启动系统初投资大，但启动过程中能回收工质及热 量，因此采用了经济性最好的带循环泵的内置式启动系统。 由于水冷 壁系统 的出口温度即分离器 的入 口温度为 4 3 4 ℃，因此分离器和贮水箱均由 S A 3 3 5 - P I 2制成，它们是除 过热器出口集箱外的仅有厚壁元件， 每台锅炉配备 2台汽水 分离器和一只分离器贮水箱。 为 了尽可能减少启动期问工质 热损 失， 由分 离器贮水箱 底部引出的疏水总管的 3根通往疏水扩容器的支管上各装 一 只大直径的分离器疏水 水位调节阀和节流孔板，在启 动初期包括冷态清冼、 汽水膨胀和热态清洗期间，只要水质 合格就将这些扩容后的疏水全部送往冷凝器回收， 若水质不 合格，则排向废水集水槽不予回收。 由于装设了上述大直径疏水调节阀， 当再循环泵事故解 列时，锅炉也能完成正常的启动，前提是必须装一只容量足 够 的大气式疏水扩 容器 ， 这是 由于冷凝器接收分离器疏水的 数量所限制的。 由于锅炉的最低直流负荷为 2 5 ％ B MC R，再循环泵的 设计流量也按 2 5 ％ B MC R，但在启动过程中再循环泵的最 大实际流量也只有 2 0 ％ B MC R，其原因是在启动过程初期 锅炉给水泵始终保持着 5 ％B MC R的最小给水量， 而整个启 动过程中水冷壁系统始终保持2 5 ％ B MC R的流量不变。采 用再循环泵后可以大大减少启动初期的工质及热量的损失。 启动初期各部件流量见图 3 。 B F P U 娜 s 点火 I 岔 永豪启动 3 结束语 s I 髓m S 1 m 同 涉 汽⋯ 图 3 启动初期各部件流量 2 s 、 3 0 嚆L o a d 獭I卜唧 ， 湿度 汗意 国际上 6 0 0 Mw 容量等级超超临界燃煤发电机组已是 成熟技术， 机组可用率已达到传统的超临界机组的水平。 面 对中国对电力的迫切需要和发电行业的激烈竞争以及 日益 严格的环保要求， 中国已经出现对大容量超超临界机组的市 场要求 。 三菱重工所提供的技术支持和所采用的各项先进技术 将和我公司已有的雄厚的设计和制造方面的能力相结合， 我 们深信作为 中国首批 6 0 0 MW 等级超超 临界锅炉的河源 电 厂锅炉将代表当前国际上最先进水平的超超临界燃煤锅炉 技术，在大幅度提高中国的火力发电的经济性、 可靠性和改 善环保方面将作出重大贡献。 口 编辑闻 彰