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    29－600WM超超临界机组锅炉设备设计选型分析－92

    时间：2021-08-12 00:18:38 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人 蒲公英阅读网手机站

    相关热词搜索：选型 机组 锅炉

    　600WM 超超临界机组锅炉设备 设计选型的分析 袁 德、李振中、王 元 (中国电力投资集团公司)

    　 摘

    　要：本文从我国电力进展的需要阐述了在我国进展超超临界锅炉的必要性。并以中国电力投资集团公司阚山电厂 2×600MW 超超临界机组锅炉设备为例，对设计选型从锅炉蒸汽参数、燃烧系统、受热面材料、运行特性等几个方面进行分析比较，最终得出结论。

    　关键词：超超临界机组 锅炉 设计选型 1

    　前言

    　随着我国国民经济的快速进展，我国发电设备的装机容量正以较快的速度在逐年递增。我国发电设备结构中，火电机组目前仍占 75%左右，而火电机组中绝大部分为燃煤机组，这种趋势将持续相当长时间。这就对环境疼惜提出了较高要求。为满足工业和将来能量相协调,很多国家正在进展高效率、低释放量和低消费技术。超超临界锅炉能够节省一次能源，增加疼惜环境，削减有害气体的排放，降低地球的温室效应。超超临界火电技术经过几十年的进展，目前已是世界上先进、成熟和达到商业化规模应用的洁净煤发电技术。超超临界燃煤发电技术不仅在技术上具有先进性、成熟性，在经济上具有良好的效益，而且也有较好的环境效益，是一种在国际上成熟的高效、低污染的燃煤发电技术，在我国具有宽敞的进展前景。我国对超超临界锅炉的设计、制造、安装、运行技术和力气在不断进展和完善。目前我国已经开头建设 100MW 等级的超超临界机组。但是，600MW 等级的超超临界机组目前还没有示范工程，而 600MW 机组是我国近期进展主力机组，因此争辩我国 600MW 等级的超超临界机组锅炉的设备选型和结构优化有格外重要的意义。徐州阚山电厂建设的 2600MW 超超临界机组是我国目前第一台 600MW 等级的超超临界机组，其参数高、锅炉配有脱硫脱硝装置，环保性能好。

    　W 2

    　600MW 超超临界机组锅炉的设备技术方案分析

    　以拟在徐州阚山电厂建设的 2600MW 超超临界机组锅炉为例，锅炉的设备技术方案可以分为三种。

    　A 方案选定三菱重工株式会社（MHI）作为徐州阚山电厂 2600MW 超超临界机组技术支持方。MHI 是全球出名的发电设备和重型机械制造公司之一，在开发超临界和超超临界技术方面走在世界的前列，到目前为止已投运的容量大于 500MW 的超临界和超超临界锅炉已达60 台，其中接受螺旋管圈水冷壁的变压运行超临界锅炉为 21 台，接受新型的垂直管圈水冷壁的变压超临界锅炉和超超临界锅炉已投运 12 台。接受内螺纹管垂直管圈、变压运行的超超临界锅炉在技术上代表了当前高效超临界锅炉的最新水平。到 2003 年，MHI 已生产了 68 台超临界锅炉和超超临界锅炉，其中 500MW 以上的锅炉为 59 台，而 1000MW 的超临界和超超临界锅炉共有 7 台；如以运行方式分类，则 32 台为定压运行，36 台为变压运行；如从蒸汽参数上看，超超临界锅炉共有 9 台，其中 2 台为 31MPa，566/566/566℃二次再热，其余均为一次

    　再热，蒸汽压力为 24.1~24.5MPa，蒸汽温度为 566/593℃，593/593℃直至 600/600℃。MHI 是目前世界上生产超临界和超超临界锅炉最多和最大的火力发电设备制造商。

    　B 方案是选定巴布科克-日立公司（BHK）作为技术支持方，全面进行产品的技术设计、制造技术等方面的工作，各项工作都在有序的进行之中。BHK 公司在超临界本生直流锅炉方面具有世界一流的技术和良好的业绩。BHK 自 60 年月起就在争辩超临界直流炉的技术，对于进展大容量高参数锅炉，BHK 在格外重视煤粉燃烧技术、烟气脱硫、脱硝技术开发的同时，还格外重视耐热新钢种的研制与使用。到现在已销售约 13 台 500MW 及以下的亚临界压力本生炉和 21 台 600MW 及以上容量的超临界压力本生型直流锅炉，自 90 年月以来 600MW 及以上容量的 13 台超临界压力锅炉全部都是按变压运行带中间负荷调峰、低污染排放设计的本生直流炉，其中燃煤炉 12 台。BHK 的超临界本生直流炉上以下特点：

    　① 高的牢靠性、制造精良、利用率高 ② 性能优异 a.参数高，效率高；b.环保措施好 ③ 降低成本，大模块化组合率。

    　C 方案位引进美国阿尔斯通能源公司（ALSTOM Power Inc.,USA）的超临界技术。ALSTOM公司是世界出名的发电设备供货商之一。在全球已安装的发电设备中，接受 ALSTOM 锅炉技术的市场份额高达 40%以上。ALSTOM 直接供应的设备几乎占 20%，总装机容量为 650,000MW，其中锅炉设备超过 400,000MWe，煤粉锅炉超过 270,000MWe。ALSTOM Power., Inc.在超临界技术领域始终处于领先地位，全球范围内供应的超临界锅炉超过 60,000MW，其技术受让方（包括日本三菱）运用 ALSTOM 的技术供应的超临界锅炉超过 40,000MW。ALSTOM 的超临界技术先进、牢靠，使电厂的运行效率更高，运行成本更低，同时也更能满足环保要求锅也曾做过多种技术引进方案。

    　3

    　三个方案的锅炉总体布置的比较分析

    　3.1 蒸汽参数

    　从超超临界机组来看，由于蒸汽参数的提高，对锅炉的寿命和运行牢靠性影响很大。蒸汽温度应当说不会对机组的国产化比例产生很大的影响，但对于锅炉的制造成本却有确定的影响，特殊是蒸汽初温。高效超临界机组的蒸汽温度大幅度提高，从锅炉高温级过热器和再热器管运行的牢靠性看，除要求管材具有高热强度外，必需考虑由此引起的烟气侧高温腐蚀和管子内壁的蒸汽氧化问题。当蒸汽温度达到 600 o C，末级过热器和再热器最高壁温可达到650 o C 以上，此时管子烟气侧的高温腐蚀和汽侧的蒸汽氧化问题将更为显著，另外当金属壁温超过 625 o C 时，TP347HFG 钢的许用应力急剧下降，管子壁厚将显著增加，导致产生较高的热应力，增加了制造工艺的难度。期望将高温的受热面布置尽量在烟气温度较低的区域、屏式过热器也尽量处在较低的温度区域。表 1 是三个方案的末过、末再设计温度的比较数据。

    　表 1

    　 三个方案的末过、末再设计温度的比较数据 技术方案 A B C 末过材料允许壁温o C

    　670 667 655 末过最高计算壁温o C

    　645 648 650.6 温差o C

    　25 19 4.9

    　抗氧化温度o C

    　>700

    　704 末过外壁温度o C

    　660

    　657.8 温差o C

    　>40

    　46.2 末再材料允许壁温o C

    　670 688 665 末再最高计算壁温o C

    　646 668 658.9 温差o C

    　24 20 6.1 抗氧化温度o C

    　>700

    　704 末再外壁温度o C

    　649

    　666.7 温差o C

    　>51

    　37.3 三个方案末过热器、末再热器使用的材料相同，按高温强度计算的温度裕度 A 方案末过热器 25 o C、末再热器 24 o C；B 方案末过热器 19 o C、末再热器 20 o C；C 方案末过热器 4.9 o C、末再热器 6.1 o C。按抗氧化计算的温度裕度 A 方案末过热器 40 o C、末再热器 51 o C；B 方案末过热器 46.2 o C、末再热器 37.3 o C。相对而言，温度裕度大对延长锅炉的使用寿命和平安运行会更有保障。

    　表 2

    　 屏式过热器底处烟温 技术方案 A B C 屏式过热器底处烟温（ o C）

    　1310 1357 1392 表 3

    　热负荷的比较

    　 技术方案 A B C 容积热负荷（kJ/m 3 ）

    　84 84.2 87.1 断面热负荷(kJ/m 2 ) 4.6 4.7 4.75 燃烧区域面积热负荷（kJ/m 2 ）

    　1.387 1.719 1.78 表 4

    　炉膛尺寸比较 技术方案 A B C 炉膛高度(m) 65.03 64.104 62 炉膛截面积(m 2 ) 312 333 343 综合上述条件，从受热面布置的平安裕度和受热面寿命角度看，A 方案的布置形式最好，C 方案次之，B 方案第三。

    　3.2 燃烧系统

    　A 方案燃烧系统选用中速磨直吹制粉系统，燃烧方式接受无分隔墙的八角双火焰切圆燃烧方式全摇摆式燃烧器，共设六层三菱低 NOx A-PM 一次风喷口，三层油风室，一层燃烬风室、十层挂念风室和四层附加风室（Addition Air）。双切圆布置的直流燃烧器喷嘴的使用寿命不低于 60000 小时。该燃烧方式的特点是：将整个炉膛作为二个大燃烧器组织燃烧，因此对每只燃烧器的风量、粉量的把握不太严格，操作简洁；锅炉负荷变化时，燃烧器按层切换，使炉膛各水平截面热负荷分布均匀，水循环平安牢靠；切园燃烧方式对煤种适应性强，适应煤种的变化；由于炉膛内气流旋转猛烈，与煤粉颗粒混合好，且延长了煤粉颗粒在炉内流淌路程，

    　有利于煤粉的燃烬；相对于墙式、对冲燃烧方式，具有 NOx 排放低，不易结焦，燃烧效率高等特点。

    　八角切向燃烧的特点：

    　1、将整个炉膛作为二个大燃烧器组织燃烧，因此对每只燃烧器的风量、粉量的把握简洁。

    　2、锅炉负荷变化时，燃烧器按层切换，使炉膛各水平截面热负荷分布均匀。

    　3、对煤种适应性强。

    　4、由于炉膛内气流旋转猛烈，与煤粉颗粒混合好，而且延长了煤粉颗粒在炉内流淌路程。

    　图 1

    　A 方案八角切向燃烧 B 方案供应的墙式燃烧系统接受前后墙对冲燃烧，燃烧器接受新型的 HT－NR3 低 NOx燃烧器。前后墙对冲燃烧方式，可确保沿炉膛左右两侧有均衡的燃烧性能。

    　在削减炉膛出口左右两侧烟温偏差方面，前后墙对冲燃烧方式具有明显的优势。

    　Babcock-Hitachi K.K.的 HT－NR 燃烧器中，旋流燃烧器能够单独地把握火焰结构的优点被发挥得淋漓尽致，用于加速火焰内的 NOx 还原。在含有固有氮化物的煤中，这个还原方法是很有效的。由于煤中固有氮化物可快速转变成气相，使得这种化学反应过程更简洁。通过把握燃烧的进程，产生还原性媒介质与生成的 NO 反应化合，在火焰内完成了 NO 的还原。同时火焰被维持在一个高温下，使得它能够避开发生延迟燃烧。巴布科克-日立公司新的创新火焰稳燃环装在煤粉喷口的末端利用稳燃环实现快速点火和高火焰温度。

    　图 图 2 2

    　B B 方案前 前 后 墙 对 冲 燃 烧 方 式 C 方案接受从美国阿尔斯通能源公司引进的摇摆式四角切圆燃烧技术具有较强的煤种变化适应性,低负荷稳稳燃力气和较高的燃烧效率能有效地防止炉膛结渣,具有较强的把握烟温偏差力气.低 NO X 排放特性。切圆燃烧主要技术特点: 1. 着火稳定性强,燃料从喷嘴喷出，受上游高温烟气加热很快着火;四角射流相互碰撞加热形成燃烧稳定的旋转上升火焰;炉膛内整体猛烈的热量和质量交换保证了煤粉的着火稳定性;切圆燃烧可认为“整个炉膛是一个燃烧器”。

    　2. 燃烧效率高，燃料进入炉内沿动态切圆旋转上升—在炉内停留时间较长；火球的旋转使进入炉膛的煤粉和空气渐渐均匀地在整个炉膛中被彻底混合；各股射流组合成一个旋转火球—适应各股间风量支配的不均匀性。

    　3. 防止结渣性能好，切圆燃烧圆柱型旋转上升的“火球”居于炉膛中部；炉膛布满度好；燃烧热力偏差影响较小；对水冷壁放热较均匀；烟气的尖峰热流及平均温度较低。

    　4. 水冷壁牢靠性高，沿炉膛高度的任何断面水冷壁的吸热曲线都是相像的；同一断面上四周墙的吸热曲线都是全都的；吸热曲线的分布特征与燃料层的投运层数及锅炉负荷无关；水循环的计算能得到优化；水冷壁节流圈设计精确。

    　 Flow 图 2

    　烟 气 热 流 流

    　水 冷 壁 出 口 介 介

    　质 温 度 度

    　烟 气 温 度 度. .

    　Flow

    　 图 3

    　C 方案煤粉燃烧器布置图 在中国，四角切圆方式有较好的运行阅历和继承性；墙式切圆方式是在角式切圆方式上进展起来的燃烧方式，在国外有运行业绩。另外，三个方案都接受了分级燃烧方式，较好地把握了 NOx 排放。

    　3.3 受热面材质

    　影响超临界锅炉进展的一个关键因素是材料问题。对于超临界锅炉的难度主要在于：厚壁蒸汽联箱、过热器和水冷壁管束等的选材和制造工艺。能否解决超临界机组的材质问题，这是进展超临界机组的关键技术。对于超临界机组材质性能有如下要求:(1)高温强度高;(2)抗高温烟气氧化腐蚀;(3)抗高温汽水介质腐蚀;(4)良好的可焊性、工艺性。

    　目前使用的 13CrMo44、TPFG347H、P91 和 P92 材料已能完全满足锅炉的运行要求。现在已经有水冷壁材料 HCM12，更高质量的新材料的开发正在进行之中。新型高温材料的成功改进和开发已经促进了超临界机组和超超临界机组的新进展。最近 15~20 年新型铁素体-马氏体的 9%~12%Cr 钢研制开发成功，允许主蒸汽温度提高至 610℃，压力达到 30MPa。目前超临界机组和超超临界机组已是成熟高效的商业化的技术，其最大容量已做到了 1.30GW，最高效率达 47%，充分显示了超临界和超超临界技术的成熟性和推广前景。

    　各方案的主要受热面材质基本相同，但必需考虑使用条件。

    　表 5 锅炉受压件接受的主要材料 受热面管子材料及规格 位

    　 置 材

    　料 规

    　格 省煤器管 SA210C Φ50.8 螺旋水冷壁管 SA-213T2（内螺纹管）

    　Φ38.1 垂直水冷壁管 SA-213T12 SA-213T2 Φ31.8 / Φ70

    　顶棚管 SA-213T12 Φ63.5 / Φ57

    　SA-213T2

    　包墙管 SA-213T2 Φ38.1 / Φ45/ Φ54 低温过热器管 SA-213T22 Φ50.8 / Φ57 屏式过热器管

    　Super 304H HR3C Φ50.8 / Φ45

    　高温过热器管

    　Super 304H HR3C Φ50.8 / Φ45

    　低温再热器管

    　SA-213T22 SA-209T1a Φ50.8 / Φ57

    　高温再热器管

    　Super 304H / HR3C Φ50.8

    　 表 6

    　集箱及管道材料汇总

    　 表 7

    　 管子材料汇总

    　从各方案的材料使用状况来看，均有较高的平安余量,材料使用的裕度，A 方案最大，B方案次之，C 方案最小。在特殊管材方面，其用量 A 方案也远远超过其它两个方案，均有确定的优势。

    　3.4

    　运行特性

    　各方案均接受“定—滑—定”运行方式。过热器调温各方案均接受煤水比+喷水减温方式；A 方案接受三级喷水，其它两方案接受两级喷水。再热器调温各方案均接受烟道挡板+事故喷水方式；A 方案增加了摇摆燃烧器的手段，C 方案增加了调整过量空气系数手段。

    　3.5

    　总的性能指标

    　表 8

    　 各方案的主要性能指标 技术方案 A B C 锅炉效率(保证值) 93.6 93.7 ...

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