600MW超临界褐煤锅炉设计与开发.pdf

第 1期 2 0 1 3年 1月 锅炉制造 B0I LER MANUFACTURI NG No ． 1 J a n． 2 01 3 文章编号 C N 2 31 2 4 9 2 0 1 3 0 1 0 0 0 1 0 5 6 0 0 MW 超 临界褐煤锅炉设计 与开发 赵彦华 哈 尔滨锅炉厂有限责任公 司， 黑龙江 哈 尔滨 1 5 0 0 4 6 摘要 本文介绍国内某电厂 6 0 0 MW 超临界褐煤锅炉设计开发特点， 性能参数 ， 燃料特性， 结构特点， 运行及 控制等， 该炉型是国内具有自主知识产权的新产品、 新技术 ， 技术水平达到国际先进 ， 国内领先。 关键词 设计 ； 性能 ； 结构； 超临界 、 中图分类号 T K 2 2 3 文献标识码 A De s i g n a n d De v e l o p me n t o f 6 0 0 M W S u p e r c r i t i c a l Li g n i t efir e d Bo i l e r Zh a O Y an h u a H a r b i n B o i l e r C o ． ， L t d ． ， H a r b i n 1 5 0 0 4 6 Ab s t r a c t T h i s t h e s i s i n t r o d u c e s d e s i g n a n d d e v e l o p me n t f e a t u r e s ， p e r f o r ma n c e p a r a me t e r ， f u e l c h a r - a c t e r i s t i c s a n d s t r u c t u r e f e a t u r e s o f s o me 6 0 0 MW s u p e r c r i t i c a l l i g n i t efi r e d b o i l e r ， t h i s b o i l e r t y p e i s t h e n e w p r o d u c t a n d n e w t e c h n o l o g y w i t h i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e r t i e s i n C h i n a， wh i c h h a s r e a c h e d a d v a n c e d i n t e r n a t i o n a l l e v e 1 a n d 1 e a d s i n C h i n a ． Ke y wo r d s d e s i g n；p e r f o rm a n c e；s t r u c t ur e；s up e r c r i t i c al 0 引 言 电厂装备两台6 0 0 M W 超临界褐煤汽轮发电 机组 ， 锅炉为一次中间再热 、 超 临界参数、 变压运 行方式 、 带再循环泵启动系统 的直流锅炉 ， 该锅炉 采用单炉膛、 平衡通风、 固态排渣、 全钢架悬吊结 构 、 I I 型布置、 紧身封闭结构。锅炉配置 8只直流 式燃烧器 ， 八角布置方式 、 采用切圆燃烧 ， 设计煤 种为褐煤。在主燃烧器区上方布置有 S O F A燃烧 器， 实现分级燃烧降低 N O 排放， 采用风扇磨直 吹式制粉 系统 ， 配 8台高速风扇磨煤机 。 锅炉 以最大连续 出力工况 B MC R 为设计参 数 ， 最大连续蒸发量为 1 9 0 0 t ／ h 。在任何 6台磨 煤机运行时， 锅炉能长期带 B MC R负荷运行 。 1 锅炉设计输入要求 1 ． 1 锅炉容量及主要参数 锅炉主要参数见表 1 所示。表 1中， B M C R 工况表示锅炉最大连续出力工况 ， 对应 于汽轮机 在阀门全开 时 V WO工况 的进 汽量参数 ； T R L 工况对应于汽轮机 T R L负荷参数 ； ． 压力单位 中 “ g ” 表示表压 ， “ a ” 表示绝对压 以后均 同 。 1 ． 2 燃料特性 燃料特性见表 2所示。 收稿 日期 2 0 1 20 61 8 作者简介 赵彦华 1 9 6 5 一 ， 男， 毕业于上海机械学院， 一直从事锅炉设计及技术管理工作， 副总工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 锅炉制造 总第 2 3 7期 表 2 燃料特性 设计煤种 7 7 ． 8 1 1 5 5 1 2 1 0 1 2 4 3 2 6 ． 2 8 4 4 ． 4 0 2 2 ． 7 7 6 ． 3 2 1 3 ． 3 2 0 ． 8 5 1 ． 6 8 0 ． 3 9 2 ． 7 0 6 ． 2 4 0 ． 1 5一 校核煤种 6 6 1 1 1 0 1 1 5 0 1 1 7 0 2 9 ． 6 0 4 8 ． 4 4 2 1 ． 0 0 8 ． 2 8 7 ． 3 2 0 ． 7 8 2 ． 0 4 0 ． 6 8 1 ． 9 8 9 ． 2 1 0 ． 1 3 1 ． 3 锅炉给水质量标准 补给水制备方式 一级除盐加混床系统或反 渗透加 E D I 。 锅炉给水质量标准 按 c wr工况设计 ， 即联 合水处理工况设计 总硬度 一 0 m o l ／ 1 溶解氧 化水处理后 ≤7 g ／ l 铁 ≤2 0 g ／ l 铜 ≤5 l 二氧化硅 ≤2 0 g ／ l 油 ～ 0 ． 3 m g ／ l P H值 9 ． 0 9 ． 5 电导率 2 5 o C ≤O ． 3 Iz S ／ c m 1 ． 4 自然条件 工程在地势开阔、 场地平坦 ， 厂 区自然地面标 高在6 7 9～ 6 9 0 i n 范围， 平均高程6 8 4 ． 5 m。 厂区地层上部为第四系冲洪积层 ， 下部为古 生界泥盆系凝灰岩。地震基本烈度小于6度。 水文气象条件 平均最高气温 平均最低气温 极端最高气温 极端最低气温 4 ． 8℃ 一 9． 1℃ 3 6 ． 7℃ 一 4 8 ． 5℃ 平均相对湿度 6 8％ 平均气压 9 4 1 ． 7 k P a 年平均风速 3 ． 3 m／ s 最大风速 3 3 ． 9 r n ／ s 最大 日降雨量 1 0 9 ． 4 mm 最小年降雨量 2 3 0 m m 基本风压值0 ． 6 5 k P a 基本雪压值0 ． 5 k P a 最大冻结深度 一 3 m 电厂所在地区属大陆性气候， 主导风向 南南 西； 冬季 南南西 ； 夏季 南。 1 ． 5 锅炉运行 锅炉运行方式 带基本 负荷并参与调峰。 制粉系统 采用风扇磨直吹式制粉系统 ， 每炉 配 8台磨煤机， 6台运行 2台备用， 采用高温炉 烟、 热风、 冷烟三介质制粉干燥剂。 给水系统 每台机组配置 25 0 ％BM C R 汽动给水泵及3 0 ％电动启动给水泵。 汽轮机旁路系统 采用 3 0 ％B M C R容量一 级大旁路。 排渣方式 固态连续排渣 ， 采用一台风冷式排 渣机 。 空气预热器进风加热方式 风道加装暖风器 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 赵彦华 6 0 0 MW超临界褐煤锅炉设计与开发 3 2 锅炉技术和结构特 点 2 ． 1 技术特点 本锅炉是超临界燃 煤直流锅炉 ， 可适用于各 种变压工况运行， 具有较高的锅炉效率和可靠性， 其技术特点如下 锅炉采用单炉膛八角布置的直流燃烧器， 切 向燃烧 ， 配 8台风扇磨煤机 ， 正压直吹式系统 ， 每 角燃烧器为五层一次风喷 口， 燃烧器为 固定式 ， 不 摆动 ； 在 B MC R工况燃用设计煤种 时， 6台磨煤机 运行。 锅炉采用带有循环泵 的启动 系统 ， 具有快速 启动能力 ， 缩短机组启动时间 ； 在锅炉启动阶段可 以节约大量工质 ， 减少机组制水 系统压力 ， 并能够 充分保证锅炉省煤器及水冷壁的安全运行。 炉膛上部布置大节距的过热器分隔屏以增加 过热器 的辐射特性 。分隔屏沿炉宽方向布置六大 片 ， 起到切割旋转 的烟气流 以减少进入水平烟道 沿炉宽方向的烟温偏差 。 各级过热器和再热器最大限度地采用蒸汽冷 却的定位管和吊挂管， 以保证运行的可靠性 ， 针对 不 同的管屏布置位置和结构特点采取不 同的结构 措施。 根据运行经验 和设计煤种 的特性 ， 对 流受 热 面 的设计采用较低的烟速。 各级过热器和再热器采用较大 的横 向节距 ， 防止在受热面上结渣结灰。 各级过热器 分 隔屏 除外 和再热器均 采用 较大直径的管子 ， 如 5 1 、 q b 5 7 、 3 、 7 0等 。增 加管子在制造和安装过程 中的刚性 ， 有利于降低 过热器和再热器的阻力 ； 这种大直径管子的顺 列 布置对降低管子的烟气侧磨损及提高抗磨能力均 有利。 各级过热器、 再热器之间采用两 根大直径连 接管交叉连接 ， 对蒸汽起到 良好的混合作用及消 除偏差 。 每 台锅 炉装有二 台两分仓 回转式 空气预 热 器 。 锅炉的过热器出口及再热器出口均装有直接 作用的弹簧式安全阀。在过热器出口处装有两只 动力控制阀 P C V 以减少安全阀的动作次数。 汽温调节方式 为消除过热器 出 口左右 汽温 偏差 ， 过热器采用二级 四点 喷水 。第 一级喷水减 温器布置分隔屏过热器与后屏过热器之间的大直 径连接管上 ， 左 、 右各一点 ； 第二级喷水减温器布 置在后屏过热器与末级过热器之间的大直径连接 管上 ， 左 、 右各一点 ； 减温器采用笛管式。再热器 采用喷水调温， 低温再热器与末级再热器的连接 管上布置两只雾化喷嘴式的喷水减温器。过量空 气系数的改变对过热器和再热器 的调温也有一定 的作用。 过热器、 再热器受热面材料选取 留有大 的裕 度 。为了降低超 临界锅炉因过热器和再热器出口 汽温的提高所导致的高温段受热面烟气侧高温腐 蚀和管 内高温氧化 ， 采用大量的奥氏体钢管。 锅炉除按 A S ME法规计算受压部件 强度外 ， 还充分考虑了二次应力对强度 的影响 ， 对主要管 系和特殊区域广泛进行应力分析 ， 以确保锅炉运 行安性 。 炉膛结构部件 包括刚性梁 、 炉顶密封装 置、 水冷壁与冷灰斗的连接部分 进行强度计算时， 炉膛设计承压能力按 6 5 0 0 P a考虑。锅炉 刚性 梁按炉膛内最大瞬间压力 - 9 9 8 0 P a设计。此设 计压力 系考虑紧急事故状态下 主燃料切断、 送风 机及脱硫风机停运 出现瞬间最大抽力时所造成 的 炉膛内瞬间最大负压 在锅炉的尾部烟道环形下集箱设计较大容量 的疏水管路 ， 锅炉启动时利用 此管路疏水 以达到 加速过热器升温的 目的。 锅炉装 有炉膛监察保护 系统 F S S S 。用于 锅炉的起停 ， 事故解列以及各种辅机的切投 。其 主要功能是炉膛 火焰检测 和灭火保护 ， 对防止炉 膛爆炸和“ 内爆” 有重要意义。 机组既可按滑压运行 ， 也可按定压运行 。当 锅炉低负荷运行及启动时 ， 推荐采用滑压运行 ， 以 获得较高的经济性。 本工程 的炉型为 自主开发的 6 0 0 M W 等级超 临界锅炉 ， 具有成熟 的设计和制造经验 ， 机组的可 用率和可靠性高， 可以满足用户的各种技术要求。 2 ． 2 结构特点 锅炉下部水冷壁采用螺旋管圈 ， 上部水冷壁 结构为一次上升垂直管屏结构， 二者用集箱过度。 螺旋管圈中各管子以相同形式自下向上绕过炉膛 角部和中部， 水冷壁各管吸热比较均匀， 管子之间 热偏差较小， 水冷壁出口介质温度与金属壁温均 匀， 此结构对燃烧各种工况适应性比较强。 在上炉膛分隔屏过热器区域布置 8 个高温炉 烟抽烟口， 其中水冷壁左、 右侧墙各 3 个 ， 水冷壁 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 锅炉制造 总第 2 3 7期 前墙 2个 。通过该位置的 8个抽烟 口抽取高温炉 烟用于煤粉干燥。 省煤器采用 H型省煤器 ， 传热效率高， 受热 面管组布置紧凑 ， 烟气侧和工质侧流动阻力小 ， 耐 磨损 ， 防堵灰， 部件的使用寿命长。 为了保持过热器和再热器部件的横向节距和 防止晃动， 采用蒸汽冷却夹管和蒸汽冷却间隔管 结构。 过热器喷水系统设有二级喷水旁路系统 ， 其 作用是当锅炉处 于直流负荷以上 ， 由于溢流管路 暖管流量造成贮水箱 内水位升高时， 可将水排人 过热器减温水系统 ， 通过减温器喷人过热器 ， 从而 控制贮水箱水位。 锅炉尾部采用单烟道， 尾部烟道内只布置低 温再热器及省煤器。主要通过调节再热器减温水 喷水量控制再热蒸汽温度。 省煤器采用 H型管顺列布置 ， 采用较低 的烟 气流速并装设 防磨盖板 等有效措施 ， 减少受热面 的磨损， 同时也降低了省煤器系统的阻力。 3 锅炉整体布置特性 3 ． 1 水冷壁 、 折焰角和水平烟道包墙 水冷壁、 折焰角和水平烟道包墙均为管子加 扁钢焊接成的膜式管屏。 给水经过省煤器进入水冷壁下集箱 ， 再进入 水冷壁冷灰斗 。灰斗部分水冷壁 由前 、 后水冷壁 下集箱引出的光管组成的管带 围绕而成 。经过灰 斗拐点后， 管带以一定螺旋倾角盘旋上升， 螺旋管 屏上升过程中， 将绕过煤粉燃烧器和燃烬风喷口 形成喷 口管屏 。 螺旋管圈水冷壁通过中间集箱转换成垂直管 屏。相邻的中间集箱均用 1 根压力平衡管连接。 前墙和两侧墙垂直管屏上升并与位于顶棚上方的 出口集箱相连接 ， 后墙垂直管屏上升与后水 吊挂 管入 口集箱相接 ， 此集箱引 出吊挂管至 吊挂管 出 口集箱。在水动力分析完成后 ， 为保证 四面水冷 壁的流量分配均衡， 防止吊挂管在低负荷时发生 流动停滞， 在所有后水吊挂管入口段均加装了节 流短管， 用以增加管屏的流动阻力。 在运行过程中为监控水冷壁的壁温， 在螺旋 水冷壁管出口装设了壁温测点。 前和侧水冷壁出口集箱与吊挂管出口集箱通 过管道与下降管相连， 下降管向下在折焰角后汇 合成折焰角入口集箱， 从折焰角人 15 汇集集箱所 引出的连接管与折焰角人口集箱及水平烟道侧墙 人口集箱相连接。 折焰角穿过后水 吊挂管形成水 平烟道底 包 墙， 然后形成水平烟道管束与出口集箱相连。水 平烟道侧墙出口 集箱与水平烟道管束出口集箱引 出连接管与 4只启动分离器相连接。 3 ． 2 省煤器 在尾部 的后烟道 内低温过热器下方布置有省 煤器管组 ， 省煤器采用 H型双肋片管。省煤器 以 顺列布置 ， 以逆流方式与烟气进行换热。 省煤器采 用悬 吊管结构 的方式来悬 吊省煤 器， 每组悬吊管分别悬挂两排省煤器管束。 在吹灰器工作范围内省煤器管布置防吹损的 护板。省煤器连接出口集箱的管束， 均加装瓦形 防磨罩， 省煤器的最上排均加装梳形防磨罩， 省煤 器管组与烟道前后墙及两侧墙间均布置烟气阻流 隔板。 省煤器出口集箱引出一根下降管， 在此下降 管上引出两根管路 ， 一根连接至省煤器再循环管 ， 作为循环泵停运时的暖泵管路； 另一根与贮水箱 溢流管相连， 作为溢流管的暖管管路， 一直将水引 至溢流阀的上游 ， 保持管路的暖态 ， 避免当贮水箱 突然产生水位而使管路受到热冲击。这两路暖管 管路引入的水最后都会进入到贮水箱 中， 并被蒸 发或经二级减温水旁路进人过热器系统 。 下降管分成两根小下降管， 并分别引至炉膛 冷灰斗处的两侧与分配集箱连接。每根下降管分 配集箱上的连接管分别与水冷壁前 、 后集箱入 口 连接 。 3 ． 3 过热器 过热器系统按蒸汽流程依次为顶棚包墙过热 器 、 分隔屏过热器 、 过热器后屏与末级过热器。 来 自分离器蒸汽被 引入顶棚管入 口集箱 ， 经 上炉膛和水平烟道上 的顶棚 管 ， 进入尾部包墙形 成顶棚包墙过热器。从环形 集箱 中的前、 后下集 箱分别引出两路蒸汽冷却 吊挂管悬 吊省煤器及低 温再热器。因省煤节距与低温再热器沿炉宽方向 的节距不同， 所以在省煤器与低温再热之间的吊 挂管处布置四根转换集箱， 以实现吊挂管节距的 转变。并在转换集箱处抽出部分吊挂管悬吊省煤 出口 集箱及低温再热器人口集箱等。所有吊挂管 穿出顶棚后汇集进入吊挂管出口集箱， 并通过连 接管最后连接到包墙出口汇集集箱。沿锅炉对称 中心线对称布置两只汇集集箱 ， 蒸汽进入汇集集 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 赵彦华 6 0 0 M W 超临界褐煤锅炉设计与开发 5 箱充分混合后， 经两根连接管引入到锅炉分隔屏 过热器 。 分隔屏过热器布置在炉膛上方 ， 前水冷 壁和 后屏过热器之间 ， 沿炉宽方 向布置六 大片。从分 隔屏过热器 出口集箱引出的蒸汽经两根左右交叉 的同规格的连接管及 一级喷水减温器 ， 进入后屏 过热器入 口集箱 。 后屏过热器位于炉膛上方折焰角前 ， 沿整个 炉膛宽度方向均匀布置。蒸汽经过后屏过热器加 热后， 经两根根左右交叉的同规格的连接管及二 级喷水减温器 ， 进入末级过热器人口集箱。 末级过热器位于水冷壁吊挂管后方的水平烟 道内， 沿整个炉宽方 向均匀布置。从末级过热器 出口 集箱端部引出的两根管道在锅炉炉前前部汇 和而成一根主汽管道引入汽轮机。 3 ． 4 再 热 器 从汽轮机高压缸做功后的蒸汽进入到再热蒸 汽冷段管道 。在锅炉构架 内 ， 锅炉两侧各 布置一 根再热器冷段管道 ， 与尾部烟道中的低温再热器 人 口集箱连接。 低温再热器 由水平管组和立式管组组成 。蒸 汽经过低温再热器加热后 ， 经两根左右交 末级再热器位于折焰角的上方 ， 后屏过热器 和后水冷壁 吊挂管之间。沿炉宽方 向均匀布置。 末再出口在集箱两端引出并在锅炉炉前汇成一根 管道后将高温再热蒸汽送到汽轮机 中压缸 。在两 根再热蒸汽管道上分别装设 4只弹簧安全阀。安 全阀全部布置于再热器出口， 当安全阀动作时， 可 保证有全部流量的再热蒸汽来冷却再热器受热面 管， 使得再热器受到充分的保护。 3 ． 5 启动系统 启 动 系统 设 置再 循 环 泵。当 锅 炉 负 荷 在 3 0 ％B M C R以下负荷时， 分离器起到汽水分离 的作用， 蒸汽被分离出流人过热器系统， 水则进人 贮水箱 ， 由再循环泵 引人省煤器给水管道 中。当 锅炉负荷大于3 0 ％B MC R时， 分离器处于干态运 行 ， 只作为蒸汽通道。 启动分离器为立式简体 ， 共 4只 ， 布置于锅炉 前部上方。从水平烟道侧包墙和管束出口 集箱出 来的介质经6根下倾 1 5 。 的切向引入管在分离器 的顶端引人， 在直流负荷下汽水混合物在分离器 内进行高速旋转， 并依靠离心和重力的作用汽水 自动分离 。 贮水箱数量为 1 只， 也是立式简体， 在其下部 共有 4根来 自分离器的径向连接管分两层引入分 离器的疏水 。 本工程贮水箱和4只分离器平行、 并联布置， 分离器出水管提供一定的有效贮水容积， 使得贮 水箱 的体积相对减小 。由于贮水箱和分离器并联 可能因相互间的压力不均衡而引起各 自的水位波 动 ， 因此在贮水箱上部引 出 4根压力平衡管 与分 离器 出水管相连来保持压力 的平衡。 贮水箱中水经锅炉再循环泵进入省煤器入 口 管道 ， 与锅炉给水混合进入省煤器 ， 作用是满足水 冷壁 中运行最小流量 ， 或 当贮水箱水位高 出循环 泵控制区段是可以经溢流管上溢流阀排到疏水扩 容器中。 再循环泵出 口调节 阀根据贮水箱 中的相应水 位将再循环流量控制在 0～ 3 0 ％B M C R范围。溢 流阀的动作和调节同样根据贮水箱 中相应的控制 水位范围来进行的。贮水箱出口的 2个疏水分别 为水冲洗管路和溢流管路， 水冲洗管路上的电动 闸阀在锅炉正常启动后将时其闭锁 ， 以避免对疏 水扩容器造成冲击 。溢流管路上的溢流调节阀在 整个亚临界压力范围内都可以投用。 锅炉起动过程中为避免因负荷变化率过大而 使贮水箱产生过大的应力 ， 在贮水箱上设置了两 只热电偶分别监测内、 外壁金属温度。通过监测 温度变化率来限制机组的负荷变化率。贮水箱内 外壁温差限制在 2 5℃以内， 内壁金属温度变化率 限制在 5 o C ／ m i n 。 4 结束语 本文介绍了我国 自主研发 的 6 0 0 MW 超 临界 褐煤锅炉的设计开发技术， 对我国丰富褐煤资源 的应用提供了一个节能、 环保、 高效的先进动力装 备， 技术水平达到国内首创世界先进， 自机组运行 以来各项指标完全满足用户要求 ， 受到业主好评 ， 此炉型成功开发为今后褐煤向更大容量发展奠定 了坚实的技术基础， 对褐煤锅炉产品走向世界具 有深远意义。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m