660MW超超临界锅炉技术特点及分析

2010年第2期(总第59期)

2010年4月

收稿日期:2010 02 01

第一作者简介:李亚峰,1974年生,男,山西长治人,1996年毕业于太原电力高等专科学校热能与动力工程专业,工程师。

工作研究

660M W 超超临界锅炉技术特点及分析

李亚峰, 薛青鸿

(国华陈家港发电有限公司,江苏 盐城 224631)

摘 要: 介绍了国华陈家港电厂660M W 超超临界锅炉水冷系统、启动系统、低NO x 燃烧器等的主要技术特点。指出,该型号锅炉在节能减排、环境保护等方面有显著的技术优越性。关键词: 超超临界锅炉;技术特点;系统

中图分类号: T K 229 文献标识码: A 文章编号: 1674 3997 (2010)02 0018 03

Analysis on Technical C haracteristics of 660MW Ultra Supercritical Boiler

LI Ya feng,XU E Qing hong

(GuoHua Chenjiagang Power Generation C O.,LTD.,YanC heng 224631,Jiangsu,Chi na)

Abstract:T his paper analyzed 660M W ultr a supercritical boiler technical characteristics of Guohua Chengjiag ang pow er plant.T he unit showed a more significant technical super iority on energ y saving emission r eduction,and enviro nment friendly among ul tra supercritical units throug h analyzed t he technical characteristics of water cooling system,boot,low N ox Burner etc.Key words:ultra supercr itical boiler;technical character istics;system

0 引言

中国以火电为主的电力结构,决定了节能减排的重点是煤炭的清洁利用。大力发展大容量、高参数超超临界机组是中国可持续发展、节约能源、保护环境的重要措施之一。

国华陈家港电厂一期2台660MW 超超临界锅炉是上海锅炉厂有限公司在消化吸收ALST OM 公司超超临界锅炉设计制造技术的基础上,结合超超临界机组参数、锅炉燃煤的特点及用户的特殊要求自行设计的660MW 超超临界机组锅炉。笔者在介绍该型号锅炉承压部件、燃烧系统、启动调节等方面独特技术特点基础上,指出其在节能减排、提高能效方面的优越性和发展前景。

1 总体介绍

陈家港电厂2台660M W 超超临界锅炉采用的是超超临界参数变压运行螺旋管圈与垂直管屏直流炉结合、单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、 型露天布置,固态排渣,全钢架悬吊结构。额定工况及BM CR 工况主要参数见表1。

炉膛上部布置有分隔屏过热器和后屏过热器,炉膛折焰角上方布置了高温过热器,水平烟道布置了高温再热器,尾部烟道为并联双烟道,后烟井前烟道布置

有低温再热器、后烟道布置有低温过热器,在低温再热器和低温过热器管组下方布置有省煤器,省煤器的型式与常规机组一样。

表1 额定工况及BM CR 工况主要参数

名称单位额定工况

BM CR 工况

过热蒸汽流量t/h 1940

2037

过热蒸汽出口压力M Pa 26.0326.15过热蒸汽出口温度 605605再热蒸汽流量t/h 16291716再热蒸汽进口压力M Pa 5.84 6.16再热蒸汽进口温度 377386再热蒸汽出口压力M Pa 5.66 5.97再热蒸汽出口温度

603603给水温度

294

298

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,在炉膛中呈切圆方式燃烧。

过热器汽温通过煤水比调节和三级喷水来控制。再热器汽温采用烟气挡板调温、燃烧器摆动和过量空气系数的变化调节,两级再热器之间连接管道上设置微量喷水。

2 技术特点及分析

2.1 省煤器及水冷系统

超超临界锅炉采用一级省煤器,并联布置在后烟井中,分别在低温再热器和低温过热器的下部。给水由锅炉左侧单路经过电动闸阀和止回阀后进入省煤器

18

进口集箱,流经后烟井前后烟道省煤器管组、中间集箱和悬吊管,汇合于省煤器出口集箱。

超超临界锅炉水冷壁管内流过的是具有一定过热度的蒸汽,即拥有一部分过热器的功能。660MW超超临界锅炉水冷壁部分采用下部螺旋管圈和上部垂直管屏的形式。所有的管子不采用内螺纹管,均为光管。炉膛宽度18.816m,深度18.816m,水冷壁下集箱标高为8.00m,炉顶管中心标高为74.93m,大板梁底标高83.53m。炉膛由膜式壁组成,炉底冷灰斗角度为55!;从炉膛冷灰斗进口(标高8.00m)到标高51.573m 处炉膛四周采用螺旋管圈,管子规格为直径38.1mm,节距为54mm,倾角为18.7493!。在此上方因上辐射区热负荷较低,采用了一次垂直上升管屏,管子规格为直径34.9mm,节距为56mm。螺旋管与垂直管的过渡采用中间混合集箱。

这种布置的方式有以下特点:

a)并联管的热偏差小。该螺旋管的环绕圈数大于1圈,使并联各管的受热条件基本相同,且炉膛热负荷分布的变化对并列管吸热的影响很小,因此,螺旋管圈并列管的热偏差很小,可不装设水冷壁管进口节流圈。由于燃烧系统采用切向燃烧,故炉膛每侧的热负荷曲线是基本一致的;

b)因各管内吸热均匀,当压力变化时,管内汽水温度波动较小,故这种布置使燃料的适应性广,便于滑压运行;

c)螺旋管圈在不采用内螺纹管的情况下也能保证低负荷时水冷壁管的安全工作。

螺旋管圈的倾斜角 与炉膛周界并联管数n之间有如下关系[1]:

n=L/s sin ,

式中,n为炉膛周界并联管数;L为炉膛横断面周界长度,m;s为螺旋管管中心节距,m。

当L,s一定时,降低管子的倾斜角就可减少并联管数。后者可使工质的质量流速升高,对水冷壁的冷却有利。例如对于垂直管 =90!,sin =1;螺旋管 为14!~30!时,sin 为0.242~0.500。可见垂直管的管数是螺旋管数的4.13倍~2.00倍,即在相同的炉膛周界及管子中心节距下,螺旋管圈的并联管数可减少1/2~1/3,即在管径不变的情况下,质量流速可提高1倍~3倍。

考虑锅炉实际投运时,一次侧阻力过大,增加用户日常运行的电耗。为此,将螺旋管与垂直管的比例由原来的1?4改为优化后的1?3,使省煤器至过热器出口阻力相应地由4.0M Pa~ 5.0MPa减小为3.5M Pa~ 4.0MPa。这样以增大螺旋倾角方式减少螺旋管的阻力达到降低总阻力的目的。

2.2 过热器系统和再热器系统

660MW超超临界锅炉的过热器系统采用4级过热器的布置方式。过热器系统按蒸汽流向分为顶棚和包墙过热器、低温过热器、分隔屏过热器、后屏过热器及末级过热器。其中,主受热面为低温过热器、分隔屏过热器、后屏过热器、末级过热器。分隔屏和后屏过热器布置在炉膛的上部,主要吸收炉膛内的辐射热量。末级过热器布置在炉膛折焰角上方,炉膛后墙水冷壁吊挂管之前,受热面呈顺流布置,主要靠辐射和对流传热吸收热量。其中,为减少蒸汽阻力损失,在BM CR工况下,约29.5%的BM CR蒸汽经旁通管直接进入炉顶出口集箱。

660MW超超临界锅炉再热器受热面分为两级,即高温再热器和低温再热器。高温再热器布置在水平烟道上方,低温再热器布置在尾部双烟道前侧。高温再热器顺流布置,受热面特性表现为对流特性;低温再热器逆流布置,受热面特性为纯对流。

这种布置方式的特点是:

a)应用于高温段高温级受热面顺流式管壁温度最低,但传热温差最小,相同传热量所需受热面是最多的。反之,逆流式对于低温段低温级所需受热面最少;

b)受热面间连接管道进行左右交叉布置,减少蒸汽侧的烟气偏差,如,在后屏过热器和高温过热器之间,设置#级喷水减温并左右交叉以减少左右侧汽温偏差;如,低温再热器至高温再热器之间采用交叉连接,消除再热器的蒸汽偏差。

2.3 启动系统

在启动系统设计中,最低直流负荷的流量是根据炉膛水冷壁足够被冷却所需要的量来确定的。即使一次通过的蒸汽量小于此数值时,炉膛水冷壁的质量流速也不能低于此数值。炉水再循环提供了锅炉启动和低负荷时所需的最小流量,选用的循环泵能提供锅炉冷态和热态启动时所需的体积流量。该型号锅炉启动系统采用带再循环泵的内置式启动系统(见图1)

。

图1 带再循环泵的启动系统

相对于简单疏水系统,带再循环泵的启动系统,其

19

2010年第2期 李亚峰,等:660M W超超临界锅炉技术特点及分析 2010年4月

特点是:

a)循环泵与给水泵串联,使进入循环泵的水来自下降管或锅炉给水管或同时从这两者中来。这样的布置使得各种启动过程,总是有水流过循环泵,泵的流量恒定,无须设置任何最小流量的泵循环回路及其必须的控制设备;

b)锅炉给水的欠焓可增加循环泵的净吸压头。当分离器由湿态转向干态时,疏水流量为零。但此时循环泵能从给水管道中得到足够的流量,以保证分离器平滑地从湿态转向干态,无需进行循环泵的关停操作;

c)这种简单可靠的系统,不仅可以带泵运行,即使泵不能使用时,也照样可以不带泵启动;

d)启动和低负荷运行时,不但能回收全部工质,还可100%地回收疏水热量;

e)可有效缩短冷态和温态的启动时间。与简单疏水扩容启动系统比较,冷态启动时,点火至汽机冲转时间可缩短70min~80min,温态启动时可缩短10min~20min;

f)可降低给水泵在启动和低负荷运行的功率。2.4 低NO x 燃烧器

低NO x 燃烧技术是通过对炉内锅炉空气系数的有效控制,降低在燃烧过程中产生的NO x ,优化进入尾部烟道的烟气质量,为炉后的脱硝提供了较好的烟气条件[2]。上海锅炉厂生产的低NO x 燃烧器有如下基本特点。

a)采用CCOFA 和SOFA 实现对燃烧区域过量空气系数的多级控制。CCOFA 布置在紧贴主燃烧器的上方,SOFA 布置在主燃烧器上部。上海锅炉厂设计的低NO x 燃烧器通过在炉膛的不同高度布置CCOFA 和SOFA,将炉膛分成3个相对独立的部分(初始燃烧区、NO x 还原区和燃料燃尽区)。每个区域的过量空气系数由3个因素控制(总的OFA 风量,CCOFA 和SOFA 风量的分配以及总的过量空气系数)。这种改进的空气分级方法,通过优化每个区域的过量空气系数,在有效降低NO x 排放的同时,能最大限度地提高燃烧效率;

b)采用可水平摆动调节的SOFA 喷嘴设计,控制炉膛出口烟温偏差。布置在主燃烧器上部SOFA 不仅可以上下调节,还可以水平摆动。通过改变SOFA 的流量降低旋流强度,改变SOFA 的反切角度降低旋流强度,达到降低炉膛出口烟气温度偏差的目的;

c)采用强化着火煤粉喷嘴设计,与常规煤粉喷嘴设计比较,强化着火(EI)煤粉喷嘴能使火焰稳定在喷嘴出口一定距离内,使挥发分在富燃料的气氛下快速析出着火,保持火焰稳定,有效降低NO x 的生成,延长焦碳的燃烧时间;

d)带同心切圆燃烧方式(CFS)的多隔仓辅助风设计。采用预置水平偏角的辅助风喷嘴(CFS),使一次风煤粉气流被偏转的二次风气流(CFS)裹在炉膛中央,减少了灰渣在水冷壁上的沉积;同时在燃烧区域及上部四周水冷壁附近形成富氧区,减轻结渣并使灰渣疏松,减少了墙式吹灰器的使用频率;水冷壁附近氧量提高也降低了燃用高硫煤时水冷壁的高温腐蚀倾向。因此,采用预置水平偏角的辅助风喷嘴(CFS)设计能有效防止炉内结渣和高温腐蚀。2.5 调温方式

过热蒸汽调温采用煤水比及三级喷水减温。在直流负荷以前,过热汽温采用喷水减温控制;在直流负荷以后,过热汽温以控制煤水比为主,减温水为辅。?级减温器在低温过热器至分隔屏过热器连接管道上,用以控制进入分隔屏的蒸汽温度;%级减温器在分隔屏至后屏过热器连接管道上,用以控制进入后屏过热器的蒸汽温度;#级减温器在后屏至末级过热器连接管道上,用以控制末级过热器蒸汽出口温度。过热器系统具有强烈的辐射特性(约80%),也具有一定的对流性。这种调温方式的特点是:

a)直流负荷以前,用喷水减温调节,其调节幅度大、惯性小,调节灵敏;直流负荷以后,采用煤水比调节,尽量减少温水,以提高循环热效率;

b)减温水直接与蒸汽接触,因而对水质要求很高。再热蒸汽调温主要采用尾部烟道挡板,燃烧器摆动作为辅助调节手段,并且在低温再热器和高温再热器之间连接管道上设置有微量事故喷水减温。在分隔烟道前后烟道的出口都布置了一定数量的挡板,用于控制进入前后烟道的烟气量。在实际运行中通过挡板开度的调节控制进入前后分隔烟道的烟气量,从而调节再热蒸汽的温度。挡板的正常开度均为45!,前挡板和后挡板间为耦合关系(见图2)

。

图2 挡板工作原理

当再热蒸汽出口温度偏低时,可将再热器侧的挡板开度加大。此时挡板的阻力减少,使通过尾部分隔烟道前烟道的烟气量增加;布置在尾部的低温再热器,主要通过对流换热,烟气量增加使再热器的吸热量增加,从而使再热器出口温度达到设计值。反之,当再热蒸汽出口温度偏高时,可将再热器侧的挡板开度减小,使通过低再侧的烟气量减少,再热器出口温度可恢复到设计值。再热器系统具有纯对流特性,可调节的部分吸热量占再热器总吸热的大部分(约57%~62%),使再热汽温调节更加灵活。2.6 风烟系统

一次风用作输送和干燥煤粉用。由一次风机从大

(下转第25页)

20

2010年第2期

2010年4月

QS13;或者断开QS22、QS21,闭合QS23立即恢复疏水泵原有工频运行方式。从而,在短时间内就可恢复疏水泵的带负荷能力。

1.2 控制方式

在DCS疏水泵控制画面上,增加疏水泵变频控制窗口,实现变频器远方启停、调速。当工频运行时,采用原控制方式;当变频运行时,将疏水泵出口调阀开到90%以上,用变频调速实现排气装置水位的控制。

2 疏水泵变频调速节能分析

2.1 工频状态下的疏水泵年耗电量

采用式(1)、式(2)计算全年耗电量。

P d=31/2&U&I&cos,(1)

C d=T&P d,(2)其中,P d为电动机总功率;I为电动机输入电流;U为电动机输入电压;cos为功率因子;T为年运行时间;

C d为年耗电量值。

按机组平均负荷230M W计算,实际测得各参数为U为380V,I为64A;泵出口流量Q为125t/h;泵出口压力H为32m,泵出口调阀开度V为36%;功率因数cos为0.88;全年运行时间t为7200h/a,得出全年耗电量C d266887kW h/a。

采用工频运行,疏水泵约耗电26.7&104kW h/a。

2.2 变频状态下疏水泵的年耗电量及节电率

采用疏水泵变频调速时,仍按照年平均负荷230M W,实际测得参数为U=380V;I b为28A;泵出口流量Q为125t/h。根据式(1)、式(2)求出网侧功率损耗P b为18.42kW,C b为132685kW h。

采用变频运行,疏水泵约耗电13.3&104kW h/a。

两种方式比较,采用变频调速控制疏水泵可节电量(C d?C b)为13.4&104kW h/a,节电率(!C/C d)为(13.4/26.7)&100%=50.2%,折合降低的发电成本为0.315&13.4&104=4.22&104元。2台机组合计8.44&104元。

投入2台45kW进口变频器及控制柜的费用约为7.5&104元,电缆及施工费约为0.5&104元,初投资回收周期约为(7.5+0.5)/4.22=1.89a。

3 结语

通过对2台300MW排气装置疏水泵采用变频调速技术的改造,有效地降低了动态转矩,减少了转动设备机械冲击,消除水泵的水锤效应,延长水泵的使用时间。通过远程水位控制方式进行频率调节,既保证了生产需求,又有效地降低了能量的损耗,其节能效果相当可观。

参考文献:

[1] 刘一福,周东生.发电厂应用高压变频节能改造的若干问

题[J].电力设备,2007(9):50 52.

[2] 马小亮.中压变频调速方案[G].中国电工技术学会工业

电工专业委员会第一届会议论文集.北京:中国电工技术

学会,1999:1 3.

(上接第20页)

气中抽吸,送入三分仓预热器的一次风分隔仓,加热后通过热一次风道进入磨煤机。进预热器前有一部分冷风旁通,经冷一次风道,在磨煤机进口前与热一次风相混合作磨煤机调温风用。

二次风的作用是强化燃烧和控制NO x生成量。从大气吸入的空气,通过送风机进入预热器的二次风分隔仓,加热后经二次风道进入大风箱。从二次风大风箱上抽出二路SOFA(Separated OFA,分离燃尽风),再分四路分别引向四角的SOFA喷嘴,可有效地降低NO x的排放。

炉膛中产生的烟气流过后烟井后,通过烟道进入SCR设备。通过SCR设备后进入空气预热器烟气仓,利用烟气余热使一、二次风得到预热。从空气预热器出来的烟气,通过静电除尘器和引风机排至烟囱。

空气预热器的漏风将直接增加风机的能耗,导致厂用电的增加。优化后的空气预热器密封采用双道径向密封和轴向密封技术、焊接静密封方案(自密封)和端面旁路密封结构使空气预热器的漏风在较小的范围内。

3 结语

上海锅炉厂生产的国华陈家港电厂660M W超超临界锅炉在当前节能减排、环境保护的要求下,该型号锅炉水冷系统、启动系统、燃烧器等结构方面,相比于其他常规锅炉有着极其显著的技术优越性。

参考文献:

[1] 丁立新.电厂锅炉原理[M].北京:中国电力出版社,2006:

257 258.

[2] 姚丹花,徐雪元.上海锅炉厂有限公司超(超)临界锅炉主

要技术特点[J].锅炉技术,2009,40(4):1 7,48.

25

2010年第2期 董士刚:300M W机组排汽装置疏水泵变频改造 2010年4月