超臨界煤粉鍋爐設(shè)計(jì)開發(fā)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(shè)計(jì)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(zhì)流速、制造難度和安裝難度等。目前投運(yùn)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(jié)構(gòu)示意如圖2所示。超臨界機(jī)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(qiáng)、管子規(guī)格選取比較靈活等優(yōu)點(diǎn)，但是這種結(jié)構(gòu)的水冷壁系統(tǒng)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(yùn)輸尺寸的限制，現(xiàn)場對接焊縫的數(shù)量巨大，約為垂直管圈的4倍;由于采用高質(zhì)量流速，爐膛水冷壁系統(tǒng)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(yùn)行過程中熱應(yīng)力較大［10］。相比之下，垂直管屏直流鍋爐具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝工作量小、流動阻力小和各種工況下熱應(yīng)力較小等特點(diǎn)，因此在鍋爐大型化的進(jìn)程中越來越受到人們的關(guān)注。質(zhì)量流速對壓降影響的計(jì)算表明，當(dāng)質(zhì)量流速低于1200kg/(m2•s)時(shí)，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(tǒng)體現(xiàn)出具有汽包鍋爐的正流量響應(yīng)特性，從而使水冷壁管內(nèi)工質(zhì)流量分配能夠自動與熱負(fù)荷分布相匹配，即熱負(fù)荷高的管子，內(nèi)部工質(zhì)流量相應(yīng)增大，熱負(fù)荷低的管內(nèi)工質(zhì)流量相應(yīng)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(xiàn)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(yùn)行。同時(shí)，采用低質(zhì)量流速的垂直管屏技術(shù)能簡化水冷壁的固定結(jié)構(gòu)，降低給水泵電耗，因此鍋爐成本和發(fā)電機(jī)組的供電效率得到改善。通過對現(xiàn)有工程中幾種常見的超臨界鍋爐水冷壁布置型式的特點(diǎn)進(jìn)行分析，在西門子低質(zhì)量流速試驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，將垂直水冷壁布置方式和低質(zhì)量流率結(jié)合起來應(yīng)用于超臨界機(jī)組鍋爐。這一方案能夠結(jié)合垂直水冷壁結(jié)構(gòu)簡單和低質(zhì)量流速工質(zhì)自補(bǔ)償特性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，取消節(jié)流孔圈，避免了水冷壁管及下集箱的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并且消除了運(yùn)行過程中孔圈結(jié)構(gòu)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(nèi)外應(yīng)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(yīng)性強(qiáng)，風(fēng)粉混合均勻，我國煤種分布較廣，與切圓燃燒方式相適應(yīng)，因此，我國設(shè)計(jì)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(zhuǎn)速度雖然較低，但仍然存在部分殘余旋轉(zhuǎn)，使煙氣速度場分布左右不對稱，從而導(dǎo)致爐膛出口以及水平煙道內(nèi)的過熱器、再熱器對流傳熱不對稱，而此區(qū)域受到的爐內(nèi)火焰輻射傳熱卻是內(nèi)高外低的對稱輻射場，將對流傳熱與輻射傳熱簡單疊加，導(dǎo)致爐膛出口處過熱器、再熱器傳熱特性出現(xiàn)偏差，從而造成汽溫偏差甚至超溫爆管。雙切圓燃燒技術(shù)在一定程度上改善了不均勻問題，單爐膛內(nèi)兩個(gè)切圓旋轉(zhuǎn)方向相反，將兩個(gè)相對獨(dú)立的燃燒系統(tǒng)對流熱偏差與整體火焰輻射內(nèi)高外低的對稱輻射熱偏差合理互補(bǔ)，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(fù)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(yōu)點(diǎn)之一。實(shí)際運(yùn)行情況表明，除一般認(rèn)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(jīng)濟(jì)性、結(jié)渣與高溫腐蝕特性、著火及低負(fù)荷穩(wěn)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(yōu)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(dāng)然，也可以采用切圓燃燒。

1．3垂直管圈水冷壁的關(guān)鍵參數(shù)選取

1．3．1水冷壁工質(zhì)質(zhì)量流速對于超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐而言，在鍋爐從啟動至滿負(fù)荷時(shí)，運(yùn)行狀態(tài)變化如下:當(dāng)鍋爐負(fù)荷在最低直流負(fù)荷以下時(shí)，水循環(huán)方式為依靠循環(huán)泵控制循環(huán)，隨著鍋爐負(fù)荷的提高，蒸汽壓力經(jīng)過高壓、超高壓、亞臨界，最后升為超臨界，水冷壁管內(nèi)工質(zhì)有兩種狀態(tài)，即單相流動和雙相流動，工質(zhì)的溫度和干度也有很大的變化，如果出現(xiàn)流量偏差或運(yùn)行參數(shù)的脈動，則容易出現(xiàn)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(xiàn)水動力的不穩(wěn)定成為超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐水冷壁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。超臨界直流鍋爐變壓運(yùn)行時(shí)，水冷壁汽水參數(shù)變化范圍大，因此其傳熱特性變化也較大，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮如下4個(gè)工況:(1)在超臨界壓力下，管內(nèi)單相介質(zhì)比亞臨界區(qū)雙相介質(zhì)的換熱系數(shù)低、同時(shí)工質(zhì)溫度較高，因此，水冷壁壁溫為各運(yùn)行工況下的最高值;(2)在近臨界壓力工況運(yùn)行時(shí)，兩相介質(zhì)具有較高的干度，特別在上部水冷壁中，更高干度的工質(zhì)將出現(xiàn)蒸干，因此為防止蒸干時(shí)的壁溫驟升，應(yīng)將蒸干點(diǎn)設(shè)置在較低的爐膛熱負(fù)荷區(qū);(3)在亞臨界壓力區(qū)間運(yùn)行時(shí)，爐膛下部燃燒器區(qū)熱負(fù)荷較高，要防止發(fā)生膜態(tài)沸騰;(4)當(dāng)鍋爐運(yùn)行在最低直流負(fù)荷及以下工況時(shí)，汽水密度差由于壓力的降低而增大，容易出現(xiàn)流動的不穩(wěn)定和較大的熱偏差［12］。內(nèi)螺紋管可有效破壞膜態(tài)沸騰的生成，哈爾濱鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的超超臨界垂直管圈鍋爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，即使在熱負(fù)荷較高的燃燒器區(qū)域，工質(zhì)干度達(dá)到0．5時(shí)，仍然不會出現(xiàn)傳熱惡化，而且在近臨界區(qū)，兩相介質(zhì)干度達(dá)到0．9出現(xiàn)蒸干現(xiàn)象時(shí)，壁溫仍可控制在安全范圍內(nèi)。此外，具有正響應(yīng)特性的低質(zhì)量流速垂直管圈對鍋爐低負(fù)荷水動力的穩(wěn)定性十分有利［13］，如圖3所示。綜上所述，水冷壁工質(zhì)質(zhì)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(qū)間內(nèi)管壁溫度不超過材料的最高允許使用溫度。也就是說，當(dāng)超臨界鍋爐變壓運(yùn)行時(shí)，水冷壁工質(zhì)質(zhì)量流速應(yīng)分別高于最低直流負(fù)荷狀態(tài)時(shí)保持水動力穩(wěn)定性、亞臨界區(qū)不發(fā)生膜態(tài)沸騰、近臨界區(qū)控制蒸干以及超臨界區(qū)不發(fā)生擬膜態(tài)沸騰4個(gè)運(yùn)行區(qū)間的臨界質(zhì)量流速［14］。鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，通常以最低直流負(fù)荷工況為基礎(chǔ)，所選質(zhì)量流速應(yīng)高于該工況下的臨界質(zhì)量流速，并反推滿負(fù)荷工況下的質(zhì)量流速，不同水冷壁型式的工質(zhì)質(zhì)量流速最低要求如圖4所示。考慮到低質(zhì)量流速的特點(diǎn)，本方案選取BMCR工況下水冷壁管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速為940kg/(m2•s)，水冷壁材質(zhì)為15CrMoG，最低直流負(fù)荷為25%BMCR，鍋爐的最低直流負(fù)荷較低，可縮小再循環(huán)泵的運(yùn)行范圍，從而減少電耗和啟動損失。選取的質(zhì)量流速可以保證鍋爐在最低直流負(fù)荷時(shí)，水冷壁的質(zhì)量流速仍可滿足啟動階段保持水動力穩(wěn)定性和控制水冷壁出口溫度偏差在許可范圍內(nèi)的臨界質(zhì)量流速約300kg/(m2•s)［15］，而且可以保證在所有壓力運(yùn)行區(qū)間水冷壁工作的安全性。

1．3．2水冷壁工質(zhì)出口過熱度和入口欠焓在亞臨界自然循環(huán)鍋爐中，汽包作為蒸發(fā)受熱面和過熱受熱面的分界點(diǎn)，而對于超臨界鍋爐，兩者之間沒有固定的分界點(diǎn)，水冷壁出口溫度的確定主要是保證出口工質(zhì)在最低直流負(fù)荷時(shí)仍有一定的過熱度，從而避免低負(fù)荷時(shí)，本生點(diǎn)提高，甚至造成過熱器帶水。同時(shí)應(yīng)考慮到水冷壁及汽水分離器材料選取的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因此工質(zhì)溫度又不宜過高，此外，過高的水冷壁出口工質(zhì)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(zhì)為WB36，其最高允許使用溫度為450℃，鍋爐額定負(fù)荷下，設(shè)計(jì)水冷壁出口的工質(zhì)平均溫度為423℃，鍋爐最低直流負(fù)荷(25%BM-CR)時(shí)，水冷壁出口工質(zhì)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(fù)荷時(shí)，水冷壁出口工質(zhì)具有34℃的過熱度。為防止壓力較低時(shí)，水冷壁工質(zhì)在入口處汽化，從而造成水冷壁流量分配不均勻，因此工質(zhì)的入口欠焓和過冷度不宜太小。當(dāng)然，水冷壁進(jìn)口工質(zhì)的溫度也不能過低(過冷度太大)，以免引起水動力的不穩(wěn)定，其入口欠焓應(yīng)小于產(chǎn)生水動力多值性的極限欠焓。本方案采用了啟動再循環(huán)泵，在鍋爐啟動及低負(fù)荷運(yùn)行階段，水冷壁具有強(qiáng)制流動的特性，因此，不會發(fā)生倒流現(xiàn)象。此外在最低直流負(fù)荷時(shí)，垂直水冷壁壓降大于管屏的最大停滯壓差，因此，也不會發(fā)生停滯現(xiàn)象［12］。本方案中，鍋爐滿負(fù)荷工況下，設(shè)計(jì)水冷壁入口的工質(zhì)溫度為315℃，在最低直流負(fù)荷時(shí)，設(shè)計(jì)工質(zhì)入口溫度為265℃，此時(shí)，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(zhì)量流率垂直管水冷壁與螺旋管圈相比，各種負(fù)荷下均有正響應(yīng)特性，但由于爐膛水冷壁的結(jié)構(gòu)不完全相同以及吸熱不十分均勻，因此會引起相應(yīng)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(fù)荷工況下混合集箱進(jìn)口工質(zhì)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(zhì)量流速垂直水冷壁超臨界鍋爐開發(fā)

根據(jù)上述原則，以600MW為例，開發(fā)了低質(zhì)量流速垂直管圈超臨界煤粉鍋爐。鍋爐的主要規(guī)范依據(jù)汽輪機(jī)確定，如表1所示，設(shè)計(jì)燃料為煙煤，如表2所示。本例600MW低質(zhì)量流速垂直管圈超臨界煤粉鍋爐，為變壓運(yùn)行、超臨界參數(shù)、一次中間再熱，鍋爐總體布置為∏型、全鋼架、懸吊結(jié)構(gòu)、燃燒器布置采用前后墻對沖方式、啟動系統(tǒng)帶有再循環(huán)泵，汽水分離器布置在爐前上部。整體布置如圖5所示。經(jīng)省煤器加熱的給水進(jìn)入爐膛下部冷灰斗入口集箱，從冷灰斗進(jìn)口一直到中間混合集箱之間為內(nèi)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(zhì)在中間集箱內(nèi)混合后進(jìn)入爐膛上部垂直光管水冷壁，工質(zhì)進(jìn)入汽水分離器前，先經(jīng)下降管引入水平煙道的兩側(cè)墻。來自汽水分離器的蒸汽進(jìn)入爐膛的頂棚和尾部包墻過熱器，之后進(jìn)入位于尾部對流煙道內(nèi)的低溫過熱器，再流經(jīng)爐膛上部的屏式過熱器和末級過熱器，最后進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸。再熱器分為兩級布置，汽輪機(jī)高壓缸排汽首先進(jìn)入尾部對流煙道中的低溫再熱器，然后進(jìn)入水平煙道中的高溫再熱器，加熱后的再熱蒸汽進(jìn)入汽機(jī)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(jìn)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(chǎn)生的煙氣依次流經(jīng)屏式過熱器、末級過熱器和位于水平煙道內(nèi)的高溫再熱器，然后進(jìn)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(gè)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(hù)板結(jié)構(gòu)單煙道，布置有省煤器，省煤器出來的煙氣進(jìn)入2臺回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。過熱蒸汽溫度由水煤比調(diào)節(jié)，同時(shí)，在三級過熱器之間設(shè)有二級噴水減溫器進(jìn)行汽溫的微調(diào)。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(jìn)行調(diào)節(jié)，擋板開度不同，流經(jīng)低溫再熱器側(cè)的煙氣量會隨之改變，從而達(dá)到汽溫調(diào)節(jié)目的。此外，為緊急狀況下調(diào)節(jié)再熱器進(jìn)口蒸汽溫度，在低溫再熱器進(jìn)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(shè)有1層燃盡風(fēng)，共14個(gè)風(fēng)口(前后墻各布置7個(gè))。磨煤機(jī)為雙進(jìn)雙出式，每臺磨煤機(jī)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(jī)［16］。對鍋爐各種工況下進(jìn)行性能預(yù)測，BRL下鍋爐設(shè)計(jì)效率為93．8%，主要熱力數(shù)據(jù)如表3所示。

3結(jié)論

采用低質(zhì)量流率垂直管圈技術(shù)的超臨界煤粉鍋爐可以保證水動力的安全性。本研究設(shè)計(jì)了600MW低質(zhì)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(huán)泵的啟動系統(tǒng)。垂直管圈與螺旋管圈相比，結(jié)構(gòu)簡單，減少了鍋爐現(xiàn)場安裝的工作量，同時(shí)降低了水冷壁工質(zhì)的流動阻力，而且水冷壁在各種工況下熱應(yīng)力得到改善。此外，由于水冷壁質(zhì)量流速＜1000kg/m2•s，并聯(lián)管組中主要由工質(zhì)重位壓降決定各水冷壁管的流量分配，具有自補(bǔ)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(zhì)的溫度偏差，同時(shí)取消了水冷壁入口節(jié)流孔圈，使水冷壁入口結(jié)構(gòu)得到簡化，也消除了運(yùn)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(jìn)一步降低水冷壁沿爐膛周界出口的工質(zhì)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(huán)中成熟技術(shù)，如內(nèi)螺紋管、水冷壁固定以及剛性梁等結(jié)構(gòu)，超臨界變壓運(yùn)行鍋爐中采用一次垂直上升內(nèi)螺紋管水冷壁具有一系列優(yōu)勢，計(jì)算分析表明，該方案可以滿足機(jī)組可靠運(yùn)行的要求。

作者：張縵張海呂俊復(fù)吳玉新單位：清華大學(xué)熱能工程系熱科學(xué)與動力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室