目前主要国内制造厂1000MW超超临界锅炉设备及特点

第五章目前主要国内制造厂1000MW超超临界锅炉设备及特点概述我国电力工业以煤为主要燃料，以煤为主的发电格局在今后相当长的时期内不会改变。超临界机组在国际上已经是商业化成熟的发电技术，对于超临界机组，一般可以分为两个层次，一个是常规超临界机组（ConventionalSupercritical）,其中主汽压力一般为240bar左右，主汽和再热蒸汽温度为540－560℃，另一个是高效超临界机组（HighEfficiencySupercriticalCycle）,通常也称为超超临界机组（UltraSupercritical）或者高参数超临界机组（AdvancedSupercritical）,其中主汽压力为280～300bar，主汽和再热蒸汽温度为580～600目前我国超超临界锅炉的主要设计生产厂家主要有：哈尔滨锅炉厂（简称HBC），其技术支持方为日本三菱重工业株式会社（MHI）；东方锅炉厂（简称DBC），其技术支持方为日本巴布科克-日立公司（BHK）；上海锅炉厂（简称SBWL）的技术支持方为美国阿尔斯通公司（API）。哈尔滨锅炉厂选定三菱重工株式会社（MHI）作为技术支持方。MHI是全球著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，其中采用螺旋管圈水冷壁的变压运行超临界锅炉为21台，采用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。采用内螺纹管垂直管圈、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。哈锅是国家大型电站锅炉的科研与开发基地，高度重视新产品的开发工作，哈锅与国内高等院校及研究所合作完成了多项超临界锅炉关键技术的开发研究，并完成了黑龙江省双鸭山垂直管圈变压运行超临界锅炉方案，为完成好玉环项目打下了坚实的基础东方锅炉和巴布科克-日立共同合作，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年代起就在研究超临界直流炉的技术，对于发展大容量高参数锅炉，BHK在十分重视煤粉燃烧技术、烟气脱硫、脱硝技术开发的同时，还十分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年代以来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：a高的可靠性、制造精良、利用率高b性能优异①参数高，效率高②环保措施好c降低成本，大模块化组合率东锅拥有雄厚的技术实力和完善的质保体系，取得了美国ASME授权证书和S、U、U2三枚钢印，国家核安全局颁发的民用核承压设备制造许可证，A级锅炉生产许可证和三类容器设计制造许可证，并通过了GB/T19001-ISO9001质量体系认证。东方锅炉具有现代化的生产装备，现已配置、引进了生产超临界本生型直流锅炉的专用设备，并具备开发、设计、研制、生产单机容量为600MW锅炉的能力。上海锅炉厂引进ALSTOMPowerInc.,USA的超临界技术。ALSTOM公司是世界著名的发电设备供货商之一。在全球已安装的发电设备中，采用ALSTOM锅炉技术的市场份额高达40%以上。ALSTOM直接提供的设备几乎占20%，总装机容量为650,000MWe，其中锅炉设备超过400,000MWe，煤粉锅炉超过270,000MWe。ALSTOMPower.,Inc.在超临界技术领域始终处于领先地位，全球范围内提供的超临界锅炉超过60,000MW，其技术受让方（包括日本三菱）运用ALSTOM的技术提供的超临界锅炉超过40,000MW。ALSTOM的超临界技术先进、可靠，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，但从技术的连续性和技术的先进性两方面考虑，最终还是决定引进ALSTOMPowerInc.,USA的超临界技术。1上海锅炉厂（SBWL）1000MW超超临界锅炉主要特点1.1锅炉的主要特点1.1.1锅炉结构特点锅炉采用“Л”型布置、单炉膛、API低NOx切圆燃烧技术（LNTF），双火球切圆燃烧方式，炉膛采用内螺纹管垂直上升膜式水冷壁、循环泵启动系统、一次中间再热、调温方式除煤/水比外，还采用燃烧器摆动及喷水方式。无烟气分配挡板调温。锅炉采用平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构。上锅锅炉总体简图1.1.2设计煤种项目单位设计煤校核煤产地－神华大同工业分析固定碳FC%47.0048.83挥发份VM%36.4932.95灰份AY%12.0016.77水份WY%14.0010.40元素分析应用基碳CY%61.4558.33氢HY%3.613.42氧OY%7.89.70氮NY%0.710.68硫SY%0.430.63低位发热量LHVMJ/kg23.4222.12灰成分及灰熔点SiO2％35.0949.90Al2O3％16.4134.7Fe2O3％12.476.36CaO％22.562.27MgO％1.340.62K2O％0.300.78Na2O％0.270.20SO3％6.901.511.1.3锅炉设计参数参数单位过热蒸汽再热蒸汽蒸汽流量t/h29552443蒸汽压力bar28061.3设计压力bar(g)29775蒸汽温度℃605603给水温度℃297再热进口温度℃367压力降bar36.62.0喷水率%60参数单位数值锅炉效率(BRL工况;设计煤种;按ASMEPTC4;按LCV)%93.7烟气排放温度(修正)℃125过量风%20参考温度℃25炉膛容积热负荷kW/m³70.5横截面热负荷MW/m²4.97燃烧器区域热负荷MW/m²1.11.2内螺纹管垂直水冷壁特点采用改进型的内螺纹垂直水冷壁。炉膛内螺纹管垂直水冷壁由冷灰斗上1m处开始至炉顶棚，中间无混合集箱（压降低），水冷壁的节流孔圈装在水冷壁进口球型容器中，负责将总流量按不同墙的热负荷分布，进行分配；装在进口集箱中的节流圈负责对每面墙中的每组管子按炉膛横向热负荷分布曲线进行流量分配。垂直水冷壁和内螺纹管上锅－阿尔斯通1000MW双火球切圆燃烧垂直水冷壁初步方案1.3过热器与再热器系统过热器由顶棚、包墙、分隔屏、屏式过热器和末级过热器组成，无低温过热器。再热器分为低温再热器和高温再热器两级。在低温再热器入口设有事故喷水减温器，再热汽温主要用摆动式燃烧器调节。1.4燃烧系统1.4.1燃烧器设计特点煤粉燃烧器为切向燃烧，主风箱设有6层强化着火煤粉喷嘴，在其四周布置有燃料风（周界风），每相邻两层煤粉喷嘴之间布置1层辅助风喷嘴，其中包括上下两只偏置的CFS（ConcentricFiringSystem）同心切圆喷嘴。在主风箱上部设有两层CCOFA（Closed-CoupledOFA）紧凑燃尽风喷嘴，在主风箱下部设有一层UFA（UnderfireAir）火下风喷嘴。在主风箱上部布置有5层（SOFA分离燃尽风）喷嘴，以降低NOX排放量。1.4.2采用CFS同心切圆燃烧喷嘴有的特点a在各种负荷工况下热分布均匀b炉膛烟温低c燃烧完全d炉膛出口温度可控e生成NOx最少CFS同心切圆喷嘴1.4.3采用SOFA燃尽风喷嘴的特点a可调的偏转角度b可调的节距SOFA分离燃尽凤喷嘴1.4.4上锅－阿尔斯通公司设计的1000MW切圆燃烧锅炉的优点a炉膛热负荷及吸热均匀-不会产生极端峰值烟温b采用摆动燃烧器调节再热蒸汽温度c可用偏转风燃烧系统防止水冷壁结焦，改善清洁度增加炉膛下部吸热－降低结焦风险d反切燃烬风和分离燃烬风降低炉膛热负荷峰值和烟温峰值-降低结焦风险e反切燃烬风和分离燃烬风降低旋流强度，增加燃料喷射强度，减少水冷壁附近的煤/灰粒子－降低烟温偏差和结焦风险f分离燃烬风喷射角度可调–降低烟温偏差和未燃烬碳损失g反切燃烬风和分离燃烬风控制NOx<350mg/Nm31.5制粉系统900MW、1000MW均为中速磨直吹式制粉系统，每台磨带一层燃烧器。900MW配置6台中速磨，1000MW配置7台中速磨。2哈尔滨锅炉厂（HBC）1000MW超超临界锅炉主要特点2.1锅炉的主要特点2.1.1哈锅1000MW超超临界锅炉采用“Л”型布置、MHI反向双切圆燃烧方式（单炉膛双火球），PM（PollutionMinimum）主燃烧器和MACT（MitsubishiAdvancedCombustionTechnology）型低NOx分级送风燃烧系统，它具有炉内烟气温度场和热负荷分配较为均匀、单只燃烧器热功率较小的优点，避免了≥1000MW大型燃煤锅炉采用单切圆燃烧时炉膛尺寸上的限制。双切圆燃烧炉膛相当于二个尺寸较小的单切园炉膛的组合，对保证直流燃烧器的火焰穿透能力和改进燃烧组织均是有利的。炉膛采用内螺纹管垂直上升膜式水冷壁、循环泵启动系统、一次中间再热、调温方式除煤/水比外，还采用烟气调节挡板、燃烧器摆动、喷水等方式。锅炉采用平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构。哈锅锅炉总体简图2.1.2设计煤种项目单位设计煤校核煤产地－神华兖州同忻挥发份VM%26.5027.33元素分析应用基碳CY%61.757.9256.32氢HY%3.673.683.68氧OY%8.568.097.75氮NY%1.121.170.93硫SY%0.670.550.8灰份AY%8.8021.3924.52水份WY%15.557.206.00哈氏可磨系数HGIHGI55.0065.00灰成分及灰熔点SiO2％30.5755.9347.24Al2O3％13.1127.4538.97Fe2O3％16.243.995.76CaO％23.544.172.13MgO％1.011.440.41K2O％0.781.540.34Na2O％0.920.320.17变形温度t1℃11501190软化温度t2℃1190>1500>1450熔化温度t3℃1230>15002.1.3锅炉设计参数如下：蒸汽流量主蒸汽流量：2980t／h(BMCR)2887t／h(BRL)再热汽流量：2424t／h(BMCR)2339t／h(BRL)蒸汽压力过热器出口：26.15MPa.g(BMCR)再热器入口：5.11MPa.g(BMCR)再热器出口：4.85MPa.g(BMCR)蒸汽温度过热器出口：605℃再热器入口：353℃再热器出口：603℃给水温度：302℃锅炉热力参数如下：炉膛容积热负荷83.0MW／m3炉膛截面热负荷4.60kW／m2炉膛出口烟温980屏底烟温1290锅炉保证效率93.66％(BRL)锅炉几何参数如下：炉膛宽×深32.084×15.67m锅炉高度(从水冷壁下集箱到顶棚管)66.4m后竖井深度12.177m总深度(从前水冷壁到后包墙)33.937m水冷壁下集箱标高6.3m最外排柱中心线间纵向跨距70.9m最外排柱中心线间横向跨距69.0m上层燃烧器中心线到屏底高度22.364m下层燃烧器中心线到冷灰斗拐点高度6.950m2.2内螺纹管垂直水冷壁特点炉膛内螺纹管布置于冷灰斗以上垂直管段至折焰角端。在上下炉膛之间加装水冷壁中间混合集箱。将在水冷壁下集箱内设小直径节流孔圈的设计，改为在小直径的下联箱外面较粗的水冷壁入口管段上，装焊直径较大节流孔圈的设计。采用控制各回路的工质流量的方法控制各回路管子的吸热和温度偏差。膜式水冷壁采用SA-213T12四头内螺纹管焊成，与螺旋管圈相比，垂直型水冷壁的主要优点为：a结构简单、便于安装。b不需用复杂的张力板结构，启动或负荷变化时热应力较小。c较好的正向流动特性，在各种工况下保证水动力的稳定性。d阻力较小，比螺旋管圈水冷壁少1／3。e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MHI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,使水冷壁管的壁温更加均匀。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，因此也提高了流量调节的幅度。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三个阶段，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目的。对于垂直管圈水冷壁的设计一般按相邻两管出口温差130℃来计算30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30℃以内，因此水冷壁的运行是安全的。中间混合集箱及一级分配器入口节流孔圈2.3过热器与再热器系统过热器系统采用四级布置，以降低每级过热器焓增，沿蒸汽流程依次为水平与立式低温过热器、分隔屏过热器、屏式过热器和末级过热器。过热器系统共有三级喷水减温，每级左右两点喷水量为过热蒸汽流量的7％。再热器分为低温再热器和高温再热器，两级再热器之间设计有事故用紧急喷水减温器。主要用烟气挡板调节再热汽温。2.4燃烧系统2.4.1哈锅1000MW超超临界锅炉采用了MHI的PM型燃烧器和MACT燃烧系统，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，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，与传统的切向燃烧器相比，NOx生成量可显著降低。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。MACT燃烧系统，就是在PM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三个燃烧区域，即下部为主燃烧区，中部为还原区，上部为燃尽区，这种MACT分级燃烧系统可使NOx生成量减少25％。根据三菱公司现己运行机组经验，采用三菱公司特有的MACT燃烧技术燃用神华煤，烟气中NOx排放含量实测值约为270～290mg／Nm3，满足我国环保标准。哈锅1000MW锅炉每炉配6台中速磨煤机，BMCR和BRL时投运5台，一台备用。锅炉不投油最低稳燃负荷为30％BMCR，锅炉点火和助燃采用轻柴油，油燃烧器的总输入热量按30％BMCR，油枪采用机械雾化式。燃烧器设计方案2.4.2燃烧系统a将整个炉膛作为两个打燃烧器组织燃烧，因此对每只燃烧器的风量、粉量的控制简单。b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。c对煤种适应性强。d由于炉膛内气流旋转强烈，与煤粉颗粒混合好，而且延长了煤粉颗粒在炉内流动路程。e解决了锅炉炉膛出口左右烟温偏差问题。2.4.3项目参数风率(%)风速(m/s)风温（℃）一次风21.92575二次风63.156321OFA10AA2060备注AA风中心距上排燃烧器中心距离为7206mm2.4.4PMPM燃烧器是三菱（MHI）公司开发的产品，该燃烧器技术成熟，有定型的设计标准，可根据煤质和环保要求，选取煤粉浓度。适用于烟煤、贫煤，主要特点为：自身的着火力强、能有效抑制NO2排放、能保证较高的燃烧技术。PM燃烧器2.5制粉系统900MW、1000MW均配置六台中速磨直吹式制粉系统。每台磨带一层燃烧器，每根一次风管道装有一分为二的煤粉分配器，供至两只燃烧器。3东方锅炉厂（DBC）1000MW超超临界锅炉主要特点3.1锅炉的主要特点3.1.1锅炉采用单炉膛“Л”型布置、平衡通风、前后墙对冲燃烧方式，低Nox旋流式HT-NR3煤粉燃烧器，尾部为双烟道，再热汽温采用烟气挡板调节，露天布置，固态排渣，全钢构架，全悬吊结构。东锅锅炉总体简图3.1.2锅炉主要参数3.2带内螺纹管的螺旋管圈水冷壁炉膛水冷壁分为上、下两部分，下部水冷壁采用全焊接的螺旋上升膜式管屏，螺旋管圈水平倾角为25.7°，螺旋水冷壁为内螺纹管，上部水冷壁采用全焊接的垂直上升膜式管屏。螺旋管圈与上部垂直水冷壁的过渡方式，采用中间混合集箱。3.3过热器与再热器系统由四级组成，顶棚及包墙管、水平对流低温过热器、屏式过热器、末级过热器，无