超临界电站煤粉锅炉机组设备及运行

超临界电站煤粉锅炉机组设备及运行牛蔚然2009-41.超临界机组现况►超临界和超超临界机组，具有容量大﹑参数高﹑能耗低﹑可靠性高和环境污染小等特点►全世界主要的工业国家十分重视发展超临界和超超临界机组，前苏联境内超临界机组数量和总容量据世界首位。在美国、德国、日本等国家也有相当数量的超临界机组。目前，日本是世界上超临界机组技术最先进的国家，主要体现在发电煤耗最低，可实现变压运行。2.我国的超临界机组►我国从上世纪80年代后期开始重视发展超临界机组，上海石洞口二厂、福建后石电厂引进的600MW超临界机组，南京热电厂、天津盘山电厂、内蒙古伊敏电厂、辽宁绥中电厂引进的300、500、800MW超临界机组已经投入运行。在近几年中，东方锅炉厂（国外技术支持方日立）、哈尔滨锅炉厂（国外技术支持方：600MW超临界锅炉三井巴布科克、1000MW超超临界锅炉三菱重工）、上海锅炉厂（国外技术支持方阿尔斯通）三大锅炉厂分别通过技术引进和大量的研究工作，己基本掌握了超临界锅炉的制造技术，具备了批量生产超临界锅炉的能力，引进技术国产化的上海外高桥2×900MW、河南沁北电厂2×600MW、江苏常熟电厂2×600MW、河南三门峡电厂2×600MW等超临界机组相继建成投产。►我国超超临界机组也开始发展，除600MW机组外，将重点发展1000MW机组。目前投入商业运行的超超临界机组有山东邹县电厂2×1000MW和浙江玉环电厂4×1000MW机组。据初步统计，目前我国超临界机组的订货己超过100套、超超临界机组超过80套，在近几年内将会陆续投运。我国的超临界和超超临界机组建设已经进入了呈井喷状态的快速发展时期。3山东的超临界机组►2006年至2008年三年内，山东先后有邹县电厂2×1000MW超超临机机组、黄岛电厂2×660MW、潍坊电厂2×670MW和费县电厂2×600MW超临界机组建成投产，也结束了山东省没有超临界和超超临界机组的历史。►邹县电厂1000MW超超临界锅炉由东方锅炉厂（国外技术支持方日立）制造，费县电厂600MW锅炉由哈尔滨锅炉厂（国外技术支持方：600MW超临界锅炉三井巴布科克、1000MW超超临界锅炉三菱重工），黄岛电厂660MW、潍坊电厂670MW由上海锅炉厂（国外技术支持方阿尔斯通）制造4.超临界、超超临界的定义►水的临界点压力为22.129MPa，温度为374.15℃。压力超过临界压力的状态即为超临界状态，此时汽水密度差消失，蒸发现象消失，水可以从液态直接变成汽态。主蒸汽压力达到超临界状态的机组称为超临界机组。►超超临界是人为的一种区分，也称为优化的或高效的超临界参数。目前超超临界与超临界的划分界限尚无国际统一的标准，国际上通常把汽机进口汽压高于27MPa或蒸汽温度高于580℃的机组定义为超超临界机组。5.超临界锅炉的基本特点►与亚临界锅炉相比，超临界锅炉具有以下基本特点：►1.直流锅炉。超临界、超超临界机组只能采用直流循环方式，水在锅炉管中加热、蒸发和过热后直接向汽轮机供汽，不存在汽包。由于工质在锅炉各受热段内流动时的阻力损失都由给水泵来克服，超临界和超超临界机组需要较高的水泵压头，给水泵功率消耗大。►2.具有锅炉启动系统。直流锅炉在启动前必须建立一定的启动流量和启动压力，强迫工质流经受热面，使其得到冷却。因此，直流锅炉必须配套特有的启动系统，以保证锅炉启停和低负荷运行期间水冷壁的安全和正常供汽。►3.采用复合变压运行方式。现代超临界和超超临界机组采用复合变压运行的方式，即在高负荷时保持额定的蒸汽压力，在低负荷时保持最低允许的供汽压力，在中间负荷时采用变压运行。这种复合变压运行方式可使机组在高负荷运行时保持额定压力，具有最佳的循环效率和良好的负荷调节性能；在中间负荷，采用变压运行，使汽轮机通流部分的容积流量基本不变，保持较高的内效率，并使汽轮机高压缸的蒸汽温度保持稳定，因而热应力较小，具有快速变负荷的能力；在低负荷时定压运行可防止压力过低出现流动不稳定等问题，因而具有最佳的综合性能。这样，采用变压运行可使机组具有夜间停机、快速启动以及频繁启停和变负荷的能力，并使机组在高负荷及低负荷时均保持高的效率，以及具有更低的最小负荷，从而满足中间负荷和调峰的要求。►4.燃水比调节汽温。过热汽温由煤水比作为粗调，同时装有喷水减温器进行细调。再热汽温一般由燃烧器摆动或尾部烟道的烟气挡板进行调节，同时装有应急事故喷水。►5.水冷壁型式。超临界锅炉一般在炉膛下辐射区采用螺旋管圈结构，在炉膛上辐射区的低热强度区采用垂直管圈结构。这样可以减轻热偏差、提高质量流速保证足够的冷却能力、防止低负荷下发生水动力多值性及脉动。61000MW超超临界锅炉简介►1锅炉型式。邹县发电厂1000MW机组的DG3000/26.15-Ⅱ1型锅炉为高效超超临界参数变压直流炉、一次再热、平衡通风、运转层以上露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。►2锅炉主要设计参数：锅炉出口蒸汽参数26.25MPa(a)/605/603℃，对应汽机的入口参数25.0MPa(a)/600/600℃。汽机额定功率(TRL)1000MW，对应汽机VWO工况的锅炉的最大连续蒸发量(B-MCR)为3033t/h。►锅炉设计煤种。设计和校核煤种为兖矿和济北煤矿的混煤。►锅炉运行方式：带基本负荷并参与调峰。►制粉系统：采用双进双出钢球磨正压直吹式制粉系统，每炉配6台BBD4360双进双出钢球磨煤机，5台磨煤机运行时带BRL负荷。►给水系统：机组配置2×50%B-MCR调速汽动给水泵和一台30%B-MCR容量的电动调速给水泵。►汽轮机旁路系统：采用25%B-MCR一级电动大旁路，仅启动时用，之后关死。►锅炉保证热效率不小于93.8%，在35%～100%B-MCR工况下NOx排放量不高于300mg/Nm3。►锅炉的启动时间(从点火到机组带满负荷)与汽轮机相匹配。►冷态起动(停机超过72小时)：10-11小时►温态起动(停机32小时内)：4-5小时►热态起动(停机8小时内)：3-3.5小时►极热态起动(停机小于1小时)：＜3小时►锅炉热力特性项目单位数值锅炉保证热效率(BRL工况，按低位发热量)%93.8炉膛容积热负荷KW/m379炉膛截面热负荷MW/m24.5燃烧器区域面积热负荷MW/m21.6空气预热器出口热一次风温度℃351空气预热器出口热二次风温度℃358炉膛出口过剩空气系数1.14省煤器出口过剩空气系数1.15省煤器出口烟气温度℃356空气预热器出口烟气温度℃130►锅炉整体布置：锅炉的循环系统由启动分离器、储水罐、启动再循环泵、下降管、下水连接管、水冷壁上升管及汽水连接管等组成。在负荷≥25%B-MCR后，直流运行，一次上升，启动分离器入口具有一定的过热度。►燃烧器采用前后墙对冲分级燃烧技术。在炉膛前后墙各分三层布置低NOx旋流式HT-NR3煤粉燃烧器，每层布置8只，全炉共设有48只燃烧器。在最上层燃烧器的上部布置了燃尽风喷口（AAP）。每只燃烧器均配有机械雾化油枪，用于启动和维持低负荷燃烧。油枪总输入热量相当于30%B-MCR锅炉负荷。►煤粉及其输送用风(即一次风)经煤粉管道、燃烧器一次风管、文丘里管，煤粉浓缩器后喷入炉膛；内二次风(兼作停运燃烧器的冷却风)经二次风大风箱、燃烧器内、外二次风通道喷入炉膛；其中内二次风为直流，通过手柄调节套筒位置来进行风量的调节。外二次风为旋流，依靠气动执行器进行风量的调节。单只燃烧器内、外二次风的风量分配通过调节各内二次风套筒开度和外二次风调风器开度来实现的。►在燃烧系统中有一中心风系统，一股小流量的中心风通过中心风管送入炉膛，以调整燃烧器中心回流区的轴向位置，并提供点火时所需要的根部风。单只燃烧器中心风的风量分配通过调节每层中心风母管入口的气动执行器和单只燃烧器中心风手动挡板开度来实现。►锅炉启动系统。锅炉采用带有再循环泵的内置式启动循环系统，由启动分离器、贮水罐、再循环泵（BCP）、再循环流量调节阀（360阀）、贮水罐水位控制阀（361阀）、疏水扩容器、冷凝水箱、疏水泵等组成。7超超临界锅炉设计特点及问题►1、锅炉水冷壁系统。邹县电厂1000MW锅炉水冷壁采用下部螺旋管圈、上部垂直管圈、中间加混合的结构型式来降低水冷壁运行的热偏差。与其它超临界和超超临界锅炉不同的是，其下炉膛螺旋管圈水冷壁采用了内螺纹管并增大了螺旋管圈倾角和管屏宽度。在高热流区域采用内螺纹管，可以降低水冷壁安全运行的最低质量流速，而内螺纹管增加的流动阻力则被降低质量流速所抵消。增大螺旋管圈可以增加并联工作的管子数目，降低质量流速，同时避免低速下的汽水分层现象。邹县电厂1000MW锅炉的最低直流负荷为25%BMCR，低于目前普遍采用的30～35%，是目前世界上最低。►2.锅炉热偏差。锅炉容量大且采用前后墙对冲燃烧方式，使锅炉宽深比较600MW锅炉增大，炉膛宽度为33973.4mm，深度为15558.4mm，宽深比达到2.184，并且沿炉宽每层布置8个燃烧器。过大的宽深比必然容易造成沿炉膛宽度方向上的热偏差，主要为汽温偏差和烟温偏差。汽温偏差，锅炉设计时可采取相应措施。烟温偏差主要依靠运行过程调整。►3新材料-新型高温耐热钢。超超临界锅炉采用了高达605℃的蒸汽温度，对材料提出了很高的要求，所用材料应具有足够的持久强度、蠕变极限及屈服极限，还应具有较好的抗氧化性、耐腐蚀性及良好的焊接性能和加工性能，并具有合适的热膨胀、导热及弹性系数。邹县1000MW锅炉高温过热器和高温再热器均采用了Super304H和HR3C等新型高温耐热钢。但是应当注意的是，高温过热器出口壁温报警值在满负荷下仅为620℃，与主蒸汽温度只允许有15℃的差别，这就对锅炉设计和调整提出了比亚临界和超临界锅炉跟加严格的要求。8超超临界锅炉燃烧特性及试验研究►燃烧设备是锅炉的关键设备。由于超超临界锅炉的容量大幅增加，而单个燃烧器的热功率增加有限，因此百万千瓦级超超临界前后墙对冲燃烧锅炉布置有六层一次风，同层布置个八一次风喷口。锅炉炉膛的长宽比由目前机组锅炉炉膛的接近1:1变为接近2:1。►燃烧系统设计特点：►采用较大的炉膛容积（29810m3）和炉膛断面积（529m2），选取较小的炉膛热负荷（容积热负荷79kW/m3、断面积热负荷4.5kW/m2），降低整个炉膛温度，以便减小结渣的可能性，同时以满足NOx排放要求；►燃烧器对称布置在炉膛的前后墙上，采用了合适的燃烧器间距、燃烧器与侧水冷壁间的间距，以避免火焰冲刷受热面；►选择能够防止对流受热面出现结渣的炉膛出口烟气温度(1016℃)；►采用合理的过热器和再热器管屏的横向节距和结构形式，防止部件管子出列、变形和结渣；►采用了较小的燃烧器热功率，采用48只较小功率的燃烧器；►控制燃烧器中燃料和空气的分布，保证了沿整个炉膛宽度的均匀燃烧并防止还原区的形成；►燃油期间的燃烧调整►在锅炉点火启动过程中，发现燃烧器与油枪的配合存在较大问题，造成燃油时冒黑烟严重。►分析燃烧器配风发现，这是油枪燃烧初期缺风引起的。BHK设计的油枪出力较大，达到1350kg/h，而油枪布置在煤粉燃烧器中心，只有中心风才能有效供给油雾燃烧初期需要的大量空气，二、三次风出口距离油枪喷嘴较远，旋转后扩展角较大，将外二次风调风器开度为100%（燃油位），相应的扩展角为60°，而油枪本身的雾化角较小，二次风无法有效参与油枪燃烧，且中心风箱流通面积远小于二次风。因此，调试初期在所有风门全开的情况下单纯增大炉膛进风量对消除黑烟效果有限。为此，首先更换了油枪雾化片，将油枪出力减至900kg/h；同时保证二次风总风量在30～40％BMCR，关闭未运行燃烧器层的所有入口风门，关小运行层大风箱入口风门，全开中心风入口风门，在减少无效进风的同时提高运行燃烧器层大风箱的风压，增大中心风的流量，当二次风压达到1.7～1.8kPa后，油枪燃烧良好，火焰明亮，冒黑烟现象消除。►燃煤时的燃烧调整►为了保证煤粉的稳定着火和稳定燃烧，燃煤时必须保证燃烧器具有一定的旋流强度，使回流烟气量满足煤粉着火和稳定燃烧的需要。设计燃烧器外二次风