超臨界煤粉鍋爐設計開發范文

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《熱能動力工程雜志》2014年第三期

1整體方案的設計原則

1．1超臨界鍋爐水冷壁型式水冷壁的選型通常要考慮超溫爆管、管子溫度偏差、爐膛煙溫偏差、腐蝕磨損、介質流速、制造難度和安裝難度等。目前投運的超臨界直流鍋爐水冷壁主要有螺旋管圈水冷壁和垂直管圈水冷壁兩種形式，其結構示意如圖2所示。超臨界機組中鍋爐的水冷壁型式，除W火焰鍋爐外，大多在爐膛下部布置螺旋管圈，爐膛上部布置垂直管圈。螺旋管圈水冷壁具有溫度偏差小、抗干擾能力強、管子規格選取比較靈活等優點，但是這種結構的水冷壁系統支撐困難、制造成本高、制造精度要求高和安裝難度大;螺旋盤管有一定傾角，受加工及運輸尺寸的限制，現場對接焊縫的數量巨大，約為垂直管圈的4倍;由于采用高質量流速，爐膛水冷壁系統的壓降較大，增加了給水泵的電耗;水冷壁管螺旋傾斜上升，水冷壁燃燒器開孔等變得困難;水冷壁管螺旋管圈運行過程中熱應力較大［10］。相比之下，垂直管屏直流鍋爐具有結構簡單、安裝工作量小、流動阻力小和各種工況下熱應力較小等特點，因此在鍋爐大型化的進程中越來越受到人們的關注。質量流速對壓降影響的計算表明，當質量流速低于1200kg/(m2•s)時，垂直管圈水冷壁的摩擦壓降在總壓降中所占比例變得很小，而重位壓降所占比例增大，系統體現出具有汽包鍋爐的正流量響應特性，從而使水冷壁管內工質流量分配能夠自動與熱負荷分布相匹配，即熱負荷高的管子，內部工質流量相應增大，熱負荷低的管內工質流量相應減小。因此，在總流量不變的情況下，由于吸熱偏多而引起的出口溫度偏高的現象會有效得到抑制。這樣就大大降低了管屏對熱偏差的敏感度，使水冷壁出口溫度較均勻，從而保證了鍋爐的安全運行。同時，采用低質量流速的垂直管屏技術能簡化水冷壁的固定結構，降低給水泵電耗，因此鍋爐成本和發電機組的供電效率得到改善。通過對現有工程中幾種常見的超臨界鍋爐水冷壁布置型式的特點進行分析，在西門子低質量流速試驗研究結果的基礎上，將垂直水冷壁布置方式和低質量流率結合起來應用于超臨界機組鍋爐。這一方案能夠結合垂直水冷壁結構簡單和低質量流速工質自補償特性的優點，同時，取消節流孔圈，避免了水冷壁管及下集箱的復雜結構，并且消除了運行過程中孔圈結構堵塞造成管壁超溫的安全隱患。

1．2超臨界鍋爐燃燒方式直流燃燒器切圓燃燒和旋流燃燒器前后墻對沖燃燒是目前國內外應用最為廣泛的兩種超臨界煤粉鍋爐燃燒方式。切圓燃燒方式燃料適應性強，風粉混合均勻，我國煤種分布較廣，與切圓燃燒方式相適應，因此，我國設計制造的超臨界鍋爐有許多采用這種燃燒方式。然而切圓燃燒方式在爐膛上部，煙氣旋轉速度雖然較低，但仍然存在部分殘余旋轉，使煙氣速度場分布左右不對稱，從而導致爐膛出口以及水平煙道內的過熱器、再熱器對流傳熱不對稱，而此區域受到的爐內火焰輻射傳熱卻是內高外低的對稱輻射場，將對流傳熱與輻射傳熱簡單疊加，導致爐膛出口處過熱器、再熱器傳熱特性出現偏差，從而造成汽溫偏差甚至超溫爆管。雙切圓燃燒技術在一定程度上改善了不均勻問題，單爐膛內兩個切圓旋轉方向相反，將兩個相對獨立的燃燒系統對流熱偏差與整體火焰輻射內高外低的對稱輻射熱偏差合理互補，使過熱汽、再熱汽的溫度偏差問題得到改善［11］。對沖燃燒中旋流燃燒器沿前后墻均勻布置，因此沿爐膛寬度方向熱負荷均勻，爐膛出口及水平煙道的煙溫偏差很小且易控制，此為對沖燃燒爐的最大優點之一。實際運行情況表明，除一般認為直流燃燒器切圓燃燒方式NOx的生成量比旋流燃燒器前后墻對沖燃燒方式稍低外，在大容量煤粉爐的燃燒經濟性、結渣與高溫腐蝕特性、著火及低負荷穩燃特性等方面，旋流燃燒器前后墻對沖燃燒方式與直流燃燒器切圓燃燒方式并沒有明顯的優劣之分。本例鍋爐方案中，采用旋流燃燒器前后墻對沖布置，當然，也可以采用切圓燃燒。

1．3垂直管圈水冷壁的關鍵參數選取

1．3．1水冷壁工質質量流速對于超臨界變壓運行直流鍋爐而言，在鍋爐從啟動至滿負荷時，運行狀態變化如下:當鍋爐負荷在最低直流負荷以下時，水循環方式為依靠循環泵控制循環，隨著鍋爐負荷的提高，蒸汽壓力經過高壓、超高壓、亞臨界，最后升為超臨界，水冷壁管內工質有兩種狀態，即單相流動和雙相流動，工質的溫度和干度也有很大的變化，如果出現流量偏差或運行參數的脈動，則容易出現傳熱惡化或金屬溫度波動，造成超溫或疲勞破壞，因此防止出現水動力的不穩定成為超臨界變壓運行直流鍋爐水冷壁設計的關鍵。超臨界直流鍋爐變壓運行時，水冷壁汽水參數變化范圍大，因此其傳熱特性變化也較大，設計時需考慮如下4個工況:(1)在超臨界壓力下，管內單相介質比亞臨界區雙相介質的換熱系數低、同時工質溫度較高，因此，水冷壁壁溫為各運行工況下的最高值;(2)在近臨界壓力工況運行時，兩相介質具有較高的干度，特別在上部水冷壁中，更高干度的工質將出現蒸干，因此為防止蒸干時的壁溫驟升，應將蒸干點設置在較低的爐膛熱負荷區;(3)在亞臨界壓力區間運行時，爐膛下部燃燒器區熱負荷較高，要防止發生膜態沸騰;(4)當鍋爐運行在最低直流負荷及以下工況時，汽水密度差由于壓力的降低而增大，容易出現流動的不穩定和較大的熱偏差［12］。內螺紋管可有效破壞膜態沸騰的生成，哈爾濱鍋爐廠設計制造的超超臨界垂直管圈鍋爐的運行經驗表明，即使在熱負荷較高的燃燒器區域，工質干度達到0．5時，仍然不會出現傳熱惡化，而且在近臨界區，兩相介質干度達到0．9出現蒸干現象時，壁溫仍可控制在安全范圍內。此外，具有正響應特性的低質量流速垂直管圈對鍋爐低負荷水動力的穩定性十分有利［13］，如圖3所示。綜上所述，水冷壁工質質量流速的選取必須要大于某一臨界值，使得鍋爐水冷壁在不同壓力區間內管壁溫度不超過材料的最高允許使用溫度。也就是說，當超臨界鍋爐變壓運行時，水冷壁工質質量流速應分別高于最低直流負荷狀態時保持水動力穩定性、亞臨界區不發生膜態沸騰、近臨界區控制蒸干以及超臨界區不發生擬膜態沸騰4個運行區間的臨界質量流速［14］。鍋爐設計時，通常以最低直流負荷工況為基礎，所選質量流速應高于該工況下的臨界質量流速，并反推滿負荷工況下的質量流速，不同水冷壁型式的工質質量流速最低要求如圖4所示。考慮到低質量流速的特點，本方案選取BMCR工況下水冷壁管內工質的質量流速為940kg/(m2•s)，水冷壁材質為15CrMoG，最低直流負荷為25%BMCR，鍋爐的最低直流負荷較低，可縮小再循環泵的運行范圍，從而減少電耗和啟動損失。選取的質量流速可以保證鍋爐在最低直流負荷時，水冷壁的質量流速仍可滿足啟動階段保持水動力穩定性和控制水冷壁出口溫度偏差在許可范圍內的臨界質量流速約300kg/(m2•s)［15］，而且可以保證在所有壓力運行區間水冷壁工作的安全性。

1．3．2水冷壁工質出口過熱度和入口欠焓在亞臨界自然循環鍋爐中，汽包作為蒸發受熱面和過熱受熱面的分界點，而對于超臨界鍋爐，兩者之間沒有固定的分界點，水冷壁出口溫度的確定主要是保證出口工質在最低直流負荷時仍有一定的過熱度，從而避免低負荷時，本生點提高，甚至造成過熱器帶水。同時應考慮到水冷壁及汽水分離器材料選取的安全性和經濟性，因此工質溫度又不宜過高，此外，過高的水冷壁出口工質溫度，對水冷壁溫度差的控制也是不利的。本研究提出的鍋爐方案中，汽水分離器的材質為WB36，其最高允許使用溫度為450℃，鍋爐額定負荷下，設計水冷壁出口的工質平均溫度為423℃，鍋爐最低直流負荷(25%BM-CR)時，水冷壁出口工質平均溫度為340℃，不但考慮了汽水分離器材料的安全余量，也保證了最低直流負荷時，水冷壁出口工質具有34℃的過熱度。為防止壓力較低時，水冷壁工質在入口處汽化，從而造成水冷壁流量分配不均勻，因此工質的入口欠焓和過冷度不宜太小。當然，水冷壁進口工質的溫度也不能過低(過冷度太大)，以免引起水動力的不穩定，其入口欠焓應小于產生水動力多值性的極限欠焓。本方案采用了啟動再循環泵，在鍋爐啟動及低負荷運行階段，水冷壁具有強制流動的特性，因此，不會發生倒流現象。此外在最低直流負荷時，垂直水冷壁壓降大于管屏的最大停滯壓差，因此，也不會發生停滯現象［12］。本方案中，鍋爐滿負荷工況下，設計水冷壁入口的工質溫度為315℃，在最低直流負荷時，設計工質入口溫度為265℃，此時，過冷度為40℃。

1．3．3降低水冷壁出口溫度偏差的措施盡管低質量流率垂直管水冷壁與螺旋管圈相比，各種負荷下均有正響應特性，但由于爐膛水冷壁的結構不完全相同以及吸熱不十分均勻，因此會引起相應的溫度偏差，為此，本方案在上、下部水冷壁之間加裝了中間混合集箱。混合集箱的高度適宜，在鍋爐最低直流負荷工況下混合集箱進口工質平均干度為0．79，可有效防止汽水兩相混合物的流量分配不均勻問題。

2低質量流速垂直水冷壁超臨界鍋爐開發

根據上述原則，以600MW為例，開發了低質量流速垂直管圈超臨界煤粉鍋爐。鍋爐的主要規范依據汽輪機確定，如表1所示，設計燃料為煙煤，如表2所示。本例600MW低質量流速垂直管圈超臨界煤粉鍋爐，為變壓運行、超臨界參數、一次中間再熱，鍋爐總體布置為∏型、全鋼架、懸吊結構、燃燒器布置采用前后墻對沖方式、啟動系統帶有再循環泵，汽水分離器布置在爐前上部。整體布置如圖5所示。經省煤器加熱的給水進入爐膛下部冷灰斗入口集箱，從冷灰斗進口一直到中間混合集箱之間為內螺紋管垂直管圈，中間混合集箱的高度為距冷灰斗入口集箱38．5m處，下部水冷壁的工質在中間集箱內混合后進入爐膛上部垂直光管水冷壁，工質進入汽水分離器前，先經下降管引入水平煙道的兩側墻。來自汽水分離器的蒸汽進入爐膛的頂棚和尾部包墻過熱器，之后進入位于尾部對流煙道內的低溫過熱器，再流經爐膛上部的屏式過熱器和末級過熱器，最后進入汽輪機高壓缸。再熱器分為兩級布置，汽輪機高壓缸排汽首先進入尾部對流煙道中的低溫再熱器，然后進入水平煙道中的高溫再熱器，加熱后的再熱蒸汽進入汽機中壓缸。汽水分離器下部與貯水箱連接，為減少啟動損失，貯水箱中的水與給水混合后進入省煤器，也可以將其排至除氧器給水箱。來自爐膛燃料燃燒產生的煙氣依次流經屏式過熱器、末級過熱器和位于水平煙道內的高溫再熱器，然后進入尾部對流煙道，尾部對流煙道被中隔墻過熱器分為前、后2個煙道，分別布置有低溫再熱器和低溫過熱器，煙道上部由膜式包墻過熱器圍成，下部為護板結構單煙道，布置有省煤器，省煤器出來的煙氣進入2臺回轉式空氣預熱器。過熱蒸汽溫度由水煤比調節，同時，在三級過熱器之間設有二級噴水減溫器進行汽溫的微調。再熱蒸汽溫度通過位于尾部煙道下方的煙氣擋板的開度進行調節，擋板開度不同，流經低溫再熱器側的煙氣量會隨之改變，從而達到汽溫調節目的。此外，為緊急狀況下調節再熱器進口蒸汽溫度，在低溫再熱器進口連接管道上也布置有噴水減溫器。在爐膛前后墻上布置4層燃燒器，每層8只(前后墻各4只)，鍋爐共有32只低NOx旋流燃燒器，對沖燃燒。在4層燃燒器的上方，設有1層燃盡風，共14個風口(前后墻各布置7個)。磨煤機為雙進雙出式，每臺磨煤機為布置于前墻和后墻的一層燃燒器提供燃料，鍋爐共配4臺磨煤機［16］。對鍋爐各種工況下進行性能預測，BRL下鍋爐設計效率為93．8%，主要熱力數據如表3所示。

3結論

采用低質量流率垂直管圈技術的超臨界煤粉鍋爐可以保證水動力的安全性。本研究設計了600MW低質量流速垂直管圈超臨界煤粉鍋爐、采用旋流燃燒器前后墻對沖燃燒、帶再循環泵的啟動系統。垂直管圈與螺旋管圈相比，結構簡單，減少了鍋爐現場安裝的工作量，同時降低了水冷壁工質的流動阻力，而且水冷壁在各種工況下熱應力得到改善。此外，由于水冷壁質量流速＜1000kg/m2•s，并聯管組中主要由工質重位壓降決定各水冷壁管的流量分配，具有自補償功能，從而降低了管屏對熱偏差的敏感度，減少了水冷壁出口工質的溫度偏差，同時取消了水冷壁入口節流孔圈，使水冷壁入口結構得到簡化，也消除了運行過程中的安全隱患，并且在爐膛上下水冷壁之間加裝中間混合集箱，可以進一步降低水冷壁沿爐膛周界出口的工質溫度偏差。此外，考慮到制造、安裝和維修，并充分利用亞臨界控制循環中成熟技術，如內螺紋管、水冷壁固定以及剛性梁等結構，超臨界變壓運行鍋爐中采用一次垂直上升內螺紋管水冷壁具有一系列優勢，計算分析表明，該方案可以滿足機組可靠運行的要求。

作者：張縵張海呂俊復吳玉新單位：清華大學熱能工程系熱科學與動力工程教育部重點實驗室