670MW超临界机组锅炉技术特点及其性能研究
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作者: 林亚伟
摘要：本文从如参数、结构、燃烧系统、材料、启动系统选择等几个方面阐述了670 MW超临界机组锅炉技术特点，对锅炉总体布置及内置启动分离器、燃烧方式、水冷壁及炉膛特点进行技术探讨，并对机组性能展开分析，为电厂一线工程师作技术参考。
关键词： 超临界；锅炉；技术特点；性能
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。超临界锅炉作为超临界机组三大主机设备之一，具有参数高、负荷变化速度快、启动系统设计特殊等特点，其可靠性问题显得越来越重要，国内外用户对机组可靠性的要求也越来越高。
一、几种常见的670 MW超临界机组锅炉技术特点
（一）锅炉总体布置及内置式启动分离器的技术特点
锅炉的汽水流程从分离器出口到过热器出口集箱为过热器系统，以内置式汽水分离器为分界点，另有省煤器系统、再热器系统和启动系统。水冷壁入口集箱到汽水分离器为水冷壁系统，过热器采用四级布置，从炉顶过热器至分隔屏过热器，再从分隔屏过热器至后屏过热器，最后回到末级过热器。在上炉膛、折焰角和水平烟道内分别布置了分隔屏过热器、屏式过热器、末级过热器和末级再热器，所有过热器、再热器和省煤器部件均采用顺列布置，以便于检修和密封,防止结渣和积灰。采用内置式汽水分离器,内置式汽水分离器结构简单,易于控制，容量为35%BMCR，与锅炉水冷壁最低质量流量相匹配，可以锅炉本身各受热面间以及汽机间工质状态的匹配，并实现工质和热量的回收。在启动完毕后,并不从系统中切除,而是串联在锅炉汽水流程内，从炉膛冷灰斗水冷壁进口集箱（标高5700mm）到标高47292mm处炉膛四周采用螺旋管圈，在此上方为垂直管水冷壁。当机组启动，锅炉负荷低于最低直流负荷35%BMCR时，蒸发受热面出口的介质流经汽水分离器进行汽水分离，蒸汽通过汽水分离器上部管接头进入炉顶过热器,参数为除氧器的参数，建立启动流量。实现进入分离器汽水混合物的两相分离，使分离出来的水的质量和热量得以回收，并向过热器、再热器、暖管、冲转和带负荷提供汽源。点火后随燃烧量的增加,进入分离器的工质压力、温度和干度不断提高，汽水混合物在分离器内实现分离。蒸汽进入过热器系统,水排入疏水扩容器实现工质回收。
（二）超临界机组锅炉燃烧方式的特点
从目前电厂锅炉燃烧器来看，四角切圆燃烧方式是电厂比较常用的一种燃烧方式，这种方式的特点是采用锅炉燃烧系统按中速磨冷一次风直吹式制粉系统设计，24只直流式燃烧器分6层布置于炉膛下部四角，煤粉和空气从四角送入，在炉膛中呈切圆燃烧方式。从稳燃性能看，这些锅炉不投油最低稳燃负荷率试验值为41.1%~52%，可调度值为50%~63%。黄岛这两台锅炉不投油最低稳燃负荷率试验值为40%~55%，可调度值为40%~60%，且略有优势。过热器汽温通过煤水比调节和两级喷水来控制，再热器汽温采用燃烧器摆动调节，再热器进口连接管道上设置事故喷水，使电厂入炉煤可燃基挥发份都高于无烟煤的上限值。尾部烟道下方设置两台转子直径14236mm 三分仓受热面旋转容克式空气预热器。炉底排渣系统采用机械出渣方式，锅炉运行层标高为13700mm。从燃尽性能看，对锅炉已投运多年的5、6号锅炉中，6号锅炉燃尽效果最好，飞灰含碳月平均Cfh=2%~2.5%，、5号锅炉燃尽率不佳，原因是当入炉煤Vdaf=8%~10%时，5号锅炉飞灰含碳月平均可达Cfh=3%~ 3.5%，使35％兖州地区烟煤和65％晋中地区贫煤的混煤得不到有效的利用。
（三）超临界机组锅炉水冷壁及炉膛的技术特点
由于尺寸与通过水冷壁足够的质量流量的矛盾，在炉膛周界尺寸确定后，直流锅炉水冷壁的设计难以兼顾炉膛周界。对垂直管圈水冷壁而言，为了保证具有足够的质量流量，在选择水冷壁管径时，会遇到很大的困难，采用螺旋管圈的形式，使得管间吸热偏差小，热偏差也小，适用于变压运行要求。带内置式启动分离器的超临界压力螺旋管圈变压运行直流锅炉水冷壁，其吸热偏差小，水冷壁进口可以不设置改善分配的节流圈，降低了阻力损失。还可以严格限制水冷壁的吸热份额，有良好的膨胀性能和温度跟踪性能，但水冷壁的制造工艺较复杂，其焊接和变形的校正都较碳钢管复杂。而与与螺旋管圈相比，垂直型水冷壁的主要优点为结构简单、便于安装；较好的正向流动特性，在各种工况下保证水动力的稳定性；不易结渣在传统的一次上升垂直水冷壁的基础上；不需用复杂的张力板结构，启动或负荷变化时热应力较小；阻力较小，比螺旋管圈水冷壁少约1/3等等。炉膛的高度基本上取决于炉膛出口烟温和保证煤粉的燃尽,对于灰熔点低、易结渣的核煤煤种，比灰份软化温度低230℃，工况下炉膛出口烟温1000℃，这种设计较为保守，可以确保在炉膛内和对流受热面不结渣，安全运行。
二、超临界670 MW机组性能分析
（一）垂直管屏式锅炉火焰性能
内螺纹管螺纹高度、螺纹宽度、导角、圆角等几何特性影响管内工质流态，是上个世纪后期就有的水冷壁管技术，在临界压力区管内流态易偏离核态沸腾而转向膜态沸腾,使管子冷却变差而过热。经优化后，光管、标准内螺纹及优化内螺纹管的传热特性有了较大的提高，水冷壁为多通道垂直上升结构，炉膛四周布置φ60mm×7mm钢管的膜式水冷壁，炉膛折焰角的上方布置对流过热器，上部布置有前后屏过热器，炉顶、水平烟道两侧及转向室设置成顶棚和包墙管过热器。尾部竖井烟道中布置有低温再热器，其下依次布置二级管式空气预热器、主省煤器和一级管式预热器，在低温再热器前面的旁路烟道中布置有旁路省煤器，可确保运行安全稳定。在高质量流速情况下，采用多根水冷壁管并联，沿程摩擦阻力占较大比例，受热较多的管子产汽量增加,阻力增加，使流速下降,为负向响应特性,因受热不均，,而出现个别管过热，受热多的管子静压头下降大于摩擦阻力增加,管内流速随之增加,产生正向响应，具有低质量流速正向自动补偿的特性。
（二）针对燃用煤种及机组投运方式的性能设计
针对工程煤质进行锅炉设计，采用成熟可靠的性能计算方法，充分分析煤质的结渣、着火、燃尽、磨损、沾污等特性，考虑煤种及其变化范围，利用计算机对锅炉的热力性能、过热器、再热器壁温、水冷壁水动力、受压件强度、受压件柔性应力分析及疲劳寿命等进行了全面仔细的计算。采用成熟的Π型布置炉型，对受压件管系、支吊和导向元件，蛇形管与集箱连接形状等均进行应力分析，使机组在正常运行和变负荷时各部件应力水平保持在较低水平，确保锅炉设计的可靠性和先进性。同时选用合理的炉膛容积热负荷、断面热负荷、燃烧器区域热负荷及炉膛出口烟温。考虑了与煤质特性的适应性，以保证煤粉的着火稳定、燃尽，并充分考虑防止炉内结渣，减少NOX排放。
三、结束语
综上所述，电厂670MW超超临界机组的锅炉有汽水流程以汽水分离器为分界点、采用垂直管圈、内螺纹管水冷壁、四角切圆燃烧方式、三级过热器等特性。水冷壁管低质量流速及优化内螺纹管两项技术是超临界670 MW机组垂直管圈水冷壁锅炉可行的方案，可减少污染物及其它温室气体排放量，在节能、环保方面具有较大的优势。
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